緬甸滾弄水電站重力壩抗震研究

吳余生

(云南省能源投資集團有限公司，昆明 650228)

1 工程概況

怒江出境后進入緬甸境內(nèi)稱之為丹倫江(也叫薩爾溫江)，滾弄水電站為緬甸丹倫江梯級開發(fā)方案中的第一級電站，壩址位于南寧河與丹倫江匯口上游緬甸撣邦境內(nèi)滾弄縣戶里鄉(xiāng)，距云南耿馬孟定清水河口岸約37 km。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位519 m，相應(yīng)庫容為6.59×108m3，調(diào)節(jié)庫容1.76×108m3，電站裝機容量1 400 MW，多年平均發(fā)電量72.34×108kW·h。樞紐布置主要由常態(tài)混凝土重力壩，壩身溢流表孔及沖沙底孔，左岸壩后式發(fā)電廠房、右岸泄洪兼導(dǎo)流洞等建筑物組成?；炷林亓螇雾敻叱?23 m，最大壩高103 m。

工程區(qū)位于緬甸撣邦高原的東北部，屬岡底斯-念青唐古拉褶皺系之福貢-鎮(zhèn)康褶皺帶的保山-永德褶皺束內(nèi)，處于龍陵—瑞麗斷裂與南汀河斷裂所夾持的三角地塊西南角，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂等構(gòu)造發(fā)育，場地周圍150 km范圍內(nèi)發(fā)育有多條活動性斷裂帶，地震活動較頻繁，地震基本烈度為Ⅷ度，屬潛在地震震級較大的較不穩(wěn)定地區(qū)。在強震區(qū)修建高壩大庫是水電開發(fā)面臨重大關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]，須對大壩抗震安全性進行專題研究，采取有效抗震措施，確保其抗震安全。

2 大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL 5180-2003)[3]的相關(guān)規(guī)定，滾弄水電站為一等大(Ⅰ)型工程，主要水工建筑物(大壩雍水建筑物、泄洪建筑物和引水發(fā)電建筑物)為1級建筑物。依據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NB 35047-2015)[4]的相關(guān)規(guī)定，大壩抗震設(shè)防類別為甲類，在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度作為設(shè)計烈度，則大壩按Ⅸ度設(shè)防。結(jié)合地震安全性評價成果，大壩抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期100年超越概率2%，相應(yīng)基巖地震水平峰值加速度為0.57 g；大壩抗震校核標(biāo)準(zhǔn)(最大可信度地震)采用基準(zhǔn)期100年超越概率1%，相應(yīng)基巖地震水平峰值加速度為0.70 g。

3 大壩抗震分析

鑒于工程處于高地震烈度區(qū)，地震動參數(shù)高，在工程可行性研究階段，從典型壩段平面二維，單壩段三維、整體大壩三維等3個層次，采用有限元法分析研究大壩在靜動力工況下的工作性態(tài)，全面評價大壩抗震安全性，并提出相應(yīng)的抗震措施[5]。

3.1 典型壩段平面有限元分析

采用平面有限元法對7#廠房壩段和10#溢流壩段等典型壩段進行抗震動力分析，研究壩體的位移變形和應(yīng)力分布，限于篇幅，本文重點介紹設(shè)計地震工況計算成果。

3.1.1 位移分析

設(shè)計地震工況下(靜載+設(shè)計規(guī)范譜時程)，典型壩段位移分布見圖1。

平面有限元分析成果表明，靜力荷載與規(guī)范譜地震荷載疊加后，壩體變形符合一般規(guī)律，水平向位移基本呈水平層狀分布，位移值隨壩高的增加而增大，壩頂位移最大，7#壩段和10#壩段壩頂順河向水平位移最大值分別為7.06和7.57 cm。

圖1 設(shè)計地震工況下典型壩段水平位移分布圖

3.1.2 應(yīng)力分析

設(shè)計地震工況下，典型壩段壩體豎向應(yīng)力和主應(yīng)力分布見圖2-圖3，其中主應(yīng)力等值線為各地震時段中壩體各部位的最大應(yīng)力分布包絡(luò)圖(不代表某一時刻的壩體應(yīng)力分布情況)。

平面有限元分析成果表明，地震荷載作用主要在壩體上下游表面產(chǎn)生較大的動力響應(yīng)。在設(shè)計地震工況下，主拉應(yīng)力主要集中在壩踵、壩體上下游面，上游直坡面的最大主拉應(yīng)力一般在3～4 MPa左右，下游坡面最大主拉應(yīng)力數(shù)值一般在4～5 MPa，壩踵或部分折坡區(qū)域達到6～8 MPa，壩體內(nèi)部的主拉應(yīng)力水平則較低；壩體表面5 ～10 m范圍內(nèi)等值線較密，應(yīng)力梯度較大，而壩體內(nèi)部應(yīng)力等值線較疏，應(yīng)力分布較壩體表面均勻。按C9030混凝土的動態(tài)拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，壩踵超標(biāo)區(qū)范圍約7～12 m(在壩橫0+7 m～0+8 m上游)，基本在壩體帷幕上游(帷幕布置在壩橫0+8 m)；上游面超標(biāo)區(qū)范圍在壩面以內(nèi)4.5～7 m；下游面超標(biāo)區(qū)范圍在壩面以內(nèi)10～12 m。上述3個拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域是相對容易出現(xiàn)拉裂的區(qū)域；根據(jù)應(yīng)力時程分布，盡管上述部位最大值超過抗拉強度，但時刻很短，考慮到地震動往復(fù)特性和瞬態(tài)特性，對壩體安全性有一定影響但程度有限；并且地震動過程中超過抗拉強度的區(qū)域僅局限在上下游應(yīng)力集中區(qū)的表面，壩體內(nèi)部均未出現(xiàn)主拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域連通的情況；另外，壩踵拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)基本在壩體帷幕上游，對帷幕影響有限。因此，采取壩體內(nèi)部混凝土以C9020和C9025為主，表面混凝土以C9030為主，并在壩體表面配置抗震鋼筋等措施來改善壩體的抗震性能，基本可以保障大壩的整體安全性。

圖2 7#壩設(shè)計地震工況下的應(yīng)力分布圖

圖3 10#壩設(shè)計地震工況下的應(yīng)力分布圖

3.2 三維有限元分析

3.2.1 典型壩段三維有限元模型

7#廠房壩段和10#溢流壩段體型復(fù)雜，為有效模擬分析進水口、閘墩等復(fù)雜細(xì)部結(jié)構(gòu)對壩體抗震性能的影響，采用三維動力有限元針對設(shè)計地震工況進行分析。7#廠房壩段壩寬35 m、壩高103 m，10#溢流壩段壩寬20 m、壩高85 m，壩頭主要采用結(jié)構(gòu)混凝土，壩身主要采用大壩混凝土。壩段三維有限元模型采用8節(jié)點等參單元進行模擬，詳細(xì)模擬壩體混凝土分區(qū)。地基模擬范圍：上下游方向自壩踵、壩趾部位分別向上下游延伸3倍最大壩高；深度方向自最低建基面向下3倍最大壩高。壩體三維有限元模型見圖4-圖5。

圖4 7#壩段三維有限元模型

圖5 10#壩段三維有限元模型

3.2.2 大壩整體三維有限元模型

大壩壩體和地基均采用8節(jié)點塊體單元，整體三維模型見圖6，模型模擬了左右沖底孔、進水口、背管及廠房、壩頭閘墩和擋水墻等。計算模擬范圍：上下游方向自壩踵、壩趾部位分別向上下游延伸120 m；深度方向自最低建基面向下200 m，左右岸方向自壩頂高程的壩肩部位向兩岸延伸向左右100 m。壩體橫縫采用薄層單元模擬壩體橫縫的影響，平行于縫面方向的彈模根據(jù)薄層單元厚度和橫縫厚度(取為1 cm)比值進行折減；垂直于縫面方向(壩軸線方向)的彈模取為壩體混凝土的30%；剪切模量按照規(guī)范規(guī)定取為相應(yīng)彈模的40%。

3.2.3 三維有限元計算結(jié)果

單壩段三維有限元分析成果表明，在靜力荷載與規(guī)范譜地震荷載共同作用下，廠房壩段和溢流壩段地震動響應(yīng)較大的部位主要是上游面直坡部位以及下游面折坡處；廠房壩段的上游面直坡部位以及下游圓弧處的豎向拉應(yīng)力較大，局部達到4 MPa以上，溢流壩段壩踵處的拉應(yīng)力達到5.0 MPa以上。

大壩-地基整體三維有限元分析成果表明，各壩段順河向地震響應(yīng)與壩段高度密切相關(guān)，壩頂最大峰值加速度出現(xiàn)在中間廠房壩段，為18.09 m/s2，與廠房壩段三維得到的順河向加速度響應(yīng)吻合，壩體橫河向最大地震響應(yīng)為15.5 m/s2。除溢流壩段閘墩部位橫河向振動模態(tài)外，大壩自身未發(fā)現(xiàn)明顯的橫河向振動模態(tài)，閘墩在橫河向地震作用下的地震響應(yīng)十分強烈。近兩岸壩段的地震響應(yīng)遠(yuǎn)小于高度較高的廠房壩段，兩側(cè)壩段的約束作用減少了單壩段的地震響應(yīng)，因此壩段橫縫灌漿有利于提高大壩的整體抗震能力。閘墩在橫河向地震作用下的橫河向響應(yīng)很大，盡管對大壩本身安全影響不大，但可能威脅到震后泄洪設(shè)施的正常功能。

圖6 大壩全壩段-地基系統(tǒng)整體三維有限元模型

壩體的主拉應(yīng)力集中區(qū)主要分布在5個區(qū)域，分別為各壩段上游建基面壩踵部位、溢流壩段的壩頭閘墩和擋水墻部位、左右沖沙底孔壩段底孔進水口部位、廠房壩段的進水口部位、下游面主變平臺折坡部位，局部主拉應(yīng)力達到5～6 MPa左右以上，應(yīng)采取一定的抗震措施，適當(dāng)配置鋼筋以限制裂縫。

3.3 大壩抗滑穩(wěn)定分析

采用材料力學(xué)法和三維有限元法進行大壩抗滑穩(wěn)定分析，主要成果如下：

1) 典型壩段平面有限元分析成果表明，靜力工況下建基面抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，且有較大的安全裕度；設(shè)計地震工況下，各壩段沿建基面及壩體層間抗滑穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

2) 左右岸坡壩段群側(cè)向穩(wěn)定三維有限元分析成果表明，設(shè)計地震工況時左岸岸坡部分的1#，2#壩段和右岸岸坡部分的14#，15#壩段，在包括橫河向地震作用的多向地震荷載作用下，單壩段和聯(lián)合壩段群沿建基面的的側(cè)向穩(wěn)定性滿足要求。

3) 全壩段三維非線性有限元分析成果表明，設(shè)計地震工況下，溢流壩段的抗滑穩(wěn)定安全裕度相對偏低，但其建基面抗力與水平作用的比值時程曲線，在整個地震過程中溢流壩段的抗滑穩(wěn)定均滿足了極限狀態(tài)設(shè)計要求，大壩沿建基面抗滑穩(wěn)定滿足安全要求。

4 大壩抗震措施

通過上述抗震分析可知，設(shè)計地震工況下，部分區(qū)域應(yīng)力集中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力數(shù)值超過了混凝土抗拉強度，需采取相應(yīng)的抗震措施。重力壩抗震設(shè)計遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的總體原則，主要采取以配置抗震鋼為主，重點限制薄弱部位混凝土開裂，結(jié)合優(yōu)化體型、混凝土分區(qū)優(yōu)化、橫縫接縫灌漿等其他措施為輔的抗震加固方案，做到抗震措施安全可靠、經(jīng)濟合理、可操作性強。

1) 配置抗震鋼筋。在拉應(yīng)力集中的區(qū)域配置抗震鋼筋能減小裂縫寬度，有效控制裂縫發(fā)展，提高大壩抵抗地震破壞的能力，尤其是在主震后繼續(xù)發(fā)生較強余震時，抗震鋼筋對提高大壩整體抗震能力是有利的。大壩抗震鋼筋配置方案為：大壩上游面全面布置兩排φ32@200 mm的三級鋼筋，壩踵、壩趾、上下游折坡處、上下游壩頭等體型突變部位，布置三排φ32@200 mm的三級鋼筋。

2) 優(yōu)化大壩體型和混凝土分區(qū)。經(jīng)綜合分析，擬適當(dāng)加大壩體基本三角形斷面，大壩上游坡度為0.3(起坡點447.0 m)，下游坡度為0.8，壩頂寬為12 m，并盡量較少體型突變，在轉(zhuǎn)折處采用圓弧過渡連接。此外，還優(yōu)化壩體混凝土分區(qū)，有針對性地提高壩體相關(guān)部位的混凝土標(biāo)號，提高拉應(yīng)力集中區(qū)域的混凝土抗拉強度。

3) 壩體橫縫和廠壩縱縫接縫灌漿處理。對橫縫和廠壩縱縫進行接縫灌漿，將大壩和廠房聯(lián)接成整體，增強大壩整體性，提高大壩整體抗震性能儲備。

5 結(jié) 論

緬甸滾弄水電站工程處于高地震烈度區(qū)，地震動參數(shù)高，混凝土重力壩的抗震安全問題是工程最關(guān)鍵的技術(shù)問題之一。本文從平面二維、單壩段三維、整體大壩三維等3個層次，采用有限元法分析研究大壩在靜動力工況下的工作性態(tài)，全面評價大壩抗震安全性，并提出相應(yīng)的抗震措施，主要結(jié)論如下：

1) 地震荷載作用主要在壩體上下游表面產(chǎn)生較大的動力響應(yīng)，大壩抗震的薄弱部位為壩踵、壩趾、上下游折坡體型突變部位及溢流壩段閘墩等。這些薄弱部位在地震期的應(yīng)力水平較高，局部拉應(yīng)力超過了混凝土動態(tài)抗拉強度，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取配置抗震鋼筋、優(yōu)化體型等綜合措施對這些部位進行加強。

2) 在設(shè)計地震作用下，大壩沿建基面及壩體層間抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，大壩整體是安全穩(wěn)定的。