新抗震規(guī)范要求下高拱壩抗震安全研究

王建新，劉西軍，何明杰，張偉狄

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

2015年，白鶴灘工程尚未核準，按有關(guān)規(guī)定，重大工程地震安全性評價的結(jié)果與行政批復(fù)文件有效期為10年，當時距離2004年中國地震局對白鶴灘地震動參數(shù)確定報告的批復(fù)已有12 年。NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱：新規(guī)范）于2015年發(fā)布，對反應(yīng)譜、混凝土材料強度及非線性影響、彈性模量、拱壩壩肩塊體計算等相關(guān)規(guī)定均進行了不同程度的修訂。

對白鶴灘水電站壩址地震動參數(shù)進行復(fù)核后，100 年超越概率2%的地震動峰值加速度相應(yīng)由325 gal提高至451 gal，100年超越概率1%的校核地震動峰值加速度由420 gal 提高至534 gal。因此，有必要根據(jù)新規(guī)范及地震動參數(shù)對白鶴灘高拱壩進行抗震安全研究復(fù)核。

1 工程場地地震安全性分析和評價

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震活動性背景

白鶴灘水電站位于鮮水河-滇東地震帶的東南側(cè)，在大地構(gòu)造單元劃分上位于揚子準地臺西部的二級構(gòu)造單元揚子臺褶帶與康滇地軸分界線邊緣。由鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂共同組成的川滇菱形斷塊東部邊界的斷裂為區(qū)域最主要的發(fā)震構(gòu)造。區(qū)域控制性主干斷裂有近南北向的小江斷裂帶、大涼山斷裂帶、安寧河斷裂，以及北西向的則木河斷裂帶。

歷史上對壩址區(qū)造成較大影響的歷史地震有9次，最大的是1733 年8 月2 日東川紫牛坡地震，影響烈度達Ⅷ度。

1.2 斷層活動性評價

白鶴灘水電站近場區(qū)主要存在南北向、北東向及北西向三組構(gòu)造帶，近場區(qū)內(nèi)小江斷裂帶、則木河斷裂帶以及蓮峰-巧家斷裂帶等與大涼山構(gòu)造帶的交匯和相互作用，是近場區(qū)地震構(gòu)造活動的基本條件。近場區(qū)內(nèi)主要斷裂帶活動均以水平走滑位移為主，垂直差異運動不強，僅在斷裂帶內(nèi)部局部地段發(fā)育有小規(guī)模的斷陷盆地和強烈隆起。則木河斷裂帶、小江斷裂帶距工程樞紐區(qū)約25 km，均為全新世活動斷裂，但則木河斷裂帶松新以南、小江斷裂帶蒙姑以北，地震活動性相對較弱。

同時根據(jù)斷裂的地質(zhì)地貌特征、斷層破碎帶的膠結(jié)程度，結(jié)合斷裂活動性年代測定結(jié)果，壩址區(qū)發(fā)育的斷裂除茂租斷裂和蓮峰斷裂為區(qū)域性斷裂外，其他斷裂均為規(guī)模不大的次級斷裂。這些斷裂大部分在第四紀不活動，只有茂租斷裂、蓮峰斷裂和f6斷裂的斷層面上發(fā)育有斷層泥，測年結(jié)果為20萬年，且茂租斷裂和蓮峰斷裂在地貌上有一定的線性影像顯示，這3條斷裂被鑒定為中更新世活動的斷裂，但3 條斷裂均沒有錯斷第四系堆積物，不屬于活動斷裂范疇，因此，壩址5 km范圍內(nèi)沒有活動斷裂存在。

1.3 工程場地地震安全性評價

工程場地地震安全性評價對地震區(qū)帶及潛在震源區(qū)進行劃分，然后綜合地震動衰減關(guān)系及地震活動性參數(shù)，得到場地地震安全性分析結(jié)果。

按《第五代中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》使用的地震區(qū)帶劃分方案，白鶴灘水電站區(qū)域主要位于鮮水河-滇東地震帶內(nèi)。該帶新構(gòu)造運動以水平擠壓為主，在強烈擠壓作用下塊體間產(chǎn)生大規(guī)模水平滑移，兼有垂直差異運動。主要斷裂在新構(gòu)造時期均有活動，晚第四紀以來斷裂活動尤為明顯，斷裂活動大都具有擠壓走滑性質(zhì)。根據(jù)潛在震源區(qū)劃分原則，參考《第五代中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，對區(qū)域近場和周圍地區(qū)的潛在震源區(qū)邊界、震級上限進行了復(fù)核與修定。

在川滇地區(qū)地震動衰減關(guān)系方面，采用中國地震局地球物理所俞言祥研究員給出的基巖水平加速度峰值和反應(yīng)譜衰減關(guān)系[4]。經(jīng)分析，該套衰減關(guān)系較好地考慮了近場大震飽和特性，較之前的成果更適合川滇地區(qū)的地震動特點。

根據(jù)潛在震源區(qū)劃分、地震活動性參數(shù)和地震動衰減關(guān)系確定的結(jié)果，對場址進行地震危險性計算，得到場址50 年超越概率63%、10%、5%、2%及100 年超越概率為2%、1%六種超越概率水平向峰值加速度，見表1。

2 拱壩抗震分析和評價

2.1 拱壩抗震標準

根據(jù)中國地震局以中震安評〔2016〕15 號文批復(fù)同意的《金沙江白鶴灘水電站壩址設(shè)計地震動參數(shù)復(fù)核報告》，工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，不同超越概率標準的基巖水平峰值加速度見表1。壩址場地土類型為硬巖，場地類別為I0，拱壩抗震設(shè)計地震動峰值加速度的調(diào)整系數(shù)為0.9。

表1 場址基巖地震動水平向峰值加速度（單位：gal）Table 1 The horizontal peak acceleration of ground motion of the bedrock at the site(unit:gal)

根據(jù)DL/T 5346-2006《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于“拱壩應(yīng)力按分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式進行控制”，表達式如下：

式中：σ為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力控制值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；Ψ為設(shè)計狀況系數(shù)，地震偶然工況取0.85；fk為壩體混凝土強度；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，設(shè)計地震作用下采用動力法計算，抗壓取1.3、抗拉取0.7；γm為材料性能分項系數(shù)，取1.5。

2.2 拱壩混凝土材料及地基動力特性

拱壩混凝土為大體積混凝土，共分3 個區(qū)，強度等級分別為A 區(qū)C18040、B 區(qū)C18035 和C 區(qū)C18030。白鶴灘拱壩壩基屬I0類場地，抗震計算分析中，基巖的動變形模量取靜變形模量，壩基巖體及結(jié)構(gòu)面動態(tài)抗剪強度參數(shù)取靜態(tài)值。

一般情況下，已纏繞到提升機卷筒上的鋼絲繩仍對兩端的端側(cè)板產(chǎn)生軸向作用力，以pz表示鋼絲繩對擋繩板的軸向作用力，因此需從卷筒所受的徑向載荷集度和軸向作用力兩方面來分析鋼絲繩多層纏繞時卷筒的受力情況。

根據(jù)新規(guī)范的規(guī)定，混凝土動態(tài)強度的標準值可較其靜態(tài)標準值提高20%，動態(tài)彈性模量的標準值可較其靜態(tài)標準值提高50%，動態(tài)抗拉強度的標準值可取為動態(tài)抗壓強度標準值的10%。拱壩混凝土靜、動態(tài)物理力學參數(shù)見表3。

表3 拱壩混凝土靜態(tài)、動態(tài)物理力學參數(shù)Table 3 Static and dynamic physical and mechanical parameters of arch dam concrete

2.3 拱壩動力響應(yīng)研究

白鶴灘拱壩設(shè)防類別為甲類，壩高達289 m，設(shè)計地震加速度超過400 gal，采用基于線彈性理論的拱梁分載法和有限單元法難以反映大壩抗震的實際情況。按新規(guī)范規(guī)定，應(yīng)采用非線性數(shù)值計算方法分析評價拱壩與地基整體系統(tǒng)在地震作用下的整體安全性。基于上述分析，白鶴灘是新規(guī)范實施后第一個進行抗震復(fù)核的高拱壩，采用計入壩體橫縫張開和無限地基輻射阻尼影響的非線性有限元動力分析方法，進行拱壩抗震強度復(fù)核。

抗震復(fù)核方案主要考慮正常水位+溫降、死水位+溫升兩種情況下，在設(shè)定譜生成的3 組人工地震波作用下的靜動力反應(yīng)。

2.3.1 設(shè)計地震作用下拱壩動力反應(yīng)分析

建立大壩壩體-地基體系，有限元法得到的控制工況壩體靜動綜合主應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 壩體靜動綜合主應(yīng)力結(jié)果Table 4 Static and dynamic comprehensive principal stress of the dam

拱壩以順河向位移響應(yīng)為主，壩頂部位的位移最大。壩體的順河向位移最大值為23～31 cm。壩頂拱冠、壩頂左拱端、壩頂右拱端位移在震后均基本回復(fù)到靜態(tài)位移位置，說明壩體位移是穩(wěn)定的，未發(fā)生位移的偏移現(xiàn)象。

正常蓄水位時橫縫開度分別為7.7～10 mm，死水位時橫縫開度分別為23.6～25 mm。死水位時的橫縫張開度大于正常蓄水位，但橫縫張開均主要集中在壩體上部，下部壩縫未張開。與原結(jié)果相比，隨著地震荷載增大，橫縫開度也有較大增幅。總體上，設(shè)計地震作用下橫縫張開度仍在止水可適應(yīng)范圍，不會造成銅止水失效。

表2 地震工況拱壩計算應(yīng)力控制標準（單位：MPa）Table 2 Calculated stress control standards for arch dams under earthquake conditions(unit:MPa)

壩體的靜動綜合主應(yīng)力分布亦符合一般規(guī)律，除局部應(yīng)力集中外，壩體靜動綜合最小主應(yīng)力為8～18 MPa，抗壓強度安全滿足要求。由于應(yīng)力集中影響，上游面壩基交接面附近存在最大主拉應(yīng)力超過其抗拉強度3.42 MPa 的區(qū)域，而壩體下游面中上部高程拱冠附近未見超過抗拉強度的高應(yīng)力區(qū)。

2.3.2 校核地震下拱壩動力反應(yīng)分析

相對于設(shè)計地震作用，由于地震加速度的增加，校核地震下拱壩的動力響應(yīng)增大幅度約10%～20%，但總體響應(yīng)分布規(guī)律基本不變。雖然壩體橫縫張開度變化較大，但壩體損傷仍未貫穿，壩頂拱冠、壩頂左拱端、壩頂右拱端位移在震后均基本回復(fù)到靜態(tài)位置，說明壩體位移是穩(wěn)定的，未發(fā)生位移的偏移和突變現(xiàn)象。大壩地基系統(tǒng)也未出現(xiàn)位移突變和工作性態(tài)轉(zhuǎn)折性變化。

因此，白鶴灘拱壩在校核地震作用下，壩體變形、應(yīng)力和損傷均較設(shè)計地震時有所增大，但仍未達到承載力極限狀態(tài)，大壩地基系統(tǒng)震后能夠保持穩(wěn)定，可滿足不潰壩的設(shè)防目標。

3 壩肩關(guān)鍵塊體抗震穩(wěn)定分析

3.1 關(guān)鍵塊體抗震穩(wěn)定安全控制標準

根據(jù)新規(guī)范有關(guān)規(guī)定，設(shè)計地震作用下拱座穩(wěn)定分析應(yīng)按剛體極限平衡法中的抗剪斷公式，計算各類水工建筑物在綜合靜、動作用下最不利組合中的抗震強度和穩(wěn)定，應(yīng)滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計公式。設(shè)計表達式如下：

式中：KE為地震工況壩肩抗滑穩(wěn)定計算控制系數(shù)。用抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計式驗算拱座巖體穩(wěn)定時，巖體材料性能的分項系數(shù)取1.0，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.40，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

3.2 關(guān)鍵塊體抗震穩(wěn)定分析

考慮工程開挖揭露的實際情況，選取兩岸控制性的滑塊進行計算復(fù)核，主要分析拱壩左岸拱端局部塊體（F17+LS331）和右岸塊體（F18+C4）在地震下的動力響應(yīng)，評價拱端塊體動力穩(wěn)定安全性，典型塊體模型見圖1，計算結(jié)果見表5和圖2。

圖1 左岸滑塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of the left bank slider

表5 壩肩關(guān)鍵塊體抗滑穩(wěn)定結(jié)果Table 5 Anti-sliding stability of key blocks of the dam abutment

圖2 校核地震下左右岸滑塊抗滑系數(shù)時程曲線Fig.2 Time-history curves of anti-sliding coefficients of the left and right bank sliders in the check earthquake

正常蓄水位+場地地震波工況下，左右岸滑塊的抗滑穩(wěn)定均滿足要求。在正常蓄水位+校核地震波情況下，拱座各部位的位移在地震動過程中始終圍繞平衡位置振動。震后塑性區(qū)部位的殘余位移很小，即使按照規(guī)范，也只是在地震動過程中的一個瞬時，沒有達到與設(shè)計地震動相關(guān)的安全指標的瞬間不到整個時程的1%，其余整個時程都可以達到與設(shè)計地震動相適應(yīng)的穩(wěn)定要求。因此，校核地震動下，拱壩-地基系統(tǒng)的穩(wěn)定也是有保證的。

3.3 超載地震作用下拱壩動力反應(yīng)

采用3組正常蓄水位、設(shè)計地震波進行超載計算，在超載倍數(shù)1.7、1.8和2.0時分別獲得超載倍數(shù)與左右岸滑塊殘余錯動量隨地震作用變化曲線上的拐點。超載倍數(shù)1.7是左岸滑塊殘余錯動量隨地震作用變化曲線上的拐點，而超載1.8 倍是右岸滑塊殘余錯動量隨地震作用變化曲線上的拐點。對壩體而言，當超載倍數(shù)至1.8時，壩頂右拱端節(jié)點橫河向位移、順河向位移和豎向位移震后均不能回復(fù)到靜態(tài)位移位置。因此，可以認為白鶴灘大壩-地基系統(tǒng)的抗震超載倍數(shù)系數(shù)為1.7（對應(yīng)PGA 為690 gal），超過了校核地震水平（1.185 倍），因此白鶴灘拱壩具有承受一定的超越設(shè)計地震和校核地震的能力。

4 結(jié)語

新規(guī)范在抗震條款規(guī)定上進行了修訂，特別是反應(yīng)譜與老規(guī)范標準譜相比存在較大變化，同時白鶴灘拱壩地震荷載也有較大幅度增大，拱壩地震響應(yīng)均有增大。

設(shè)計、校核地震作用下，壩頂拱冠、壩頂左拱端、壩頂右拱端位移在震后均基本回復(fù)到靜態(tài)位移位置，說明壩體位移穩(wěn)定，未發(fā)生位移的偏移現(xiàn)象。

設(shè)計地震作用下，白鶴灘拱壩壩體變形、橫縫張開、應(yīng)力等動力響應(yīng)及分布符合強震條件下高拱壩的一般規(guī)律。橫縫張開仍在銅止水可適應(yīng)范圍。除應(yīng)力集中區(qū)外，壩體應(yīng)力可滿足設(shè)計要求，下游面中上部高程很小區(qū)域有超過混凝土動態(tài)抗拉強度的現(xiàn)象。考慮混凝土材料損傷和地基巖體彈塑性后，壩體損傷輕微，壩踵損傷開裂區(qū)未影響到大壩帷幕處。大壩地基系統(tǒng)整體穩(wěn)定是安全的。因此，設(shè)計地震作用下，白鶴灘拱壩抗震性能可滿足抗震設(shè)計要求。

校核地震作用下，相對于設(shè)計地震作用，由于地震加速度的增加，拱壩的動力響應(yīng)分布規(guī)律基本不變，總體響應(yīng)增大幅度約10%～20%，但仍未達到承載力極限狀態(tài)，大壩地基系統(tǒng)震后能夠保持穩(wěn)定，可滿足不潰壩的設(shè)防目標。

白鶴灘拱壩地震超載計算分析成果表明，白鶴灘拱壩的地震超載能力受兩岸滑塊的穩(wěn)定控制，可承受相對設(shè)計地震動的超載倍數(shù)約1.7，白鶴灘拱壩具有承受一定的超越設(shè)計地震和校核地震能力。

綜上分析，并參考國內(nèi)外工程抗震經(jīng)驗，對壩體高應(yīng)力區(qū)、結(jié)構(gòu)體型變化區(qū)、壩基壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面等部位進行加固處理，以進一步提高高拱壩的抗震性能。主要抗震措施包括：結(jié)構(gòu)體型的平順銜接、在高應(yīng)力區(qū)范圍采用C18040混凝土、上下游面配置抗震鋼筋、強化壩肩抗力體的錨固、強化壩體上部連接、加強橫縫及止水設(shè)計等。