印度尼西亚锡索坎大坝的抗震分析

[印度尼西亚]N.穆尔扬托昂格等

刘洪亮 译自英刊《水电与大坝》2009年第1期

印度尼西亚于2009年开始修建上锡索坎抽水蓄能电站。计划使该电站的首批2台机组于2013年投入运行,其余2台机组将于2014年投入运行。电站总装机容量为 4×260MW。

该工程由一家株式会社(Newjec)和一家联营公司(Associates)2个单位承担设计,设计工作已于2002年完成。该工程有2座坝:①上库坝,是一座75 m高的 RCC建筑物;②下库坝,也是 RCC建筑物,坝高 98 m。就地震荷载而言,这2座大坝均是按200a一遇运行基本地震(OBE)设计的。设计报告已得到印度尼西亚国营电力公司(PLN)的批准。

按照印度尼西亚的法规,一座大坝在施工之前,其设计必须通过印度尼西亚大坝安全委员会的批准。在水库蓄水之前,业主必须获得施工证书;在工程运行之前,还必须获得蓄水证书。

原则上,印度尼西亚大坝安全委员会批准了上锡索坎抽水蓄能电站的设计方案。但是,还必须根据最大可信地震(MCE)对大坝及其方案进行分析,而不是根据 OBE进行分析。在开展分析的过程中,该委员会参考了美国垦务局的“混凝土拱坝和重力坝的设计标准”。

受 PLN的委托,印度尼西亚国营电力公司技术中心(Jasa Enjining)与印度尼西亚的各有关专家合作,对上锡索坎大坝的地震活动情况进行研究和动力分析。印度尼西亚国营电力公司技术中心已与万隆工程学院工业研究分院(LAPI ITB)签订了协议,进行此项研究。

本文介绍了确定 MCE的地震风险分析结果,并分析了与 MCE有关的2座 RCC大坝。报告指出,该坝址处 MCE峰值地面加速度为0.28 g。该值接近于200a一遇的 OBE。但是,根据 MCE对该坝进行的动力分析的结果表明,大坝并非十分坚固。

该分析是在三维模型上,应用水平与垂直地震荷载分量进行的。如果仅考虑水平地震荷载,则大坝没有问题。而且,即使是考虑了垂直地震荷载,对大坝进行的二维分析的结果也表明大坝没有问题。

分析报告存在2个问题。首先,是否应该考虑垂直地震荷载的分量;其次,只进行二维分析而不进行三维分析是否可行。该报告必须提交给印度尼西亚大坝安全委员会进行审批。若大坝安全委员会拒绝该报告,则将对大坝设计方案进行修改。

1 背 景

上锡索坎工程是印度尼西亚的第1座抽水蓄能电站。它位于西爪哇省锡塔伦河支流之一的锡索坎河上游端、雅加达东南150km处。坝址于20世纪80年代中期选定,1992～1995年,对该工程进行了可行性研究。2001～2002年,进行了细部结构的设计,紧接着于2006～2007年进行了补充设计。

该工程包括上库大坝和下库大坝,均为碾压混凝土大坝。上库大坝最大坝高75.5 m,坝顶长 375 m;下库大坝最大坝高 98 m,坝顶长294 m。两座大坝均有一库容约为1000万 m3的水库。连接两座坝的输水道包括2个进水口、2条长约1.2 km的引水隧洞、2个缩束孔口调压井、2条斜压力钢管、4条尾水隧洞和泄水建筑物。地下厂房高51 m、宽26 m,长156.6m,安装 4台额定容量为260MW的可逆式水轮发电机组。

如上所述,该工程由 Newjec和 Associates公司设计,已于2002年完成。设计报告已通过了 PLN审批。但是,根据印度尼西亚大坝安全委员会的政策,目前,还必须根据 MCE对大坝进行分析。

目前正在筹备为上锡索坎抽水蓄能电站投资事宜。世界银行投资主体工程和工程的服务项目,而PLN则投资前期工程。届时将成立一个项目审查小组(PRP),该小组由国内和国外的专家组成,负责工程的设计和施工过程的检查。项目审查小组还将对大坝的设计方案进行审查。在等待完成投资过程的同时,印度尼西亚国营电力公司(PLN)还指派意大利实验测试中心参与确定 MCE的地震分析,以及对受到 MCE影响的锡索坎大坝进行动力分析。

2 大坝细部结构设计

2.1 地震分析

2.1.1 方 法

在进行工程细部结构设计期间,采用了以下地震分析方法。收集了全世界范围的历史地震资料。采用加速度衰减公式计算了坝址处由历史地震诱发的加速度(表1)。从所有计算的加速度值中选出50例最大加速度。根据这50个值,对相应于50a、100a和200a重现期的最大加速度和设计地震系数进行分析。

表1 估算的锡索坎工程上下库大坝的最大加速度

2.1.2 地震目录

对地震数据的来源进行了仔细分析,以便尽可能多地收集发生在世界各地的历史地震资料。分析发现,有222882个地震事件能够满足以下两个条件:

(1)震级在里氏4.0级以上;

(2)震源深度不超过1000km。

所取的发生地震事件的时间为1904～1998年。

2.1.3 加速度衰减公式

通常,规范和标准中并没有规定在进行水电工程地震风险分析时,应使用哪些衰减公式。往往是由顾问提出拟采用的衰减公式,然后经工程业主同意即可。

一般是采用不同的公式来计算坝址处由特定震级地震产生的峰值地面加速度。计算加速度的公式视震级、距坝址的距离和震源而定。已采用以下公式作为锡索坎抽水蓄能电站的加速度衰减公式:

(1)梅吉雷公式(1974);

(2)福岛 -田中公式(1990);

(3)日本建设省公式(1985)。

2.1.4 重现期的估算加速度

按重现期估算的地震加速度(cm/s2)的结果见表1。应用上述 3个公式,对上下库坝址处的加速度进行了估算。

2.1.5 地震系数评估

由于简单方便,在抗震设计中,通常采用静态地震系数法。已有许多有关最大加速度与设计地震系数关系的报告,它们都是基于应用下述公式:

式中,Kh为设计水平地震加速度;A为最大加速度;R为换算系数(0.4～0.6)。

换算系数的值取决于基础硬度和地震周期。如果基岩坚硬,或者使用了较短地震周期,则可假定一个较小的换算系数值。如果基岩软、预测的地震周期长时,则应采用较大的换算系数。对于日本大坝的设计地震来讲,最大加速度的重现期通常取200a。因此,设计地震系数的计算值如下:

(1)上库大坝为 0.094～0.183

(2)下库大坝为 0.097～0.195

坝址处的基岩假定是“坚硬”的,那么200a一遇的地震系数则为0.12。当采用地震系数分析法时,水平地震系数超过20%,这样就考虑了包括垂直运动在内的所有运动。因此,对于地震系数法,设计水平地震系数取 Kh=0.15,而设计垂直地震系数取 Kυ=0。

2.1.6 大坝设计

在进行细部结构设计期间,确定了上库大坝和下库大坝的主要特征,如表2所示。

2座大坝的各项参数数据列于表2。在分析中采用了地震系数法。如上所述,水平地震系数取值为 Kh=0.15,垂直地震系数取 Kυ=0。 Kh=0.15已经考虑了垂直地震运动。分析结果表明,大坝设计在承受地震事件的荷载方面是可以接受的。

表2 上下库主要特征

3 地震分析评价

3.1 分析方法

如前所述,上锡索坎大坝抗震设计是基于OBE,采用200a一遇重现期。地震分析是采用概率地震风险性分析法(PSHA)。印度尼西亚大坝安全委员会认为:必须采用 MCE对大坝进行校核。

获取MCE的方法是基于 PSHA和DSHA。采用的 PSHA方法与以前研究中确定 OBE的方法相同。通过考虑明显影响坝址的断层,进行 PSHA分析。

3.2 地震目录

为了能够尽量多的收集世界各地的地震历史资料,调查了各种地震资料源。在分析中,应用了以下资料:

(1)Arthur阿瑟◦威赫曼目录(至1957年);

(2)印度尼西亚巴丹气象及地球物理索引(BMG)(1800～2008)年;

(3)国际地震中心(ISC)(1900～2008年);

(4)美国地质调查局国家地震信息中心(NEIC)(1970～2008年);

(5)日本吉斯内特(1997～2008年);

(6)德国波茨坦福斯春地理中心(2006～2008年)。

从上述资料源中查获的资料满足了2个条件:

(1)地震震级不小于里氏 4.0级;

(2)地震震源深度不超过150km。

3.3 分析资料

在分析中应用了以下资料:

(1)杨氏模量(1997年);

(2)阿特金森和博尔(2003年)的理论资料;

(3)坎贝尔和波左尼亚(2003年)的理论资料;

(4)阿夫拉姆森和席尔瓦的理论资料。

3.4 概率与不确定性

为了获得基岩的抗震标准,进行了地震事件计算,以提供500a、1000a等一遇地震事件的概率。分析方法是基于应用 EQRISK(麦圭尔,1976年)的概率理论,其中某些衰减函数考虑了峰值地面加速度。

在分析中,可能存在如下不确定因素:

(1)由印澳板块引起的界面削减地震活动,震级为里氏9.0级,不确定度为0.124;

(2)由巴里比斯/锡曼迪尔断层(无能动断层)引起的地震事件,ME=6.9(里氏),不确定度为0.192;

(3)能动断层产生的地震活动,其强度 ME=6.0SR,不确定度为0.41。

考虑到上述不确定因素,可以看出,界面削减产生的地震很容易预测,而能动断层产生的地震则很难预测。因此,应在这两个值中选择不确定度。这意味着由巴里比斯/锡曼迪尔断层引起的地震事件可作为最应该考虑的地震。

3.5 结果与讨论

地震风险分析的结果示于表 3。表 3中列出了可能发生在坝址处的最大可信地震。为了设计所选择和考虑的最大可信地震的值可作为最大考虑地震。

表3 地震风险分析结果

基于上述理由,可以得出结论:根据锡索坎抽水蓄能电站坝址处按峰值地面加速度确定的最大考虑地震为2.75m/s2(0.28 g)。对于 0～1 s的自然周期,该值涉及到1000～2500a一遇的重现期。除了能动断层外,该值考虑了影响该坝址的所有断层。PGA的出现概率为最接近165 a。

4 大坝结构的动力分析

4.1 结构模拟和材料特性

应用 ADINA对两座大坝进行了模拟和分析。大坝模拟应尽可能接近实际设计图纸。上库大坝的坝顶高度为75.5 m,下库大坝的坝顶高度则为 98 m。两座大坝的上游断面都是垂直的,下游坡均为斜面,H∶V=74∶1。采用二维和三维模型。两种模型均是固体单元(图1)。

图1 上下库大坝模型

计划用于大坝的 RCC抗压强度为15 MPa,因此,抗拉断裂强度假定为 0.7 MPa,抗拉强度为2.711 MPa。

4.2 地震荷载

根据地震实测资料,模拟了坝址处人工土壤的运动。有4种理论土壤运动符合标准,而所有响应谱均接近按标准确定的响应谱。一般来讲,应用的理论土壤运动输入值是基于加速度、速度或位移。在本研究中,位移可作为土壤运动的输入值,因为这样应用会更加符合地震荷载的实际情况。

4.3 大坝结构的动力分析

下一步就是将地震荷载应用于经受过地震位移时程的结构。应用非线性动力直接时域逐步积分法进行结构分析。该方法被认为是结构动力分析的现状。

二维分析结果表明,不管是上库大坝或者是下库大坝,均不存在可能引起大坝灾难性溃决的加荷情况。这意味着,尽管大坝某些部位可能会出现一些裂缝,但是不会溃决。

不过,对于三维模型,模拟结果则完全不同,如表4所示。

表4 大坝三维动力分析结果

5 结论与建议

根据上述研究分析,可以得出如下结论:

(1)在上锡索坎抽水蓄能电站细部结构设计中确定的 OBE的峰值地面加速度结果为0.24～0.30g,与该研究得出的 MCE的结果为0.28 g非常接近。

(2)当承受动力地震荷载时,大坝断面采用的水平地震系数法(二维)被认为不适用于代表大坝分析的实际情况。即使是将水平系数增大20%来考虑一切问题,包括地震事件的垂直方向,也是不够的。

(3)采用二维和三维模型对两座大坝的动力特性进行了模拟分析,但得出的结论却完全不同。所有二维分析结果表明,尽管会出现一些裂缝,但总体来讲,大坝是安全的。然而,三维分析结果却表明,在 8种荷载情况中,有5种情况会使两座大坝溃决。

总之,必须对锡索坎抽水蓄能电站上下库大坝的设计进行修改,以确保大坝在受到 MCE时不会发生溃决。大坝风险分析的结果 MCE为0.28 g(水平),是采用的垂直荷载应力水平的 65%。对受到MCE影响的混凝土坝的动力分析,应根据三维模型而不是二维模型进行。

应指派一个专家组(包括有关领域内的世界级专家)来审查锡索坎大坝的设计方案,并对设计提出有建设性的建议。