岩滩溢流重力坝抗震安全分析和评价

2010-09-27沈振中李文森

水利与建筑工程学报 2010年2期

马跃,沈振中,甘磊,覃杰,李文森

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;2.广西岩滩水电厂,广西大化530811)

岩滩水电站是红水河梯级水电站中的第五级,位于红水河中游广西大化瑶族自治县境内,东南距巴马县30 km,距南宁市170 km。1992年建成,电站以发电为主,兼有航运效益。枢纽主要建筑物由拦河坝、发电厂房、开关站和垂直升船机等组成,呈一列式布置。溢流坝段位于河床中部,包括溢流坝和消力戽,上游坝面为铅直面,溢流堰面采用WES标准剖面。溢流坝按开敞式布置,设7个表孔,每孔宽15 m,堰顶高程202 m,每孔设弧形工作闸门一扇,表孔消能方式采用宽尾墩与康式消力池联合消能,故闸墩尾部增厚,标准宽尾墩的闸墩尾部宽度为12 m,宽尾部分的长度为12 m,宽尾部分的高度系从堰面至202 m高程。高程163 m以上坝体采用碾压混凝土浇筑。碾压混凝土坝采用“金包银”式,即坝体内部为碾压混凝土,上、下游坝面,堰顶和坝基垫层为常态混凝土。坝址工程地质条件较好,坝基处于辉绿岩,主体工程基础均置于微风化新鲜辉绿岩上。DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》第6.1.2条规定,“对于工程抗震设防类别为甲类,或结构复杂,或地基条件复杂的重力坝,宜补充作有限元法动力分析”,本研究即遵循上述规定,选取溢流坝段中的最高坝段16#,采用三维有限元法,按地震设防标准进行抗震安全复核,研究大坝的地震反应以及基岩深、浅层抗滑稳定性,并分析基岩变形的影响,评价大坝的抗震安全性。岩滩大坝溢流坝段的典型剖面如图1所示。

1 有限元模型

根据结构特性及计算分析要求,忽略廊道、机房和闸门等附属结构的影响,将闸门挡水时作用在闸门上的水压力按均布力作用于锚块上,坝体混凝土分3个区,坝基岩体分5个区。坝体混凝土作为线弹性材料,坝基岩体作为弹塑性材料[1],通过建立三维有限元模型进行非线性计算分析。采用Solid45和Solid65两种单元分别模拟坝体混凝土和坝基岩体[2]。坐标系定义为:原点取坝轴线;X轴为顺河向,以从上游指向下游方向为正;Y轴为竖直向,以向上为正;Z轴为平行坝轴线,以从河流左岸指向右岸方向为正。计算模型的边界范围如下:在X轴向,坝踵往上游截取1.5倍坝高,坝趾往下游截取1.5倍坝高,共计390.9 m;在Y轴向,向下截至坝基面以下1.5倍坝高,共265 m;在Z轴向,取全部坝段宽度,即坝轴线向长度为20 m。离散后,溢流坝段的有限元模型结点数为11 487个,单元数为11 263个(图2)。

计算模型截取边界均为底部固定约束,上、下游X向约束,侧面Z向约束。

图1 溢流坝段典型剖面

图2 模型有限元网格

2 计算参数和工况

该坝溢流坝段各分区混凝土及岩体计算参数见表1。

表1 材料参数

根据规范要求,对溢流坝段特殊荷载组合Ⅱ进行计算分析,即考虑大坝正常蓄水时遭遇设计地震的情况。正常蓄水位为223m,大坝按7度地震设防。计算时,所施加的荷载包括:自重、上游静水压力、坝基扬压力、上游库水和河道水重、淤沙压力、闸门作用在锚块上的推力等。由于扬压力实测值小于设计值,因此为安全计,仍取设计值作为扬压力荷载进行抗震安全复核,防渗帷幕和排水孔幕的综合扬压力系数取0.3。现状岩滩大坝坝前淤积高程约为171.5 m,未超过设计的按40 a计算的淤积高程175m。闸墩承受的单支铰门推力为23 160 kN,按均布力加载在锚块的上游面上。地震惯性力及地震动水压力按DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》和DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》的要求进行计算。

3 地震作用下大坝安全评价

首先计算基岩在自重作用下的位移和应力,保存计算所得初始应力文件。建坝后地震作用情况下需先加载此文件,然后施加其它荷载,初始应力文件中仅有应力项,无位移项,即假定基岩在自重作用下的变形早已完成。这里应力以拉应力为正,压应力为负。

3.1 强度安全评价

将坝体在地震作用下的应力反应与正常蓄水工况的计算结果进行叠加,得到地震作用下的坝体应力分布。

静动力荷载作用下,坝体最大第一主应力值为3.27 MPa,出现在宽尾墩尾部的折坡处,与静力工况下坝体最大拉应力出现部位相同,另外宽尾墩尾部与溢流坝交接处以及坝踵处的第一主应力值也较大,分别为2.51 MPa和1.75 MPa;最大第三主应力即压应力值为1.13 MPa,出现在宽尾墩尾部的折坡处;坝体竖直向最大应力为1.73 MPa,出现在闸墩尾部折坡处以及坝踵位置。从应力分布来看,库水压力通过闸门传给闸墩上的牛腿,必然在闸墩尾部折坡处产生较大的拉应力,并在宽尾墩尾部与溢流坝交接处产生较大的压应力,计算结果符合一般规律。由于自重和水压力的作用,垂直向最大应力出现坝踵位置和闸墩尾部与溢流坝交接处。根据DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》,坝体材料在动力荷载情况下材料的抗拉强度也较静力情况增大30%[3],同时考虑到坝体第一主应力超过抗拉强度的范围很小,属于应力集中的现象,故坝体在地震作用下,强度满足规范要求。

3.2 抗滑稳定分析和评价

在特殊荷载组合Ⅱ下,将动力分析反应谱法计算所得的动力分析结果与大坝在正常蓄水工况下静力分析成果进行叠加,可得到大坝在地震作用下的坝体位移和应力,据此对大坝进行深、浅层抗滑稳定性分析和评价。

3.2.1 坝基面抗滑稳定分析和评价

在正常蓄水工况下计算得到坝体在静荷载作用下的应力场,同时用振型分解反应谱法计算得到了坝体在地震作用下动应力的分布,现在按照对坝体稳定最不利的原则,将静力和动力计算所得的应力场进行叠加,得到地震作用下坝体的应力分布。由此,计算出建基面上全部竖直向荷载和水平向荷载,代入抗剪断强度公式[4],可计算得到坝基面上的抗滑稳定安全系数,即

式中:∑W为作用于建基面上的力在竖直向投影的代数和;∑P为作用于建基面上的力在水平向投影的代数和;U为作用于建基面上的扬压力;f′和c′为建基面上的抗剪断摩擦系数和凝聚力;A为建基面的受力面积。

经计算得,K′=4.08。对于特殊荷载组合Ⅱ,规范要求的最小安全系数为2.30,因此该大坝沿坝基面的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

3.2.2 深层抗滑稳定分析和评价

基于强度储备法[4,5]理论,对溢流坝段进行强度储备计算分析,以得到该坝段的深层抗滑稳定安全度。根据地质条件,主要关注坝基浅层部位岩体的稳定性情况,模型中坝体部分作为线弹性材料,坝基岩体作为弹塑性材料,对坝基下一定范围内的基岩进行等比例强度折减。按照等比例对坝基岩体的强度进行折减。计算各折减系数K(即强度储备系数)条件下坝基和坝体的应力,并分析塑性区的变化情况。图3为折减系数K=7.3时对应的坝基塑性区分布。计算结果表明,强度储备系数K与坝基屈服区的分布具有良好的对应关系,随着K的增大,基岩强度不断减小,屈服区面积扩大[6]。坝踵区域最先出现拉剪破坏,塑性区逐步向深部扩展,当屈服区发展到一定范围,导致坝体失稳。

图3 折减系数K=7.3时对应的坝基塑性区分布

当K超过7.3以后,有限元迭代计算不再收敛。因此认为该坝段的强度储备系数达到7.3,该值远大于坝基面的抗滑稳定安全系数,说明在地震荷载作用下坝基岩体产生深层滑动的可能性极小,因此对于坝体的抗滑稳定只需考虑浅层的抗滑稳定。

4 坝基岩体变形的影响分析

在计算时考虑坝基岩体在自重作用下的应力和变形。首先计算基岩在自重作用下的应力与变形,保存计算所得的初始应力文件,然后考虑其它工况,建坝以后的各工况均先加载坝基初始应力文件,再施加相应荷载进行计算,初始应力文件中只有应力项,不计位移项,即认为基岩在自重作用下的变形早已完成。

在非线性有限元计算中,坝体自重、水压力、扬压力、淤沙压力、地震作用在加载基岩自重后逐级施加。由于坝基岩体是变形体,而上述各种荷载在坝基面产生的附加应力不同,因此,它们对坝基岩体变形的影响也不同。在弹塑性状态下,非线性有限元法计算的坝基变形和应力受加载路径的影响较大,因此,不同的加载顺序、不同的荷载增量也都影响坝基岩体的应力场,从而也影响坝基的深层抗滑稳定性。对于本工程,基岩自重、坝体自重、水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力和地震作用各荷载的加载顺序基本明确,所不同的仅是各级增量的大小。这里比较了加载率分别为0.1和0.2的两种情况,所得的坝基深层抗滑稳定安全系数分别为7.3和7.2,两者差别不大,且塑性连通区和滑动面也基本一致,因此,在考虑了坝基岩体的变形后,不同的加载方式对稳定性计算成果的影响较小。

采用材料力学法计算时,坝基深层抗滑稳定是按刚体极限平衡法计算的,即坝基岩体是刚性体。在特殊荷载组合Ⅱ下,溢流坝段的深层抗滑稳定安全系数为6.017。

可见,考虑了坝基岩体的变形后,非线性有限元法计算的坝基深层抗滑稳定强度储备系数大于不考虑坝基岩体变形的材料力学法计算的抗滑稳定安全系数,两者的滑动面也有差别。

因此,坝基岩体变形对坝基深层抗滑稳定的影响是极为复杂的,它受基岩性质和应力场分布的影响很大。