某抽水蓄能电站上库面板坝极限抗震能力研究

2015-10-21周奕琦任华春

水力发电 2015年11期

周奕琦，任华春

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200333)

我国抽水蓄能电站的建设起步晚、发展快［1］，目前我国抽水蓄能电站的装机容量已处于世界领先水平，但占总装机容量的比重依然偏低，因此我国在今后一段时期内仍将增加抽水蓄能电站的建设力度。

面板堆石坝因具有地基适应性强、抗滑、防渗稳定性好等优点，目前在我国许多抽水蓄能电站工程中多作为主要挡水建筑物，如泰安、宜兴、溧阳、沙河、蒲石河等一批已建或在建的抽水蓄能电站的上、下库工程［2-4］，今后面板堆石坝在抽水蓄能电站中将得到更广泛的利用。大坝在抽水蓄能电站整体结构中占据重要地位，其稳定性和安全性问题需要引起重视。地震是需要特别考虑的一种不利情况，如果在地震作用下发生溃坝，将会造成灾难性后果。为了防止强震造成抽水蓄能电站工程的面板堆石坝发生严重破坏，有必要对其极限抗震能力进行研究分析，预测抗震能力。本文对土石坝的极限抗震能力判别方法进行研究，并结合研究内容判断某抽水蓄能电站工程上库面板坝的极限抗震能力。

1 极限抗震能力数值分析方法

土石坝极限抗震能力分析主要是研究土石坝能承受的极限峰值加速度［5］。运用数值计算分析土石坝的极限抗震能力，一般是建立适当的计算模型，通过对模型的输入地震波进行不断增大，直到土石坝达到破坏标准。土石坝破坏一般是从大坝边坡稳定、永久变形等方面来进行评判［6-7］。目前土石坝的地震破坏标准尚不统一，存在一定的分歧。

1.1 极限抗震坝坡安全系数的确定准则

目前我国主要采用安全系数来判断土石坝的坝坡稳定性。由于动力时程有限元法能对整个地震过程的每个时刻进行计算，并能考虑土石料应力应变特性，故常采用动力时程有限元法进行坝坡稳定判断［8］。坝坡极限抗震能力通常结合计算所得坝坡安全系数时程来判断，如根据安全系数时程的最小值是否小于1，或者安全系数小于1的时间历时是否超过2 s等。这些标准有一定的指导意义，但是也存在明显的不足:如以动力安全系数的最小值作为判别标准，由于地震过程中安全系数的变化具有随机性，往往在最小值出现的下一刻，安全系数又恢复了，而坝坡在安全系数最小值出现的时刻失稳的可能性极小，故以安全系数最小值来判断坝坡极限抗震能力偏于保守。如以安全系数小于1的累计历时是否大于2 s来判断坝坡稳定性，则缺乏明确的理论意义。同时由于地震动时程存在随机性，因而以上这些判断标准均不能很好地考虑地震过程中坝坡稳定的不确定性。

为了能充分体现坝体的实际抗震能力，并且从工程实际出发，反映出地震作用下坝坡发生动力破坏的风险概率，本文采用刘红帅［9］提出的边坡可靠度动力安全系数法对坝坡动力安全系数时程进行统计分析。设可靠度动力安全系数FR为

式中，μF是所有时刻安全系数的平均值;σF是所有时刻安全系数的标准差;β是可靠度指标。

根据动力安全系数的最大值FSmax和最小值FSmin，可以得到动力安全系数的变化范围，由此拟定合适的动力安全系数的间隔ΔFS，将整个动力安全系数的范围按ΔFS分成若干等间隔区间。统计每个区间里动力安全系数的个数，分别除以动力安全系数的总数N，即可得到各个区间动力安全系数的概率分布情况，由此判断动力安全系数的概率分布模型。根据概率分布模型，即可由不同的失效概率Pf得到其对应的可靠度指标β。这样得到的可靠度动力安全系数可以考虑坝坡失稳的风险概率，当失效概率足够小，达到工程抗震安全的允许值时，可以认为所对应计算得到的动力安全系数是可靠的。

1.2 永久变形极限状态的确定准则

目前，土石坝地震永久变形极限状态的判断依据比较统一，一般都是按最大永久沉降量与坝高的比值来判断。关于最大永久沉降量的控制标准应该取为多少，各方意见有所不同。赵剑明等［10］认为永久沉降量大于坝高的0.7%～0.8%时坝体已严重破坏。陈生水等［11］根据多个土石坝地震的实例调查，建议心墙堆石坝的震陷率需小于1%，面板堆石坝的震陷率需小于0.6%。邵磊等［12］根据坝顶安全超高计算公式以及地震涌浪高度的计算，认为永久变形的极限状态为震陷超过坝高的1.2%，以及震陷超过设计地震工况震陷1 m。本文算例中最大坝高为125.90 m，最大坝高是由坝轴线处测定得到，沟谷陡，坝体下游坡沿沟谷延伸较长，故综合考虑，大坝永久变形极限状态的坝体最大沉降量取坝高的1%。

2 计算模型及条件

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站的装机容量1400 MW(4×350 MW)，为一等大(1)型工程;永久性水工建筑物级别为1级。上水库的死水位为1367 m，正常蓄水位1392 m;上水库大坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程1396.00 m，最大坝高125.90 m，坝顶长363.00 m、宽10.00 m，坝顶上游设高4.2 m的“L”形防浪墙，墙底高程为1393 m。上下游坝坡坡比均为1∶1.4，由于下游坝坡设了2条宽2.0 m的马道和宽10.00 m的“之”字形上坝路，下游的综合坡比为1∶1.61。上水库混凝土面板堆石坝大坝典型剖面如图1所示。

图1 上水库混凝土面板堆石坝大坝典型剖面示意(单位:m)

2.2 模型及参数

根据电站的实际情况和特点，建立上库混凝土面板堆石坝坝体和坝基的三维有限元模型，进行非线性静动力有限元分析。静力计算分析时坝体堆石料、库底回填料和坝基覆盖层作为非线性材料考虑，均采用邓肯-张(E-B)模型，接触面采用无厚度的Goodman单元模拟，周边缝以及面板缝采用接缝单元模拟，参数选用河海大学的试验成果［13］。动力计算分析采用等效非线性粘弹性模型，将坝体堆石料和库底回填料假定为粘弹性体。坝料的动力特性参数如表1、表2所示，其他所缺土料参数则根据土料静力特性相近的原则参照类似土料选取。

表1 坝料的最大动剪切模量参数

2.3 输入地震动加速度时程曲线

进行极限抗震分析时，首先以100年超越概率1%、峰值加速度ah为223.7 cm/s2的校核地震工况场地谱地震波作为输入地震波，对上库大坝结构进行三维非线性动力有限元分析。在此基础上，将校核地震波按比例放大，作为输入地震波对大坝进行超载作用地震响应计算分析。图2为校核地震工况场地谱的顺沟谷向地震加速度曲线，坝轴线向加速度时程曲线与顺沟谷向相同，垂直向加速度时程曲线取为顺沟谷向的2/3。

图2 顺沟谷向地震加速度时程曲线

3 极限抗震能力分析

3.1 坝坡稳定极限分析

正常蓄水情况下遭遇地震时，坝体下游坡的稳定性较差，故研究该工程上库面板堆石坝正常蓄水情况下坝坡稳定极限安全性时，仅选择下游坡进行分析。根据1.1所述方法对上库面板堆石坝进行坝坡可靠度动力安全系数分析。以“正常蓄水位+校核地震”工况为例，首先进行动力反应分析，得到了校核地震工况坝体下游坝坡稳定安全系数时程曲线，如图3所示。地震过程总时长为45 s，每0.02 s为一个时间步长，故一共有2250个时间段，对应有2250个安全系数。经统计分析，其动力安全系数最小值为1.22，最大值为1.90，平均值μF=1.50，标准差σF=0.09。为了得到动力安全系数的概率分布，选取动力安全系数间隔ΔFS=0.015，得到安全系数概率分布如图4所示。

表2 坝料的动剪切模量比和动阻尼比随应变变化情况

图3 坝体下游坡安全系数时程曲线(校核地震工况)

图4 ΔFS=0.015时坝体下游坡安全系数概率分布(校核地震工况)

从图4可知，动力安全系数的概率分布近似满足正态分布，故失效概率Pf由可靠度指标β从正态分布表中查得。由式(1)可根据不同的失效概率Pf要求得出不同的可靠度动力安全系数FR，不同失效概率下校核地震工况坝体下游坡的动力安全系数如表3所示。本文取失效概率为0.01，以获得较高的安全度，因此，校核地震工况下游坡对应的可靠度动力安全系数FR为1.29。

表3 动力安全系数FR与可靠度指标β和失效概率Pf的关系

采用相同的方法，以三维非线性有限元法进行动力计算，得到各放大倍数地震波作用下坝体下游坡的动力安全系数时程，得到下游坡可靠度安全系数，计算结果见表4。

表4 不同峰值加速度下游坝坡的安全系数

由表4可知:当峰值加速度不断增大时，下游坡动力安全系数的平均值逐渐减小，动力安全系数的标准差逐渐增大，表明下游坡安全性逐渐变差，动力安全系数在整个地震过程中的离散性在逐渐变大，对应的可靠度动力安全系数也逐渐降低。当地震峰值加速度达到校核地震峰值加速度的3.4倍时，下游坡的可靠度动力安全系数达到1.00，当地震峰值加速度达到校核地震峰值加速度的3.6倍时，下游坡的可靠度动力安全系数为0.98，已小于1，故按照可靠度动力安全系数法确定的安全系数，可以认为在地震峰值加速度为3.4 ah(即760.6 cm/s2)时下游坝坡已达到安全极限，即坝体的极限抗震能力下的地震峰值加速度为760.6 cm/s2。

3.2 永久变形极限分析

3.2.1 永久变形计算

以校核地震工况的地震波为基准，将输入地震波按峰值加速度ah(223.7cm/s2)放大倍数进行同倍比放大，按三维非线性有限元法进行动力计算。计算结果表明，在各不同峰值加速度地震波作用下，坝体永久变形的分布符合一般规律，沉降位移为三向永久变形中最大的，对各永久沉降值进行统计，可得到如表5所示各地震波作用下坝体的最大地震永久沉降值。

从表5可知，当地震动峰值加速度达到3.4 ah时，坝体最大永久沉降值达到坝高的0.97%，当峰值加速度达到3.6 ah时，坝体最大永久沉降值达到坝高的1.01%，已超过坝高的1%，故达到永久沉降的极限值的峰值加速度应该在3.4 ah～3.6 ah之间。

3.2.2 永久变形极限分析

将表5中最大永久沉降与各峰值加速度的关系绘成如图5所示的散点图。从图中可知，最大永久沉降值随峰值加速度的增大而增大，但并不是线性关系，分别用二次、三次、四次、五次多项式对最大永久沉降与峰值加速度的关系进行拟合，得到的公式及相关性系数见表6，可知四次多项式拟合拟合效果最好，故采用四次多项式来拟合最大永久沉降与峰值加速度的关系。