基于有限元法的大坝抗震安全评价

2018-10-09

中国水能及电气化 2018年9期

(1.山西省汾河二库管理局，山西太原 030012；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210098)

1 工程概况

汾河二库位于太原市尖草坪区与阳曲县交界的悬泉寺，上游距汾河水库80km，下游距太原市区30km[1]。控制流域面积2348km2，多年平均入库径流量1.45亿m3，工程由拦河大坝、供水发电洞和引水式发电站组成。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶长227.7m，坝顶高程912.00m，最大坝高88m。大坝中部设溢流表孔坝段，共3孔，孔口尺寸12m×6.50m(宽×高)，总长48m，溢流堰堰顶高程902.00m。溢流表孔坝段两侧设泄流冲沙底孔，均为2孔，孔口尺寸5.80m×6m(宽×高)，进口底板高程859.00m，总库容1.33亿m3。汾河二库是汾河上游干流上一座以防洪、供水为主，兼有发电、旅游等综合效益的大(2)型水利枢纽工程。

工程原地震设计烈度为7度，根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[2]，工程区域地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈Ⅷ度，因此，需按8度地震对大坝进行抗震安全评价。

2 计算模型及参数

选取溢流表孔坝段0+125断面建立三维有限元模型，为了计算简便，将坝体和边界条件进行了相应的简化。坝基深度取52m，顺水流方向取132m，坝轴线方向基岩外延67m。模型见图1。

图1 坝体有限元计算断面图

依据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)[3]以及《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2005)[4]，抗震设计荷载组合为特殊组合(2)，考虑荷载组合包括自重+正常蓄水位水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震作用。其中正常蓄水位905.70m，地震作用依据地震动基本参数峰值加速度0.20g、特征周期0.40s由人工生成地震加速度值确定(见图2～图4)。

图2 X向加速度(顺河方向)

图3 Y向加速度(竖直方向)

图4 Z向加速度(坝轴方向)

大坝混凝土密度为2526kg/m3，弹性模量E=26.90GPa，泊松比μ=0.167；基岩密度为2750kg/m3，弹性模量E=50GPa，泊松比μ=0.20。

3 大坝抗震安全计算

3.1 动力分析结果

采用时程分析方法[5-6]计算泄流冲沙底孔坝段的动应力、动位移，坝顶顺河向最大位移47.12mm，竖直方向最大位移-16.51mm。坝踵处为压应力，最大值为3.71MPa，坝趾处为压应力，最大值为6.32MPa，满足混凝土应力要求。图5～图8为坝体位移及应力响应典型时程过程，图9为坝体典型位移分布。

图5 坝顶位移时程过程(顺河向)

图6 坝顶位移时程过程(竖直方向)

图7 坝踵应力时程过程

图8 坝趾应力时程过程

3.2 抗滑稳定复核

经计算，溢流表孔坝段抗滑稳定安全系数为2.62。根据规范要求，对于抗剪断强度分析，特殊组合(2)安全系数应不小于2.3。可见，溢流表孔坝段在地震作用工况下的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

3.3 孔口应力分析

孔口应力主要分析了进口部位A、B两处的X、Y

向应力。相对来说，拉压应力都较小，上部A点拉应力0.5MPa左右，压应力在1.7MPa左右；对于B点，拉应力在0.8MPa左右，压应力稍大，为3MPa左右，能够满足混凝土强度要求。孔口应力测点见图10，A点应力时程过程见图11，B点应力时程过程见图12。

图9 位移分布

4 结论

在高烈度地震作用下，重力坝的抗震安全直接关系到下游人民生命和财产安全，因此，对重力坝的抗震安全研究具有较大的现实意义[7]。本文通过大型通用有限元软件ANSYS，建立充分模拟基础及上部结构的三维模型，采用模态分析反应谱法[8-9]进行地震动力计算，对大坝的应力应变、抗滑稳定及孔口应力进行分析，进而综合评价大坝抗震安全性。结果表明：在8度地震情况下，大坝抗震安全满足规范要求，其研究成果对类似工程具有一定参考和借鉴意义。