基于新抗震规范的杨房沟高拱坝抗震安全分析与评价

黄熠辉，徐建军，殷 亮，魏海宁，李德玉，张伯艳，叶 甜

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中国水利水电科学研究院，北京100048)

0 引 言

杨房沟水电站是我国首个以EPC模式建设的百万千瓦级大型水电工程，水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第6级水电站，工程的开发任务为发电。水库总库容为5.125亿m3，总装机容量为1 500 MW，杨房沟水电站为一等大(1)型工程。枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成，主要水工建筑物为1级建筑物。主体工程已于2016年1月1日正式开工，计划2021年11月首台机组发电。工程静态投资约149亿元，总投资约200亿元。

挡水建筑物采用抛物线型混凝土双曲变厚拱坝[1]，最大坝高155 m，河床建基面高程1 947 m，坝顶高程2 102 m。拱冠梁顶厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206，坝顶中心线弧长362.17 m，弧高比2.34。结合招标设计报告咨询意见，施工图阶段拱坝体形在招标设计体形基础上进行了建基面、拱圈中心角和拱端厚度的优化调整，优化后最大拱端厚34.90 m，最大中心角86.84°，坝体基本体形混凝土约75.81万m3，柔度系数为13.2。

根据新颁布的NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(以下简称“现行抗震规范”)的相关规定，对施工图阶段优化调整后的拱坝体形进行抗震复核分析，揭示大坝的动力特性、地震反应及坝肩的动力抗滑稳定性，对杨房沟拱坝及坝肩的抗震安全进行综合评价。

1 设定地震场地相关反应谱及人工地震波

DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》(以下简称“原抗震规范”)给出的标准设计反应谱适用于所有水工建筑物的抗震设计，各类建筑物分别按照其场地类别和建筑物类型确定其采用的反应谱特征周期和反应谱最大值。而在现行抗震规范中，根据工程重要性的不同，其设计反应谱采用了不同的确定方式：对于应作专门的地震安全性评价的工程抗震设防类别为甲类的工程，应依据工程场址的具体地震地质条件，采用基于设定地震方法确定其场地相关反应谱作为设计反应谱。

杨房沟大坝的工程抗震设防类别为甲类，其设计地震动参数应依据专门的地震安全性评价成果确定。根据中国地震局地震预测研究所于2006年3月提交的《四川省雅砻江杨房沟水电站工程场地地震安全性评价报告》[2]，杨房沟大坝设计地震相应的100年2%超越概率水平的基岩水平向地震动峰值加速度为0.309g。根据2009年4月提交的《杨房沟水电站坝址设计地震动参数补充工作报告》[3]，大坝校核地震(最大可信地震)相应的100年1%超越概率水平的坝址基岩水平向峰值加速度为0.386g。据新颁布的GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，杨房沟水电站坝址区处在0.15g区内，反应谱特征周期为0.45 s，根据现行抗震规范特征周期调整表，杨房沟坝址标准反应谱的特征周期调整为0.3 s。

杨房沟拱坝设计反应谱应根据设定地震方法研究确定，为大坝抗震设计奠定基础。

1.1 确定设定地震及场地相关设计反应谱

根据各潜在震源区对坝址地震危险性贡献值，对杨房沟坝址地震危险性的100年超越概率2%和1%贡献最大的是均为10号7.0级前波北潜在震源区。遵循发生概率最大的原则，根据确定设定地震的主要步骤，考虑10号7.0级前波北潜在震源区对坝址的影响，得到杨房沟坝址设定地震的震级和震中距见表1。

表1 杨房沟水电站工程设定地震

从安全考虑，取逆断上盘形式的放大系数谱β(T)为设定地震确定的杨房沟坝址的场地相关设计反应谱(图1)。将β(T)谱值乘以地震危险性概率计算不确定校正后的相应概率水准的地震动峰值加速度，得到杨房沟坝址的加速度反应谱，见图2。

图1 杨房沟坝址设定地震放大系数

图2 杨房沟坝址设定地震加速度反应谱

1.2 基于场地相关设计反应谱的人工地震波

根据确定的杨房沟大坝设计地震和最大可信(校核)地震场地相关反应谱为目标谱，采用人工地震动生成技术，按照现行抗震规范要求，分别生成了相应于设计地震和最大可信(校核)地震的各3组3个分量的地震动时程。

2 大坝静动力分析

2.1 基于拱梁分载法和线弹性有限元法的大坝整体动力分析

通过对拱坝进行拱梁分载法和整体三维线弹性有限元法分析，可知：

(1)拱梁分载法与有限元法得出两种坝前水位的大坝自振频率吻合良好，相当接近。大坝基本振型呈反对称(横河向)，反映了一般双曲高拱坝的特点。

(2)正常蓄水位静态组合下，大坝最大径向位移4～5 cm，发生位置位于中上部高程2 060～2 080 m拱冠部位；设计地震作用下，最大径向位移分别为7.81(拱梁分载法)、7.21 cm(有限元)，出现在坝顶拱冠处。

(3)设计地震标准反应谱法作用下，正常蓄水位温降工况拱梁分载法静动综合上游面最大主拉、压应力分别为8.16、11.97 MPa，下游面则分别为5.56、8.96 MPa；最大主拉、压应力发生于上部高程拱冠附近。温升与温降相比，静动综合主拉应力有所降低而主压应力略有提高；有限元法结果给出了与拱梁分载法大致相同的应力分布规律，上游面坝顶拱冠附近及下游面上部高程左、右1/4拱圈附近出现超过5 MPa的高拉应力区，上游面上部高程拱冠附近出现大于10 MPa的高压应力区，此外在坝踵、坝趾区域出现范围不大的高拉、压应力集中区域。

2.2 计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的大坝非线性动力分析

常规分析表明大坝中上部动力放大效应明显，借鉴类似工程经验以粘弹性边界吸收散射波以考虑无限地基幅射阻尼的作用，以LDDA动接触理论模拟横缝非线性张开，进行大坝结构动力有限元模拟分析[4]，所建模型如图3所示，大坝横缝布置及编号如图4所示。

图3 杨房沟大坝坝体—地基体系有限元网格模型

图4 大坝横缝布置及编号示意

静荷载作用下，分缝坝主拉主压应力均不大，最大主拉应力1.18 MPa，只出现在1 955 m高程左岸上游拱端局部区域，最大主压应力7.15 MPa，出现在下游面1 953 m高程拱冠右侧；最大顺河向位移为4.86 cm，与试载法计算结果接近。

设计地震作用下，考虑辐射阻尼和分缝，多种工况和地震波下，上游面静动综合最大主拉应力4.35 MPa(与类似拱坝工程相比相对较小)，发生于1 955 m高程左拱端(见图5a)，超过拉应力控制标准2.6 MPa的范围为坝基1 980 m高程以下坝踵附近10 m厚度范围，接近大坝帷幕灌浆线位置，但由于坝基交接面处，存在有限元应力集中效应，其应力值难以作为抗震设计的依据，考虑混凝土材料非线性及损伤分析后，根据类似拱坝工程经验，拉应力数值和分布范围可减小，不会对坝基防渗帷幕产生不利的影响。下游面静动综合最大主压应力为9.41 MPa，发生在2 013 m高程左拱端(见图5b)，小于应力控制标准。

图5 设计地震作用下大坝静动综合主应力等值线(正常蓄水位温降工况)

设计地震作用下，横缝最大张开度约为8.7 mm，见图6，横缝张开范围上游面在2 020 m高程以上，下游面在2 060 m高程以上；地震作用下的横缝张开度处于类似拱坝工程中等水平，横缝的开合不会破坏横缝止水设施。

图6 设计地震作用下各工况横缝张开度沿顶拱分布

校核地震作用下，坝体横缝张开度、坝体应力反应均有所增大，横缝最大张开度为13 mm，不会破坏横缝止水设施，坝体最大主拉应力为5.85 MPa，发生于1 955 m高程上游面左拱端，超过大坝混凝土的动态抗拉强度的范围均较小；坝体最大主压应力10.36 MPa，小于大坝混凝土的动态抗压强度，发生在2 013 m高程下游面左拱端。

3 坝肩动力抗滑稳定分析

3.1 基于振型分解反应谱的刚体极限平衡法分析

采用基于振型分解反应谱法的三维刚体极限平衡法，对拱坝坝肩左、右岸各潜在滑动块体在正常蓄水位情况下进行抗滑稳定分析，成果表明：

(1)静力工况坝肩抗滑稳定安全系数均较大，大于拱坝设计规范[5]规定的3.5(按刚体极限平衡的剪摩公式)。

(2)设计地震作用下，在各种遇合系数组合情况下，右岸各滑块的动态抗滑稳定安全系数均大于现行抗震规范规定的1.31。左岸滑块1、滑块3和滑块6的动态抗滑稳定安全系数最小值分别为1.14、1.27和1.20，小于1.31，左岸其余滑块的动态稳定安全系数大于1.31。施工图阶段按照现行抗震规范规定采用的设定地震场地相关反应谱较原规范的标准设计反应谱，在大坝主振周期范围内有较大增加，致使拱端动态推力增加较为显著，导致各滑块的动态稳定安全系数均有所降低。

3.2 基于时程分析的时域刚体极限平衡法分析

由上述采用基于振型分解反应谱法的拱梁分载法的拱推力进行坝肩稳定分析结果可见，设计地震下左岸部分滑块的动力抗滑稳定安全系数偏低。因此，遵循现行抗震规范8.1.10的规定，采用基于时程分析法的时域刚体极限平衡法对左岸滑块1、滑块3和滑块6进行分析，根据稳定指标超标的持续时间和程度，综合评判拱座潜在滑动岩块的抗滑稳定性及其对大坝整体安全性的影响。在时程分析法中，拱端推力的时程系采用有限单元法时程分析得到，岩体惯性力时程为3组人工地震加速度波与滑动块体质量的乘积。

表2为对左岸滑块1、滑块3和滑块6进行的基于时程分析法的时域刚体极限平衡法计算成果，可知，3个块体稳定安全系数小于1.31的时间总和与地震总持时的比例很小，最大不超过0.7%，且在每个超标段内的持时更短，如此短暂的瞬间滑动所累积的残余变形尚不至导致坝肩失去稳定。通过国内类似拱坝工程坝肩块体时域刚体极限平衡法分析成果类比可看出，杨房沟拱坝坝肩块体动力稳定安全系数小于1.31占时比例处在类似工程中间水平。

表2 设计地震下块体最小安全系数以及超标持时占地震总持时的比例

4 结 语

根据现行抗震规范要求，采用基于设定地震方法确定的场地相关反应谱及人工地震波，考虑坝体横缝张开和地基辐射阻尼效应影响后，杨房沟拱坝的地震动力响应明显降低，常规线弹性分析在大坝中上部拱冠附近出现的大范围高拉应力区不复存在，拱坝在地震作用下的应力状态可以满足设计要求；大坝横缝张开度不大，在横缝止水可允许的变形范围之内；在设计地震作用下，拱坝坝肩动力抗滑稳定性满足规范要求。因此，在设计地震作用下，施工图阶段杨房沟拱坝优化体形的抗震安全是可以保证的。