西藏高地震区碾压混凝土重力坝抗震研究

周廷清，吴世勇，朱瑞晨

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

西藏高原工程地区某水电站位于青藏高原拉萨地体南部边缘，靠近YLZBJ缝合带，区域内新构造运动强烈，工程区地震基本烈度达Ⅷ度。该电站总装机容量660 MW，拦河大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高为117 m，坝顶长度385 m，共分17个坝段。根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)及工程场地地震安全性评价成果，本工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，大坝抗震设防类别为乙类，设计地震工水平地震动峰值加速度为179 gal(50年超越概率10%)，复核地震工水平地震动峰值加速度为236 gal(50年超越概率5%)。该电站工程规模较大，碾压混凝土重力坝高较高，为确保工程安全，需对该水电站的抗震安全性进行分析研究，以保证大坝抗震安全评价的可靠。本文拟采用材料力学的悬臂梁法和三维限元法[1-4]对选取的9号溢流坝段、10号泄洪冲沙底孔坝段、11号厂引坝段、15号挡水坝段共4个典型坝段进行静、动力反应分析，评价大坝抗震安全性。

1 基本资料

1.1 大坝体型几何参数

4个典型坝段的主要几何参数为：9号溢流坝段坝高117 m，坝顶宽度41.5 m，坝底最大宽度101 m；10号泄洪冲沙底孔坝段坝高117 m，坝顶宽度26.5 m，坝底最大宽度101 m；11号厂引坝段坝高111 m，坝顶宽度29 m，坝底最大宽度96.5 m；15号挡水坝段坝高81 m，坝顶宽度26 m，坝底最大宽度62.7 m，典型坝段剖面图见图1。

图1 典型坝段剖面图

1.2 计算参数

某水电站重力坝大体积混凝土共分3个区，分别为碾压混凝土为C9015、碾压混凝土C9020、态混凝土为C9020混凝土，结构混凝土采用C25、C40混凝土，混凝土材料的静、动态物理力学参数见表1。根据地质勘探成果，9、10、11号典型坝段基础位于Ⅲ1类基岩上，15号典型坝段基础位于Ⅲ2类基岩上，相应的岩体物理力学参数见表2。

表1 混凝土材料参数

表2 典型坝段建基面岩体物理力学参数

1.3 地震作用

动力分析中采用振型分解反应谱，反应谱法计算中的反应谱为规范反应谱[4]，场地特征周期Tg=0.2 s，设计反应谱最大值的代表值βmax=2.0，设计地震基岩水平向地震动峰值加速度为179 gal，复核地震基岩水平向地震动峰值加速度为236 gal，竖向地震设计值取为水平向的2/3。大坝地基辐射阻尼影响分析时采用时程法，时程法分析中的地震波采用以规范反应谱为目标谱拟合的人工地震波，如图2所示。

图2 规范标准谱拟合的人工地震加速度时程

2 材料力学悬臂梁法及有限元法抗震安全分析及评价

通过对4个典型坝段的动力分析，得到某水电站大坝的自振频率(见表3)，两种方法计算的自振频率比较结果，自振频率最大的均为15号挡水坝段，为2.33 Hz(材料力学悬臂梁法)、2.99 Hz(有限元法)。

表3 各典型坝段自振频率结果 Hz

在静荷载作用下，材料力学悬臂梁法的分析结果显示(见表4)，4个典型坝段的坝面基本无拉应力出现，坝体处于受压状态，大坝静态基本荷载作用下的应力水平不高。而三维有限元分析结果显示，坝段应力基本处于受压状态，压应力水平不高；大坝坝踵附近坝面倒角部位有拉应力出现，但量值较小；由于上游坝踵附近坝面采取了弧形倒角，大坝建基面垂直向应力均为压应力，故满足拉应力范围不超过坝基灌浆帷幕线，满足规范要求[5]。

表4 各典型坝段静态应力成果 MPa

在静力荷载叠加动力作用下，材料力学悬臂梁法的分析结果显示(见表5)，规范标准反应谱设计地震和复核地震作用两种情况下，各典型坝段静动综合应力水平总体不高，设计地震下，上游面静动综合拉应力最大部位出现在11号厂引坝段，为1.26 MPa，复核地震下这一位置拉应力为2.12 MPa，下游面静动综合拉应力最大部位在11号厂引坝段，为1.40MPa，复核地震下这一位置拉应力为2.19 MPa，各典型坝段静动综合坝面压应力最大值均小于5 MPa。各典型坝段进行抗震强度安全校核结果表明，设计地震作用下各典型坝段大坝混凝土的抗拉、抗压强度安全均满足现行抗震设计规范要求[6]，且有较大安全裕度；复核地震作用下各典型坝段大坝混凝土抗拉、抗压强度基本可满足要求，仅10号泄洪冲沙底孔坝段高程和15号挡水坝段高程下游面折坡处的最大主拉应力超过混凝土抗拉强度容许值，10号泄洪冲沙底孔坝段抗震强度安全校核结果见表6。地震作用下，对典型坝段沿建基面抗滑稳定安全进行校核(见表7)，校核结果表明建基面抗滑稳定安全性可以满足规范要求[7]。

表5 各典型坝段静动综合应力成果，材料力学悬臂梁法 MPa

表6 10号泄洪冲砂底孔坝段坝体抗震强度校核结果，材料力学悬臂梁法 MPa

表7 各典型坝段建基面抗滑稳定校核结果，材料力学悬臂梁法 kN

三维有限元分析结果显示(见表8)，较大拉应力发生在各典型坝段坝踵和下游面中上部的折坡位置，设计地震工况下，坝踵拉应力因局部的应力集中效应，各典型坝段最大拉应力基本发生在坝踵；各坝段下游面中上部高程的静动综合拉应力范围较大，是影响重力坝抗震安全的一个关键部位；设计和复核地震作用下，各典型坝段建基面的垂直拉应力宽度均未超过坝基上游防渗灌浆帷幕线，满足规范要求[8]。

表8 各典型坝段静动综合应力成果，三维有限元法 MPa

大坝极限抗震能力分析根据损伤理论[7-9]，将坝体材料按混凝土损伤塑性本构模型进行模拟，并假定地基材料仍为线弹性，外荷载与材料参数等不变，并且考虑地基地基辐射阻尼作用，通过不断加大规范波设计地震作用的倍数，计算典型坝段的损伤发展情况，分析重力坝的地震超载能力，地震超载能力系数以损伤区范围超过坝体上游防渗层和坝基防渗帷幕中心线为判断标准。计算结果表明：9号溢流坝段在2.6倍地震时坝体中部损伤区发展到坝体厚度的一半左右已贯穿坝体上游防渗层；10号底孔坝段在2.5倍地震时坝体头部损伤区发展到坝体厚度的一半左右，此时坝体上游防渗层已被贯穿。11号厂房坝段在2.8倍地震时坝基上游损伤带宽度有限，未超过坝基灌浆帷幕线，但是坝体中部上游水平损伤带已贯穿坝体上游防渗层。15号挡水坝段在3.3倍地震时坝体损伤自下游坝坡转折处几乎贯穿至上游面，坝基损伤带已贯穿坝基帷幕线。综合分析大坝极限抗震能力约为2.5倍设计地震，相应的基岩水平峰值加速度约为0.448g，而复核地震的基岩水平峰值加速度0.236g，故复核地震作用下能够满足“不溃坝”的安全要求，且有较大的安全裕度。从超载时损伤区扩张来看，坝段上下游变截面高程附近为相对薄弱部位。

大坝抗震计算分析时，地基一般是按照无质量截断地基模型进行模拟，未能计及无限地基辐射阻尼的影响，这会使结构地震动响应比实际情况有所偏大[10-11]。假定坝体线弹性材料时，考虑无限地基辐射阻尼后，大坝的动力反应规律与无质量地基模型基本相同，但坝体的整体反应水平显著降低，其中，高拉应力区范围明显缩小的同时，最大应力值降低了无质量地基情况下的13%～47%。假定坝体非线性材料分析时，在不考虑辐射阻尼情况下，在坝踵和坝段剖面转折等应力集中处出现不同程度的损伤，10号泄洪冲沙底孔坝段和11号厂引坝段下游面折坡处(高程3 420 m)附近损伤范围较大，考虑地基辐射阻尼后，由于拉应力大幅减小，损伤区域仅发生在上游坝踵处。

3 结 语

综合上述，通过对某水电站碾压混凝土重力坝典型坝段进行抗震计算分析，可以得到如下主要结论：

1)材料力学悬臂梁法抗震分析和安全评价结果表明，设计地震规范标准反应谱作用下，各典型坝段大坝混凝土的抗压、抗拉强度安全均能满足现行抗震设计规范要求，且有一定安全裕度。复核地震规范标准反应谱作用下，各坝段大坝混凝土抗拉、抗压强度基本满足要求，底孔坝段和挡水坝段下游坝面高程折坡处出现高拉应力区，部分超过混凝土抗拉强度，可采用局部设置抗震钢筋的方式增强抗震性能。

2)三维有限元法分析结果表明，大坝总体反应及自振特性等成果与悬臂梁法基本吻合，但三维有限元方法揭示了在坝段内某些悬臂梁法无法考虑的局部角缘、孔口等薄弱部位存在一些拉应力集中区。设计和复核地震作用下，各典型坝段建基面的垂直拉应力宽度均未超过坝基上游防渗灌浆帷幕线，满足规范要求。

3)大坝地基辐射阻尼影响分析结果表明，以非线性损伤模型模拟坝体混凝土材料，考虑无限地基辐射阻尼实际情况，在设计地震作用下，各典型坝段主要在坝踵部位出现局部损伤，基本仅限于坝踵表层单元，各典型坝段下游坝头折坡部位未发生损伤，故设计地震作用下大坝的整体安全性是有保证的。

4)大坝极限抗震能力约为2.5倍设计地震，相应的基岩水平峰值加速度约为0.448g，而复核地震的基岩水平峰值加速度0.236g，故复核地震作用下能够满足“不溃坝”的安全要求。