中国水利水电第五工程局 四川成都 610066
摘要：某水电站枢纽地震烈度为VIII度，基岩场地设计水平峰值加速度为0.394g，大坝抗震分析和抗震措施设计是工程关键技术问题之一。设计中采用数值计算方法和模型试验对碾压混凝土大坝进行了全面的动力分析，并根据研究成果进行了有针对性的抗震设计。
关键词：抗震研究；抗震设计
Seismic Research for Gravity Dam of Concrete gravity dam Hydraulic Power Station
Ao guohui Xiongchong Chenyi
Abstract:Anti-seismic degree of a hydropower station is 8,and the peak value of horizontal acceleration in the rock base area is 0.394g,seismic analysis and design is a key engineering for the project. A comprehensive dynamic analysis is conducted to the RCC dam by numerical methods and model tests in design, and the specific seismic design is carried out according to the research.
Key words：seismic research;seismic design
1 工程背景
某水电站装机容量1800MW，为一等大（1）型水电工程。枢纽由碾压混凝土重力式挡水坝、河床泄洪建筑物、右岸坝后式厂房及冲沙底孔、左右岸灌溉取水口等建筑物组成。拦河坝为混凝土重力坝，坝顶高程1303.00m，最大坝高116.00m，坝顶长768.0m。
根据国家地震局地质研究所对对该场地所作地震安全性评价成果，枢纽地震基本烈度达VIII度。根据《水工建筑物抗震设计规范》（NB35057-2015）规定，大坝地震设防烈度为IX度，以100年基准期内超越概率为2%确定设计概率水准，相应地震动水平加速度高达0.394g。高碾压混凝土重力坝的抗震设计是本工程设计中最关键的技术问题之一，需对大坝抗震安全性评价和抗震措施进行深入研究，以保证大坝抗震安全。
2 基本资料
本工程区域构造上位于滇西-北川西南活动构造区范围，总体上新构造运动、深部构造变形、断裂活动、现代地壳形变等均较强烈，属于构造稳定性较差的地区。近场区外围发育晚更新世以来活动强烈的多条断裂。
坝址区基岩为玄武岩组中段（P2β2-3）和上段（P2β3），并有正长斑岩（ξπ）沿构造带或顺层面侵入。玄武岩组中段和上段的界线为凝灰岩t0，分布于两岸坝头高程1250～1310m，上段各岩流层分界线为凝灰岩t1～t9，分布于两岸高程1300m以上山坡，厚度0.6～4.5m。正长斑岩与玄武岩呈熔融接触，该层岩石完整性差，岩芯多呈较破碎～破碎状，较玄武岩风化深。
坝址为弱褶皱构造区，无区域性断裂分布，岩层受褶皱过程中形成小规模断层和挤压带及节理。根据工程规模及地震危险性分析，坝址基岩场地不同超越概率设计地震水平向加速度（g）见表1。
表1 坝址基岩场地设计地震加速度（g）
3 抗震研究方法
鉴于问题的复杂性，对碾压混凝土大坝从单个典型坝段、全坝段等两个层次进行了深入分析，就坝体的强度和抗滑稳定性等进行了动力复核。
(1) 典型坝段是重力坝设计和抗震分析的基本层面，研究中分别采用了材料力学法、有限元法等，对典型坝段进行计算分析，并采用动力模型试验进行复核，确定大坝体型，研究大坝主要的抗震薄弱环节。
(2) 对大坝—地基体系进行全坝段整体三维有限元分析，以非线性接触模型考虑坝段间相互作用进行非线性地震波动反应分析，研究大坝动力响应、揭示抗震薄弱部位、大坝抗震安全性，为抗震措施设计提供依据。
4 典型坝段分析
4.1 抗滑稳定性
各典型坝段沿建基面的动力抗滑稳定安全校核按照现行《水工建筑物抗震设计规范》（NB35057-2015）规定进行计算，计算结果表明：在三向地震作用下，大坝各典型坝段沿建基面和碾压层面的动力抗滑稳定安全均满足现行抗震规范要求。各典型坝段动力抗滑稳定校核结果见表2。
表2 典型坝段抗滑稳定校核结果（单位：t）
4.2 应力分析
材料力学法计算时，坝体与地基间的动力相互作用按常用的伏格特( Vogt )地基系数法确定地基的刚度影响，并忽略地基阻尼和质量的影响；以现行的《水工建筑物抗震设计规范》（NB35057-2015）规定的韦斯特伽德（Westergaard）附加质量模型计入库水的动力影响。平面有限元计算采用振型分解反应谱法，取上下游及深度方向均为2倍坝高范围的无质量地基，以反映地基的弹性动力作用；库水影响则取长度为3倍坝高的水库，以流固耦合方法考虑库水的动力影响。典型坝段静动综合应力分析成果汇总见表3。
表3 各典型坝段控制点静动综合应力（MPa）
有限元法给出了与材料力学法大体相近的应力分布规律，数值上有差异。在大坝中上部高程，上游面有限元法数值略大于材料力学法，下游面则材料力学法结果较大。而在孔口附近、截面突变处以及坝踵、坝趾区域，有限元法成果反映了局部应力集中效应的影响，其应力数值一般明显高于材料力学法成果。各典型坝段大坝混凝土的抗压强度均满足现行抗震设计规范要求，且有较大安全裕度；挡水坝段、溢流坝段的混凝土抗拉强度满足抗震规范要求。对于厂房坝段，下游背管部分区域的拉应力超出了混凝土抗拉强度要求。但考虑到本分析采用的是材料力学法，尚不能准确反映背管复杂结构及其与周围混凝土结构的相互关系，加之该部分区域原本就采取较强的配筋措施，其真实的抗震安全度比计算结果要好。
5 典型坝段动力模型试验研究
(1) 仿真模型
试验选取5个典型坝段（2#岸坡坝段、11#溢流坝段、18#厂房坝段、15#泄洪中孔坝段、24#非溢流坝段）进行动力模型试验。试验用振动台最大载重量10吨，台面尺寸3.6×4.6m，坝体模型用仿真混凝土材料制作，仿真混凝土材料采用水泥、矿石粉、重晶粉（砂）和水按一定配合比制作而成，具有强度低、弹模低、硬化快的特点，能够较好的模拟混凝土材料的弹性－塑性－破坏的全过程。模型几何比尺均为1:60，断面模型时间比尺为7.75。试验同时模拟了坝体－库水的动力相互作用。
模型试验地震波采用规范标准反应谱拟合的人工波。
(2) 典型坝段模型试验研究
通过对龙开口水电站大坝主要典型坝段进行动力模型试验，取得如下主要结论：
① 在地震作用下，坝体头部是抗震薄弱环节。
② 厂房坝段下游折坡至上游进水口根部区域是抗震薄弱环节。
③ 溢流坝段的导墙折坡处、闸墩与堰面交界部位是抗震薄弱环节。
④ 中孔坝段的导墙顶部和底部与坝体连接处是抗震薄弱环节。
⑤ 规范谱地震波作用下，各典型坝段所作的试验表明，坝段的起裂加速度为0.422g～1.598g，均大于龙开口大坝设计地震加速度0.394g。
坝体断面模型动力破坏试验成果见表4。
表4 坝体断面模型动力破坏试验成果表
6 校核地震分析
根据水电水利规划设计总院《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》要求，对于1级挡水建筑物，应分析校核其在校核地震工况下的结构整体稳定性，以达到“不溃坝”的功能目标。取基准期100年超越概率P100为0.01确定大坝校核地震加速度代表值，相应的地震动水平峰值加速度为0.471g。分析研究选取抗震能力相对薄弱的21#挡水坝段进行分析，得出如下结论：
(1) 从设计地震到校核地震，大坝的总体刚度没有明显变化，大坝的非线性损伤无显著发展。
(2) 在设计地震和校核地震作用下坝头折坡部位所设缝面未出现开裂，说明这一部位应力未达到材料的抗拉、抗剪强度。
(3) 在校核地震作用下，坝踵部位的最大拉应力为1.40MPa，最小主应力出现在坝趾部位，为-9.78MPa。
(4) 在整个地震动时程中，反映大坝建基面抗滑稳定安全度的K值均在2.5以上。在校核地震作用下，大坝的坝基交界面动力抗滑稳定满足要求。
(5) 从21#坝段的计算分析结果来看，龙开口重力坝在设计地震和校核地震作用下，坝体强度和稳定性均能够满足要求，且有一定的安全裕度。在校核地震作用下，虽然大坝的动力反应较设计地震作用时有所增大，但坝体应力、坝基交界面开裂范围及建基面抗滑稳定性都能满足抗震安全要求，不存在溃坝的危险。
7 抗震措施设计
本工程地震烈度高，在工程抗震设计中根据数值分析、振动模型试验成果，并参考其它高烈度地震区类似工程经验，经比选采取了以下抗震措施：
(1) 在枢纽建筑物布置进行泄洪建筑物孔口型式及数量比选时，充分考虑了工程抗震设计烈度高的特点，泄洪建筑物选用5个13m×20m的泄洪表孔和4个5m×8m泄洪中孔组合型式。在多年平均入库流量条件下，遭遇高烈度地震时，可在1天内将库水降至表孔堰顶高程1278.0m，；6天左右将库水降至引水进水口底高程1262.64m。能有效降低坝前水位和库容，减免次生灾害的发生和便于震后大坝检查、检修，尽快恢复生产。
(2) 为实现坝段横缝间的相互作用，降低大坝动力反应，坝段间横缝采用键槽的结构型式。
(3) 要求加强混凝土施工温控及施工细节控制工作，尽可能减少大坝混凝土初始缺陷，保证大坝混凝土的抗震性能。
(4) 在大坝上游高程1214m以下设置粘土铺盖，使低高程坝体在遭遇高烈度地震后可能出现的裂缝渗漏自愈，从而提高大坝的安全性。
(5) 根据抗震分析成果，对坝体下游动应力较大区域适当提高混凝土强度等级；并在大坝上、下游坝面配置抗震钢筋，以提高坝体的抗震限裂性能。
(6) 对坝体折坡部位体型进行了圆滑化处理，以减少地震动应力；在动力响应较大的部位适当加强抗震钢筋。
(7) 通过加强梁、桥与闸墩的联接，减少闸墩横河向地震反应。
8 结论
通过对大坝进行计算分析和模型试验研究可以得到如下主要结论：
(1) 材料力学法和单坝段有限元法计算表明大坝的动力响应符合一般规律；大坝抗滑稳定及抗压强度均满足规范要求，部分坝段存在拉应力局部超标现象，但超标范围和数值小，可通过采取一定的工程措施得到解决。
(2) 动力模型试验表明，本工程大坝起裂加速度均大于设计加速度。
(3) 根据研究成果和类似工程经验，对龙开口工程大坝进行了一系列的抗震措施设计，使得大坝能满足抗震要求。
参考文献：
[1] 中华人民共和国能源行业标准. NB/T35057-2015混凝土重力坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2015。
[2] 中华人民共和国电力行业标准. DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社，1998。
[3] 中华人民共和国能源行业标准. NB35057-2015水电工程防震抗震设计规范[S]. 北京：中国电力出版社，2015。