于 青，黃熠輝，何明杰，王建新，殷 亮

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

楊房溝水電站為雅礱江中游河段一庫(kù)六級(jí)開發(fā)的第五級(jí)，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫(kù)總庫(kù)容為5.125億m3，電站裝機(jī)容量為1 500 MW。工程為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩，壩身泄洪表、中孔，壩下水墊塘和左岸岸邊進(jìn)出水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成?；炷岭p曲拱壩最大壩高155 m，拱冠梁頂厚9.00 m，底厚32.00 m，水平拱圈采用拋物線，頂拱中心線弧長(zhǎng)361.6 m，最大中心角87.90°，厚高比0.206，弧高比2.33。

壩址處河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸地形較完整，河谷寬高比為1.53～2.05。壩址區(qū)均為花崗閃長(zhǎng)巖，其飽和抗壓強(qiáng)度為52～82 MPa，巖體堅(jiān)硬。巖體呈塊狀或次塊狀，中厚層結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu)。

2 地震動(dòng)參數(shù)及抗震分析方法

根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》及DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，考慮到該工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，壅水建筑物為1級(jí)建筑物，因此拱壩抗震設(shè)防類別為甲類。楊房溝水電站工程設(shè)防依據(jù)是采用專門的地震危險(xiǎn)性分析提供的基巖峰值加速度成果進(jìn)行評(píng)定的。結(jié)合楊房溝水電站工程規(guī)模，混凝土雙曲拱壩設(shè)計(jì)地震以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為2%確定設(shè)計(jì)概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為302.4 gal。校核地震以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為1%確定設(shè)計(jì)概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為378.4 gal。

由于楊房溝混凝土拱壩壩高已達(dá)155 m，且抗震設(shè)防水平也較高，拱壩結(jié)構(gòu)的抗震安全性對(duì)工程的安全與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)起著重要作用，因此委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)楊房溝拱壩進(jìn)行抗震動(dòng)力分析。除按現(xiàn)行抗震規(guī)范進(jìn)行拱梁分載法以及線彈性有限元法進(jìn)行抗震分析外，還進(jìn)行了計(jì)入壩體橫縫張開和無(wú)限地基輻射阻尼影響的非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治觥?/p>

3 拱壩動(dòng)力反應(yīng)分析

3.1 按現(xiàn)行抗震規(guī)范進(jìn)行分析

3.1.1 壩體動(dòng)力特性

針對(duì)水庫(kù)正常蓄水位和發(fā)電死水位兩種情況，采用動(dòng)力試載法和有限元法分別計(jì)算了大壩前8階自振特性。計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下：

1）動(dòng)力試載法與有限元法計(jì)算得到的2種壩前水位的大壩自振頻率吻合良好，相當(dāng)接近；第一階自振頻率在2.0 Hz左右。

2）大壩基本振型呈反對(duì)稱振型，反映了楊房溝拱壩高度大，壩體較薄的雙曲拱壩特點(diǎn)。

3）2種不同壩前水位相比，由于水位降低導(dǎo)致上游壩面水體附加質(zhì)量的減小，發(fā)電死水位的自振頻率比正常蓄水位的自振頻率略有提高。由于2種水位差異不大，大壩自振頻率變化不大，基頻僅相差3%。

3.1.2 拱壩動(dòng)力反應(yīng)分析

采用動(dòng)力試載法和有限元法進(jìn)行大壩動(dòng)力反應(yīng)譜分析，得出以下結(jié)論：

1）地震作用下壩體最大徑向位移介于6～7 cm之間，均出現(xiàn)在壩頂拱冠處；由于設(shè)計(jì)地震水平較高，楊房溝拱壩動(dòng)態(tài)拱、梁應(yīng)力相對(duì)較大，最大拱向應(yīng)力6～7 MPa，最大梁向應(yīng)力3～4 MPa。從應(yīng)力分布來(lái)看，上游面拱向動(dòng)應(yīng)力最大值發(fā)生于頂拱拱冠附近，下游面拱向動(dòng)應(yīng)力最大值發(fā)生于頂拱拱冠或1/4拱圈附近，而梁向動(dòng)應(yīng)力一般發(fā)生于中部高程拱冠附近，符合拱壩動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。有限元法除在壩踵、壩趾附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其余部位試載法結(jié)果一般略大于有限元法，2種方法得出了比較接近分布規(guī)律。發(fā)電死水位工況壩體地震動(dòng)力反應(yīng)較正常蓄水位時(shí)略有下降，但降幅很小，最大徑向動(dòng)態(tài)位移、最大動(dòng)態(tài)拱梁應(yīng)力的降幅均不超過(guò)3%。有限元法得出了相同的規(guī)律。

2）設(shè)計(jì)地震正常蓄水位工況試載法得到的靜動(dòng)綜合上、下游面最大主拉應(yīng)力為5.18 MPa和3.57 MPa，均大于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；靜動(dòng)綜合上、下游面最大主壓應(yīng)力分別為9.49 MPa和8.05 MPa，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足規(guī)范要求。有限元法得出了與試載法大致相同的應(yīng)力分布規(guī)律，但在壩踵、壩趾區(qū)域出現(xiàn)范圍不大的高拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域。發(fā)電死水位工況試載法結(jié)果顯示，大壩靜動(dòng)綜合上、下游面主拉應(yīng)力略有增加，但增幅不超過(guò)5%；靜動(dòng)綜合主壓應(yīng)力則略有減小，最大降幅約為6%。有限元法結(jié)果的降幅略大于試載法，上游壩踵處的靜動(dòng)綜合主拉應(yīng)力減小了約13%，上游壩頂拱冠處的靜動(dòng)綜合最大主壓應(yīng)力則減小約11%。設(shè)計(jì)地震下壩體上、下游面的抗拉強(qiáng)度均有部分區(qū)域不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，但壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3）與設(shè)計(jì)地震作用下的結(jié)果相比，校核地震作用下大壩動(dòng)態(tài)位移、應(yīng)力以及靜動(dòng)綜合應(yīng)力反應(yīng)均有所提高，大壩靜動(dòng)綜合的拉應(yīng)力增幅大于壓應(yīng)力增幅。校核地震下壩體上、下游面的抗拉強(qiáng)度均有部分區(qū)域不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，但壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2 計(jì)入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的分析

通過(guò)以LDDA模擬拱壩橫縫、以粘彈性邊界為吸能邊界的時(shí)域有限元計(jì)算,得出考慮地基輻射阻尼和橫縫張開影響的拱壩非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治龀晒?。通過(guò)成果分析，得出：

1）無(wú)限地基輻射阻尼效應(yīng)使得大壩地震動(dòng)力響應(yīng)顯著降低。正常水位和死水位條件下，考慮無(wú)限地基幅射阻尼的影響，總體上動(dòng)拱梁應(yīng)力都有較大幅度的降低，最大降幅為40%～50%。

2）壩體橫縫張開對(duì)大壩地震動(dòng)力響應(yīng)影響很大，死水位時(shí)更顯著些。橫縫張開使得拱向拉應(yīng)力與不計(jì)橫縫影響的整體壩的拱向最大動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力比較有明顯降低，這種效應(yīng)使得按常規(guī)線彈性分析的大壩中上部高程的高水平拉應(yīng)力區(qū)消失。同時(shí)橫縫張開也導(dǎo)致大壩梁向動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力有不同程度的增加，其中尤以下游面增加更為顯著。

3）死水位時(shí)大壩橫縫張開度較正常蓄水位時(shí)大，且最大值均出現(xiàn)在壩頂拱冠附近。設(shè)計(jì)地震規(guī)范譜人工波作用下，死水位時(shí)下游面橫縫張開范圍約為2 060 m高程以上，上游面橫縫張開范圍2 040 m高程以上，總體看來(lái)出現(xiàn)橫縫張開的范圍較小。橫縫最大張開度為6 mm，根據(jù)當(dāng)前橫縫止水設(shè)計(jì)和制造水平，楊房溝大壩地震時(shí)橫縫張開應(yīng)該在可允許的變形范圍之內(nèi)。

4）受橫縫張開和無(wú)限地基輻射阻尼效應(yīng)的綜合影響，常規(guī)線彈性分析出現(xiàn)在壩體中上部高程大范圍的高拉應(yīng)力區(qū)消失。下游壩面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa，小于C9025混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.35 MPa；而上游面壩基交接面附近最大主拉應(yīng)力最大值為4.56 MPa，壩基交接面附近最大主應(yīng)力大于2.80 MPa（C9030混凝土的容許動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度）的區(qū)域較小，主應(yīng)力大于2.80 MPa的區(qū)域沿壩高方向距建基面不超過(guò)15 m。

5）不管是整體壩還是分縫壩，大壩靜動(dòng)綜合最大壓應(yīng)力不超過(guò)12MPa，對(duì)大壩抗震安全不起控制作用。

6）對(duì)比分縫壩設(shè)計(jì)地震柯依那地震波與規(guī)范譜人工波作用可見(jiàn)，柯依那地震波作用下最大主拉、壓應(yīng)力均有減小，柯依那波作用工況不是控制工況。

7）對(duì)比分縫壩設(shè)計(jì)地震洛馬普利塔地震波與規(guī)范譜人工波作用可見(jiàn)，洛馬普利塔地震波作用下最大主拉應(yīng)力稍有減小，最大主壓應(yīng)力略有增加；在洛馬普列塔波作用下，壩體上游面1 980 m高程以上壩基交接部位最大主拉應(yīng)力大于對(duì)應(yīng)的規(guī)范譜人工波作用下的最大主拉應(yīng)力；而在1 980 m高程以下，洛馬普列塔波作用下壩體上游面壩基交接部位最大主拉應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的規(guī)范譜人工波作用下的最大主拉應(yīng)力。

8）對(duì)比分縫壩校核地震與設(shè)計(jì)地震工況可知，校核地震時(shí)，上、下游面最大主拉應(yīng)力較設(shè)計(jì)地震時(shí)分別增加0.71 MPa和0.54 MPa；上、下游面最大主壓應(yīng)力較設(shè)計(jì)地震時(shí)分別增加8.3%和7.8%?？傮w來(lái)講，計(jì)入無(wú)限地基輻射阻尼影響后，盡管校核地震下大壩靜動(dòng)綜合拉應(yīng)力較設(shè)計(jì)地震有所增加，但增幅不大，除去壩踵局部區(qū)域外，壩體最大拉應(yīng)力未超過(guò)大壩混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。

4 拱壩抗震安全評(píng)價(jià)

本文通過(guò)拱梁分載法及有限元法對(duì)楊房溝拱壩進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析，總體評(píng)價(jià)如下：

1）設(shè)計(jì)地震作用試載法得出的壩體上、下游面最大主拉應(yīng)力為5.18 MPa和3.57 MPa，出現(xiàn)于拱壩上部拱圈中部范圍；壩體上、下游面最大主壓應(yīng)力分別為9.48 MPa和8.05 MPa，小于應(yīng)力控制值。校核地震作用下大壩反應(yīng)均有所提高。

2）考慮壩體橫縫張開和地基輻射阻尼效應(yīng)影響后，楊房溝拱壩的地震動(dòng)力響應(yīng)明顯降低，常規(guī)線彈性分析在大壩中上部拱冠附近出現(xiàn)的大范圍高拉應(yīng)力區(qū)不復(fù)存在，大壩橫縫張開度也不大，最大張開度為6 mm，應(yīng)該在橫縫止水可允許的變形范圍之內(nèi)。高拉應(yīng)力區(qū)僅集中于河床上游面壩基交接面附近，超2.80 MPa(C9030混凝土的容許動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度）的范圍相對(duì)較小，最大主拉應(yīng)力最大值為4.56 MPa，考慮到有限元分析存在的應(yīng)力集中問(wèn)題，壩踵的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)小于計(jì)算值。另外，拱壩作為一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，強(qiáng)震時(shí)即使壩體局部拉應(yīng)力較大導(dǎo)致壩體開裂，壩體也具有較強(qiáng)的應(yīng)力調(diào)整能力。

3）與同類工程抗震分析成果比較，楊房溝拱壩橫縫開度相對(duì)較小，下游面最大主應(yīng)力也是較小的，上游面最大主應(yīng)力居中等水平，出現(xiàn)的部位與其它工程類似，均處于壩基交界范圍。

綜上所述，楊房溝拱壩在地震作用下壩體變形和應(yīng)力同國(guó)內(nèi)類似工程比較均處于中等水平，大壩的抗震安全性可以得到保證。

［1］DL/T 5346-2006,混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］DL5073-2000,水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］李瓚，王光綸，等.混凝土拱壩設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［4］李德玉，陳厚群.高拱壩抗震動(dòng)力分析和安全評(píng)價(jià)［J］.水利水電技術(shù)，2004（1）.

［5］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.高拱壩地基地震能量逸散影響的研究［R］.“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告95-221-03-02-01（1），1999.

［6］古泉，王光綸，徐艷杰.強(qiáng)震作用下高拱壩橫縫張開非線性反應(yīng)的研究［J］.水利水電技術(shù)，2001（9）.