葉建群，鄭鵬翔，涂承義

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

龍開(kāi)口水電站位于云南省大理州鶴慶縣境內(nèi)，是金沙江中游河段“一庫(kù)八級(jí)”的第六級(jí)電站。工程總庫(kù)容5.58億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.13億m3，具有日調(diào)節(jié)性能，防洪庫(kù)容1.26億m3。電站安裝5臺(tái)360MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1800MW，年發(fā)電量73.96億kWh。水庫(kù)每年可提供灌溉水量7937萬(wàn)m3和人畜用水量202萬(wàn)m3。樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪沖沙建筑物、右岸壩后式發(fā)電廠房和左、右兩岸灌溉取水口等建筑物組成。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長(zhǎng)768m，最大壩高116m。電站于2007年9月開(kāi)始籌建，2012年11月下閘蓄水，2013年5月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2014年1月全部5臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。

本工程區(qū)域和近場(chǎng)構(gòu)造上位于滇西北川西南活動(dòng)構(gòu)造區(qū)范圍，屬于構(gòu)造穩(wěn)定性較差的地區(qū)，總體上新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、深部構(gòu)造變形、現(xiàn)代地殼形變、斷裂活動(dòng)等均較強(qiáng)烈。晚更新世以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈的多條斷裂發(fā)育在近場(chǎng)和壩址區(qū)外圍，這些斷裂發(fā)生地震時(shí)，對(duì)壩址的影響相對(duì)較弱。但鶴慶～洱源斷裂和程?！e川斷裂距壩址則較近，如果再次發(fā)生地震對(duì)壩址區(qū)的影響較大。

龍開(kāi)口水電站的工程場(chǎng)地地震基本烈度根據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所完成并經(jīng)中國(guó)地震局批復(fù)，確定為Ⅷ度。大壩抗震設(shè)防類別屬“甲”類，在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度即Ⅸ度作為設(shè)計(jì)烈度。雍水建筑物取基準(zhǔn)期100年內(nèi)超越概率P100為0.02，確定地震水平向加速度峰值為0.394g；校核地震標(biāo)準(zhǔn)取為基準(zhǔn)期100年超越概率1%，相應(yīng)水平向地震加速度代表值為0.471g。

1 重力壩設(shè)計(jì)概況

1.1 大壩工程地形地質(zhì)條件

壩址處河谷地形開(kāi)闊，兩岸山體雄厚，岸坡左陡右緩，為不對(duì)稱U形谷。壩址區(qū)基巖主要為玄武巖組中段（P2β2-3）與上段（P2β3），且沿構(gòu)造帶或順層面有正長(zhǎng)斑巖（ξπ）侵入。玄武巖組中段和上段的界線為凝灰?guī)rt0，分布于左、右岸壩頭高程1250～1310m，上段各巖流層分界線為凝灰?guī)rt1～t9，厚度0.6～4.5m，分布于高程1300m以上的兩岸岸坡。玄武巖與正長(zhǎng)斑巖接觸面后期多擠壓破碎，部分呈熔融接觸，該層巖石巖芯多呈較破碎～破碎狀，完整性差，較玄武巖風(fēng)化深。左岸岸坡基巖大部分裸露。右岸岸坡主要分布第四系堆積，右壩肩上部岸坡分布有大型蠕滑拉裂變形巖體。壩址處為弱褶皺構(gòu)造區(qū)，無(wú)區(qū)域性斷裂分布，有小規(guī)模斷層和擠壓帶及節(jié)理在巖層受褶皺過(guò)程中形成。

1.2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長(zhǎng)768m，壩頂高程1303m，最大壩高116m。經(jīng)過(guò)優(yōu)選確定各壩段基本三角形剖面的頂點(diǎn)高程為1303.00m，上游面1235.00m高程以上為垂直坡，1235.00m高程以下坡度為1：0.2；下游壩坡的坡度為1：0.75。壩體的防滲結(jié)構(gòu)型式為碾壓混凝土自身防滲+變態(tài)混凝土防滲。壩基及兩岸的防滲型式為水泥帷幕灌漿，帷幕灌漿深入透水率小于1Lu基巖以下5m。為滿足樞紐泄洪、施工導(dǎo)流、庫(kù)區(qū)及廠前沖沙的綜合要求，泄洪沖沙建筑物布置形式采用表、中、底孔相結(jié)合的方式。泄洪建筑物由5個(gè)溢流表孔，4個(gè)泄洪中孔組成，溢流表孔布置在主河床，4個(gè)泄洪中孔布置在表孔兩側(cè)。重力壩典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 龍開(kāi)口水電站重力壩典型斷面Figure 1 Typical section of the gravity dam of longkaikou hydropower station

2 重力壩抗震安全性評(píng)價(jià)

2.1 各典型壩段的材料力學(xué)法和平面有限元法抗震計(jì)算分析與評(píng)價(jià)

龍開(kāi)口混凝土重力壩由擋水壩段、溢流壩段、泄洪中孔壩段、引水廠房壩段等組成。在抗震計(jì)算時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)特點(diǎn)，分別選取有代表性的21號(hào)和24號(hào)擋水壩段、13號(hào)中孔壩段、11號(hào)溢流壩段及18號(hào)引水廠房壩段進(jìn)行大壩設(shè)計(jì)地震作用下的抗震計(jì)算。

材料力學(xué)法的基本假定為懸臂梁水平截面在受荷變形后仍保持平面（平截面假定）；計(jì)算時(shí)，忽略地基阻尼和質(zhì)量的影響，壩體與地基間的動(dòng)力相互作用按常用的Vogt地基系數(shù)法確定地基剛度影響；庫(kù)水的影響采用Westergaard公式計(jì)算附加質(zhì)量。

平面有限元法計(jì)算時(shí)，為反映地基的彈性動(dòng)力作用，取上、下游及鉛直向均為2倍壩高范圍的無(wú)質(zhì)量地基；庫(kù)水的附加質(zhì)量采用流固耦合的有限元數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，庫(kù)水影響取長(zhǎng)度為3倍壩高的水庫(kù)，以有效模擬庫(kù)水的動(dòng)力影響。

2.1.1 各典型壩段自振特性

采用材料力學(xué)法和有限元法計(jì)算分析了各典型壩段的自振特性，兩方法給出了十分接近的自振頻率。擋水壩段和中孔壩段的振型參與系數(shù)大于溢流壩段和廠房壩段。對(duì)比擋水壩段結(jié)果可知，地基變模大小對(duì)大壩基頻影響較為顯著。由于擋水壩段和中孔壩段振型參與系數(shù)較大，其加速度放大效應(yīng)大于溢流壩段和廠房壩段。21號(hào)擋水壩段的材料力學(xué)法、有限元法計(jì)算的自振頻率和振型參與系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 21號(hào)擋水壩段的材料力學(xué)法、有限元法計(jì)算的自振頻率和振型參與系數(shù)Table 1 Natural frequency and mode participation coefficient calculated by material mechanics method and finite element method for 21# water retaining dam section

2.1.2 各典型壩段靜、動(dòng)態(tài)反應(yīng)及強(qiáng)度安全校核

采用材料力學(xué)法和有限元法計(jì)算了各典型壩段的靜、動(dòng)態(tài)反應(yīng)，表2列出了各典型壩段材料力學(xué)法及有限元法的靜動(dòng)綜合應(yīng)力結(jié)果。由于地震動(dòng)態(tài)應(yīng)力較大，各壩段的壩面靜動(dòng)綜合應(yīng)力均較大；其中，廠房壩段和中孔壩段的應(yīng)力水平總體上高于擋水壩段和溢流壩段。材料力學(xué)法與有限元法的大壩壩面應(yīng)力分布規(guī)律大體相近，在數(shù)值上有不同程度的差別?？傮w來(lái)看，在大壩中、上部高程，上游面材料力學(xué)法計(jì)算的數(shù)值略小于有限元法，下游面則材料力學(xué)法結(jié)果較大。而在壩踵、壩趾區(qū)域、孔口附近以及截面突變處，有限元法的成果反映了局部應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，其應(yīng)力數(shù)值一般明顯高于材料力學(xué)法計(jì)算成果。

表2 各典型壩段材料力學(xué)法及有限元法的靜動(dòng)綜合應(yīng)力結(jié)果Table 2 Stress results calculated by material mechanics and finite element method for each typical dam section under static and dynamic forces （MPa）

各典型壩段混凝土的抗壓強(qiáng)度均能夠滿足《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，且具有較大的安全裕度。溢流壩段、擋水壩段的混凝土抗拉強(qiáng)度能夠滿足抗震規(guī)范要求。泄洪中孔壩段的下游壩面1265.70～1275m高程范圍內(nèi)拉應(yīng)力超過(guò)了RCC-C20混凝土的抗震強(qiáng)度要求，但超出的范圍和數(shù)值均很小，采取適當(dāng)壩面配筋措施可滿足抗震要求。廠房壩段下游背管部分區(qū)域的拉應(yīng)力超出了混凝土抗拉強(qiáng)度要求，但超標(biāo)的數(shù)值較小。但考慮到本分析采用的是材料力學(xué)法，不能夠準(zhǔn)確反映背管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其與周圍混凝土結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系，另外對(duì)該部位采取了較強(qiáng)配筋措施，其真實(shí)的抗震安全度要好于計(jì)算結(jié)果。

2.1.3 各典型壩段抗滑穩(wěn)定安全校核

各典型壩段沿建基面的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定校核；壩體各水平層面的抗滑穩(wěn)定安全校核參照沿建基面的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全校核方法。各典型壩段沿建基面和碾壓層面的靜動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全均能夠滿足抗震規(guī)范要求。各典型壩段在設(shè)計(jì)地震作用下建基面的抗滑穩(wěn)定校核結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各典型壩段建基面設(shè)計(jì)地震作用下的抗滑穩(wěn)定校核結(jié)果Table 3 The results of anti-sliding stability check of the foundation surface of each typical dam section under design earthquake （kN）

2.2 樞紐全壩段三維動(dòng)力非線性計(jì)算分析與評(píng)價(jià)

為了真實(shí)模擬大壩在地震作用下的整體工作狀態(tài)，并且評(píng)價(jià)橫縫聯(lián)接形式在大壩防震抗震中的影響，對(duì)大壩—地基系統(tǒng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值仿真分析。按照實(shí)際間距模擬各壩段間的接觸縫面，接縫共計(jì)30條，縫間接觸初始狀態(tài)按照分倉(cāng)縫與誘導(dǎo)縫分別模擬，誘導(dǎo)縫間初始間隙為3mm，分倉(cāng)縫的初始間隙則按照灌漿與不灌漿分別取為0mm和3mm，當(dāng)考慮分倉(cāng)縫設(shè)置鍵槽的作用時(shí)，則認(rèn)為縫間在切向無(wú)滑移和錯(cuò)動(dòng)；另外還考慮了未灌漿時(shí)初始間隙均設(shè)為5mm的情況。

大壩—地基系統(tǒng)整體三維有限元模型共有43542個(gè)單元，50773個(gè)節(jié)點(diǎn)，4405個(gè)接觸縫面的接觸節(jié)點(diǎn)對(duì)。為模擬地震動(dòng)能量向無(wú)限遠(yuǎn)域的逸散，地基外側(cè)設(shè)置了60m的人工透射邊界區(qū)。地震波以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜擬合生成的人工加速度時(shí)程，在順河向、橫河向和鉛直向施加；庫(kù)水的動(dòng)水壓力影響按照Westergaard公式計(jì)算的附加質(zhì)量進(jìn)行模擬。

計(jì)算分析結(jié)果表明：考慮壩段橫縫間的相互作用后，在三向地震波的作用下，壩體拉應(yīng)力數(shù)值和范圍明顯減??；若不考慮壩段橫縫間的相互作用，即各壩段單獨(dú)工作，則在三向地震波的作用下，其拉應(yīng)力數(shù)值和范圍較前者由明顯的增加，且較常規(guī)的二維有限元分析成果不利。因此，采取工程措施以實(shí)現(xiàn)壩段橫縫間的相互作用是必要的。為加強(qiáng)壩段間的聯(lián)接和大壩的整體性，采用在分倉(cāng)縫內(nèi)設(shè)置半球型鍵槽、倉(cāng)內(nèi)誘導(dǎo)縫切縫形成鍵槽等工程措施是可行的。

圖2 分倉(cāng)縫設(shè)鍵槽不灌漿時(shí)的靜動(dòng)綜合最大主應(yīng)力云圖Figure 2 The maximum principal stress of dam under static and dynamic forces when the bay joint seam with keyway is not grouted

2.3 校核地震作用動(dòng)力計(jì)算分析及研究

對(duì)于龍開(kāi)口水電站主要壅水建筑物，根據(jù)《水電工程防震抗震研究設(shè)計(jì)及專題報(bào)告編制暫行規(guī)定》，為達(dá)到“不潰壩”的功能目標(biāo)，應(yīng)分析其在校核地震工況下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。校核地震水平地震動(dòng)參數(shù)取基準(zhǔn)期100年超越概率1%為0.471g。

選取典型的21號(hào)擋水壩段，分別采用材料力學(xué)法和平面非線性有限元法進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明：在校核地震作用下，雖然大壩的動(dòng)力反應(yīng)較設(shè)計(jì)地震作用時(shí)有所增大，但壩頭折坡部位未出現(xiàn)開(kāi)裂，壩基交界面開(kāi)裂范圍不大，尚未達(dá)到帷幕位置；整個(gè)地震動(dòng)時(shí)程中，大壩建基面抗滑穩(wěn)定安全度的K值均在2.5以上，建基面抗滑穩(wěn)定性能夠滿足抗震安全要求，不存在潰壩的危險(xiǎn)。

2.4 典型壩段動(dòng)力模型試驗(yàn)

動(dòng)力模型試驗(yàn)選取5個(gè)典型壩段（2號(hào)岸坡壩段、11號(hào)溢流壩段、15號(hào)泄洪中孔壩段、18號(hào)廠房壩段、24號(hào)非溢流壩段），以測(cè)試大壩的動(dòng)力特性，包括頻率、振型和阻尼比；確定大壩地震響應(yīng)，以及大壩在強(qiáng)震作用下相應(yīng)的地震動(dòng)輸入加速度、壩頂反應(yīng)加速度以及裂縫的發(fā)展過(guò)程，并記錄分析大壩的破壞過(guò)程，判斷大壩的超載能力及抗震安全度。

試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸3.6m×4.6m，最大載重量10t，壩體模型采用仿真混凝土材料制作，由水泥、礦石粉、重晶粉（砂）和水按一定配合比制作而成，具有硬化快、強(qiáng)度低、彈模低的特點(diǎn)，能夠較好地模擬混凝土材料的彈性—塑性—破壞全過(guò)程。模型采用的幾何比尺均為1：60，斷面模型時(shí)間比尺為7.75。試驗(yàn)地震波采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合的人工波，同時(shí)模擬了壩體—庫(kù)水的動(dòng)力相互作用。典型壩段的破壞狀態(tài)見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 24號(hào)壩段破壞狀態(tài)（下游圓弧出現(xiàn)裂縫，起裂加速度0.891g）Figure 3 Damage status of 24# dam section（Cracks appear in the downstream arc segment，and the initial cracking acceleration is 0.891g）

圖4 24號(hào)壩段破壞狀態(tài)（裂縫向上游貫穿，破壞加速度1.468g）Figure 4 Damage status of 24# dam section（The crack extends upstream with a failure acceleration of 1.468g）

動(dòng)力模型試驗(yàn)表明，在地震作用下，壩體頭部、溢流壩段的導(dǎo)墻折坡處、廠房壩段下游折坡至上游進(jìn)水口根部區(qū)域、閘墩與堰面交界部位、中孔壩段的導(dǎo)墻頂部和底部與壩體連接處是抗震的薄弱環(huán)節(jié)；各典型壩段的起裂加速度為0.422g～1.598g，均大于龍開(kāi)口水電站大壩設(shè)計(jì)的0.394g水平地震加速度，大壩具有一定的安全裕度，大壩整體是安全的。

3 抗震措施

龍開(kāi)口水電站壩址地震烈度高，在工程抗震設(shè)計(jì)中根據(jù)材料力學(xué)法及有限元法分析、振動(dòng)模型試驗(yàn)成果，并結(jié)合其他高烈度地震區(qū)類似的工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)選采取了如下抗震措施：

（1）為充分考慮工程抗震設(shè)計(jì)烈度高的特點(diǎn)，泄洪建筑物型式選用了5個(gè)13m×20m的泄洪表孔和4個(gè)5m×8m泄洪中孔組合。則在多年平均入庫(kù)流量條件下，當(dāng)遭遇高烈度地震時(shí)，可在1天內(nèi)將上游庫(kù)水降至表孔堰頂高程1278.0m，相應(yīng)庫(kù)容由正常蓄水位的5.07億m3降至2.5億m3；6天左右將庫(kù)水降至引水進(jìn)水口底板1262.64m，相應(yīng)庫(kù)容約1.15億m3。能有效地降低壩前水位以及庫(kù)容，減免次生災(zāi)害的發(fā)生和便于震后大壩的檢查、檢修，盡快恢復(fù)生產(chǎn)。

（2）通過(guò)分析比選，為加強(qiáng)壩段間的連接和大壩的整體性，以及降低大壩的地震動(dòng)力反應(yīng)，本工程選取在分倉(cāng)縫內(nèi)設(shè)置半球型鍵槽、倉(cāng)內(nèi)誘導(dǎo)縫切縫形成鍵槽等工程措施。

（3）加強(qiáng)混凝土施工過(guò)程中的溫控及細(xì)節(jié)控制，盡可能地減少大壩混凝土的初期產(chǎn)生的缺陷，以保證大壩混凝土的抗震性能。

（4）在大壩上游高程1214m以下設(shè)置黏土鋪蓋，使得低高程壩體在遭遇高烈度地震后出現(xiàn)裂縫時(shí)能夠滲漏自愈，從而提高大壩的安全性。

（5）根據(jù)抗震分析成果，適當(dāng)提高壩體下游動(dòng)應(yīng)力較大區(qū)域的混凝土強(qiáng)度等級(jí)；并在大壩上、下游壩面配置抗震鋼筋，以提高壩體的抗震限裂性能。

（6）根據(jù)抗震分析和已建重力壩震害經(jīng)驗(yàn)，壩體折坡部位地震動(dòng)應(yīng)力大，是易于發(fā)生破壞的部位，因此，本工程采用圓滑化處理壩體折坡部位的體型，以此減少地震動(dòng)應(yīng)力，并適當(dāng)配置抗震鋼筋。

（7）根據(jù)抗震分析成果，發(fā)電引水壩段進(jìn)水口下部牛腿根部與下游折坡處、溢流壩閘墩與堰面交接部位、壩體各類孔口兩側(cè)邊墻等部位地震動(dòng)應(yīng)力較大，是抗震薄弱部位，進(jìn)行了加強(qiáng)配筋處理。

（8）壩體橫縫止水選用變形能力大的止水型式，以適應(yīng)壩段間因地震荷載可能產(chǎn)生的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形。

（9）溢流表孔壩段閘墩，側(cè)向剛度相對(duì)較小，通過(guò)降低閘墩高度、加強(qiáng)梁、橋與閘墩的聯(lián)接，減少閘墩橫河向地震反應(yīng)。

（10）對(duì)壩基中的斷層、破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱夾層等進(jìn)行刻槽回填混凝土、加強(qiáng)帷幕及固結(jié)灌漿等處理，減少基礎(chǔ)滲漏和降低滲透壓力。

（11）對(duì)碾壓混凝土大壩進(jìn)行了強(qiáng)震觀測(cè)設(shè)計(jì)，在多個(gè)斷面不同高程布設(shè)了強(qiáng)震觀測(cè)設(shè)施，以監(jiān)測(cè)壩體不同部位的地震反應(yīng)，指導(dǎo)震后修復(fù)工作。

（12）設(shè)置專門(mén)的地震臺(tái)網(wǎng)，用以監(jiān)測(cè)庫(kù)、壩區(qū)附近因工程運(yùn)行而可能誘發(fā)的地震。

4 結(jié)束語(yǔ)

龍開(kāi)口水電站壩址位于高烈度地震區(qū)，大壩水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.394g。采用材料力學(xué)法、數(shù)值計(jì)算分析方法和動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究分析了大壩的壩體應(yīng)力變形、抗滑穩(wěn)定、壩體混凝土開(kāi)裂過(guò)程、壩體橫縫狀態(tài)及抗震設(shè)計(jì)等，綜合評(píng)價(jià)了大壩的抗震安全性。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)地震和校核地震作用下，大壩抗滑穩(wěn)定及抗壓強(qiáng)度均能夠滿足規(guī)范要求，部分壩段存在局部拉應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象，但超標(biāo)的范圍和數(shù)值小，采取一定的工程措施能夠得到解決；大壩起裂加速度均大于設(shè)計(jì)加速度；建基面抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；大壩具有一定的地震荷載超載能力。根據(jù)抗震分析研究成果，采用了大壩橫縫梯形鍵槽代替橫縫灌漿、壩體折坡部位圓滑化處理、壩體交接部位及上下游壩面配筋、大壩上游低高程處設(shè)黏土鋪蓋等抗震措施，以提高大壩抗震性能；優(yōu)化泄洪建筑物組合型式，能快速、有效降低壩前水位及庫(kù)容，減免次生災(zāi)害的發(fā)生以及便于震后大壩的檢查、檢修。龍開(kāi)口重力壩防震抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)高地震區(qū)的高重力壩防震抗震設(shè)計(jì)具有一定的工程參考價(jià)值。