許 雷，楊 鴿，劉 慧

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州，311122；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

1 概況

某抽水蓄能電站位于山西省，工程于2003年8月開工建設(shè)，2009年9月4臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。下水庫采用開挖、攔溝筑壩成庫，由一座主壩、一座副壩及巖坡庫岸圍庫而成，為全庫防滲工程。下水庫主壩為簡式瀝青混凝土面板堆石壩，利用庫盆開挖料堆石填筑，最大壩高97.0 m，上游坡1∶2，下游坡1∶1.7，壩頂下游設(shè)置“L”形混凝土擋墻，上游側(cè)設(shè)高2.5~3.8 m的混凝土防浪墻，防浪墻頂高出壩頂高程1.2 m。下水庫主壩從上游至下游依次分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、上游主堆石區(qū)、下游次堆石區(qū)、壩基過渡排水區(qū)、下游干砌石護(hù)坡區(qū)及下游主溝部位的下游堆石，典型斷面見圖1。

圖1 下水庫主壩典型斷面（壩0+336.015 m）Fig.1 Typicalsection of main dam of lower reservoir(dam 0+336.015 m)

工程設(shè)計階段，根據(jù)中國地震局批復(fù)的場地地震安全性評價報告，確定工程區(qū)場地地震基本烈度為Ⅶ度，50年超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度為0.138g，該電站下水庫主壩按Ⅶ度地震烈度設(shè)防。2019年大壩安全首次定期檢查時提出，根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定[1]，該電站工程區(qū)50年超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度由原設(shè)計的0.138g調(diào)整到0.20g，對應(yīng)地震烈度為Ⅷ度，原設(shè)計計算結(jié)果不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，故需結(jié)合新地震動參數(shù)及新抗震設(shè)計規(guī)范的要求對下水庫主壩進(jìn)行抗震安全性復(fù)核。

下水庫主壩為1級建筑物，且為壅水建筑物，工程抗震設(shè)防類別為甲類，按照規(guī)范要求[2]，設(shè)計水平向峰值加速度代表值應(yīng)增加一倍，為0.4g，設(shè)計烈度應(yīng)在基本烈度的基礎(chǔ)上提高一級，為Ⅸ度，同時需考慮豎向地震動，其峰值為水平向加速度峰值的2/3，為0.27g。由于下水庫主壩最大壩高97.0 m，抗震復(fù)核烈度為Ⅸ度，壩基部分區(qū)域覆蓋層厚度超過40 m，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，下水庫主壩需同時采用擬靜力法和有限元法計算地震作用效應(yīng)。

2 有限元法抗震安全性復(fù)核計算

2.1 計算方法

有限元法抗震安全性復(fù)核計算采用河海大學(xué)開發(fā)的TSDA有限元靜動力計算程序[3]。TSDA程序?qū)ν潦瘔芜M(jìn)行地震響應(yīng)分析分結(jié)構(gòu)靜力分析和動力分析兩個模塊，其中動力分析包括結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算和結(jié)構(gòu)安全性能指標(biāo)計算兩部分，壩坡動力穩(wěn)定性分析采用塊體旋滑法，具體計算流程見圖2。

圖2 TSDA土石壩地震反應(yīng)有限元分析程序流程Fig.2 Program flow of TSDA finite element analysis on seismic response of earth-rockfill dam

2.2 計算剖面及有限元網(wǎng)格

考慮到壩0+336.015 m斷面（見圖1）壩高最大，且覆蓋層較厚，發(fā)生地震破壞的風(fēng)險最大[4]，因此選擇該斷面進(jìn)行有限元動力分析，計算范圍包括壩基多層巖層，最低高程為660 m，壩頂高程為840 m。計算剖面的有限元網(wǎng)格見圖3，共有1 775個單元，1 767個節(jié)點，所采用坐標(biāo)系為：X軸垂直于壩軸線指向庫外，Y軸豎直向上。

圖3 有限元抗震復(fù)核計算剖面有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element grid of section for finite element seismic review calculation

2.3 荷載及工況組合

（1）自重和水荷載：自重模擬地基沉降及大壩填筑逐級施加過程，地基分8級，壩體分10級；水荷載分4級施加，在不同計算工況下分別施加至正常蓄水位高程838.0 m及死水位798.0 m。

（2）加速度峰值：計算模型中地層厚度大于50 m，抗震分析時采用的地震動時程幅值折減50%，水平向輸入地震動峰值加速度為0.2g，豎直向輸入地震動峰值加速度為0.13g。

（3）特征周期：下水庫主壩壩址場地土類型大致為中軟場地土至中硬場地土，覆蓋層厚度在40 m以內(nèi)，場地類別仍為Ⅱ類，地震加速度反應(yīng)譜特征周期取0.4 s。

（4）加速度時程：人工合成輸入加速度時程見圖4，合成地震動對應(yīng)的反映譜見圖5，與抗震規(guī)范給出的設(shè)計反應(yīng)譜吻合性較好。

圖4 人工合成輸入加速度時程Fig.4 Time history of artificialinput acceleration

圖5 輸入加速度時程（X向）對應(yīng)反應(yīng)譜Fig.5 The corresponding response spectrum of time history of input acceleration(X direction)

（5）動水壓力：根據(jù)規(guī)范推薦的公式計算。

（6）工況組合：本次復(fù)核計算考慮兩種工況，分別為正常蓄水位+地震和死水位+地震。

（7）邊界條件：為模擬地基無限域輻射阻尼的作用，動力計算時在模型底部和側(cè)邊施加粘彈性邊界。

2.4 計算參數(shù)

2.4.1 靜力本構(gòu)模型參數(shù)

堆石料、覆蓋層及瀝青混凝土面板皆采用Dun?can-Chang E-B模型描述堆石料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，室內(nèi)試驗得到的堆石料及瀝青混凝土材料的本構(gòu)模型參數(shù)見表1，基巖彈性模量取10 GPa，泊松比取0.34。

表1 非線性材料Duncan-Chang E-B模型計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters in Duncan-Chang E-B model for nonlinear materials

考慮不同壩料間的相互作用，設(shè)置接觸面單元來處理位移不協(xié)調(diào)問題，采用Goodman單元，用Clough-Duncan模型模擬接觸面的靜應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[5]。

2.4.2 動力本構(gòu)模型參數(shù)

該工程設(shè)計階段曾進(jìn)行堆石料及覆蓋層等主要材料的動三軸試驗，獲取Hardin動力本構(gòu)模型參數(shù)，故本次沿用Hardin模型描述筑壩堆石料的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，參數(shù)取值見表2。基巖的動力力學(xué)參數(shù)與靜力分析參數(shù)相同。

表2 非線性材料Hardin模型計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters in Hardin model for nonlinear materials

殘余變形參數(shù)根據(jù)設(shè)計階段堆石料及覆蓋層等主要材料的動力變形試驗獲取，見表3。

表3 下水庫主壩材料沈珠江模型殘余變形參數(shù)Table 3 Residualdeformation parameters in Shenzhujiang modelfor materials of the main dam in lower reservoir

2.5 計算結(jié)果分析

下水庫主壩動力有限元計算結(jié)果見表4，可以得到以下幾點結(jié)論。

表4 有限元靜動力分析結(jié)果Table 4 Results of finite element static and dynamic analysis

2.5.1 壩體加速度響應(yīng)

兩種工況下大壩上部壩體的最大響應(yīng)基本一致，而下部（高程740 m左右）到中部（高程800 m左右）壩體的最大響應(yīng)在死水位遭遇地震工況時有所增大，這是因為水荷載以面力形式作用于面板，且不考慮地震時的動水作用，所以水位越高，壩體越不易發(fā)生震動。

2.5.2 震后殘余變形

正常蓄水位和死水位工況下，壩體震后豎直向殘余變形最大值分別為0.83 m和1.08 m，死水位工況下壩體地震殘余變形分布見圖6，最大殘余變形均發(fā)生在壩頂靠近下游側(cè)，受覆蓋層厚度變化的影響，大壩下游側(cè)震后豎向位移普遍大于上游側(cè)。一般情況下，當(dāng)壩體最大震陷量超過0.6%～0.8%倍壩高時，土石壩可能產(chǎn)生明顯震害。本次復(fù)核分析中，下水庫主壩-地基系統(tǒng)的最大豎向殘余變形約為壩高的0.85%～1.06%，考慮到壩基覆蓋層的殘余變形在0.3~0.5 m，因此，壩體本身的豎向殘余變形小于0.6%，表明地震工況下大壩不會產(chǎn)生明顯震害。

圖6 死水位工況下壩體地震殘余變形（單位：m）Fig.6 Seismic residual deformation of dam body under condi?tion of minimum water level(unit:m)

2.5.3 壩坡動力穩(wěn)定性

正常蓄水位時，下游壩坡會出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的情況，發(fā)生滑移的滑動體見圖7，位于下游壩坡靠近壩頂處，逸出點距離坡頂距離約3.11 m?；瑒芋w規(guī)模都很小，在4 s左右開始滑動，在25 s左右開始急速滑動，最終滑動量分別達(dá)1.8 m、0.9 m和1.0 m，雖說滑動體的滑移量較大，但滑動體體積很小，因而對大壩的整體安全性影響不大。死水位時，未出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的情況，壩坡未失穩(wěn)。

圖7 正常蓄水位下滑動體位置及位移時程過程線Fig.7 Position of sliding body under condition of normal water storage level and its displacement-time curve

3 擬靜力法抗震安全性復(fù)核計算

3.1 計算方法

下水庫主壩上、下游壩坡分別為1∶2.0和1∶1.7，上游壩坡顯著緩于下游壩坡，同時，上游壩面有瀝青混凝土面板保護(hù)，水壓力作用方向指向壩內(nèi)，而壩體建基面整體傾向下游，故下游壩坡更加危險，因此本次復(fù)核采用簡化畢肖普法進(jìn)行下游壩體及覆蓋層內(nèi)部圓弧滑裂面分析，采用Morgenstern-Price法進(jìn)行沿覆蓋層開挖面滑動以及沿基巖面滑動的穩(wěn)定性分析。

壩0+176.684 m剖面次堆石區(qū)壩基覆蓋層開挖面傾向下游角度較大，沿覆蓋層開挖面滑動的風(fēng)險較大，因此選取最大壩高斷面（壩0+336.015 m）和壩0+176.684 m斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

擬靜力法計算時考慮的荷載包括壩體自重、靜水壓力、壩體自重產(chǎn)生的地震慣性力及地震動水壓力，不考慮地震動土壓力。計算模型考慮覆蓋層部分，但偏安全考慮，峰值加速度不進(jìn)行折減，水平向輸入地震動峰值加速度為0.4g。

3.2 材料參數(shù)

采用室內(nèi)三軸試驗得到非線性靜態(tài)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表5。

表5 下水庫主壩擬靜力法抗震穩(wěn)定性分析材料參數(shù)Table 5 Material parameters in seismic stability analysis of low?er reservoir main dam by quasi-static method

3.3 計算結(jié)果分析

下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表6。不同工況下，規(guī)范要求的各個剖面下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)控制值為1.2。由于大壩壩基存在覆蓋層，且壩基面傾向下游，故相同工況下，沿覆蓋層開挖面滑動的安全系數(shù)最??；對于不同的垂直地震慣性力方向，壩坡安全系數(shù)影響不大，豎直向上時安全系數(shù)略?。淮髩蜗掠螇纹潞芫?，上游水位對下游壩坡穩(wěn)定性基本無影響。

表6 下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果Table 6 Calculation results of anti-slip stability of downstream dam slope

4 壩頂高程復(fù)核

根據(jù)NB/T 10872—2021《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[6]，地震工況下防浪墻頂高程等于正常蓄水位+地震非常運用情況下的壩頂超高。波浪爬高和風(fēng)壅水面高度根據(jù)規(guī)范和設(shè)計參數(shù)確定，波浪爬高為0.747 m，風(fēng)壅水面高度為0.000 2 m。非常運用工況下的壩頂安全加高取0.7 m，地震涌浪高度按照壩高的1%估算，取0.97 m。地震壩體沉陷量按照正常蓄水位工況下有限元動力計算壩體震后殘余變形取值，取0.83 m。計算得到Ⅸ度地震工況下防浪墻頂高程為841.25 m，低于實測防浪墻頂最低高程841.84 m，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

采用動力時程法和擬靜力法對某抽水蓄能電站下水庫瀝青混凝土面板堆石主壩進(jìn)行了地震安全性復(fù)核，大壩水平向峰值加速度代表值由0.276g增大至0.40g。動力時程法計算結(jié)果表明：主壩-地基系統(tǒng)震后豎向殘余變形最大值為1.08 m，約為壩高的1.06%，但壩體本身的豎向殘余變形小于0.6%，未產(chǎn)生明顯震害；正常蓄水位時，下游壩坡靠近壩頂處出現(xiàn)了三個規(guī)模很小的滑動體，不影響壩體整體安全穩(wěn)定性。擬靜力法計算結(jié)果表明：壩0+336.015 m斷面和壩0+176.684 m斷面下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的控制值。Ⅸ度地震工況下，防浪墻頂計算高程低于實測防浪墻頂最低高程。由此表明下水庫主壩工程抗震安全性能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

現(xiàn)行GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》調(diào)高了部分地區(qū)地震動參數(shù)，原設(shè)計抗震計算結(jié)果不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，在大壩安全定期檢查過程中需要根據(jù)新地震動參數(shù)及相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行大壩抗震安全性復(fù)核。由于大壩設(shè)計往往會偏安全考慮，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)富裕度大，且采取了一定的抗震措施，按照新地震動參數(shù)進(jìn)行抗震安全性復(fù)核后仍可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對于抽水蓄能電站，當(dāng)大壩壩基存在覆蓋層，且壩基面傾向下游，需重視下游壩坡沿覆蓋層開挖面滑動的安全穩(wěn)定性情況。