杨房沟拱坝抗震安全分析与评价

于 青，黄熠辉，何明杰，王建新，殷 亮

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

杨房沟水电站为雅砻江中游河段一库六级开发的第五级，工程的开发任务为发电。水库总库容为5.125亿m3，电站装机容量为1 500 MW。工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽建筑物主要由混凝土双曲拱坝，坝身泄洪表、中孔，坝下水垫塘和左岸岸边进出水口及地下引水发电系统组成。混凝土双曲拱坝最大坝高155 m，拱冠梁顶厚9.00 m，底厚32.00 m，水平拱圈采用抛物线，顶拱中心线弧长361.6 m，最大中心角87.90°，厚高比0.206，弧高比2.33。

坝址处河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸地形较完整，河谷宽高比为1.53～2.05。坝址区均为花岗闪长岩，其饱和抗压强度为52～82 MPa，岩体坚硬。岩体呈块状或次块状，中厚层结构或镶嵌结构。

2 地震动参数及抗震分析方法

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》及DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，考虑到该工程区域地震基本烈度为Ⅶ度，壅水建筑物为1级建筑物，因此拱坝抗震设防类别为甲类。杨房沟水电站工程设防依据是采用专门的地震危险性分析提供的基岩峰值加速度成果进行评定的。结合杨房沟水电站工程规模，混凝土双曲拱坝设计地震以100年为基准期，超越概率为2%确定设计概率水准，相应的地震水平加速度为302.4 gal。校核地震以100年为基准期，超越概率为1%确定设计概率水准，相应的地震水平加速度为378.4 gal。

由于杨房沟混凝土拱坝坝高已达155 m，且抗震设防水平也较高，拱坝结构的抗震安全性对工程的安全与经济性评价起着重要作用，因此委托中国水利水电科学研究院对杨房沟拱坝进行抗震动力分析。除按现行抗震规范进行拱梁分载法以及线弹性有限元法进行抗震分析外，还进行了计入坝体横缝张开和无限地基辐射阻尼影响的非线性有限元动力分析。

3 拱坝动力反应分析

3.1 按现行抗震规范进行分析

3.1.1 坝体动力特性

针对水库正常蓄水位和发电死水位两种情况，采用动力试载法和有限元法分别计算了大坝前8阶自振特性。计算结果总结如下：

1）动力试载法与有限元法计算得到的2种坝前水位的大坝自振频率吻合良好，相当接近；第一阶自振频率在2.0 Hz左右。

2）大坝基本振型呈反对称振型，反映了杨房沟拱坝高度大，坝体较薄的双曲拱坝特点。

3）2种不同坝前水位相比，由于水位降低导致上游坝面水体附加质量的减小，发电死水位的自振频率比正常蓄水位的自振频率略有提高。由于2种水位差异不大，大坝自振频率变化不大，基频仅相差3%。

3.1.2 拱坝动力反应分析

采用动力试载法和有限元法进行大坝动力反应谱分析，得出以下结论：

1）地震作用下坝体最大径向位移介于6～7 cm之间，均出现在坝顶拱冠处；由于设计地震水平较高，杨房沟拱坝动态拱、梁应力相对较大，最大拱向应力6～7 MPa，最大梁向应力3～4 MPa。从应力分布来看，上游面拱向动应力最大值发生于顶拱拱冠附近，下游面拱向动应力最大值发生于顶拱拱冠或1/4拱圈附近，而梁向动应力一般发生于中部高程拱冠附近，符合拱坝动态应力分布规律。有限元法除在坝踵、坝趾附近存在应力集中现象外，其余部位试载法结果一般略大于有限元法，2种方法得出了比较接近分布规律。发电死水位工况坝体地震动力反应较正常蓄水位时略有下降，但降幅很小，最大径向动态位移、最大动态拱梁应力的降幅均不超过3%。有限元法得出了相同的规律。

2）设计地震正常蓄水位工况试载法得到的静动综合上、下游面最大主拉应力为5.18 MPa和3.57 MPa，均大于应力控制标准；静动综合上、下游面最大主压应力分别为9.49 MPa和8.05 MPa，均小于控制标准，满足规范要求。有限元法得出了与试载法大致相同的应力分布规律，但在坝踵、坝趾区域出现范围不大的高拉、压应力集中区域。发电死水位工况试载法结果显示，大坝静动综合上、下游面主拉应力略有增加，但增幅不超过5%；静动综合主压应力则略有减小，最大降幅约为6%。有限元法结果的降幅略大于试载法，上游坝踵处的静动综合主拉应力减小了约13%，上游坝顶拱冠处的静动综合最大主压应力则减小约11%。设计地震下坝体上、下游面的抗拉强度均有部分区域不能满足现行抗震规范要求，但压应力均满足规范要求。

3）与设计地震作用下的结果相比，校核地震作用下大坝动态位移、应力以及静动综合应力反应均有所提高，大坝静动综合的拉应力增幅大于压应力增幅。校核地震下坝体上、下游面的抗拉强度均有部分区域不能满足现行抗震规范要求，但压应力均满足规范要求。

3.2 计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的分析

通过以LDDA模拟拱坝横缝、以粘弹性边界为吸能边界的时域有限元计算,得出考虑地基辐射阻尼和横缝张开影响的拱坝非线性有限元动力分析成果。通过成果分析，得出：

1）无限地基辐射阻尼效应使得大坝地震动力响应显著降低。正常水位和死水位条件下，考虑无限地基幅射阻尼的影响，总体上动拱梁应力都有较大幅度的降低，最大降幅为40%～50%。

2）坝体横缝张开对大坝地震动力响应影响很大，死水位时更显著些。横缝张开使得拱向拉应力与不计横缝影响的整体坝的拱向最大动态拉应力比较有明显降低，这种效应使得按常规线弹性分析的大坝中上部高程的高水平拉应力区消失。同时横缝张开也导致大坝梁向动态拉应力有不同程度的增加，其中尤以下游面增加更为显著。

3）死水位时大坝横缝张开度较正常蓄水位时大，且最大值均出现在坝顶拱冠附近。设计地震规范谱人工波作用下，死水位时下游面横缝张开范围约为2 060 m高程以上，上游面横缝张开范围2 040 m高程以上，总体看来出现横缝张开的范围较小。横缝最大张开度为6 mm，根据当前横缝止水设计和制造水平，杨房沟大坝地震时横缝张开应该在可允许的变形范围之内。

4）受横缝张开和无限地基辐射阻尼效应的综合影响，常规线弹性分析出现在坝体中上部高程大范围的高拉应力区消失。下游坝面最大主拉应力为0.98 MPa，小于C9025混凝土动态抗拉强度标准值2.35 MPa；而上游面坝基交接面附近最大主拉应力最大值为4.56 MPa，坝基交接面附近最大主应力大于2.80 MPa（C9030混凝土的容许动态抗拉强度）的区域较小，主应力大于2.80 MPa的区域沿坝高方向距建基面不超过15 m。

5）不管是整体坝还是分缝坝，大坝静动综合最大压应力不超过12MPa，对大坝抗震安全不起控制作用。

6）对比分缝坝设计地震柯依那地震波与规范谱人工波作用可见，柯依那地震波作用下最大主拉、压应力均有减小，柯依那波作用工况不是控制工况。

7）对比分缝坝设计地震洛马普利塔地震波与规范谱人工波作用可见，洛马普利塔地震波作用下最大主拉应力稍有减小，最大主压应力略有增加；在洛马普列塔波作用下，坝体上游面1 980 m高程以上坝基交接部位最大主拉应力大于对应的规范谱人工波作用下的最大主拉应力；而在1 980 m高程以下，洛马普列塔波作用下坝体上游面坝基交接部位最大主拉应力小于对应的规范谱人工波作用下的最大主拉应力。

8）对比分缝坝校核地震与设计地震工况可知，校核地震时，上、下游面最大主拉应力较设计地震时分别增加0.71 MPa和0.54 MPa；上、下游面最大主压应力较设计地震时分别增加8.3%和7.8%。总体来讲，计入无限地基辐射阻尼影响后，尽管校核地震下大坝静动综合拉应力较设计地震有所增加，但增幅不大，除去坝踵局部区域外，坝体最大拉应力未超过大坝混凝土的动态抗拉强度。

4 拱坝抗震安全评价

本文通过拱梁分载法及有限元法对杨房沟拱坝进行地震作用下的动力分析，总体评价如下：

1）设计地震作用试载法得出的坝体上、下游面最大主拉应力为5.18 MPa和3.57 MPa，出现于拱坝上部拱圈中部范围；坝体上、下游面最大主压应力分别为9.48 MPa和8.05 MPa，小于应力控制值。校核地震作用下大坝反应均有所提高。

2）考虑坝体横缝张开和地基辐射阻尼效应影响后，杨房沟拱坝的地震动力响应明显降低，常规线弹性分析在大坝中上部拱冠附近出现的大范围高拉应力区不复存在，大坝横缝张开度也不大，最大张开度为6 mm，应该在横缝止水可允许的变形范围之内。高拉应力区仅集中于河床上游面坝基交接面附近，超2.80 MPa(C9030混凝土的容许动态抗拉强度）的范围相对较小，最大主拉应力最大值为4.56 MPa，考虑到有限元分析存在的应力集中问题，坝踵的实际应力应小于计算值。另外，拱坝作为一种高次超静定结构，强震时即使坝体局部拉应力较大导致坝体开裂，坝体也具有较强的应力调整能力。

3）与同类工程抗震分析成果比较，杨房沟拱坝横缝开度相对较小，下游面最大主应力也是较小的，上游面最大主应力居中等水平，出现的部位与其它工程类似，均处于坝基交界范围。

综上所述，杨房沟拱坝在地震作用下坝体变形和应力同国内类似工程比较均处于中等水平，大坝的抗震安全性可以得到保证。

［1］DL/T 5346-2006,混凝土拱坝设计规范［S］.

［2］DL5073-2000,水工建筑物抗震设计规范［S］.

［3］李瓒，王光纶，等.混凝土拱坝设计［M］.北京：中国电力出版社，2000.

［4］李德玉，陈厚群.高拱坝抗震动力分析和安全评价［J］.水利水电技术，2004（1）.

［5］中国水利水电科学研究院.高拱坝地基地震能量逸散影响的研究［R］.“九五”国家重点科技攻关项目报告95-221-03-02-01（1），1999.

［6］古泉，王光纶，徐艳杰.强震作用下高拱坝横缝张开非线性反应的研究［J］.水利水电技术，2001（9）.