杨房沟高拱坝防震抗震设计研究

殷 亮，徐建军，何明杰

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 研究背景

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段一库七级的第6级水电站。工程的开发任务主要为发电。水库正常蓄水位2094m，水库总库容5.125亿 m3，电站装机容量 1500MW，多年平均发电量68.56亿kW·h，保证出力523.3MW。杨房沟水电站为一等大 (1)型工程，枢纽主要由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸引水发电系统及地面开关站组成。

工程区位于川滇菱形块体中北部，属于间歇性整体隆升的区域。坝址区为高山峡谷地貌，基岩裸露。右岸地形坡度在50～70°左右，左岸地形坡度在45～60°左右。两岸地形较完整，左岸地形相对较顺直，右岸地形局部呈“凸”地形。枯水期江面宽56～102m，正常蓄水位处谷宽226～288m，河谷宽高比为1.53～2.05。坝址区主要为燕山期花岗闪长岩侵入岩体，岩体坚硬，呈块状或次块状，岩体较完整～完整，适宜修建混凝土双曲拱坝。

杨房沟拱坝最大坝高155m，坝顶高程2102m。水平拱圈中心线采用抛物线，拱坝主要特征参数:拱冠梁顶厚9m，底厚32m，厚高比0.206，坝顶中心线弧长361.6m，弧高比2.33，最大中心角87.90°。总水推力约220万t，坝体柔度系数13.39。

为防止强震发生时引发的大坝严重破坏给下游梯级电站以及人民生命财产和社会经济发展带来的巨大威胁，必须确保杨房沟工程的抗震安全。

2 地震动参数及抗震设计标准

结合杨房沟水电站工程规模，根据中国地震局批复的工程场地地震安全性评价成果及相关规范［1］，杨房沟拱坝设计地震以100a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302.4gal。校核地震以100a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378.4gal。

3 拱坝抗震分析方法和设计安全标准

考虑到杨房沟混凝土双曲拱坝坝高较高，抗震设防水平也较高，因此拱坝抗震强度分析除按照现行抗震规范进行计算分析外，还采用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波动分析方法。对于动水压力的影响，有限元法采用流固耦合的有限元数学模型，而试载法则对修正的Westergaard公式折半取用。

计算分析中分别考虑正常蓄水位和死水位2种情况。坝体自重按分缝自重方式计入。动力荷载按设计地震和校核地震的地震动参数分别计入。设计反应谱采用DL 5073—2000规范的标准设计反应谱。地震波分别采用以规范标准设计反应谱为目标谱拟合的人工地震波、Koyna(柯依那)波和Loma Prieta(洛马普列塔)波进行计算［2］。地震工况下坝体应力控制标准见表1。

表1 地震工况拱坝计算应力控制标准表

4 按现行抗震规范进行的拱坝强度动力反应分析［3］

4.1 坝体动力特性

针对水库正常蓄水位和死水位2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。计算结果表明: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。两者比较，基频仅相差约1%;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;③两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%，而振型参与系数变化不大。

4.2 计算成果及分析

静力条件下，拱梁分载法和有限元法分析成果表明:整个坝面应力分布较均匀，左右岸基本对称，应力极值点多数出现在大坝与基础的连接处，分布范围较小。坝体上、下游面最大主拉、主压应力均满足规范要求。动力条件下，拱梁分载法和有限元法坝体静动综合主应力最大值成果见表2。

表2 坝体静动综合主应力最大值表MPa

按照现行抗震规范确定的设防依据、分析方法，可以得出以下结论:

(1)从最大径向位移来看，坝体动态最大径向位移在6～7cm，出现在坝顶拱冠附近。有限元法和试载法得出的数值及规律大致相同，有限元法的略小。死水位工况比正常蓄水位工况有所减小，降幅不超过3.0%;校核地震工况大于设计地震工况，增幅约22.4%。各计算工况下，坝体最大径向位移相对较小，整个坝面位移变化较均匀、对称，变形协调。

(2)从应力分布来看，上游面拱向动应力最大值出现在坝顶拱冠附近，下游面拱向动应力最大值出现在坝顶拱冠或1/4拱圈附近，而梁向动应力一般出现在中部高程拱冠附近，符合一般拱坝动态应力分布规律。有限元法和试载法得出了比较接近的分布规律。坝体地震动力反应死水位工况比正常蓄水位工况略有下降，降幅不超过3.0%。

(3)设计地震正常蓄水位工况下，试载法得到的静动综合上、下游面最大主拉应力为5.18MPa和3.57MPa，最大主压应力为9.49MPa和8.05MPa;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。死水位工况下，试载法得到的静动综合上、下游面主拉应力略有增加，增幅不超过5.0%;主压应力略有减小，最大降幅约为6.0%;有限元法得出的降幅略大于试载法，上游坝踵处主拉应力减小约13.0%，上游坝顶拱冠处主压应力减小约11.0%。

(4)校核地震作用下坝体动态位移、应力以及静动综合应力反应均有所提高，坝体静动综合的拉应力增幅大于压应力增幅。总体来看，地震作用下坝体上、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。

5 计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的大坝非线性动力反应分析［3］

5.1 计算模型

根据坝址区地形地质特点和各类基岩材料特性，整个分析系统全部由三维块体单元离散，分析范围顺河向为520m，横河向746m，竖向363m，节点总数18115，自由度总数45483。坝体—地基系统有限元网格模型和大坝横缝布置及编号见图1和图2。

图1 坝体—地基体系有限元网格模型图

图2 大坝横缝布置及编号图

5.2 计算成果及分析

图3和图4为正常蓄水位+温降工况下，在有无辐射阻尼和有无横缝情况下顶拱附近上、下游面动态拱、梁应力的比较图。ADAP为整体坝无辐射阻尼情况。

图5为3种情况下横缝张开度沿顶拱分布图。

图3 正常蓄水位+温降工况顶拱附近动拱应力比较图

图4 正常蓄水位+温降工况拱冠梁附近动梁应力比较图

图5 三种情况下横缝张开度沿顶拱分布图

表3为坝体静动综合主应力最大值成果表。

表3 坝体静动综合主应力最大值成果表

通过以LDDA模拟拱坝横缝、以黏弹性边界为吸能边界的时域有限元计算成果，可以得出以下结论:

(1)考虑无限地基幅射阻尼的影响，使得大坝地震动力响应显著降低，动态拱梁应力最大降幅约为40.0%～50.0%。

(2)坝体横缝张开对大坝地震动力响应影响显著。横缝张开度死水位工况大于正常蓄水位工况、且下游面一般略大于上游面。设计地震规范谱人工波作用下，最大张开度约为6mm，横缝张开范围上游面在2040m高程以上，下游面在2060m高程以上，总体来看，出现横缝张开的范围较小，地震作用下的横缝开合不会破坏横缝止水设施。

(3)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，同时也导致大坝梁向动态拉应力有不同程度地增加，下游面增加更为显著。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0.98MPa;上游面坝基交接面附近最大主拉应力最大值为4.56MPa，但分布区域较小，沿坝高方向距建基面不超过15m。类比国内高拱坝非线性反应成果，杨房沟拱坝横缝开度较小，坝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。

(4)设计地震规范谱人工波作用情况下，计入无限地基辐射阻尼的影响，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。

(5)对分缝坝，设计地震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;设计地震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。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0.71，0.54MPa;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%，增幅不大。

(6)总体来看，计入无限地基辐射阻尼影响后，除去坝踵局部区域外，坝体最大拉应力为1.52MPa，未超过大坝混凝土的动态抗拉强度。杨房沟拱坝在地震作用下的抗震安全是可以保证的。

6 拱坝抗震工程措施

拱坝抗震措施要做到经济、安全、可靠，通过在地震动反应大的部位采用强度等级高的混凝土、布置抗震钢筋等综合措施达到抗震设防目的，同时考虑到杨房沟水电站抗震标准较高，应加强基础处理及结构构造处理措施，拱坝抗震工程措施主要有:

(1)根据计算分析成果，在河床8#～11#坝段2023m高程以上和两岸坝肩、坝基部位地震动力反应较强的部位采用强度等级为C9030高强混凝土，进一步提高拱坝抗震安全。

(2)杨房沟拱坝地震工况下大坝横缝最大张开度为6 mm，且横缝张开范围较小，因此无需设置拱向抗震钢筋。对拱坝坝基交接面附近可能出现相对较大的主拉应力区，在该范围上游坝面布置梁向抗震钢筋，以提高坝体抗裂、限裂能力。根据计算分析成果，在8#～12#坝段上游面1980m高程以下布置单层φ32@30cm的梁向钢筋;6#～7#、13#～14#坝段上游面1990m高程以下布置单层φ32@30cm梁向钢筋。

(3)为提高两岸坝头的抗震能力，对左岸1#～5#、右岸14#～18#坝段及坝基坡角大于50°的坝段进行坝基接触灌浆处理。

(4)尽管分析所得大坝横缝张开度较小，但仍需加强坝体分缝构造设计，选择更适应抗震的键槽和止水设计形式。表孔采用混凝土连梁设计增强整体性，加强坝顶表孔交通桥等结构的连接，大坝附属建筑采用轻型且整体性好的结构，闸墩和倒悬等重要部位加强钢筋等工程抗震措施。

7 结语

采用现行抗震规范规定的基本分析方法及计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的大坝非线性有限元法，对大坝的抗震性能与抗震安全性进行了计算分析。研究结果表明，杨房沟混凝土双曲拱坝在设计地震和校核地震作用下，坝体应力状况较好，坝体横缝张开度小于止水容许变形值，不会破坏横缝止水设施，能够满足设计要求。研究成果已应用于指导杨房沟高拱坝抗震设计，采取的针对性抗震工程措施能够进一步提高拱坝的整体性和抗震性。本工程所采用的抗震分析方法、有关规律和结论对其他类似高拱坝工程具有较好的借鉴意义。

［1］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5346—2006混凝土拱坝设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2006.

［2］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL 5073—2000水工建筑物抗震设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2000.

［3］中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.四川省雅砻江杨房沟水电站防震抗震设计研究报告［R］.杭州:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，2012.