澳大利亚穆特博尔德坝地震危险性复核

澳大利亚穆特博尔德坝地震危险性复核

澳大利亚穆特博尔德坝始建之时尚没有得到广泛认可的大坝安全标准。从非线性分析、地震危险性评价、强度评估、稳定性评估、大坝钢筋混凝土破坏预测、混凝土整体评估等方面对该坝安全性能进行了综合性评价。分析得出，穆特博尔德坝并不满足100 a超越概率1%的罕遇地震设防要求，为此，已着手对该坝进行升级改造。

水工建筑物监测；危险性复核；穆特博尔德坝；澳大利亚

穆特博尔德(Mt Bold)坝的建成形成了南澳大利亚最大的水库，混凝土坝共分19个坝段，其中11个构成中央拱坝段，其余8个分别组成左右坝肩的重力坝段。拱坝上游坝面直立，坝顶部向水库侧倾悬。该坝始建于20世纪30年代， 60年代加高4.3 m，坝肩重力坝段使用大体积混凝土加高，拱坝非溢流坝顶使用中空门式钢筋混凝土框架加高。在溢洪道反弧段顶部安装防浪墙闸门系统，最大坝高58 m。

大坝的设计施工标准需要进行不断地复核和改进。20世纪30年代穆特博尔德坝始建之时，尚没有被广泛认可的大坝标准。而到了20世纪60年代大坝加高时，基本上完全按照当时大坝标准施工。但是，通过新的研究、技术革新以及大坝性能监测，如今需要更严格的标准。作为南澳大利亚水务公司(SA Water)登记的大坝，需要根据最新的大坝安全导则和标准定期对该坝进行安全复核。南澳大利亚水务公司制定了一个动态投资计划，旨在精准有效地排除大坝安全复核中发现的风险。因此， 2011年以来，穆特博尔德坝一直处于阶段性安全复核中。

1 非线性分析的必要性

安全复核的早期阶段，穆特博尔德坝线性数值分析结果表明，在最大设计地震(MDE)下可能出现超应力区。

由于线弹性分析存在局限性，无法确定坝体内的超应力区是否一定会演变为威胁坝体结构安全的破坏模式，因此穆特博尔德坝的非线性时程分析目的至少部分为地震作用下混凝土坝体中观测到的非线性特性(如纵向伸缩缝的开闭、坝体与坝基结合带裂缝等)分析。

在强震作用下，拱坝通常表现为非线性特性，包括坝体与坝基结合面这样的弱面张开(假定抗拉强度为零)、纵向伸缩缝和无粘性结构缝的张开以及混凝土的开裂等。不稳定混凝土坝段的滑动传递到相邻坝段，不管是在静力荷载下或是动力荷载下都是非线性的。

采用DIANA软件建立的穆特博尔德坝有限元模型，能够模拟上述大部分非线性行为，但模型仅限于模拟坝体内部界面和不连续面等边界的非线性，而材料仍是线弹性体。

采用库仑摩擦接触单元模拟坝体与坝基结合面以及坝体与上下游和两坝肩开挖面。此外，库仑摩擦单元还用于模拟剔除剪切键的纵向伸缩缝(例如加高的溢洪道、闸墩和门式框架)，以及原始坝体与加高部分坝体间的无粘结缝。

采用非连续缝单元模拟各坝段间具有剪切键的纵向伸缩缝，由于裂面上存在混凝土骨料的咬合作用，这种可以张开和闭合的不连续结构面可以提供抗拉强度。

2 地震环境

作为安全评价的一部分，地震危险性评价包括不同重现期和5%结构阻尼反应谱，构建代表穆特博尔德坝址地质构造环境的加速度时程曲线。

根据全球地震数据库资料，选出与穆特博尔德坝场地反应谱相匹配的3个100 a超越概率1%的最大设计地震，并将其与场地的预期加速度值匹配，列于表1。

表1 所选地震波

3 强度评估

强度评估包括地震荷载作用下坝体内压应力和拉应力同混凝土允许应力的对比，内容如下。

(1)竖向应力同混凝土横向分缝允许拉应力对比，评估横向分缝脱粘和裂缝扩展的可能性。

(2)拱向应力和主拉应力与混凝土允许拉应力对比，评估混凝土由拱向应力产生竖向裂缝和主拉应力产生其他方向裂缝的可能性。

(3)主压应力与允许压应力对比，评估混凝土压碎的可能性。

4 稳定性评估

拱坝通常有两种类型的滑动失稳。一类是沿坝基接触带滑动(如坝基交界面、坝基不连续结构面或第一、二层混凝土接缝)，另一类是坝基尤其是坝肩岩体的滑动。

坝体沿坝基接触带滑动只考虑向下游沿坝拱径向的滑动。组成拱坝的19个坝段均进行了抗滑稳定性评估。

由于对大坝的安全评估考虑了水库满蓄条件下、地震荷载作用下的稳定性，库水提供了巨大的抗滑荷载阻止坝体向上游侧滑动，因此不考虑大坝向上游方向的滑动模式。

由于两坝肩坝段嵌入在两岸岩体中(两岸坝肩分别高24 m和28 m)，并且两岸坝段嵌入坝肩边坡的角度适中，因此也无需考虑拱向滑动的失稳模式。

5 混凝土坝体破坏

竖向应力的最大垂直应力集中在坝拱的“咽喉”位置，介于高程228.31～231.81 m。在这一高程范围内，坝体在地震作用下会形成上、下游贯通的水平裂缝，所形成的独立混凝土块体会发生摇摆而倒向库内。

计算结果表明，在无粘结混凝土加高块体与原坝体间会产生相对错动，在最大设计地震条件下新老坝体结合面会产生研磨，尽管混凝土加高块在底部径向上相对较长，但仍存在向上游侧水库倾倒的可能性。

在坝体或坝基结合面没有像预期的那样出现破坏，无论是静力荷载还是地震荷载条件下坝体均没有发生滑移，下游岩体也没有发生剪切变形。

受坝肩坝段所产生的推挤作用，坝肩潜在不稳定块体的稳定性综合分析也是穆特博尔德坝安全评价的一部分。

6 大坝钢筋混凝土破坏预测

坝体加高的钢筋混凝土单元(门式框架、反弧段和闸墩)并不符合最新的设计标准。

门式框架结构在强度(抗剪)、稳定性(滑动)以及挠度方面要求很高。上述任何一种破坏模式均会导致大的位移，引起闸室溢流和门式框架结构倒塌。

反弧段可能产生超应力集中，导致反弧部分的钢筋混凝土与原坝体分离、反弧加高段钢筋混凝土破坏和混凝土的散裂。

闸墩也可能发生双向弯曲和剪切破坏，导致闸墩产生永久变形，堵塞溢洪道闸门，原坝体以上加高的闸墩(238.84 m高程以上)也可能完全倒塌。

7 混凝土整体评估

根据国际大坝委员会对大型水坝在地震荷载下的性能要求，目前穆特博尔德坝并不满足100 a超越概率1%的罕遇地震设防要求。因此，已经着手对该坝进行升级改造，使之符合当前标准。

李妍贾宇峰马贵生译

(编辑：朱晓红)

2017-04-12

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