特高拱坝典型工程抗震设计关键技术问题对比及总结

杜小凯，孙保平，黎满林，武明鑫

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

汶川地震后，国家发展和改革委员会、国家能源局加强了对水电站工程防震抗震设计的审查把关工作，水电水利规划设计总院(以下简称“水电总院”)印发了水电工程防震抗震设计专题报告编制内容及技术审查要求。DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》(以下简称“2000规范”)和NBT 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[1-2](以下简称“2015规范”)两本技术规范对指导我国水电工程抗震设计发挥了关键作用。二滩、小湾、锦屏一级、大岗山和溪洛渡[3- 4]等特高拱坝相继建成，有必要对以上拱坝的抗震设防标准、混凝土材料动力特性、地震动输入、抗震分析方法、动力模型试验和抗震措施设计等关键技术问题进行系统总结分析，以为后续工程建设提供技术借鉴。

1 设防标准

二滩、小湾、溪洛渡、锦屏一级和大岗山水电站工程抗震具体参数见表1。

以上5座高拱坝建设期遵照了2000规范和2015规范。其中，2000规范采用最大设计地震(MDE)单级设防，其抗震设防目标为，按本规范进行抗震设计的水工建筑物能抵御设计烈度地震；如有局部损坏，经一般处理后仍可正常运行。2015规范于2015年9月正式实施并采用“分级设防”理念，明确了进行超设计概率的MCE抗震校核的要求，对工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，除要求依据专门的场址地震危险性分析所提供的场址设计地震动加速度进行抗震设计外，还应按确定性方法或基准期100年内超越概率P100为0.01的概率法确定场址“最大可信地震”，对在遭受场址最大可信地震时不发生库水失控下泄的灾变进行专门研究的要求。

表1 特高拱坝工程设防标准

从表1可以看出，5座高拱坝工程抗震设防类别均为甲类，二滩和锦屏一级场地基本烈度为Ⅶ度，小湾、溪洛渡和大岗山场地基本烈度为Ⅷ度；5座高拱坝工程抗震设防均符合我国能源行业规范的有关要求；5座高拱坝均采用“分级设防”的思想，即均采用100年基准期超越概率2%相应基岩地震动水平峰值加速度进行抗震设计，采用100年超越概率1%相应基岩地震动水平峰值加速度进行地震校核。其中，大岗山拱坝工程场地受鲜水河东西段磨西活动断裂带(4.5 km)和安宁河活动断裂带(20 km)地震活动的影响，区域构造极其复杂，大坝抗震问题极其突出，抗震设计、校核选取的地震动峰值加速度最高。

2 动力特性

2000规范规定，混凝土动态强度的标准值可较其静态标准值提高30%；其动态弹性模量标准值可较其静态标准值提高30%，其动态抗拉强度的标准值可取为其动态抗压强度标准值的10%。

2015规范第5.6.1条规定“工程设防类别为甲类的大体积混凝土水工建筑物，应通过专门的试验确定其混凝土材料的动态性能”；第5.6.2条规定“对不进行专门的试验确定其混凝土材料动态性能的大体积水工混凝土建筑物，其混凝土动态强度的标准值可较其静态标准值提高20%，其动态弹性模量标准值可较其静态标准值提高50%，其动态抗拉强度的标准值可取为其动态抗压强度标准值的10%”。相比2000规范，动态强度标准值较静态由提高的“30%减少为20%”，动态抗拉强度也相应变化；动态弹性模量由“30%调整为50%”。

5座高拱坝工程抗震设计中动力特性参数的选取均符合我国能源行业规范的规定。其中，二滩、小湾建设较早，符合2000规范有关规定，锦屏一级、大岗山和溪洛渡拱坝按2015规范进行了抗震复核。

大岗山水电站对混凝土材料动态特性进行了专门的试验研究，分别对湿筛和全级配试件进行静动力弯拉强度试验，研究大坝混凝土材料动态弯拉强度随不同预静载的变化规律及其尺寸效应，并通过对冲击型和变幅三角形循环动载试验结果的比较，阐明在地震往复循环作用下，低周疲劳效应对动态强度的影响。对于180 d设计龄期的混凝土，在各种冲击加载条件下，相对于静态而言，动态弯拉强度、动态弹性模量及动态极限拉伸都有一定程度的提高。其中湿筛混凝土动态弯拉强度增加了19%～30%，而全级配混凝土动态弯拉强度提高了41%，增加幅度较大；湿筛混凝土动态弹性模量最大增加了10%，而全级配混凝土动态弹性模量提高了36%，增加幅度较大；湿筛混凝土动态极限拉伸值增加了9%～20%；冲击加载条件下，全级配混凝土动态弯拉强度为湿筛混凝土的50%左右。对于180d设计龄期的混凝土，在各种变幅三角波加载条件下，相对于静态而言，动态弯拉强度及动态极限拉伸都有一定程度的提高，而动态弹性模量有一定程度的降低。其中湿筛混凝土动态弯拉强度增加了11%～29%，而全级配混凝土动态弯拉强度提高了34%，增加幅度较大；湿筛混凝土动态极限拉伸值增加了11%～25%；湿筛混凝土动态弹性模量最大降低了16%，而全级配混凝土动态弹性模量基本上不变。此外，变幅三角波加载条件下，全级配混凝土动态弯拉强度为湿筛混凝土的50%左右。大岗山拱坝抗震设计时，有关材料动态特性首先遵照2000规范的有关要求；其次根据全级配试验成果做了敏感性分析；最后竣工验收阶段按照2015规范要求进行了抗震复核。

3 地震动输入

2015规范关于地震动反应谱规定“对进行专门的场地地震安全性评价的抗震设防类别为甲类的工程，其设计反应谱应采用场地相关设计反应谱，其他工程的水平向和竖向设计反应谱应采用标准设计反应谱”。

二滩拱坝建设较早，工程按照SDJ10—78《水工建筑物抗震设计规范》的规定进行抗震设计，2000年通过竣工验收。2008年汶川5·12地震后，工程根据2000规范的有关规定，采用规范标准反应谱及其合成人工地震波作为动力计算的地震动输入，进行抗震复核。

小湾拱坝按照2000规范的规定，地震动输入采用规范反应谱人工合成地震波、场地相关谱合成地震波、澜沧江-耿马实测地震拟合地震波等多种地震动输入进行对比分析。2014年3月抗震审查审定。

溪洛渡拱坝按照2000规范，采用规范反应谱人工合成地震波、场地反应谱人工合成地震波和柯依纳实测地震波作为大坝抗震动力分析的地震动输入，2017年8月抗震审查审定。竣工安全鉴定阶段，按照2015规范以设定地震方法确定的场地相关谱及合成地震波作为地震动输入进行分析对大坝进行了抗震复核。

大岗山拱坝按照2000规范，对规范反应谱生成的人工模拟地震波、场地相关反应谱地震波及经幅值修正的柯依纳(Koyna)实测地震波等多种地震动输入进行对比分析。竣工阶段，按照2015规范以设定地震方法确定的场地相关谱及合成地震波作为地震动输入进行分析对大坝进行了抗震复核。2017年7月通过枢纽工程专项竣工验收。

锦屏一级拱坝按照2000规范，对规范反应谱及人工合成地震波、修正柯依纳坝址基岩实测地震波三种地震动输入进行计算分析。枢纽工程专项验收阶段，按照“2015规范”的规定，以设定地震方法确定的场地相关谱及合成地震波作为地震动输入进行抗震复核。

水电总院于2017年7月印发了NB 35047—2015《〈水电工程水工建筑物抗震设计规范〉设定地震确定场地相关设计反应谱补充说明》的有关规定。当前关于设定地震衰减关系的确定，我国尚缺乏足以统计地震动峰值加速度a的强震记录数量，但有足够的地震烈度I的衰减关系记录。因而只能以具有足以统计a和I衰减关系的强震记录的美国西部为参照区，在假定我国和参照区的I的统计衰减关系间的差异，等同于两地a的衰减关系间的差异下，映射推及我国a的沿长短轴方向的衰减关系。但要将这个对I与a衰减关系差异等同的假定推广到反应谱各分量β(T)和I间的衰减关系，显然难以接受。依据马宗晋院士的研究认为，中国大陆和北美大陆在构造、地壳组成、现代应力状态及地震成因、地震活动特点等方面都有一定的相似性，即可比性。因此，两个地区地震记录的相互借用还是具有一定的构造基础的。因此，可选取美国“下一代衰减关系(NGA)”给出的适用于美国西部浅源地震条件的反应谱衰减关系，求得根据设定地震的震级和震中距的归一化的场地相关设计反应谱β(T)[5]。

近年来，我国地震部门对于地震动衰减关系的研究工作日益重视和加强。随着我国强震记录的逐步积累，直接采用这些记录统计回归的、可反映我国实际地震地质条件的加速度反应谱衰减关系有望建立并完善。考虑到今后的发展，对于具体工程经合理性论证后，也可选取我国地震部门统计的反应谱衰减关系，求得根据设定地震的震级和震中距归一化的场地相关设计反应谱β(T)。

4 动力分析

特高拱坝抗震动力分析方法总体分为动力拱梁法和动力有限单元法。5座工程拱坝动力拱梁法振型分析如表2。

表2 不同水位大坝自振频率和对称性

由表2可以看出：①各工程基本振型呈反对称振型，反映了各拱坝高度大，坝体较薄的双曲拱坝特点。②各工程第一阶自振频率较低，正常蓄水位在1.0～1.63 Hz之间，死水位时位于1.22～1.72 Hz之间，其中大岗山拱坝最高，小湾拱坝最低。此外，各工程均呈现出各阶模态分布密集的特点。

5座拱坝动力有限元法分析成果一般性结论有：

(1)高拱坝正常蓄水位条件下第1阶自振频率在1～1.6 Hz之间，坝前水位对大坝自振特性有明显影响，空库情况下自振频率最高，正常蓄水情况频率最低。

(2)2015规范规定混凝土动态弹性模量较静态弹性模量提高50%、岩石动态变形模量与静态变形模量相同，与2000规范相比，拱坝基频略有增加。

(3)线弹性有限元法考虑静动叠加，各拱坝上游面高拉应力区分别位于建基面附近和坝顶拱冠梁附近，高压应力区主要位于坝顶附近；下游面高拉应力区主要位于坝体中上部，极值位于1/4拱位置，高压应力区主要位于坝趾。

(4)不同水位条件下，除应力集中区外，反应谱法和时程法得到的静动叠加应力极值相当，反应谱法略大，且两种方法得到的应力分布规律类似。

(5)校核地震与设计地震工况相比，大坝上、下游坝面的动力反应及最大主拉、压应力分布规律基本一致，上、下游坝面高拉应力区的面积普遍增高，极值均有不同程度的增加，下游坝面最大主拉应力的增加幅度相对较大。

(6)考虑地基辐射阻尼影响后，拱坝动力反应有比较明显的降低，表现在坝面高应力区的范围缩小和反应的极值降低。考虑地基辐射阻尼条件下，坝体静动叠加主拉、压应力极值降低25%～30%，且拉应力降低较多。

(7)5座特高拱坝坝肩抗滑稳定分析成果表明，左右坝肩控制性岩块稳定安全系数总体能满足设计地震工况的控制要求，校核地震工况下个别块体抗滑稳定安全系数偏低，但持续时间较短，各高拱坝地震工况下均能满足坝肩抗滑稳定要求。

(8)考虑坝体横缝张开非线性有限元法，强震时横缝张合使坝体大部分拱向拉应力得到释放，地震应力在一定程度上降低，另外在评价坝体横缝张开开度方面提供评判依据。

(9)考虑坝体混凝土材料损伤的有限元法[6]，在大坝坝踵损伤区对坝体防渗帷幕影响以及大坝极限抗震能力评价方面均提供了有益参考。5座拱坝坝踵损伤深度总体较小，对防渗帷幕影响可控；设计地震荷载极限抗震能力为1.25(大岗山)～1.8倍(小湾、锦屏一级)。

5 模型试验

大岗山、溪洛渡、小湾拱坝进行了拱坝动力模型试验，试验结果见表3。

表3 拱坝结构动力模型试验主要成果对比

由表3可以看出：①小湾拱坝首先发生开裂时的地震超载倍数为2.0倍，溪洛渡拱坝为2.1倍，大岗山拱坝为1.38倍。②最终加载地震超载倍数均大于6.0，几座拱坝的模型试验结果显示出拱坝具有超强的地震荷载超载能力。③各工程大坝上、下游坝基交接面和中高高程坝体中部是大坝抗震的薄弱部位。

6 抗震措施

各工程主要抗震措施见表4。

表4 各工程主要抗震措施

由表4可以看出：①各拱坝均在高应力区及孔口部位提高混凝土强度，提高坝体的抗震性能。此外，布设坝面钢筋、加强横缝止水、设置坝后贴角、加强基础处理、增加坝趾锚固也为抗震有效措施。②大岗山、小湾均在上游坝踵回填防渗材料，以防止坝踵开裂后高压水进入坝体混凝土中产生水力劈裂而影响拱坝安全。③考虑到大岗山水电站未来遭遇强震的可能性较大，通过计算分析，在坝顶2、14、16号横缝的位置各布置4台2 500 kN的阻尼器，共12台。

7 结 语

7.1 主要结论

(1)5座特高拱坝的抗震设防类别均为甲类，抗震设防均遵照我国行业现行规范要求，2015规范采取分级抗震设防，明确了进行超设计概率的MCE抗震校核的要求。

(2)5座特高拱坝工程抗震设计中动力特性参数的选取均符合我国能源行业规范的规定，专门的动态性能试验资料还比较少，但个别工程全级配混凝土动力试验研究为工程抗震评价提供了有益借鉴。

(3)除二滩、小湾竣工较早外，其余特高拱坝均按现行规范规定，进行了“设定地震场地相关反应谱”输入的分析复核，多采用“AS08衰减关系”确定相应的归一化场地相关设计反应谱。

(4)5座特高拱坝一阶自振频率为1.0～1.65Hz，空库高于正常蓄水情况自振频率，基本振型多呈反对称振型，反映了坝体较薄的双曲拱坝特点。

(5)坝体静动力综合压应力总体在容许应力范围内，但大坝高高程拱冠部位、中部高程左右岸1/4拱部位以及坝基面附近静动综合拉应力水平较高，部分区域拉应力超过了坝体混凝土动态容许抗拉强度，是抗震安全的薄弱部位，采取抗震措施予以加强是必要的。

(6)线弹性动力计算未考虑拱坝横缝张开的影响，且坝体混凝土和基础都不是完全线弹性的，特高拱坝地震抗震分析采用考虑横缝张开、地基辐射阻尼等非线性分析方法更为合理。

(7)考虑地基辐射阻尼影响后，拱坝动力反应有比较明显的降低，表现在坝面高应力区的范围缩小和反应的极值降低。考虑地基辐射阻尼条件下，坝体静动叠加主拉、压应力极值降低25%～30%，且拉应力降低较多。

(8)5座特高拱坝坝肩抗滑稳定分析成果表明，左右坝肩控制性岩块稳定安全系数总体能满足设计地震工况的控制要求，校核地震工况下个别块体抗滑稳定安全系数偏低，但持续时间较短，各高拱坝地震工况下均能满足坝肩抗滑稳定要求。

(9)小湾、大岗山、溪洛渡拱坝进行了动力模型试验研究，模型比尺为1∶300，试验表明大坝上、下游坝基和坝体中高高程是大坝抗震的薄弱部位，采取抗震加固措施是必要的，三座拱坝均具有一定地震动超载能力。

(10)5座特高拱坝均采取上下游坝面设置抗震钢筋、高应力区采用高强混凝土、加强坝身孔口配筋、优选止水形式等抗震措施，小湾、大岗山上游坝踵进行了防渗回填，大岗山还设置了抗震阻尼器。各工程抗震措施合理。

(11)根据2015规范进行抗震复核表明，5座特高拱坝抗震设计和抗震措施合理，均具备一定的抗震极限承载能力，监测资料表明各工程运行性态正常。

7.2 工作建议

(1)大岗山拱坝设计地震动峰值加速度高、小湾拱坝裂缝处理材料耐久性、锦屏一级左岸边坡变形尚未收敛、溪洛渡拱坝两岸谷幅收缩影响等问题值得持续关注。在以上因素叠加下的拱坝地震动响应规律极其复杂，建议工程运行期间应继续开展拱坝抗震安全的研究工作。

(2)当前，我国抗震设计规范对特高拱坝采用分级设防，但最大可信地震或万年一遇地震校核的定量评价标准有待进一步研究明确。

(3)当前，大坝全级配混凝土动力特性试验研究相对较少，对于工程设防类别为甲类的拱坝工程，建议开展全级配混凝土动力特性研究。

(4)当前，设定地震场地相关反应谱的确定还多基于NGA(AS08衰减关系)研究成果，随着我国强震记录的逐步积累，对于具体工程建议开展我国地震反应谱衰减关系与NGA的对比研究，经合理论证后确定场地相关设计反应谱。

(5)当前，高拱坝抗震分析模型、方法的基本要求在2015规范中虽有规定，但不同单位的分析成果仍有一定差距，且大比尺动力模型试验研究相对较少，高拱坝抗震分析评价数值和试验手段仍有待进一步完善。