龙开口水电站重力坝防震抗震设计与安全评价

叶建群，郑鹏翔，涂承义

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

龙开口水电站位于云南省大理州鹤庆县境内，是金沙江中游河段“一库八级”的第六级电站。工程总库容5.58亿m3，调节库容1.13亿m3，具有日调节性能，防洪库容1.26亿m3。电站安装5台360MW的水轮发电机组，总装机容量1800MW，年发电量73.96亿kWh。水库每年可提供灌溉水量7937万m3和人畜用水量202万m3。枢纽工程主要由挡水建筑物、泄洪冲沙建筑物、右岸坝后式发电厂房和左、右两岸灌溉取水口等建筑物组成。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶全长768m，最大坝高116m。电站于2007年9月开始筹建，2012年11月下闸蓄水，2013年5月首台机组投产发电，2014年1月全部5台机组投入运行。

本工程区域和近场构造上位于滇西北川西南活动构造区范围，属于构造稳定性较差的地区，总体上新构造运动、深部构造变形、现代地壳形变、断裂活动等均较强烈。晚更新世以来活动强烈的多条断裂发育在近场和坝址区外围，这些断裂发生地震时，对坝址的影响相对较弱。但鹤庆～洱源断裂和程海～宾川断裂距坝址则较近，如果再次发生地震对坝址区的影响较大。

龙开口水电站的工程场地地震基本烈度根据中国地震局地质研究所完成并经中国地震局批复，确定为Ⅷ度。大坝抗震设防类别属“甲”类，在基本烈度基础上提高1度即Ⅸ度作为设计烈度。雍水建筑物取基准期100年内超越概率P100为0.02，确定地震水平向加速度峰值为0.394g；校核地震标准取为基准期100年超越概率1%，相应水平向地震加速度代表值为0.471g。

1 重力坝设计概况

1.1 大坝工程地形地质条件

坝址处河谷地形开阔，两岸山体雄厚，岸坡左陡右缓，为不对称U形谷。坝址区基岩主要为玄武岩组中段（P2β2-3）与上段（P2β3），且沿构造带或顺层面有正长斑岩（ξπ）侵入。玄武岩组中段和上段的界线为凝灰岩t0，分布于左、右岸坝头高程1250～1310m，上段各岩流层分界线为凝灰岩t1～t9，厚度0.6～4.5m，分布于高程1300m以上的两岸岸坡。玄武岩与正长斑岩接触面后期多挤压破碎，部分呈熔融接触，该层岩石岩芯多呈较破碎～破碎状，完整性差，较玄武岩风化深。左岸岸坡基岩大部分裸露。右岸岸坡主要分布第四系堆积，右坝肩上部岸坡分布有大型蠕滑拉裂变形岩体。坝址处为弱褶皱构造区，无区域性断裂分布，有小规模断层和挤压带及节理在岩层受褶皱过程中形成。

1.2 大坝结构设计

拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶全长768m，坝顶高程1303m，最大坝高116m。经过优选确定各坝段基本三角形剖面的顶点高程为1303.00m，上游面1235.00m高程以上为垂直坡，1235.00m高程以下坡度为1：0.2；下游坝坡的坡度为1：0.75。坝体的防渗结构型式为碾压混凝土自身防渗+变态混凝土防渗。坝基及两岸的防渗型式为水泥帷幕灌浆，帷幕灌浆深入透水率小于1Lu基岩以下5m。为满足枢纽泄洪、施工导流、库区及厂前冲沙的综合要求，泄洪冲沙建筑物布置形式采用表、中、底孔相结合的方式。泄洪建筑物由5个溢流表孔，4个泄洪中孔组成，溢流表孔布置在主河床，4个泄洪中孔布置在表孔两侧。重力坝典型断面见图1。

图1 龙开口水电站重力坝典型断面Figure 1 Typical section of the gravity dam of longkaikou hydropower station

2 重力坝抗震安全性评价

2.1 各典型坝段的材料力学法和平面有限元法抗震计算分析与评价

龙开口混凝土重力坝由挡水坝段、溢流坝段、泄洪中孔坝段、引水厂房坝段等组成。在抗震计算时，根据结构及基础特点，分别选取有代表性的21号和24号挡水坝段、13号中孔坝段、11号溢流坝段及18号引水厂房坝段进行大坝设计地震作用下的抗震计算。

材料力学法的基本假定为悬臂梁水平截面在受荷变形后仍保持平面（平截面假定）；计算时，忽略地基阻尼和质量的影响，坝体与地基间的动力相互作用按常用的Vogt地基系数法确定地基刚度影响；库水的影响采用Westergaard公式计算附加质量。

平面有限元法计算时，为反映地基的弹性动力作用，取上、下游及铅直向均为2倍坝高范围的无质量地基；库水的附加质量采用流固耦合的有限元数学模型进行计算，库水影响取长度为3倍坝高的水库，以有效模拟库水的动力影响。

2.1.1 各典型坝段自振特性

采用材料力学法和有限元法计算分析了各典型坝段的自振特性，两方法给出了十分接近的自振频率。挡水坝段和中孔坝段的振型参与系数大于溢流坝段和厂房坝段。对比挡水坝段结果可知，地基变模大小对大坝基频影响较为显著。由于挡水坝段和中孔坝段振型参与系数较大，其加速度放大效应大于溢流坝段和厂房坝段。21号挡水坝段的材料力学法、有限元法计算的自振频率和振型参与系数见表1。

表1 21号挡水坝段的材料力学法、有限元法计算的自振频率和振型参与系数Table 1 Natural frequency and mode participation coefficient calculated by material mechanics method and finite element method for 21# water retaining dam section

2.1.2 各典型坝段静、动态反应及强度安全校核

采用材料力学法和有限元法计算了各典型坝段的静、动态反应，表2列出了各典型坝段材料力学法及有限元法的静动综合应力结果。由于地震动态应力较大，各坝段的坝面静动综合应力均较大；其中，厂房坝段和中孔坝段的应力水平总体上高于挡水坝段和溢流坝段。材料力学法与有限元法的大坝坝面应力分布规律大体相近，在数值上有不同程度的差别。总体来看，在大坝中、上部高程，上游面材料力学法计算的数值略小于有限元法，下游面则材料力学法结果较大。而在坝踵、坝趾区域、孔口附近以及截面突变处，有限元法的成果反映了局部应力集中效应的影响，其应力数值一般明显高于材料力学法计算成果。

表2 各典型坝段材料力学法及有限元法的静动综合应力结果Table 2 Stress results calculated by material mechanics and finite element method for each typical dam section under static and dynamic forces （MPa）

各典型坝段混凝土的抗压强度均能够满足《水工建筑物抗震设计规范》的要求，且具有较大的安全裕度。溢流坝段、挡水坝段的混凝土抗拉强度能够满足抗震规范要求。泄洪中孔坝段的下游坝面1265.70～1275m高程范围内拉应力超过了RCC-C20混凝土的抗震强度要求，但超出的范围和数值均很小，采取适当坝面配筋措施可满足抗震要求。厂房坝段下游背管部分区域的拉应力超出了混凝土抗拉强度要求，但超标的数值较小。但考虑到本分析采用的是材料力学法，不能够准确反映背管的复杂结构及其与周围混凝土结构的相互作用关系，另外对该部位采取了较强配筋措施，其真实的抗震安全度要好于计算结果。

2.1.3 各典型坝段抗滑稳定安全校核

各典型坝段沿建基面的动力抗滑稳定安全按照《水工建筑物抗震设计规范》的规定校核；坝体各水平层面的抗滑稳定安全校核参照沿建基面的动力抗滑稳定安全校核方法。各典型坝段沿建基面和碾压层面的静动力抗滑稳定安全均能够满足抗震规范要求。各典型坝段在设计地震作用下建基面的抗滑稳定校核结果见表3。

表3 各典型坝段建基面设计地震作用下的抗滑稳定校核结果Table 3 The results of anti-sliding stability check of the foundation surface of each typical dam section under design earthquake （kN）

2.2 枢纽全坝段三维动力非线性计算分析与评价

为了真实模拟大坝在地震作用下的整体工作状态，并且评价横缝联接形式在大坝防震抗震中的影响，对大坝—地基系统进行了三维有限元数值仿真分析。按照实际间距模拟各坝段间的接触缝面，接缝共计30条，缝间接触初始状态按照分仓缝与诱导缝分别模拟，诱导缝间初始间隙为3mm，分仓缝的初始间隙则按照灌浆与不灌浆分别取为0mm和3mm，当考虑分仓缝设置键槽的作用时，则认为缝间在切向无滑移和错动；另外还考虑了未灌浆时初始间隙均设为5mm的情况。

大坝—地基系统整体三维有限元模型共有43542个单元，50773个节点，4405个接触缝面的接触节点对。为模拟地震动能量向无限远域的逸散，地基外侧设置了60m的人工透射边界区。地震波以规范标准反应谱为目标谱拟合生成的人工加速度时程，在顺河向、横河向和铅直向施加；库水的动水压力影响按照Westergaard公式计算的附加质量进行模拟。

计算分析结果表明：考虑坝段横缝间的相互作用后，在三向地震波的作用下，坝体拉应力数值和范围明显减小；若不考虑坝段横缝间的相互作用，即各坝段单独工作，则在三向地震波的作用下，其拉应力数值和范围较前者由明显的增加，且较常规的二维有限元分析成果不利。因此，采取工程措施以实现坝段横缝间的相互作用是必要的。为加强坝段间的联接和大坝的整体性，采用在分仓缝内设置半球型键槽、仓内诱导缝切缝形成键槽等工程措施是可行的。

图2 分仓缝设键槽不灌浆时的静动综合最大主应力云图Figure 2 The maximum principal stress of dam under static and dynamic forces when the bay joint seam with keyway is not grouted

2.3 校核地震作用动力计算分析及研究

对于龙开口水电站主要壅水建筑物，根据《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》，为达到“不溃坝”的功能目标，应分析其在校核地震工况下的结构整体稳定性。校核地震水平地震动参数取基准期100年超越概率1%为0.471g。

选取典型的21号挡水坝段，分别采用材料力学法和平面非线性有限元法进行分析计算，结果表明：在校核地震作用下，虽然大坝的动力反应较设计地震作用时有所增大，但坝头折坡部位未出现开裂，坝基交界面开裂范围不大，尚未达到帷幕位置；整个地震动时程中，大坝建基面抗滑稳定安全度的K值均在2.5以上，建基面抗滑稳定性能够满足抗震安全要求，不存在溃坝的危险。

2.4 典型坝段动力模型试验

动力模型试验选取5个典型坝段（2号岸坡坝段、11号溢流坝段、15号泄洪中孔坝段、18号厂房坝段、24号非溢流坝段），以测试大坝的动力特性，包括频率、振型和阻尼比；确定大坝地震响应，以及大坝在强震作用下相应的地震动输入加速度、坝顶反应加速度以及裂缝的发展过程，并记录分析大坝的破坏过程，判断大坝的超载能力及抗震安全度。

试验用振动台台面尺寸3.6m×4.6m，最大载重量10t，坝体模型采用仿真混凝土材料制作，由水泥、矿石粉、重晶粉（砂）和水按一定配合比制作而成，具有硬化快、强度低、弹模低的特点，能够较好地模拟混凝土材料的弹性—塑性—破坏全过程。模型采用的几何比尺均为1：60，断面模型时间比尺为7.75。试验地震波采用规范标准反应谱拟合的人工波，同时模拟了坝体—库水的动力相互作用。典型坝段的破坏状态见图3和图4。

图3 24号坝段破坏状态（下游圆弧出现裂缝，起裂加速度0.891g）Figure 3 Damage status of 24# dam section（Cracks appear in the downstream arc segment，and the initial cracking acceleration is 0.891g）

图4 24号坝段破坏状态（裂缝向上游贯穿，破坏加速度1.468g）Figure 4 Damage status of 24# dam section（The crack extends upstream with a failure acceleration of 1.468g）

动力模型试验表明，在地震作用下，坝体头部、溢流坝段的导墙折坡处、厂房坝段下游折坡至上游进水口根部区域、闸墩与堰面交界部位、中孔坝段的导墙顶部和底部与坝体连接处是抗震的薄弱环节；各典型坝段的起裂加速度为0.422g～1.598g，均大于龙开口水电站大坝设计的0.394g水平地震加速度，大坝具有一定的安全裕度，大坝整体是安全的。

3 抗震措施

龙开口水电站坝址地震烈度高，在工程抗震设计中根据材料力学法及有限元法分析、振动模型试验成果，并结合其他高烈度地震区类似的工程经验，经优选采取了如下抗震措施：

（1）为充分考虑工程抗震设计烈度高的特点，泄洪建筑物型式选用了5个13m×20m的泄洪表孔和4个5m×8m泄洪中孔组合。则在多年平均入库流量条件下，当遭遇高烈度地震时，可在1天内将上游库水降至表孔堰顶高程1278.0m，相应库容由正常蓄水位的5.07亿m3降至2.5亿m3；6天左右将库水降至引水进水口底板1262.64m，相应库容约1.15亿m3。能有效地降低坝前水位以及库容，减免次生灾害的发生和便于震后大坝的检查、检修，尽快恢复生产。

（2）通过分析比选，为加强坝段间的连接和大坝的整体性，以及降低大坝的地震动力反应，本工程选取在分仓缝内设置半球型键槽、仓内诱导缝切缝形成键槽等工程措施。

（3）加强混凝土施工过程中的温控及细节控制，尽可能地减少大坝混凝土的初期产生的缺陷，以保证大坝混凝土的抗震性能。

（4）在大坝上游高程1214m以下设置黏土铺盖，使得低高程坝体在遭遇高烈度地震后出现裂缝时能够渗漏自愈，从而提高大坝的安全性。

（5）根据抗震分析成果，适当提高坝体下游动应力较大区域的混凝土强度等级；并在大坝上、下游坝面配置抗震钢筋，以提高坝体的抗震限裂性能。

（6）根据抗震分析和已建重力坝震害经验，坝体折坡部位地震动应力大，是易于发生破坏的部位，因此，本工程采用圆滑化处理坝体折坡部位的体型，以此减少地震动应力，并适当配置抗震钢筋。

（7）根据抗震分析成果，发电引水坝段进水口下部牛腿根部与下游折坡处、溢流坝闸墩与堰面交接部位、坝体各类孔口两侧边墙等部位地震动应力较大，是抗震薄弱部位，进行了加强配筋处理。

（8）坝体横缝止水选用变形能力大的止水型式，以适应坝段间因地震荷载可能产生的相对错动变形。

（9）溢流表孔坝段闸墩，侧向刚度相对较小，通过降低闸墩高度、加强梁、桥与闸墩的联接，减少闸墩横河向地震反应。

（10）对坝基中的断层、破碎带、节理密集带、软弱夹层等进行刻槽回填混凝土、加强帷幕及固结灌浆等处理，减少基础渗漏和降低渗透压力。

（11）对碾压混凝土大坝进行了强震观测设计，在多个断面不同高程布设了强震观测设施，以监测坝体不同部位的地震反应，指导震后修复工作。

（12）设置专门的地震台网，用以监测库、坝区附近因工程运行而可能诱发的地震。

4 结束语

龙开口水电站坝址位于高烈度地震区，大坝水平向设计地震动峰值加速度为0.394g。采用材料力学法、数值计算分析方法和动力模型试验，研究分析了大坝的坝体应力变形、抗滑稳定、坝体混凝土开裂过程、坝体横缝状态及抗震设计等，综合评价了大坝的抗震安全性。结果表明，在设计地震和校核地震作用下，大坝抗滑稳定及抗压强度均能够满足规范要求，部分坝段存在局部拉应力超标现象，但超标的范围和数值小，采取一定的工程措施能够得到解决；大坝起裂加速度均大于设计加速度；建基面抗滑稳定满足规范要求；大坝具有一定的地震荷载超载能力。根据抗震分析研究成果，采用了大坝横缝梯形键槽代替横缝灌浆、坝体折坡部位圆滑化处理、坝体交接部位及上下游坝面配筋、大坝上游低高程处设黏土铺盖等抗震措施，以提高大坝抗震性能；优化泄洪建筑物组合型式，能快速、有效降低坝前水位及库容，减免次生灾害的发生以及便于震后大坝的检查、检修。龙开口重力坝防震抗震设计经验对高地震区的高重力坝防震抗震设计具有一定的工程参考价值。