高地震烈度地区重力坝抗震钢筋配置及应用

吴余生

（云南省能源投资集团有限公司，昆明 650228）

随着我国水电开发向西南地区的金沙江、澜沧江、雅砻江、大渡河等流域不断延伸［1-2］，在西南地震多发的高地震烈度地区修建高坝大库是水电开发面临的重大关键技术问题［3］，须采取有效抗震措施，确保大坝抗震安全。混凝土重力坝遭遇地震时，在不危害大坝整体稳定安全的前提下，坝头、上下游折坡点等薄弱部位产生局部裂缝是允许的，但必须采取有效工程措施限制裂缝发展。在大坝上下游坝面配置抗震钢筋是提高混凝土重力坝抗震性能的实用工程措施，抗震钢筋在一定程度上可以减小裂缝宽度及限制混凝土裂缝发展，提高大坝抵御地震破坏的抗震性能，尤其在主震后遇较强余震发生时，抗震钢筋能有效提高重力坝的整体抗震能力。目前国内外尚未有具体的规范明确混凝土重力坝在地震荷载作用下配筋量计算，本文以西南地区金沙江中游某大型水电站为例，通过不同配筋量的分析比较，探讨合理可行的大坝抗震配筋方案，并应用于工程实践。

1 工程概况

某大型水电站位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段，枢纽工程为Ⅰ等、大（1）型工程，挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高160 m，工程开发任务以发电为主，装机容量2400 MW，多年平均发电量110.43亿kW·h。电站坝址区位于西南横断山脉高地震烈度区，地震基本烈度为Ⅷ度，50年超越概率为5%的基岩水平峰值加速度为0.246g，100年超越概率为2%的基岩水平峰值加速度为0.399g，100年超越概率为1%的基岩水平峰值加速度为0.475g。根据规范［4］相关规定，壅水建筑物应提高1度设防，故重力坝地震设防烈度为Ⅸ度，抗震概率水准采用基准期100年超越概率2%，基岩水平峰值加速度采用0.399g作为设计地震抗震设防标准，地震动参数高。

2 大坝抗震配筋计算分析

电站大坝的厂房坝段位于河床中央，是最高坝段，遭遇地震时的地震动反应最强烈。选取厂房坝段为计算对象，采用三维非线性动力有限元，运用整体式钢筋混凝土动力本构模型［5］，进行抗震配筋计算，分析大坝在地震工况下的裂缝发展损伤深度，评价各配筋方案的效果和合理性，并最终确定配筋方案。三维有限元计算模型如图1，不同配筋方案下坝体关键部位的损伤区深度如表1。

图1 厂房坝段坝体三维有限元计算网格模型

表1 不同配筋方案坝体关键部位的裂缝发展损伤情况

三维有限元计算成果表明，设计地震工况作用下，大坝坝踵、坝头、上下游折坡点等薄弱部位混凝土开裂损伤，配置抗震钢筋能有效减小裂缝宽度，有效控制裂缝发展，提高大坝抵抗地震破坏的能力。

（1）不配置抗震钢筋的情况，坝踵开裂损伤深度达10.2m，坝基上游防渗帷幕开裂破坏，危及大坝安全。

（2）应用方案1布置一排φ28@200mm的三级钢筋，坝踵开裂损伤深7.2m，损伤区深度减小约30%，部分坝基上游防渗帷幕开裂，坝体混凝土开裂损伤仍然较严重。

（3）应用方案2布置2排φ28@200mm的三级钢筋，坝踵开裂损伤深5.4m，损伤区深度减小约50%，有效抑制混凝土开裂损伤，没有破坏坝基上游防渗帷幕，大坝整体是安全的。

（4）应用方案3布置2排φ28@143mm的三级钢筋，坝踵开裂损伤深3.1m，损伤区深度减小约67%，较好抑制混凝土开裂损伤，但钢筋布置较密集。

（5）应用方案4布置2排φ36@143mm的三级钢筋，坝踵开裂损伤深2.6m，损伤区深度减小约75%，进一步抑制混凝土开裂损伤，但相对于方案3，继续加大配筋量对减小坝体损伤区深度效果不明显。

3 大坝抗震钢筋布置方案

重力坝抗震设计遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的总体原则，主要采取以配置抗震钢筋为主，重点控制大坝坝踵、坝头、上下游折坡点等薄弱部位的混凝土裂缝发展，提高大坝整体抗震能力。从上述计算分析可知，配筋越大坝体损伤区域越小，但配筋量达到一定水平后，继续加大配筋量难以大幅降低坝体损伤程度。从混凝土浇筑施工的角度考虑，在大坝上下游坝面配筋过大过密会导致钢筋间距小，导致混凝土浇筑难以振捣密实，影响混凝土浇筑质量，反而不利于增强大坝整体抗震能力，并且大幅增加工程造价。综合技术经济和施工实际等方面考虑，上述方案2的配筋量适中，能有效限制坝体裂缝的发展，保证坝踵区损伤开裂深度不会导致上游灌浆帷幕破坏，不危及大坝的整体安全性，以该方案为基础对大坝进行抗震配筋是合适的。

3.1 抗震配筋原则

（1）大坝上游面为二级配碾压混凝土防渗层，需要严格控制裂缝的发展，全坝面布置一排φ28@200 mm的三级钢筋。

（2）大坝的坝踵、上游起坡点、上下游坝头等体型变化部位为坝体抗震薄弱环节，在其上下一定范围内布置两排φ28@200mm的三级钢筋。大坝抗震钢筋配置典型示意如图2。

图2 大坝抗震钢筋配置示意图

3.2 抗震配筋工程应用实践

在大坝坝体混凝土浇筑施工过程中，按照上述配筋原则，结合各坝段实际体型结构，具体设计配筋如下。

3.2.1 左、右岸非溢流坝段抗震配筋

左、右岸非溢流坝段坝高20～120 m。坝体上游面全坝面布置抗震钢筋（φ28@200 mm的三级钢筋）；在EL1330.0 m上游起坡点的上下各10 m范围内增加一排相同直径和间距的钢筋。坝体下游面折坡点采用了圆弧连接的方式，并且布置了两排抗震钢筋，第一排布置范围为圆弧以下10.0m至坝顶，第二排为圆弧下5 m至圆弧上2～5 m，钢筋直径和间距与上游坝面相同。

3.2.2 左岸冲沙底孔坝段抗震配筋

左岸冲沙底孔坝段坝高136m。坝体上游面全坝面布置抗震钢筋（φ28@200mm的三级钢筋），在抗震的薄弱部位EL1326.7m上游起坡点的上、下各10m范围内增加一排相同直径和间距的钢筋。坝体下游面电梯井左岸折坡点采用了圆弧连接的方式，布置了两排抗震钢筋，并且第一排从圆弧下EL1382.7m（圆弧下16.7m）至坝顶，第二排从EL1388.0 m（圆弧下11.3m）至圆弧上5.0m，钢筋直径和间距与上游坝面抗震钢筋相同。

3.2.3 厂房坝段抗震配筋

厂房坝段最大坝高160m。坝体上游面EL1350.0m以下全坝面布置抗震钢筋（φ28@200mm的三级钢筋），EL1330.0m上游折坡点和EL1350.0m的进水口悬挑结合部是厂房坝段的抗震薄弱环节，在EL1330.0m上游折坡点上下各10m范围内增加一排相同直径和间距的钢筋，EL1350.0m以上为电站进水口，体型结构较复杂，抗震钢筋和结构钢筋结合布置。坝体下游面从EL1380.0 m至坝顶全部布置两排抗震钢筋（φ28@200 mm的三级钢筋）。

3.2.4 右岸泄洪冲沙底孔坝段抗震配筋

右岸泄洪冲沙底孔坝段坝高132m。坝体上游面全坝面布置抗震钢筋（φ28@200mm的三级钢筋）。在冲沙孔进口形成的转折点EL1362.0m上下各5m范围内结合进口结构布置增加一排相同直径和间距的抗震钢筋。坝体下游面折坡点采用了圆弧连接的方式，布置两排抗震钢筋，第一排布置范围为圆弧以下10m至坝顶，第二排为圆弧下5m至圆弧上5m，主受力筋为φ28@200mm的三级钢筋，与上游面抗震钢筋相同。

3.2.5 溢流坝段抗震配筋

溢流坝段坝高108～132m。坝体上游面全坝面布置抗震钢筋（φ28@200mm的三级钢筋），抗震钢筋从坝基布置至EL1393.0m，在EL1330.0m上游起坡点的上下各10m范围内增加一排相同直径和间距的钢筋，EL1393.0m以上至堰顶结合溢流面钢筋布置了一排φ28@200mm的三级钢筋。

4 结语

在高地震烈度地区修建高坝大库是水电开发面临的重大关键技术问题，本文以西南地区金沙江中游某大型水电站为例，通过不同配筋量的分析比较研究，提出大坝上游面全坝面布置一排φ28@200mm的三级钢筋，大坝的坝踵、上游起坡点、上下游坝头等体型突变的抗震薄弱部位，在其上下一定范围内布置两排φ28@200mm的三级钢筋的抗震配筋方案并应用于工程实践，可为类似高地震烈度地区重力坝抗震配筋提供有益借鉴和参考。