300 m级特高拱坝地震损伤特征分析

任 大 春，樊 义 林，熊 堃

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川 凉山 615421； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

我国水能资源的大约70%～80%集中在西部地区，西部地区新构造运动强烈、地质环境极不稳定，地震活动显著。随着国民经济的发展和西部大开发的推进，水电建设中心已转移到西南高地震烈度地区。自20世纪90年代后期开始，在西南部地震高烈度区已逐渐修建完成了多座300 m级特高坝，比较典型的高坝有澜沧江上的小湾水电站，雅砻江上的锦屏一级水电站，金沙江上的溪洛渡水电站。金沙江下游正在修建的乌东德、白鹤滩水电站也位于该地区。汶川地震后，国家对工程建设的抗震设计更加重视、高坝抗震安全的重要性也更加突出，考虑地震荷载组合的工况甚至成为了大坝设计的控制工况，大坝的抗震性能是保证工程安全的关键。

国内外拱坝遭受震害的实例并不多，24座100 m级高拱坝受到地震影响的仅有8座，没有任何一座大坝因地震发生严重破坏而导致库水失控下泻，修建在强震区的坝高200 m以上的高拱坝经受强震作用的实例更少。

相比200 m级大坝，300 m级特高坝抗震技术研究的时间较短，震害经验少，现行的水工建筑物抗震设计规范仅适用于200 m级以下的大坝，对于300 m级的特高坝尚无设计规范可循。目前300 m级特高坝的建设理论和依据都是借鉴以往积累的工程经验和技术，加上坝址处于高烈度区，因此特高坝的抗震安全问题十分突出，需要加强其抗震易损性分析，为高拱坝的防震抗震研究工作提供技术支撑。

本文首先收集了国内外高拱坝在发生强震时其坝体及坝肩发生损害的实际案例，再结合白鹤滩工程的实际情况，采用目前国内通用的3种非线性有限元方法分析了设计和校核情况下可能出现的高应力和大变形的情况；最后通过拱坝极限承载能力计算和拱坝动力模型试验，分析了拱坝承受超越地震的能力和可能出现的损伤及其破坏特性。

2 国内外高拱坝震害情况调查

2008年5月12日(星期一)14∶28∶04，四川汶川发生了8.0级特大地震，地震烈度达11度，地震严重破坏地区超过10万km2，其中，极重灾区共10个县(市)，较重灾区共41个县(市)，一般灾区共186个县(市)，死伤总人数超过10万人，是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。地震发生后，水电水利规划设计总院受国家发改委委托，立即组织开展了水电工程震损调查。调查结果表明[1-2]，地震灾害共造成近830座水电工程受损，但无一溃坝，没有造成次生灾害。纳入调查的地震烈度8度范围内、电站装机容量大于30 MW的已建水电工程共有22个，坝高超过100 m的有紫坪铺、宝珠寺、沙牌、水牛家和碧口等5个工程，仅有沙牌坝为拱坝。

2010年，中国水利水电科学研究院开展了“大坝工程资料和抗震设计规范调研”[3]，共收集到14座国内外经历强烈地震的混凝土坝资料。其中，100 m以上的拱坝有中国沙牌、中国台湾德基、中国台湾雾社、日本新丰根、美国Pacoima等5座。

2012年，长江勘测规划设计研究有限责任公司对“国内外高坝震害与抗震规范”进行了进一步的收集整理工作[4]，共收集到国内外经受过地震考验的拱坝共有46座，其中坝高超过100 m的为24座，详细情况如表1所列。

表1中数据显示：24座100 m级高拱坝受到地震影响的仅为8座，占比为33%；唯一一座受到损伤较严重的是帕柯伊玛(Pacoima)拱坝，该坝经受过2次大地震；受到一定损伤的有中国台湾的谷关拱坝和智利的Rapel拱坝等。受到轻微损伤、开裂，渗水量增加，但不影响运行的有14座；但没有任何一座大坝发生严重破坏而导致库水失控下泻。

表1 国内外100 m以上高拱坝地震时性状统计Tab.1 Seismic performance in earthquake of high arch dams above 100 m in the world

对以上经历过地震考验的拱坝进行分析，结果发现，拱坝发生损伤的形式主要表现为：山体滑坡、坝肩及坝基接合部开裂、施工缝张开、河谷变形挤压坝体以及两岸和坝基渗漏。

3 白鹤滩拱坝抗震复核计算分析

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德水电站坝址约182 km，下游距溪洛渡水电站约195 km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91%。电站开发任务为以发电为主，兼顾防洪、航运，并促进地方经济社会发展。水库总库容206.27亿m3，居我国高拱坝库容第一，为年调节水库，调节库容为104.36亿m3，防洪库容为75.00亿m3。

水电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，主要特征参数如表2所列。

表2 白鹤滩拱坝主要特征参数Tab.2 Major parameters of Baihetan arch dam

对于白鹤滩拱坝抗震复核计算分析，先后联合了华东勘测设计研究院有限公司[1]、中国水利水电科学研究院、大连理工大学[5]以及清华大学，分别采用LDDA大坝非线性有限元软件、PSDAP混凝土坝非线性动力分析软件和三维通用有限元 ABQUS计算软件以及拱坝大型动力模型试验进行研究。

3.1 抗震复核参数

白鹤滩混凝土拱坝在可研阶段就进行了大坝防震抗震研究，按照GB18306-2001《中国地震动峰值加速度区划图(1∶400万)的要求，设计地震水平加速度为325gal，校核地震水平加速度为420gal。按照新的国家抗震标准GB18306-2015《中国地震动参数区划图》及NB35047-2015《水工建筑物抗震设计规范》复核，白鹤滩工程区域地震基本烈度为Ⅷ度，不同超越概率标准的基岩水平峰值加速度如表3所列。

表3 白鹤滩坝址场地不同超越概率的基岩水平峰值加速度Tab.3 Horizontal bedrock peak acceleration of Baihetan dam site at different exceedance probability gal

白鹤滩水电站坝址属I0类场地，按照GB18306-2015《中国地震动参数区划图》的规定，对地震安全性评价给出的基岩地震动峰值加速度进行调整后，将其作为大坝的抗震设计参数，据此确定的白鹤滩水电站工程区的地震动峰值加速度的调整系数为0.9。由此确定白鹤滩水电站拱坝抗震设计加速度峰值为：

(1) 设计地震。以100 a为基准期，超越概率为2%确定设计概率水准，经调整后的地震水平加速度为406gal，竖向峰值加速度为271gal。

(2) 校核地震。以100 a为基准期，超越概率为1%确定设计概率水准，经调整后的地震水平加速度为481gal，竖向峰值加速度为321gal。

3.2 非线性数值计算分析

对白鹤滩拱坝非线性数值复核计算进行了分析，结果如下。

(1) 自振频率。3种模型在正常蓄水位条件下的大坝基频基本相同(1.08～1.14 Hz)，死水位条件下的基频差异稍大(1.15～1.37 Hz)，正常蓄水位的自振频率比死水位的同阶自振频率值小 7%～20%。自振频率和振型符合高拱坝的一般规律，也反映了不对称河谷的特点。

(2) 顺河向位移。设计地震作用下，拱坝以顺河向位移响应为主，坝顶部位的位移最大，3种模型坝体动位移响应总体相当(23～31 cm)。坝顶拱冠、坝顶左拱端、坝顶右拱端位移在震后均基本回复到静态位移位置，说明坝体位移是稳定的，未发生位移的偏移现象，顶拱相对位移对比情况如图1所示。

图1 设计地震作用下白鹤滩水电站顶拱动位移Fig.1 Dynamic displacement of Baihetan arch crown under designed carthquake

(3) 横缝开度。设计地震作用下，3种模型正常蓄水位时横缝开度分别为10.0，7.7 mm和30.0 mm，死水位时横缝开度分别为25.0，23.6 mm和40.0 mm，大连理工大学模型因横缝模拟条数少(30条横缝模拟了 11 条)而使得张开度计算值偏大，其他两家成果接近。横缝张开均主要集中在坝体上部。总体上，设计地震作用下横缝张开度仍在止水可适应范围。设计地震作用下白鹤滩水电站大坝顶横缝最大开度如图2所示。

图2 设计地震作用下白鹤滩水电站顶横缝最大开度Fig.2 Maximum joint openning at Baihetan arch crown urder designed earthquake

(4) 应力分布。设计地震作用下，坝体的静动综合主应力分布亦符合一般规律，正常蓄水位条件下，坝体的压应力以上游面中部和下游坝面与贴脚交界面顶点处控制。除局部应力集中外，坝体静动综合最小主应力为 8～18 MPa，抗压强度安全满足要求。从拉应力分布来看，除坝基交界面局部区域外，在上下游面上部区域会有2～3 MPa的拉应力区，下游面应力水平相对较高，在靠近左岸的中上部区域出现最大拉应力，其中在下游面中上部很小范围仍有超过混凝土动态抗拉强度 3.42 MPa 的主拉应力区。

(5) 损伤分析。考虑坝体混凝土材料损伤，在设计地震作用下，大坝上游面完好，下游坝面在靠近左岸坝肩附近有局部损伤发生，但属于轻微损伤。只有与该损伤区域紧邻的建基面附近有很小区域的坝体损伤严重，预示有宏观开裂的风险。坝踵区宏观开裂范围较小，小于大坝底厚的 10%，尚未达到大坝帷幕处。大坝防渗帷幕在设计地震作用下是安全的。

(6) 抗滑稳定。设计地震作用下，按刚体极限平衡法中的抗剪断公式计算，左右岸坝肩可能滑动块体的抗滑稳定满足要求。滑块底面特征点对震后相对错动稳定在小于1.8 cm 的位置，坝基交接面未发生相对错动，未发生影响大坝整体稳定性或造成坝体局部过大变形的滑移，坝体位移基本恢复到静态的平衡位置，坝体和基岩能够保持稳定，整体上大坝地基系统是安全的。

(7) 校核地震作用。校核地震作用下，相对于设计地震作用，由于地震加速度的增加，拱坝的动力响应分布规律基本不变，总体响应增大幅度约 10%～20%，但仍未达到承载力极限状态，大坝地基系统震后能够保持稳定，可满足不溃坝的设防目标。

3.3 拱坝极限抗震能力分析

分别采用承载能力计算和拱坝动力模型[6]对拱坝极限抗震能力进行了分析和试验研究。

3.3.1拱坝地震极限承载能力计算分析

在模拟坝体伸缩横缝接触非线性、大坝垫座和扩大基础影响以及无限地基辐射阻尼效应的基础上，模拟大坝近域地基内复杂的地质条件，建立了大坝-地基系统的有限元模型，进行设计地震、校核地震作用下大坝抗震能力分析和评价。采用设计地震加速度峰值比例放大的超载工况，分别基于正常蓄水位+设计地震、 死水位+设计地震两种设计工况，针对拱坝-地基系统整体稳定、坝体损伤两个方面进行了白鹤滩水电站拱坝地震超载工况计算。

(1) 采用混凝土坝非线性动力分析法，对正常蓄水位下3组设计地震波分别进行了1～2倍的超设计地震计算分析。计算结果表明：随着超载倍数的增加，左岸滑块底面和右岸滑块C3-1底面特征点对残余变形随地震作用的加大基本呈缓慢线性增长，并未出现突变点。 而右滑块 C4 底面特征点对残余变形和右拱端顺河向的残余位移，在3组设计地震超载下分别在超载倍数为1.8，1.7和2.0 时变形曲线出现拐点，点对错动量增速突然加快，且地震结束时仍呈不稳定状态，说明该滑块已经出现过大滑移而失稳，并将导致相邻坝体失去抗力体支撑而丧失承载能力。因此，可以偏于安全地认为，白鹤滩水电站大坝-地基系统的抗震超载安全系数为1.7。

(2) 运用三维通用有限元计算时，考虑了坝体混凝土材料损伤和地基岩体弹塑性等非线性行为，采用死水位、 设计地震为基本计算条件，对白鹤滩水电站拱坝进行了地震超载条件下的损伤分析。计算结果表明：随着地震超载倍数增加，大坝损伤越来越严重，当超载到2.0倍设计地震时，坝体发生较大范围贯穿上下游的宏观裂缝，坝顶相对位移随地震超载系数的增加呈现为明显的非线性，横缝最大开度达到62 mm，但此时坝踵区开裂深度并未到达坝基帷幕(距离帷幕约8 m)。进一步超载到2.3倍设计地震时，坝踵区开裂范围达到并穿过帷幕线。经综合评估，认为白鹤滩水电站拱坝坝体超载安全系数可达到2.0倍设计地震。

(3) 上述2种方法计算成果表明：白鹤滩水电站拱坝的地震超载能力受两岸滑块的稳定控制，可承受相对设计地震的超载倍数约1.7(相对于690gal)，超过了校核地震水平(1.185倍)，因此，白鹤滩水电站拱坝能够承受一定的超越设计地震和校核地震的能力。

3.3.2拱坝动力模型试验

采用拱坝动力模型试验的方法，对坝体和垫座、坝体构造横缝、地基、左岸坝肩关键滑裂体、滑裂面抗剪参数和渗透压力、库水及无限地基的辐射阻尼效应等影响拱坝系统地震响应的主要因素进行了模拟，使试验模型最大限度地模拟实际工程条件。研究设计地震、校核地震及超设计地震作用下大坝-地基-库水系统的动力响应，评价大坝的抗震安全性及抗震超载能力。

利用模型基础部分，除模拟拱坝附近的河谷地形及岩体的力学特征外，还对坝肩附近的控制性结构面(左岸的F17、LS3318和LS331)的空间位置、抗滑指标、渗透压力等进行了模拟试验，以研究左岸局部块体在地震荷载作用下的稳定性。

试验结果表明：

(1) 在正常水位设计人工波地震作用后，坝体基频基本未发生变化。在之后的场地波及柯依那波加载后，也未观测到明显的损伤；

(2) 在正常水位人工波1.2倍超载地震作用后，拱冠及左岸坝体高阶固有频率出现降低；

(3) 在1.6倍超载地震作用下，坝肩滑裂体出现永久性滑动，拱冠及左岸坝体高阶固有频率继续降低；

(4) 在2.0倍超载地震作用后，坝体高阶固有频率各测点均发生下降，但未观测到宏观损伤；

(5) 在2.4倍超载地震作用后，在左岸下游面距坝顶约60 m处，首先观测到微小宏观裂缝，上游坝踵部位出现损伤。

(6) 在2.4倍之后的加载工况，下游面宏观开裂增多并沿水平向扩展。拱冠及左、右岸1/4拱圈横缝间均有宏观梁向裂缝出现。试验结束后，上游面未观察到宏观裂缝。滑裂体残余滑动基本向下游方向，向河谷方向无明显残余滑动。坝体垫座未见宏观开裂。

动力超载试验结果表明：白鹤滩水电站拱坝在强地震作用下，坝肩滑裂体、坝体上部下游面梁向及拱冠上游面坝踵附近成为抗震薄弱部位。由于坝体的不对称性，左岸地震响应大于右岸地震响应。

4 拱坝抗震易损部位分析

通过前述国内外高拱坝震害资料收集、对白鹤滩水电站拱坝抗震复核计算和极限抗震能力分析，可知300 m特高拱坝坝体的高应力区、结构体形变化区、坝基坝肩软弱结构面等部位需要重点关注，这些重点部位描述如下。

(1) 坝基接触部位。非线性数值计算和极限抗震能力分析发现，特高拱坝建基面附近存在应力集中区，拱坝损坏主要受接触处的滑块失稳控制，国内外高拱坝震害调查也体现了类似现象。

(2) 坝体接缝。非线性数值计算显示：坝体在设计和校核状况都会出现一定的坝基接缝错动和坝体横缝张开情况；极限抗震能力分析显示，坝体损坏自横缝开裂开始，国内外高拱坝震害调查资料也显示拱坝出现横缝张开和水平缝开裂的情况。

(3) 坝体中上部拱冠梁。非线性数值计算和极限抗震能力分析显示，拱坝最大位移和横缝最大张开度均位于拱坝上部，在上下游面上部区域会有2～3 MPa的拉应力区，最大拉应力出现在靠近左岸的中上部区域。

(4) 坝肩受力体。极限抗震能力分析显示，特高拱坝地震损坏主要受坝肩受力体处的结构面滑动影响，国内外高拱坝震害调查也体现了坝肩受力体变形导致拱坝受损的现象。

(5) 防渗体系。极限抗震能力分析显示，坝体横缝张开影响坝基帷幕安全，国内外高拱坝震害调查也体现了坝基扬压力升高和渗漏量增大的现象。

5 结 论

(1) 白鹤滩水电站特高拱坝坝体和基岩在设计地震作用下能够保持整体稳定，在校核地震作用下总体响应增大幅度约为10%～20%，但仍未达到承载力极限状态。满足“设计地震条件下大坝整体安全，校核地震条件不溃坝”的设防目标。

(2) 白鹤滩水电站特高拱坝的抗震超载能力主要受两岸滑块的稳定控制，总体上可承受相对设计地震动强度1.7倍的超强地震。

(3) 白鹤滩水电站特高拱坝坝基坝肩存在一定的软弱结构面。在超强地震的作用下，坝体存在高应力区、结构体形变化区，需要重点关注坝基接触部位、坝体接缝、坝体中上部拱冠梁、坝肩受力体和防渗体系。