苗尾水电站砾质土心墙堆石坝抗震复核分析

郑惠峰，周廷清，孙 来，黄泰仁

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概况

苗尾水电站位于云南省大理州云龙县苗尾乡境内的澜沧江干流上，是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一级电站。电站为一等大（1）型工程，大坝为1 级建筑物，砾质土心墙堆石坝坝顶高程1 414.80 m，最大坝高131.30 m，坝顶轴线长576.68 m，坝顶宽度12.0 m，上、下游坝坡均为1∶2.0。坝体防渗结构采用砾质土心墙，心墙顶高程为1 412.80 m，心墙底高程1 285.00 m，心墙最大高度127.80 m，心墙顶宽4.0 m，上、下游坡比1∶0.25。大坝反滤料采用石料场开采轧制料，过渡料采用工程洞挖料和石料场开采轧制料，堆石料Ⅰ区采用工程开料填筑，堆石料Ⅱ区采用石料场开采料填筑。石料场岩体岩性主要为片麻岩，工程开挖料岩性主要为砂质绢云板岩及变质石英砂岩。大坝剖面见图1。

图1 大坝典型横剖面图Fig.1 Typical cross section of the dam

2 动力计算本构模型

本次计算采用等价粘弹性模型。计算中动力剪切模量G和阻尼比λ按下列两式计算：其中：P=（σ1+σ2+σ3）/3，γd为动剪应变幅值，k1、k2为动剪模量常数，λmax为最大阻尼比，为归一化的动剪应变，表示为。参数k1、k2、λmax可由常规动力三轴试验测定，动模量常数k1、k2从动弹模Ed与动应变εd的试验曲线出发，经过转换整理得出，λmax从阻尼λ与动应变εd的试验曲线出发整理。

3 有限元模型及动力计算参数

3.1 计算网格

三维有限元网格划分时，实体单元一般采用8结点六面体等参单元。为适应边界条件以及坝料分区的变化，部分采用三棱体和四面体作为退化的六面体单元处理，单元根据大坝填筑施工顺序排序。根据上述划分依据，本次计算总单元数24 960个、总结点数25 966个。图2为三维有限元网格剖分图。

图2 三维有限元网格剖分图Fig.2 3D finite element grid

3.2 动力计算参数

3.2.1 坝料动力计算参数

本次计算中，坝壳堆石料、心墙土料、反滤料等主要筑坝材料的动力参数根据可研阶段和施工技施阶段有关坝料动力试验结果确定。未开展动力试验的坝料，其动力参数根据工程经验并结合工程类比方法确定。各坝料动力计算参数详见表1。

表1 坝料动力计算参数Table 1 Dynamic calculation parameters of the damming materials

3.2.2 地震动参数

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》、NB 35047-2015《水工建筑物抗震设计规范》的要求，通过地震危险性分析，坝址基岩场地50年超越概率10%的峰值加速度为138.5 gal，工程场地地震基本烈度为Ⅶ度。按相关规范要求，本工程大坝的抗震设防类别为甲类，抗震设防烈度在基本烈度基础上提高1 度为Ⅷ度，抗震设计标准采用100 年超越概率2%的峰值加速度269.6 gal，抗震校核标准采用100年超越概率1%的峰值加速度314.7 gal。坝址基岩场地设计、校核地震动参数见表2，地震加速度时程线见图3和图4。

图3 设计地震基岩水平加速度时程线（100年2%）Fig.3 Curve of horizontal acceleration of bedrock and time in design earthquake

图4 校核地震基岩水平加速度时程线（100年1%）Fig.4 Curve of horizontal acceleration of bedrock and time in checking earthquake

表2 坝址基岩场地地震动参数Table 2 Ground motion parameters of the bedrock at dam site

4 动力分析计算结果

4.1 设计和校核地震动作用下抗震复核分析

采用动力有限元分析方法，对苗尾砾质土心墙坝坝体在设计标准和校核标准地震动作用下的动应力变形进行计算分析，坝体抗震复核结果见表3。地震安评报告根据反应谱人工合成了3条样本曲线，对比分析大坝对各条地震波动力反应的差别发现：设计地震工况下输入地震动AT10022 时，坝体动力反应总体最为强烈、永久变形和振动孔压也最大，而校核地震工况下输入地震动AT10011 时，坝体动力反应总体最为强烈、永久变形和振动孔压也最大。因此从安全角度考虑，计算时设计地震工况下输入地震动参数AT10022、校核地震工况下输入地震动参数AT10011。

表3 设计和校核地震动作用下大坝动应力变形计算分析结果Table 3 Analysis of the dam in design and checking earthquake

4.1.1 坝体地震动力反应加速度

设计地震工况下，大坝坝轴向、顺河向和垂直向的最大加速度放大倍数分别为3.63、3.72和3.76，坝体加速度反应在顺河向最为强烈。随着高程增加，高频波被吸收，振动周期变长，与大坝主振频率更为接近，大坝动力反应也越大，坝顶部15 m范围内坝体的加速度放大系数增加明显，存在地震“鞭梢”效应。由于坝顶附近加速度绝对值较大，堆石存在局部松动、滑落的可能性，因此有必要在上、下游坡采取一定的抗震工程措施。

校核地震工况下，坝体动力应力变形规律与设计标准地震工况计算结果大体相同，只是坝体反应加速度放大倍数有所减小，大坝坝轴向、顺河向及垂直向最大反应加速度放大倍数分别为3.56、3.68和3.72，坝顶区域坝体“鞭梢”效应明显。另外，围堰顶部与弃渣压坡体相接部位轴向与顺河向的地震反应加速度也较大。

4.1.2 坝体最大动位移

设计地震工况下，大坝坝轴向、顺河向和垂直向动位移最大值分别为14.0 cm、14.8 cm和6.5 cm，大坝动位移较大部位主要集中在河谷中央坝顶的局部区域。校核地震工况下，坝轴向、顺河向和垂直向动位移最大值分别为16.1 cm、19.3 cm和8.5 cm。

4.1.3 地震永久变形

设计地震工况下，心墙坝坝体轴向永久变形表现为两岸向河床的挤压变形，指向右岸变形最大值为7.2 cm，指向左岸变形最大值为9.6 cm；上游坝壳部分顺河向变形指向上游，最大值为15.6 cm，其余部分、心墙及下游坝壳的顺河向变形均指向下游，最大值为24.9 cm，坝体震陷最大值为35.6 cm，发生在靠近坝顶上游坝壳内。校核地震工况下，心墙坝坝体指向右岸永久变形最大值为13.6 cm，指向左岸永久变形最大值为10.5 cm，指向上游永久变形最大值为16.1 cm，指向下游永久变形最大值为30.3 cm，坝体震陷最大值为45.6 cm。计算结果表明，地震永久变形与坝高有着明显的关系：河床部位坝体高度最大，地震永久变形也最大；接近岸坡处坝体高度较小，地震永久变形也相对较小。

4.2 地震期心墙抗剪安全性分析

根据Mohr-Coulomb 屈服准则，心墙抗剪安全系数可表达为：式中：(τd)eff为等效动剪应力，(τd)max为地震过程中单元动剪应力过程线的峰值。计算结果表明，设计和校核地震工况下，心墙内部抗剪安全系数均大于1.0，心墙不会产生剪切破坏。图5为设计地震和校核地震工况下坝0+286 剖面心墙内抗剪安全系数分布图。

图5 地震期心墙抗剪安全系数分布图Fig.5 Distribution of shear safety factor of the core wall during earthquake

4.3 地震期上游反滤Ⅰ料抗液化安全性分析

设计和校核地震工况下，最大振动孔隙水压力分别为90.8 kPa 和122.8 kPa，设计地震工况反滤I料孔压比ud/σ3′最大值为0.72，校核地震工况反滤I料孔压比ud/σ3′最大值为0.83，均小于1.0。根据有效应力法判别标准，设计和校核地震不会触发上游反滤I 料液化。设计地震工况下，反滤I 料内部(τd)eff/(τd)l最大值为0.83，抗液化安全系数在1.20以上；校核地震工况下，反滤I料内(τd)eff/(τd)l最大值为0.91，抗液化安全系数在1.10以上。根据总应力法判别标准，设计和校核地震均不会触发上游反滤I料液化。

4.4 坝坡抗震稳定分析

采用拟静力法计算，上、下游坝坡在稳定渗流期的抗滑稳定安全系数分别为2.406和2.570，设计地震工况下分别为1.836和2.014，校核地震工况下分别为1.735和1.930，坝坡抗滑稳定安全系数都满足规范要求。

采用有限元法计算，设计地震过程中，上游坡安全系数均大于1.0，最危险时刻出现在5.54 s，最小安全系数为1.119；坝体下游坡安全系数均大于1.0，最危险时刻出现在15.18 s，最小安全系数为1.203。校核地震过程中，上游坝坡安全系数均大于1.0，最危险时刻出现在10.60 s，最小安全系数为1.059；下游坝坡安全系数均大于1.0，最危险时刻出现在13.38 s，最小安全系数为1.139。可见，在设计和校核地震工况下，坝体上、下游坡安全系数均大于1.0，坝坡不会发生失稳破坏，堆石坝上、下游坝坡均不会发生滑动失稳破坏。

5 结语

（1）设计地震工况下，坝体轴向、顺河向及垂直向最大反应加速度放大倍数分别为3.63、3.72 和3.76，坝体轴向、顺河向及垂直向最大动位移为14.0 cm，14.8 cm 和6.5 cm。由于坝顶区域范围内附近动力反应较大，堆石存在局部松动、滑落的可能性，因此有必要在坝顶以下15 m范围内的上、下游坡采取一定的抗震工程措施。

（2）设计地震工况下，大坝最大震陷为35.6 cm，约为坝高的0.28%，该量值在心墙坝经验永久变形范围内。

（3）校核地震工况下，坝体动力应力变形规律与设计地震工况计算结果大体相同，只是坝体反应加速度放大倍数有所减小，而动位移、地震永久变形等动力特征值都有所增大，但仍在正常范围内。

（4）设计地震和校核地震工况下，上游反滤I料内动孔压比ud/σ3′最大值分别为0.72 和0.83，均小于1.0，抗液化安全系数(τd)l/(τd)eff最小值分别为1.20 和1.10。有效应力法和总应力法判别分析结果表明，反滤Ⅰ料不会发生液化。

（5）设计和校核地震工况下，心墙抗剪安全系数均大于1.0，心墙不会出现剪切破坏。

（6）稳定计算结果表明，稳定渗流期和地震工况下，上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数均满足规范要求，且有一定安全贮备，不会发生失稳破坏。