丰满新建碾压混凝土重力坝极限抗震能力研究

郭建业，银佳男，胡志强

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

1 工程概况

丰满水电站重建工程是按恢复电站原任务和功能，在老坝下游120 m处新建一座大坝，并利用原三期工程。工程实施后以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等综合效益。

水库正常蓄水位263.50 m，设计洪水位268.20 m，校核洪水位268.50 m，总库容103.77亿m3。新建电站总装机容量1 480 MW，为Ⅰ等大（1）型工程。

电站枢纽主要建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、GIS开关站、过鱼设施及利用的原三期电站组成。挡水、泄水及消能防冲、引水建筑物及发电厂房等永久性主要建筑物级别为1级，过鱼设施建筑物、厂房尾水渠挡墙等永久性次要建筑物级别为3级。

碾压混凝土重力坝共分56个坝段，坝顶总长1 068.00 m，坝顶高程269.50 m，最大坝高94.50 m。其中1～9号坝段为左岸挡水坝段，总长162.00 m；10～19号坝段为河床溢流坝段，总长180.00 m；20～25号坝段为引水坝段，总长168.00 m；26～56号坝段为右岸挡水坝段，总长558.00 m。

大坝抗震设防类别属“甲”类，其设计地震加速度代表值的概率水准取基准期100年内超越概率2%，校核地震加速度代表值的概率水准取基准期100年内超越概率1%，相应的基岩水平地震动峰值加速度分别为186.43 gal和221.75 gal。

2 坝基工程地质条件

坝址位于松花江上游丰满峡谷口，谷底宽约450.00 m，高程184.00～190.00 m，两岸山顶高程一般500.00～700.00 m。左岸地形坡度25°～35°，右岸地形坡度5°～20°[1]。

坝址基岩主要为二叠系下统一拉溪组变质砾岩（P1y）和第四系地层，侵入岩为华力西晚期花岗岩、闪长岩及正长岩岩脉。变质砾岩具有明显的变余层理，分布于整个坝址，产状一般走向N25°～35°W，倾向NE，倾角25°～45°[1]。

基岩岩质坚硬，抗风化能力强，河床无全、强风化带，两岸山坡强风化带厚1～5 m，右岸阶地局部存在0～5 m厚的强风化岩石。弱风化带厚度：左岸山坡10～20 m，河床10～15 m，右岸阶地15～20 m，右岸山坡15～40 m[1]。坝基开挖期爆前声波测试成果表明，坝基弱风化岩体纵波速为2.00～5.91 km/s，完整性系数为0.11～0.97，多属较完整～完整岩体和完整性差～较完整岩体，部分为完整性差岩体，局部为较破碎～破碎岩体。

根据《水力发电工程地质勘察规范》的规定，结合大坝建基岩体纵波速、岩体完整性、风化程度、断层与裂隙发育程度及岩体透水性等，将坝基岩体结构分为4类。其中，ⅡA类岩体约占34.94%、Ⅲ1A类岩体约占50.42%、Ⅳ1A类岩体约占5.86%、Ⅳ2A类及Ⅴ类岩体约占8.78%。ⅡA类岩体主要分布在17～22号、25～26号、38～42号、44号及56号坝段。Ⅳ1A类和Ⅳ2A类岩体主要分布在F67断层破碎带出露的30～32号坝段。

坝基断裂构造较发育，按产状可分为4组：走向N20°～30°W，倾向SW，倾角70°以上；走向N40°～70°W，倾向NE，倾角50°～80°；走向N5°～25°E，倾向NW，倾角多为60°～80°；走向N60°～85°E，多倾向NW，倾角70°～80°。

坝基多为微透水～弱透水岩体，局部为中等透水岩体。坝基岩体相对隔水层埋深：左岸山坡25～75 m，河床35～75 m，右岸阶地50～90 m，右岸山坡30～110 m[1]。

3 大坝极限抗震能力研究对象

根据丰满新建大坝的整体布置及各典型坝段的体型特点，选取建基高程最低的挡水坝段，即26号挡水坝段，创建反映大坝-地基-库水体系的二维有限元分析模型，综合考虑远域地基的辐射阻尼效应、坝体混凝土和近域地基岩体的材料非线性等因素的影响，确定计算参数，开展大坝地震破坏机理、破坏模式和极限抗震能力研究。

在非线性地震响应分析中，分别采用粘弹性人工边界、流固耦合模型、塑性-损伤本构模型、扩展的Drucker-Prager本构模型分析坝-基动力相互作用、坝-库水动力相互作用、坝体混凝土和坝基岩石材料的非线性变形特性等对坝体动力响应的影响。

4 大坝极限抗震能力研究方法

混凝土重力坝极限承载能力计算方法通常有两种：强度储备法，关注材料强度的不确定性和潜在的弱化效应，通过降低材料强度而使结构发生破坏，相应的强度折减倍数即为强度储备安全系数；超载法，则是加大地震荷载的峰值，对结构进行损伤计算，得到结构破坏的临界荷载。

对于混凝土重力坝极限抗震能力的评价标准，可从多种角度进行综合分析，其中，地基的变形、稳定和坝体开裂破坏导致丧失挡水功能是决定重力坝抗震安全的关键因素。因此，可以根据地震超载工况下的坝体响应、坝体混凝土损伤破坏演化过程、损伤区域发展范围、坝体开裂模式及破坏等级、建基面抗滑稳定性、计算收敛性等方面综合评价大坝的极限抗震能力。

结合国内外对混凝土坝极限抗震能力的研究及发展现状，该项目研究采用放大设计地震动峰值加速度的地震超载分析方法，分别采用1，2，3，4，5倍的设计地震动峰值加速度对研究对象进行动荷载激励，开展大坝-地基-库水体系非线性地震响应分析，评价新建碾压混凝土重力坝的极限抗震能力。不同地震超载工况所对应的水平地震动峰值加速度见表1。

表1 不同地震超载工况对应的水平地震动峰值加速度

5 材料非线性计算参数

5.1 大坝混凝土非线性参数

采用ABAQUS软件中的塑性-损伤本构模型模拟大坝混凝土非线性本构关系。在实际计算中，根据该工程大坝全级配混凝土试件在循环加载条件下的混凝土单轴拉伸、压缩试验数据，生成了能保证材料非线性迭代求解收敛且与试验数据较为相符的拉应力-开裂应变和拉损伤因子-开裂应变曲线，以及压应力-非弹性应变和压损伤因子-非弹性应变曲线，见图1，图2。

图1 塑性-损伤本构模型的拉伸损伤曲线

图2 塑性-损伤本构模型的压缩损伤曲线

根据全级配混凝土试验成果，大坝碾压混凝土动弹性模量取值为29.80 GPa，泊松比取值为0.09；大坝碾压混凝土单轴抗拉、抗压强度取值分别为1.84和44.89 MPa。

5.2 坝基岩体非线性参数

采用强度和变形特性扩展的Drucker-Prager弹塑性本构模型模拟基岩材料的非线性本构关系（见图3）。Drucker-Prager模型的屈服函数：

图3 线性Drucker-Prager屈服函数的子午面和平面

由图3可见，Drucker-Prager本构模型的屈服面在子午面上是线性函数。曲线a表示Mises模型在偏平面上的投影，相应的k=1；曲线b表示Drucker-Prager模型在偏平面上的投影，相应的k=0.8。

对于平面应变问题，当k=1时，Drucker-Prager模型的参数（β，d，ψ；其中ψ为膨胀角），与Mohr-Coulomb模型参数之间的关系（c，φ；其中c为粘聚力，φ为摩擦角）如式（2）～（5）所示。其中，26号挡水坝段坝基岩体为ⅡA变质砾岩，坝体混凝土/基岩的φ=47.7°，c=1.1MPa。

此次计算中采用相关联动法，则ψ=β，得

6 计算成果分析

根据混凝土重力坝极限抗震能力常用的评价标准，分别从地震超载情况下的坝体位移响应、损伤破坏过程及范围、坝体开裂模式及破坏等级、坝基抗滑稳定安全性、计算收敛性等方面综合评价26号挡水坝段的极限抗震能力。

6.1 坝体位移响应

重力坝地震位移响应的最大值一般出现在坝顶，可以较好地反映大坝动力响应的强烈程度，因此，选择坝顶的水平和竖向位移时程响应来研究大坝的超载能力。图4为不同地震超载倍数下坝顶上游面节点的水平位移和竖向位移时间历程图。由图4可见，随着地震超载倍数的增加，坝顶位移幅值明显增加，当加速度超载倍数达到4时，在大约15 s之后，坝体水平和竖向位移偏离静力荷载作用下的位移值，并在地震后期出现了永久位移；当加速度超载倍数达到5时，在大约10 s之后，坝体出现较为显著的水平和竖向永久位移。

图4 不同地震超载倍数下26号挡水坝段坝顶位移时程图

6.2 损伤破坏过程及范围

随地震超载倍数的增加，坝踵及坝体拉损伤区域逐渐变大，在设计地震工况下，坝踵区出现拉损伤区域，局部最大损伤值达到0.98；在2倍设计地震工况下，坝踵区损伤范围略有增大，但与设计地震相比，坝体损伤区域和损伤程度变化不大；当地震动峰值加速度达到3倍设计地震时，坝体拉损伤部位增多，除坝踵外，中部高程以上坝体下游侧出现拉损伤区，损伤区域范围也有不同程度的增大；当地震动峰值加速度达到4倍设计地震时，坝体损伤部位显著增多，尤其是坝体中上部区域，已有的拉损伤区域范围进一步扩大，而且坝上部拉损伤区域沿上下游方向逐渐连通；当地震动峰值加速度达到5倍设计地震时，坝体中部以上大部分区域进入高拉损伤区，形成贯穿性裂缝。

与坝体拉损伤范围、大小和发展过程相比，压损伤区范围和大小也同样随地震超载倍数的增加而增加。压损伤区主要出现在上游183.00 m高程至坝踵、灌浆廊道的顶部，坝体中上部等区域，但由于坝体混凝土抗压强度高，压损伤值相对较小。

地震超载分别为3，4和5倍的激励下，大坝坝体整体拉损伤、压损伤变量分布见图5，6。

图5 不同地震超载倍数下26号挡水坝段整体拉损伤变量分布图

6.3 坝体开裂模式及破坏等级

根据计算得到的不同地震超载倍数下的坝体损伤范围、损伤程度及导致后果的严重性，将混凝土重力坝在地震作用下的震害等级分为以下5个级别。

1）基本完好：坝体无可见裂缝或者只有局部小范围区域出现细小的裂缝，不影响大坝的正常使用。

图6 不同地震超载倍数下26号挡水坝段整体压损伤变量分布图

2）轻微损伤：坝踵局部、廊道出现拉损伤，但损伤区域离排水帷幕较远，稍加修护大坝即可正常投入使用。

3）中等损伤：在大坝上游面、坝踵、灌浆排水廊道、折坡点、坝体中上部廊道下游坝头部折坡点等多处区域出现拉损伤，但大部分损伤区的范围较小，且损伤程度中等（损伤值一般不超过0.7），坝踵处损伤未延伸至坝基灌浆帷幕处，经修复方能恢复原设计功能。

4）严重损伤：坝体上、下游坝面出现多处损伤，且损伤区域范围较大，损伤程度较大（损伤值超过0.7），且破坏部位难以修复使用。

5）溃坝：坝头或者坝体中上部形成贯穿性裂缝，甚至断裂，大坝完全破坏，已无修复可能，失去既定的正常挡水功能。

从大坝损伤破坏过程、损伤范围及损伤程度计算结果看，1倍和2倍设计地震工况下，可以认为震害等级均属于轻微损伤；当地震动峰值加速度达到3倍设计地震时，可以认为震害等级属于中等损伤；当地震动峰值加速度达到4倍设计地震时，可以认为坝体处于严重损伤等级；当地震动峰值加速度达到5倍设计地震时，坝体中部以上大部分区域进入高拉损伤区，形成了多处贯穿裂缝，在上游水压力、裂缝中扬压力和地震荷载的联合作用下，上部形成贯穿性裂缝的坝体可能会向下游倾倒，从而失去挡水功能，可以认为坝体处于溃坝级别。

6.4 坝基抗滑稳定安全性

对26号挡水坝段建基面进行抗滑稳定安全计算分析，得到不同地震超载倍数下建基面抗滑稳定的抗力作用比时程分布，提取整个时程中建基面抗滑稳定抗力作用比的最小值，结果见表2。由表2可见，随着地震超载倍数的增加，建基面抗滑稳定抗力作用比最小值降低，但在不同的地震超载倍数激励下，坝体建基面均未发生滑动失稳。

表2 不同地震超载倍数下建基面抗滑稳定抗力作用比最小值

6.5 计算收敛性

在ABAQUS软件中，如果结构非线性响应强烈和非线性范围增加时，为了提高收敛性，软件将自动减小增量步长，增加计算步数。因此，在相同的荷载时长下，计算步数越多则说明结构响应的非线性特性越强。表3给出了不同地震超载倍数下的计算步数，由表3可知，随着地震超载倍数的增加，计算步数也相应增加，但增加幅度不大。

表3 不同地震超载倍数下计算步数统计表

7 结语

丰满水电站重建工程地位特殊，工程规模及社会影响大，新建碾压混凝土重力坝的抗震安全是工程需要重点研究的关键技术问题之一。本文针对丰满重建工程26号最高挡水坝段，按照地震超载法，采用塑性损伤和弹塑性本构模型，对大坝极限抗震能力进行了计算研究。根据计算结果，分别从坝体位移响应、损伤破坏过程及范围、坝体开裂模式及破坏等级、坝基抗滑稳定安全性、计算收敛性等方面综合评价并确定新建大坝的地震超载安全系数为4.0，相应水平向地震动峰值加速度为745.72 gal。丰满新建碾压混凝土重力坝具备较强的极限抗震能力。