丹江口水利枢纽右岸土石坝抗震安全复核研究

周 荣,梅润雨,魏匡民

(1.南水北调中线水源有限责任公司,湖北 丹江口 442700; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430014; 3.南京水利科学研究院 岩土工程研究所,江苏 南京 210024)

0 引 言

土石坝抗震安全历来是工程建设与运行的关键问题,尤其是“5·12”汶川地震后,大坝抗震安全受到高度重视[1]。已有研究表明,土石坝震害类型主要包括地震导致的坝坡失稳、地震永久变形及防渗系统损伤甚至破坏[2-4]。

丹江口水利枢纽为Ⅰ等工程,是开发治理汉江的关键工程,同时也是南水北调中线的水源工程,分两期进行开发建设。初期工程于1958年9月动工,1973年建成。大坝加高工程是在初期工程的基础上进行续建,工程于2005年9月26日开工,2013年完工,2014年汛后通水。丹江口大坝由河床及岸边的混凝土坝和两岸土石坝组成,属于混合坝型。2017年秋汛期间,长江水利委员会组织开展了丹江口水库164.0 m和167.0 m两级水位蓄水试验,库水位首次超过初期工程坝顶高程。2021年10月10日首次蓄水至正常蓄水位170 m。从2013年完工至今,建筑物和机电设备工作状态平稳,大坝总体工作性态正常[5-6]。

2015年,GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[7]正式颁布,依据最新地震动参数区划图,国内较多水利水电工程地震动参数均有较大调整,为了保障工程长期安全运行,需按最新地震动参数复核工程安全。在新版规范中,丹江口大坝所在区域地震地质构造背景、地震动参数区划等发生了较大的变化与调整。经复核发现丹江口大坝北侧丹江口潜在震源区震级上限由5.5级提高至6.0级且范围有所扩大,大坝西侧十堰潜在震源区震级上限由5.5级提高至6.0级,复核峰值加速度较之前略有提高。

已有研究得出,土石坝和混凝土坝刚度存在明显差别,刚度的不同将使各自坝段具有不同的振动特性,土石坝与混凝土坝连接部位产生裂缝较难避免[8-9],然而相关的研究较少。值得说明的是,丹江口右岸土石坝与混凝土坝连接,土石坝最大坝高60 m,在中国属于前列,并无相关工程经验参考,抗震安全复核除了涉及坝体本身的坝坡稳定和坝体变形问题,土石坝和混凝土坝接触连接部位是大坝抗震薄弱部位,值得重点关注。

本文通过类比类似工程坝料动力试验成果确定土石坝填筑料力学参数,构建右联混凝土坝和右岸土石坝三维有限元精细化模型,考虑土石坝和混凝土坝复杂接触状态,分析大坝在正常蓄水期遭遇地震工况下大坝的安全状态,重点分析坝坡稳定性、防渗体心墙安全性以及两岸土石坝与混凝土坝接头部位的变形协调性。研究结论在为本工程安全运行评价提供技术支撑的同时,也可为其他同类工程提供借鉴。

1 工程概况

丹江口水利枢纽右岸土石坝为改线新建而成。右岸土石坝与混凝土坝右5、右6坝段下游面正交连接,为黏土心墙坝,坝顶轴线长877 m;右岸土石坝上游坝坡1∶2.25～1∶2.50,下游坝坡1∶2.00～1∶2.25,顶宽10 m,上设1.4 m高防浪墙,上游护坡采用现浇混凝土、下游护坡采用混凝土格栅和草皮组合护坡。坡脚在高程较低设排水堆石棱体,顶宽2 m;上、下游坝坡均设有3级宽为2 m的马道。心墙顶高程176.10 m,顶宽13.25～3.00 m,上游侧坡比为1∶0.20～1∶0.55,下游侧坡比为1∶0.20～1∶0.67。右岸土石坝典型断面见图1。

图1 右岸土石坝典型断面图(尺寸单位:cm)Fig.1 Typical section of earth-rock dam on the right bank

右岸土石坝坝顶高程176.6 m,大坝正常蓄水位170.00 m,设计洪水位172.20 m,校核洪水位174.35 m。

2 计算模型及参数

2.1 计算网格

在构建土石坝有限元模型时,单元根据大坝填筑施工顺序排序,实体单元一般采用8结点六面体等参实体单元,为适应边界条件以及坝料分区的变化,部分区域采用了三棱体和四面体退化单元。有限元模型中,右岸土石坝单元数为99万个,结点数为95万个,有限元网格分布详见图2。

图2 右岸土石坝三维有限元几何模型Fig.2 Three dimensional finite element geometric model of earth-rock dam on the right bank

2.2 动力本构模型

采用等价黏弹性模型[10],动力剪切模量G和阻尼比λ按下列两式计算:

(1)

(2)

2.3 心墙抗剪安全系数

心墙抗剪安全性根据Mohr-Coulomb破坏准则计算[11],考虑地震动剪应力时,心墙抗剪安全系数可表达为

(3)

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。该公式中,当安全系数FS≥1时,单元未发生破坏;当安全系数FS<1时,单元发生剪切破坏。

2.4 计算参数

2.4.1筑坝料静动力参数

土石坝心墙黏土料和坝壳砂砾石料的本构模型参数计算采用邓肯E-B模型[12-14],坝体反滤料计算参数根据工程类比确定。由于本工程未开展坝料动力试验,动力计算参数根据工程类比确定,选择坝料岩性与本工程接近的试验成果作为基础数据。根据本工程坝料特点、级配特征、设计填筑标准,以及相应静力三轴试验的结果,结合两岔河心墙坝、将军庙砂砾石坝和苏洼龙沥青混凝土心墙坝等工程坝料材料参数的静动力试验参数资料[15-16],类比给出本工程各分区的计算参数。得到的丹江口水库右岸土石坝心墙料、坝壳料、反滤料计算参数见表1～2。

表1 丹江口土石坝筑坝材料邓肯模型参数Tab.1 Duncan model parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

表2 丹江口土石坝筑坝材料动力参数Tab.2 Dynamic parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

坝料流变模型参数结合土石坝表面沉降数据,选择右岸土石坝坝顶部分测点(邻近混凝土坝)沉降过程线与坝顶测点沉降纵向分布作为基本依据反演得出,并参考相似工程(苗尾心墙坝[2])的试验结果,对反演结果进行修正。计算采用的流变模型参数见表3。

表3 丹江口右岸土石坝流变模型参数Tab.3 Rheological model parameters of right bank earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

2.4.2接触面参数

土体与混凝土材料之间采用殷宗泽薄层单元[17],计算参数同土石坝料静动力参数。

2.4.3地震动输入参数

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[7]和GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》[18],本次计算设计地震取100 a内超越概率2%地震动,校核地震取100 a内超越概率1%地震动。表4给出了坝址的50 a超越概率10%、5%、2%和100 a超越概率5%、2%、1%的水平向设计地震动加速度反应谱(阻尼比5%)参数。对应的100 a超越概率2%、1%加速度时程如图3,4所示(各3组)。考虑到丹江口水利枢纽工程的重要性,本次计算地震动偏安全地采用三向地震动输入,竖向地震动取水平向的2/3[19]。

表4 丹江口大坝设定地震动参数(阻尼比5%)Tab.4 Set ground motion parameters of Danjiangkou Dam (damping ratio 5%)

图3 100 a超越概率2%加速度时程曲线Fig.3 Acceleration time course profiles with a 2% probability of exceedance in 100 years

图4 100 a超越概率1%加速度时程曲线Fig.4 Acceleration time course curves for conditions with a 1% probability of exceedance in 100 years

3 抗震安全复核分析

3.1 大坝动力响应

表5给出了6种组合地震动输入下的右岸土石坝动力反应。综合来看,100 a超越概率2%情况下,组合4(X方向输入时程2、Y方向输入时程3、Z方向输入时程1)较其他组合的大坝动力反应强烈,同理,100 a超越概率1%情况下,组合4较其他组合的大坝动力反应强烈,故本文选取地震动输入参数组合4作为最不利工况进行抗震复核分析。

表5 场地谱100 a超越概率2%地震右岸坝体动力反应Tab.5 Dynamic response of the right bank dam for earthquakes with a 2% probability of site spectral exceedance in 100 years

3.1.1加速度响应

设计地震工况下,坝顶最大加速度反应分别为3.85 m/s2和2.72 m/s2,对应于输入的水平基岩峰值加速度1.57 m/s2和竖向基岩峰值加速度1.05 m/s2,上下游向和竖向加速度最大放大倍数分别为2.45,2.60。从最大反应加速度分布(图5)可以看到,土石坝坝顶的“鞭梢”效应明显,符合土石坝地震响应的一般规律[20]。

图5 设计地震工况右岸土石坝最大地震反应加速度放大倍数Fig.5 Amplification factor of maximum seismic response acceleration of right bank earth-rock dam under design seismic condition

校核地震工况下,坝顶最大加速度反应分别为4.47 m/s2和2.72 m/s2,上下游向和竖向加速度最大放大倍数分别为2.29,2.51。由此可见校核地震时的大坝动力反应加速度放大倍速稍小。

3.1.2动位移

设计地震工况下,坝体最大动位移分布如图6所示,上下游向、垂直向动位移最大值分别为21.2 cm、19.8 cm。

图6 设计地震工况右岸土石坝最大动位移分布(位移单位:cm)Fig.6 Maximum dynamic displacement distribution of earth-rock dam on the right bank under design earthquake condition

校核地震工况右岸土石坝坝体最大动位移分布与设计地震工况类似,上下游向、垂直向动位移最大值分别为35.1 cm、29.6 cm。

3.1.3地震永久变形

设计地震工况下,大坝上下游向、垂直向永久变形分布如图7所示。心墙坝指向下游永久变形最大值为12.2 cm,坝体震陷最大值为16.4 cm。最大震陷约占坝高(最大坝高60 m)的0.27%,符合碾压式土石坝设计规范相关规定[21]。

图7 设计地震工况右岸土石坝永久变形分布(变形量单位:cm)Fig.7 Permanent deformation distribution of right bank earth-rock dam under design earthquake condition

校核地震工况右岸大坝上下游向、垂直向永久变形分布与设计地震工况类似。心墙坝指向下游永久变形最大值为21.5 cm,坝体震陷最大值为25.1 cm。永久变形有所增大。

对右岸土石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6。

表6 坝体抗震复核结果Tab.6 Seismic review results of dam body

3.2 右岸土石坝与混凝土坝接触变位

设计地震工况下,右岸土石坝与混凝土坝接头部位的相对位移矢量见图8,土石坝相对混凝土坝的位移在土石坝上游与混凝土坝右7坝、右8坝、右9坝、右10坝段接触部位、高程162.3～176.6 m位置较大。地震引起的心墙相对混凝土坝的沉降为1.51 cm;顺河向位移0.84 cm;左右岸向位移1.69 cm,张拉区最大深度为0.68 m。地震引起的坝壳料相对混凝土坝的沉降为3.8 cm;顺河向位移1.1 cm;左右岸向位移3.1 cm,张拉区最大深度为1.22 m。

图8 右岸土石坝与混凝土坝接触部位相对位移矢量(设计地震工况)Fig.8 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (Design seismic condition)

校核地震工况下,右岸土石坝与混凝土坝接头部位的相对位移矢量见图9。地震引起的心墙相对混凝土坝的沉降为1.96 cm;顺河向位移1.07 cm;坝轴向位移2.71 cm,张拉区最大深度为0.76 m。地震引起的坝壳料相对混凝土坝的沉降为4.9 cm;顺河向位移1.6 cm;坝轴向位移5.8 cm,张拉区最大深度为1.35 m。

图9 右岸土石坝与混凝土坝接触部位相对位移矢量(校核地震工况)Fig.9 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (check seismic condition)

由此可见,地震情况下,坝顶接头部位存在发生裂缝的可能性。从计算结果看,大坝心墙部位相对变位较小、张拉趋势不明显,且接头部位设置了混凝土齿墙,接头部位工作性态总体安全。

3.3 心墙抗剪安全性

图10为设计地震及校核地震工况下右岸土石坝心墙0+43.0剖面抗剪安全系数分布,从图中可以看出,心墙内抗剪安全系数在1.5以上,心墙防渗体不会发生剪切破坏。

图10 地震期0+43.0剖面心墙抗剪安全系数分布Fig.10 Distribution of shear safety factor of core wall section of 0+43.0 section during earthquake

3.4 坝坡抗震稳定性

动力有限元法边坡稳定标准按GB 51247-2018《水工建筑物抗震设计标准》要求执行[18]。对于设计地震工况,上游坝坡稳定安全系数在2.6上下波动,最小安全系数为0.892(出现时刻3.44 s),坝坡安全系数有小于1的情况,持时极短(0.10 s),并且Newmark法计算出的累计滑动位移量为7.0 cm,远低于0.6 m,坝坡稳定,见图11。下游坝坡安全系数均大于1.0,最小安全系数为1.111(出现时刻7.28 s),坝坡不会发生失稳破坏。

图11 设计地震工况右岸坝坡安全系数时程线Fig.11 Time course curves of safety factor of right bank dam slope under design earthquake condition

对于校核地震工况(图12),上游坝坡稳定的最小安全系数为0.786(出现时刻3.22 s),下游坝坡稳定的最小安全系数为0.864(出现时刻6.54 s),坝坡安全系数有小于1的情况,持时极短,分别为0.38 s和0.18 s,且Newmark法计算出的累计滑动位移量分别为10.0 cm、7.3 cm,远低于0.6 m,坝坡不会发生失稳破坏。

图12 校核地震工况右岸坝坡安全系数时程线Fig.12 Time course curves for checking safety factor of right bank dam slope under seismic condition

4 结 语

(1) 运行期遭遇设计地震情况下,右岸土石坝坝体上下游向及垂直向最大反应加速度放大倍数分别为2.45,2.60,坝体震陷最大值为16.4 cm,最大震陷约占坝高(最大坝高60 m)的0.27%。坝体地震动力响应规律正常,符合土石坝地震响应的一般规律。

(2) 运行期遭遇校核地震工况下,右岸土石坝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。

(3) 在地震荷载作用下,右岸土石坝的心墙动力抗剪安全系数均在1.0以上,防渗体心墙不会发生剪切破坏。

(4) 在正常蓄水期遭遇设计地震和校核地震情况下,右岸土石坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

(5) 右岸土石坝与混凝土坝接头部位的变形值得关注。接触面在运行期已有部分相对变位,在遭遇地震的情况下,接触面相对变位将进一步增加。根据计算结果,较大相对位移主要出现在坝壳料区域,心墙结合部位相对变位较小,且接头处设有混凝土齿墙,接头部位的工作性态总体安全。在工程运行过程中应加强变形监测,一旦发生地震,应及时巡视检查处理。