龙开口水电站大坝抗震研究与设计 4页

第39卷第2期2013年2月水力发电龙开口卜电站大坝抗震研究与设计高雅芬，叶建群，刘西军，陈国良(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)摘要龙开口水电站工程枢纽区地震基本烈度为Ⅷ度，基岩场地设计水平峰值加速度为0．394馨≥大坝抗震分析和抗震措施设计是工程关键技术问题之一。采用数值计算方法和模型试验，对碾压混凝土大坝进行了全面的动力分析，并根据研究成果进行了有针对性的抗震设计。关键词：抗震；设计；措施；龙开El水电站SeismicResearchforDaminLongkaikouHydropowerStationGAOYafen，YEJianqun，LIUXijun,CHENGuoliang(HydroChinaHuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014．，Zhejiang，China)Abstract：ThebasicearthquakeintensityofareawherethehydraulicstructuresofLongkaikouHydropowerstationlocatedis8degree，andthepeakvalueofhorizontalaccelerationinrockbaseareais0．394昏TheseismicanalysisanddesignisakeyengineeringproblemforLongkaikouproject．AcomprehensivedynamicanalysisisconductedfortheRCCdambynumericalmethodsandmodeltests．andthespecificseismicdesigniscarriedoutaccordingtotheseresearches．，KeyWords：earthquakeresistance；design；measures；Longk,aikouHydropowerStation。中圈分类号：TV312(274~一。≯文献标识码。文章编号：055E1-9342(2o13)02--0047--03。。岩与玄武岩呈熔融接触，岩石完整性差。岩芯多呈1工程概况较破碎～破碎状，较玄武岩风化深。坝址为弱褶皱构龙开口水电站位于云南省鹤庆县朵美乡境内，造区．无区域性断裂分布，岩层受褶皱过程中形成是金沙江中游河段规划的第6个梯级电站根据国小规模断层和挤压带及节理。家地震局地质研究所对该场地的地震安全性评价成2典型坝段分析果。枢纽区地震基本烈度达Ⅷ度。根据DL5O73—2000《水工建筑物抗震设计规范》，大坝地震设防烈2．1抗滑稳定性度为9度，以100年基准期内超越概率为2％确定各典型坝段沿建基面的动力抗滑稳定安全校核设计概率水准，相应地震动水平加速度达0．394g。按照DL5073-2000进行计算。计算结果表明．在高碾压混凝土重力坝的抗震设计是龙开口水电站设三向地震作用下，各典型坝段沿建基面和碾压层面计中最关键的技术问题之一，需对该工程的抗震安的动力抗滑稳定安全均满足现行抗震规范要求。各全性和抗震措施进行深入研究，以确保大坝安全。典型坝段动力抗滑稳定校核结果见表1。表中，0本工程区域位于滇西一北川西南活动构造区范为结构重要性系数；为设计状况系数；S(·)为作用围，新构造运动、深部构造变形、断裂活动、现代效应函数；R(·)为结构及构件抗力函数；为结构地壳形变等均较强烈，属于构造稳定性较差的地区。系数。近场区外围发育晚更新世以来活动强烈的多条断裂。2．2应力分析坝址区基岩为玄武岩组中段和上段，并有正长材料力学法计算时，坝体与地基问的动力相互斑岩沿构造带或顺层面侵入。玄武岩组中段和上段的界线为凝灰岩，分布于两岸坝头1250～1310in收稿日期：2012．一12—11高程，上段各岩流层分界线为凝灰岩tl-t。，分布于作者简介：高雅芬(1982一)，女，湖北天门人，高级工程师两岸1300in高程以上山坡，厚0．6～4．5in。正长斑主要从事水工结构设计工作．WaterPowerVoL39No．2豳n水力发电2013年2月表1典型坝段抗滑稳定校核结果t为比较坝体静动力反应对初始间隙大小的敏感程度，建基面1235m高程层面还考虑了未灌浆时初始间隙均设为5mm的情况。典型坝段————校核结果0·币·S(·)R(·)To"·S(·)R(‘)／-y~地基模拟了上、下游方向自坝踵、坝趾部位分别向上、下游延伸1．5倍坝高范围；深度方向自最低建13204．013341．461o5．88578．8量基面向下2倍坝高，左、右岸方向自坝顶高程的坝18~-F-10958房坝段．812044-35023．95540．1量肩部位向两岸延伸1．5倍坝高。地基外侧设置了人工透射边界区以模拟地震动能量向无限远域的逸散。8706_69469．54595_65468．5量整个模型节点总数50773个，单元总数43542个，作用按常用的伏格特(Vogt)地基系数法确定地基接触缝面的接触节点对4405个。大坝一地基系统整的刚度影响，并忽略地基阻尼和质量的影响；以DL体三维有限元模型见图1。5073-2000规定的韦斯特伽德(Westergaard)附加质量模型计入库水的动力影响。平面有限元计算采用振型分解反应谱法，取上、下游及深度方向均为2倍坝高范围的无质量地基，以反映地基的弹性动力作用；库水影响则取长度为3倍坝高的水库，以流固耦合方法考虑库水的动力影响。典型坝段静动综合应力分析成果见表2。有限元法给出了与材料力学法大体相近的应力分布规律，数值上有差异。在大坝中上部高程，上游面有限元法数值略大于材料力学法，下游面则材图1大坝一地基系统整体三维有限元模型料力学法结果较大。而在孔口附近、截面突变处以以规范标准反应谱为目标谱，拟合生成人工及坝踵、坝趾区域，有限元成果反映了局部应力集加速度时程转换得到的位移波作为输入地震波，中效应的影响，其应力值一般明显高于材料力学法。同时在顺河向、横河向和竖向施加。动水压力的各典型坝段大坝混凝土的抗压强度均满足现行抗震影响以Westergaard模型附加质量法计人。分析结设计规范要求，且有较大的安全裕度；挡水坝段、果表明：溢流坝段的混凝土抗拉强度满足抗震规范要求。对(1)大坝整体拉应力水平不高，分布范围较小，于厂房坝段．下游背管部分区域的拉应力超出了混除应力集中的局部区域外，各工况的拉应力水平和凝土抗拉强度要求。考虑到本分析采用的是材料力分布范围相差不大。坝体静动综合最大拉应力出现学法，尚不能准确反映背管复杂结构及其与周围混在下游面坝头折坡部位．不超过2．0MPa；坝踵部位凝土结构的相互关系，加之该区域配筋较强，其真应力集中，最大拉应力达3．43MPa。实的抗震安全度比计算结果要好。(2)考虑坝段横缝间的相互作用后，坝体在坝踵及下游坝头折坡部位的拉应力数值和范围亦3全坝段分析有所减小，除坝踵区域内由于应力集中导致拉应为真实地模拟大坝在地震作用下的整体工作性力超出混凝土抗拉强度外，坝体其他部位均满足态，评价横缝联接形式对大坝防震抗震的影响，对抗震强度要求。分仓设键槽工况坝体拉应力数值龙开口水电站大坝一地基体系进行了三维有限元计较分仓缝灌浆工况略小，其横缝张开度也相近，算分析。分析中按实际间距模拟了30条横缝。诱导说明分仓缝设置键槽能起到灌浆同样的效果。因缝初始间隙为3n'lm，分仓缝初始间隙按照灌浆与不此，为增加大坝整体性，可选取在分仓缝设置键灌浆分别取0mm和3mm。考虑分仓缝设置键槽的槽的工程措施，既能保证大坝抗震安全，又方便作用时，则认为缝问在切向无滑移和错动。同时，施工表2各典型坝段控制点静动综合应力MPa圜W(aerPowerVo1．39No．2n身弓j奄昂Z期『司雅分，守：此丌Lj小吧如八饥晨阱C习1叉为0．471g。选取抗震能力相对薄弱的21号挡水坝4典型坝段动力模型试验研究段进行分析，得出如下结论：4．1仿真模型(1)从设计地震到校核地震，大坝的总体刚度试验选取5个典型坝段(2号岸坡坝段、11号没有明显变化，大坝的非线性损伤无显著发展。溢流坝段、18号厂房坝段、15号泄洪中孔坝段、24(2)在设计地震和校核地震作用下，坝头折坡号非溢流坝段)进行动力模型试验。试验用振动台部位所设缝面未出现开裂，说明这一部位应力未达最大载重量10t，台面尺寸3．6mx4．6m，坝体模型到材料的抗拉、抗剪强度。用仿真混凝土材料制作，仿真混凝土材料采用水泥、(3)在校核地震作用下，坝踵部位的最大拉矿石粉、重晶粉(砂)和水按一定配合比制作而成，应力为1．40MPa，最小主应力出现在坝趾部位，具有强度低、弹模低、硬化快的特点，能够较好地为一9．78MPa。模拟混凝土材料的弹性一塑性一破坏的全过程。模型(4)在整个地震动时程中，大坝建基面抗滑稳几何比尺均为1：60．断面模型时间比尺为7．75。试定安全度K均在2．5以上。在校核地震作用下，大验同时模拟了坝体一库水的动力相互作用。模型试验坝的坝基交界面动力抗滑稳定满足要求。地震波采用规范标准反应谱拟合的人工波。(5)在设计地震和校核地震作用下，坝体强度4．2典型坝段模型试验研究和稳定性均能够满足要求，且有一定的安全裕度。通过对主要典型坝段进行动力模型试验，取得在校核地震作用下，虽然大坝的动力反应较设计地如下主要结论：①在地震作用下，坝体头部是抗震震作用时有所增大，但坝体应力、坝基交界面开裂薄弱环节。②厂房坝段下游折坡至上游进水口根部范围及建基面抗滑稳定性都能满足抗震安全要求．区域是抗震薄弱环节。③溢流坝段的导墙折坡处、不存在溃坝的危险闸墩与堰面交界部位是抗震薄弱环节。④中孔坝段6抗震设计的导墙顶部和底部与坝体连接处是抗震薄弱环节。⑤规范谱地震波作用下．坝段的起裂加速度为0．422根据数值分析、振动模型试验成果，并参考其g-1．598g，均大于大坝设计地震加速度0．394g。坝他高烈度地震区类似工程，采取了以下抗震措施：体断面模型动力破坏试验成果见表3。(1)泄洪建筑物选用5个13mx20m的泄洪表孑L和4个5rex8m泄洪中孔组合形式。在多年平均5校核地震分析入库流量条件下，遭遇高烈度地震时。可在1天内根据水电水利规划设计总院《水电工程防震抗将库水降至表孑L堰顶f1278．0m高程1：6天左右将震研究设计及专题报告编制暂行规定》要求，对于库水降至引水进水口底f1262．64m高程)。有效降1级挡水建筑物。应分析校核其在校核地震工况下低坝前水位和库容，减免次生灾害的发生和便于震的结构整体稳定性，以达到“不溃坝”的功能目标。后大坝检查、检修。取基准期100年超越概率Pl为0．01确定大坝校核(2)降低大坝动力反应，坝段间横缝采用键槽地震加速度代表值，相应的地震动水平峰值加速度结构。(下转第89页)表3坝体断面模型动力破坏试验成果坝⋯段一!频鼍率自／H振z篡频率自／Hz；速度，m·s；速度簸／m·s。破坏部位及过“程WaterPowerVo1．39No．2翻n--r-Xu_)-j，哥：同强l豆^]臣／J1；I／3E当，平披习朋J一1盯过程中对线能量必须进行严格控制，手工电弧焊焊除封面焊缝与打底焊道采用4,3．2mm焊条外，其余接线能量不得大于35kJ／cm，在生产实践中总结出的焊道全部采用4mm的焊条焊接。控制焊接线能量的经验是：尽量减少焊条的横向摆2．6焊后消氢处理动幅度．按国内目前的标准摆动幅度应不大于4倍焊后消氢采用电加热板加热到150～200℃后，焊条直径．实际为保证线能量指标．焊条摆动幅度保温1h，分阶段降温方法，加热宽度为焊缝两侧应不大于2．5～3．5倍焊条直径为好。同时对于4,3．2各100mm以上焊条，每根焊条焊接长度一般不小于70iTlm，对于2_7焊缝质量检验4,4焊条，其焊接长度一般不小于100mm。焊缝焊接后，首先进行外观检查。外观检查合2．5．5加劲环焊接格后方可进行内部质量检查，内部质量无损检查在加劲环焊接时，首先焊接对接焊缝，然后对称焊缝焊完24h后(返工焊缝焊完48h后1进行。分段焊接加强环角焊缝。具体焊接工艺及参数根据龙开口水电站高强度钢管须进行100％的超声焊接工艺评定成果确定。焊接时安排偶数(6—8)名波探伤和60％(一类焊缝)、40％(二类焊缝)的x焊工对称施焊。射线探伤，须首先用超声波检验并全部返工合格后2．5．6安装环缝焊接再用x射线复检。安装环缝焊接步骤为：管节之问的环缝焊接一3结语凑合节纵缝焊接一凑合节环缝焊接一预留环缝焊接。安装焊缝焊接时，除了盖面层焊缝采用直通式焊接，龙开口水电站高强度压力钢管制造安装自2009其余各层焊道均严格要求采用分段退步焊接。当焊年1月开始，至2012年4月全部结束，经现场监理缝预热温度达到技术要求后，根据焊缝长度，由8检查，高强度压力钢管制造安装一次验收合格率为个焊工同时采用手工电弧焊进行对称、多层多道焊100％，优良率达到97％。接，每层、道均实施分段退步焊。在焊条的使用上，(责任编辑高瑜)．址．S(上4k-第49页)抗滑稳定及抗压强度均满足规范要求，部分坝段存(3)加强混凝土施工温控及施工细节控制工作，在拉应力局部超标现象，但超标范围和数值小，可减少大坝混凝土初始缺陷，保证其抗震性能。采取一定的工程措施加以解决(4)在大坝上游1214m高程以下设置粘土铺(2)选用在分仓缝内设置半球形键槽、仓内诱盖，使低高程坝体在遭遇高烈度地震后可能出现的导缝切缝深度为213碾压层的工程措施加强坝段间裂缝渗漏自愈。的联接和大坝的整体性在施工工艺上是可行的。(5)对坝体下游动应力较大区域适当提高混(3)大坝起裂加速度均大于设计加速度。凝土强度等级，并在大坝上、下游坝面配置抗震(4)通过一系列的抗震设计后，大坝能满足抗钢筋。震要求(6)对坝体折坡部位进行了圆滑化处理，以减参考文献：少地震动应力；在动力响应较大的部位适当加强抗[1]叶建群，熊立刚，陈国良．等．云南金沙江龙开口水电站防震震钢筋。抗震设计研究专题报告[R]杭州：中国水电顾问集团华东勘测(7)加强梁、桥与闸墩的联接．减少闸墩横河设计研究院．2008．向地震反应[2]李德玉，欧阳金惠，涂劲，等．重力坝动力分析及抗震安全评价研究[R]．北京：中国水利水电科学研究院，2009．7结论[3]周晶．碾压混凝土重力坝动力模型试验[D]．大连：大连理工大(1)材料力学法和单坝段有限元法计算表明，学．2007．龙开口水电站大坝的动力响应符合一般规律．大坝(责任编辑杨健)WaterPowerVo1．39No．2豳