白鶴灘拱壩抗震安全性研究

1、白鶴灘拱壩抗震安全性研究華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院徐建榮以發(fā)電為主，兼顧防洪，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和移民群眾脫貧致富。工程建成后還有攔沙、發(fā)展庫(kù)區(qū)航運(yùn)和改善下游通航條件等綜合利用效益，是“西電東送”的骨干電源點(diǎn)之一。裝機(jī)容量16000MW，多年平均發(fā)電量640.95億kW.h，保證出力5500MW，可明顯改善下游梯級(jí)的供電質(zhì)量。水庫(kù)總庫(kù)容206.27億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容可達(dá)104.36億m3，防洪庫(kù)容75億m3。 右岸左岸左岸850m以上為緩坡地形，以下陡崖、陡坡與緩坡相間右岸1170m以上為緩坡地形，以下為陡坡、懸崖 正常蓄水位處谷寬449534m，河谷寬高比約1.75，為略顯不對(duì)稱的V形河谷，枯水期

2、水面寬5090m 壩址地形地質(zhì)條件壩址地形地質(zhì)條件巖層產(chǎn)狀N3055E，SE1520層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶斷層P233 柱狀節(jié)理玄武巖 4376m混凝土雙曲拱壩，最大壩高289m泄洪設(shè)施由6表孔、7深孔和3條泄洪洞組成地下廠房采用首部開(kāi)發(fā)，左右岸各布置8臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組導(dǎo)流洞左岸3條、右岸2條 拱壩布置大部分河床壩段利用完整性較好的P232-3層角礫熔巖作為建基面河床壩段及第一類柱狀節(jié)理玄武巖出露部位設(shè)置混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，左岸750m以上設(shè)墊座靜載設(shè)計(jì)，動(dòng)載復(fù)核 壩址位于由鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂共同組成的川滇菱形斷塊東部邊界的外側(cè)，現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)總體水平不高，尤其是斷塊差異活動(dòng)強(qiáng)度不大。

3、則木河鮮水河安寧河小江大涼山工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性分析場(chǎng)址的地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自于外圍地震帶強(qiáng)震活動(dòng)的影響。歷史地震對(duì)壩址的影響烈度達(dá)VIII度。超越概率50年63%50年10% 50年5%100年2%100年1%水平加速度峰值51165212325420工程場(chǎng)區(qū)的地震基本烈度為度混凝土拱壩抗震分析和評(píng)價(jià)采用拱梁分載法進(jìn)行大壩在設(shè)計(jì)和校核地震作用下的動(dòng)力分析，采用線彈性有限元反應(yīng)譜法、時(shí)程法進(jìn)行復(fù)核對(duì)比，評(píng)價(jià)壩體強(qiáng)度的抗震安全。按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行的拱壩抗震分析水科院LDDA清華ABAQUS大連理工ABAQUS非線性動(dòng)力分析采用動(dòng)力拱梁分載法成果，用三維剛體平衡法進(jìn)行壩肩動(dòng)力穩(wěn)定復(fù)核；有限元法進(jìn)行壩肩抗滑

4、穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)壩肩的抗震安全。壩肩抗滑穩(wěn)定抗震評(píng)價(jià)考慮橫縫張開(kāi)、地基輻射阻尼等地震動(dòng)超載條件下拱壩抗震能力拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)反應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜白鶴灘場(chǎng)地譜白鶴灘場(chǎng)地地震反應(yīng)譜與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜地震波標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜生成的人工地震波場(chǎng)地相關(guān)反應(yīng)譜生成的地震波修正Koyna(柯依那)實(shí)測(cè)地震波設(shè)計(jì)地震按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行的抗震分析正常蓄水位 標(biāo)準(zhǔn)譜 拱梁分載法 上游面靜動(dòng)綜合主應(yīng)力14.30-2.19上游面最大主壓應(yīng)力14.30MPa，小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)(15.20MPa)上游面最大主拉應(yīng)力2.19MPa，位于頂拱的拱冠附近，小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)(2.80MPa)下游面主拉應(yīng)力4.81MPa，大于控制值場(chǎng)地反應(yīng)譜作用下的靜

5、動(dòng)綜合主應(yīng)力總體上較標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜略大，但差別不大校核地震作用下，大壩動(dòng)態(tài)位移、動(dòng)態(tài)拱梁應(yīng)力較設(shè)計(jì)地震時(shí)增加29.2%拱梁分載法靜動(dòng)綜合主應(yīng)力類比 工程名稱正常蓄水位（MPa）死水位（MPa）最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面白鶴灘2.194.8114.3011.364.874.1210.807.94烏東德3.132.287.859.454.512.986.047.75大崗山6.207.6913.4112.056.677.1512.3710.99小灣3.483.7511.9211.884.064.7611.397.47溪洛渡3.802.

6、3210.2112.935.612.879.838.09上虎跳峽7.344.9611.6210.688.215.9710.019.00上游面靜動(dòng)綜合最大主拉應(yīng)力 2.19MPa 總體上小于其它拱壩下游面最大主拉應(yīng)力 14.30MPa 大于溪洛渡、烏東德拱壩，小于其它拱壩大壩靜動(dòng)綜合最大主壓應(yīng)力 與其它拱壩基本相當(dāng)按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行的抗震分析工程名稱正常蓄水位死水位最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面白鶴灘9.255.6913.9120.226.695.8210.6215.01溪洛渡9.985.2212.2814.895.455.089.0

7、511.39大崗山11.888.1614.7115.8811.268.4214.6915.37正常蓄水位 標(biāo)準(zhǔn)譜拱壩上、下游面最大主拉應(yīng)力9.25MPa、5.69MPa，與溪洛渡相當(dāng)，比大崗山小上游面主壓應(yīng)力13.91MPa，與溪洛渡、大崗山相當(dāng)下游面主壓應(yīng)力相對(duì)較大場(chǎng)地反應(yīng)譜靜動(dòng)綜合反應(yīng)總體上略大于標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，但差別不大校核地震作用下，大壩動(dòng)態(tài)位移、動(dòng)態(tài)拱梁應(yīng)力較設(shè)計(jì)地震時(shí)增加29.2%有限元法靜動(dòng)綜合主應(yīng)力類比 按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行的抗震分析采用相同分析方法，與小灣、溪洛渡、烏東德、上虎跳峽、大崗山等工程類比，白鶴灘拱壩上游面靜動(dòng)綜合最大主拉應(yīng)力總體上小于其它拱壩，而下游面最大主拉應(yīng)力和最大主壓

8、應(yīng)力與其它拱壩相當(dāng)壩體線彈性分析將夸大局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)考慮材料非線性、壩體橫縫開(kāi)合、地基輻射阻尼等，了解局部真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)考慮橫縫開(kāi)合影響考慮地基輻射阻尼影響三維非線性有限元法拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析水科院 LDDA 橫縫28條清華 ABAQUS 橫縫30條大連理工 ABAQUS 橫縫11條水科院LDDA正常水位下遭遇設(shè)計(jì)地震時(shí)，頂拱附近上下游面動(dòng)拱應(yīng)力 上游面下游面拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析有無(wú)輻射阻尼的差異無(wú)限地基輻射阻尼效應(yīng)使大壩地震動(dòng)力響應(yīng)顯著降低。正常水位和死水位下，動(dòng)拱梁應(yīng)力最大降幅約為2030%線彈性分析中壩體中上部大范圍的高拉應(yīng)力區(qū)消失 校核地震下，壩體靜動(dòng)綜合最大拉應(yīng)力為2.78

9、MPa，未超過(guò)大壩混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度水科院LDDA正常水位下遭遇設(shè)計(jì)地震時(shí)，頂拱附近上下游面動(dòng)梁應(yīng)力 上游面下游面有無(wú)輻射阻尼的差異拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析大壩橫縫張開(kāi)度最大值出現(xiàn)在壩頂拱冠附近設(shè)計(jì)地震標(biāo)準(zhǔn)譜人工波作用下，死水位時(shí)橫縫最大張開(kāi)度小于7mm死水位下遭遇設(shè)計(jì)地震時(shí)，頂拱橫縫張開(kāi) 上游面 下游面 水科院LDDA拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析白鶴灘拱壩橫縫開(kāi)度較小，上下游面的最大主拉應(yīng)力居中等或中等偏上水平橫縫最大張開(kāi)度（mm）最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力上游面下游面上游面下游面白鶴灘5.364.592.1511.7722.46烏東德10.403.522.2210.3311.39大崗山8.715.3

10、37.7912.3915.07小灣6.778.332.5110.0811.07溪洛渡8.206.142.249.0413.64上虎跳峽14.754.363.337.309.16拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析水科院LDDA超載系數(shù)2.5，拱壩底部壩基面局部有貫穿性開(kāi)裂超載系數(shù)4.0，未見(jiàn)超10cm的殘余位移大壩地基系統(tǒng)整體抗震能力拱壩地基系統(tǒng)強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)約為2.0拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析水科院LDDA強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)1.502.50時(shí)，大壩地基系統(tǒng)順河向殘余位移為cm級(jí)強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)超過(guò)2.0時(shí)，壩與地基交接面出現(xiàn)了較大范圍的貫穿性開(kāi)裂拱壩地基系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)地震的超載安全系數(shù)約為2.50考慮地基輻射阻尼影響后，

11、拱壩對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜地震時(shí)程的反應(yīng)有比較明顯的降低壩面高應(yīng)力區(qū)的范圍大大縮小反應(yīng)的極值大大降低地基輻射阻尼對(duì)下游壩面的影響要大于上游壩面 地基輻射阻尼的影響研究 地基類型上游壩面最大應(yīng)力下游壩面最大應(yīng)力大主應(yīng)力小主應(yīng)力大主應(yīng)力小主應(yīng)力無(wú)質(zhì)量截?cái)嗟鼗?.53-15.63.48-16.97無(wú)限地基輻射阻尼2.73-11.22.89-15.33相差39.74%28.21%16.95%9.66%正常蓄水位下壩體靜動(dòng)綜合應(yīng)力清華ABAQUS頂拱最大橫縫開(kāi)度地震水位(m)橫縫最大開(kāi)度(mm)設(shè)計(jì)正常蓄水位5.81設(shè)計(jì)死水位19.12校核正常蓄水位17.61校核死水位32.18清華ABAQUS采用同一計(jì)算分析程序，

12、網(wǎng)格劃分條件大體相近拱壩最大橫縫開(kāi)度約為20mm，與大崗山拱壩相當(dāng)，大于二灘拱壩的5mm拱壩拉應(yīng)力為4.03MPa，小于大崗山拱壩(9.07MPa)，大于二灘拱壩(3.29MPa)超載倍數(shù)1.3（校核地震）地震荷載作用下壩體損傷開(kāi)裂區(qū)分布 地震超載非線性損傷分析校核地震下，拱壩上游面并未出現(xiàn)損傷,壩體并未出現(xiàn)貫穿性的損傷區(qū)清華ABAQUS上游下游超載倍數(shù)1.5地震荷載作用下壩體損傷開(kāi)裂區(qū)分布 地震超載非線性損傷分析1.5倍設(shè)計(jì)地震超載下，壩體內(nèi)部未出現(xiàn)貫穿性損傷區(qū)，壩體未達(dá)到動(dòng)力承載極限 清華ABAQUS上游下游地震超載非線性損傷分析超載倍數(shù)1.8地震荷載作用下壩體損傷開(kāi)裂區(qū)分布 1.8倍設(shè)計(jì)

13、地震超載作用下，最大損傷因子達(dá)到0.8以上，壩體中上部出現(xiàn)貫穿性損傷區(qū)清華ABAQUS上游下游拱壩的動(dòng)力極限承載能力至少在1.8倍設(shè)計(jì)地震以上工程名稱最大主拉應(yīng)力最大主壓應(yīng)力上游面下游面上游面下游面白鶴灘2.382.0010.2012.20溪洛渡2.041.4010.0213.23小灣1.501.427.368.25大崗山6.182.509.5910.42拉西瓦3.933.2811.3412.69Shahid Rajaee2.503.1914.2514.89Pacoima3.122.5213.9517.35德里內(nèi)爾2.532.4615.3018.10正常蓄水位設(shè)計(jì)地震作用下地震響應(yīng)工程類比上下

14、游最大主拉應(yīng)力與溪洛渡、德里內(nèi)爾拱壩相當(dāng)，比大崗山、拉西瓦和Pacoima小壓應(yīng)力與溪洛渡、大崗山、拉西瓦相當(dāng)大連理工ABAQUS拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析壩體橫縫最大張開(kāi)度 正常蓄水位 死水位 壩體的開(kāi)度的最大值出現(xiàn)在右岸的縫11，正常蓄水位18mm，死水位23mm。左岸縫的開(kāi)度以縫1為主壩體上游面的開(kāi)度總體上較下游面小開(kāi)度分布兩側(cè)縫大中間縫小大連理工ABAQUS左左右右縫1縫3縫5縫7縫9縫11縫2縫4縫10縫8縫6超載1.5倍時(shí)，壩體右側(cè)拱端損傷值增長(zhǎng)迅速，但裂縫未發(fā)生貫穿。超載2.0倍時(shí)，壩體右側(cè)拱端發(fā)生貫穿性裂縫，最右側(cè)壩縫開(kāi)度增長(zhǎng)迅速，壩體在2.0倍超載時(shí)已近失效。拱壩-拱端系統(tǒng)在2.

15、0倍超載地震動(dòng)時(shí)失效 壩體損傷主要發(fā)生在壩體與基巖交接處靠近上游面部位和兩岸拱端部位。地震超載作用下壩體動(dòng)力響應(yīng) 大連理工ABAQUS拱壩非線性動(dòng)力反應(yīng)分析上游面測(cè)點(diǎn)分布下游面測(cè)點(diǎn)分布拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)比尺1:300 設(shè)計(jì)水平地震動(dòng)與校核水平地震動(dòng)作用下，均未觀測(cè)到明顯損傷或殘留滑動(dòng)動(dòng)力超載加振后維持了靜態(tài)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)及校核地震作用下的整體抗震安全滿足設(shè)計(jì)要求2.0倍及更高超載地震作用下，壩肩局部塊體出現(xiàn)殘留滑動(dòng)3.0 倍超載地震作用下，壩體發(fā)生初始宏觀開(kāi)裂強(qiáng)地震作用下，壩肩局部塊體、壩體上部下游面梁向及拱冠上游面壩踵附近為抗震薄弱部位由于壩體的不對(duì)稱，地震響應(yīng)左岸大于右岸拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)F14

16、F16F17壩址主要地質(zhì)構(gòu)造 平行發(fā)育的NW、NE向陡傾斷層和緩傾層間(內(nèi))錯(cuò)動(dòng)帶斷層 NW向 N5060WF14、F16 NE向 N3545EF17 普遍為陡傾角斷層，規(guī)模總體不大，以級(jí)和級(jí)結(jié)構(gòu)面為主壩軸線C3C3-1LS342LS415LS331LS3318F17LS331影響左岸壩肩穩(wěn)定的主要構(gòu)造4aF17+LS3318+LS3314bF17+LS331塊體編號(hào)靜力安全系數(shù)動(dòng) 力時(shí)程法X=1.0Y=0.5Z=0.5X=0.5Y=1.0Z=0.5X=0.5Y=0.5Z=1.0最小安全系數(shù)%4a3.241.081.221.240.930.674b3.080.621.101.100.716.3

17、5%：安全系數(shù)小于1.2的時(shí)程長(zhǎng)度占總時(shí)程的百分比。4a、4a未加固4a塊體安全系數(shù)時(shí)程 4b塊體安全系數(shù)時(shí)程 剛體極限平衡法左岸塊體壩肩抗滑穩(wěn)定抗震評(píng)價(jià)左岸4a （F17+LS3318+LS331）、4b（F17+LS331）進(jìn)行超載和降強(qiáng)分析地震荷載超載4倍時(shí)，塊體殘余位移僅11mm左右 塊體在強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)2.0后殘余變形增大速率明顯加快 塊體順河向殘余位移與強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)的關(guān)系 左岸塊體非線性有限元法壩肩塊體動(dòng)力分析水科院LDDA法壩肩抗滑穩(wěn)定抗震評(píng)價(jià)左岸塊體（F17+LS331）, 考慮壩體損傷因素正常蓄水位設(shè)計(jì)地震人工波作用下塊體最小安全系數(shù)為1.97，塊體均能滿足動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)要求

18、校核地震作用最小動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)為1.38 大連理工ABAQUS法左岸塊體 正常蓄水位設(shè)計(jì)地震下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程 非線性有限元法壩肩塊體動(dòng)力分析壩肩抗滑穩(wěn)定抗震評(píng)價(jià)左1(Jx+C3)、左2(F17+LS3318)、左3(F17+LS331)右1(F18+C5)、右2(F18+C4)、右3(F18+C4+f222+C3-1) 河?；旌辖夥ㄇ娣e95%時(shí)，塊體周圍結(jié)構(gòu)面以達(dá)到屈服極限，此時(shí)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為塊體安全系數(shù)。 壩肩滑塊體動(dòng)力安全系數(shù)岸 別塊 體動(dòng)力安全系數(shù)右 岸右11.60右21.60右31.45左 岸左11.40左21.45左31.55非線性有限元法壩肩塊體動(dòng)力分析壩肩抗滑穩(wěn)定抗震評(píng)價(jià)拱壩抗震安全總體評(píng)價(jià)現(xiàn)行抗震規(guī)范方法評(píng)價(jià) 拱壩抗震安全總體可達(dá)到國(guó)內(nèi)幾座已建和在建高拱壩的水平 非線性分析及工程類比 拱壩橫縫開(kāi)度、壩體應(yīng)力水平、壩體損傷等動(dòng)力響應(yīng)與類似工程基本相當(dāng)，總體上白鶴灘拱壩橫縫開(kāi)度和上下游面的最大主拉應(yīng)力居中等或中等偏上水平校核地震作用下的拱壩抗震評(píng)價(jià) 拱壩校核地震作用下壩體變形、應(yīng)力和損傷均較設(shè)計(jì)地震有所增大，但仍未達(dá)到承載力極限狀態(tài)