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浩口混凝土重力壩非溢流壩段抗震安全評(píng)價(jià)

文檔作者：張騰蛟沈振中梁亮楊磊文檔來(lái)源： 1．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院 3．蘇州市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月22日
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第10卷第6期
2012年12月
南水北調(diào)與水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&amp;amp; Technology
V0I．10 No．6
Dec．2012
doi：10．3724／SP．J．1201．2012．06018
浩，口H口混， 匕 凝土重力壩非溢流壩段抗震 安全評(píng)價(jià)
張騰蛟 ，沈振中 ，梁 亮。，楊磊
(1．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；
2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098；3．蘇州市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇蘇州215004)
摘要：根據(jù)浩13水電站工程的實(shí)際情況，采用三維有限元法，建立了混凝土重力壩非溢流壩典型壩段的三維有限元
模型。在獲得壩體靜力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，將動(dòng)力分析反應(yīng)譜法計(jì)算所得的動(dòng)力分析結(jié)果與大壩在正常蓄水工況下靜力
分析成果進(jìn)行疊加，得到大壩在靜動(dòng)力作用下的壩體應(yīng)力。據(jù)此，根據(jù)剛體極限平衡原理對(duì)大壩進(jìn)行強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)
定性分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，大壩在設(shè)計(jì)地震作用下強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)4．4，大于規(guī)范
允許最小安全系數(shù)。因此，壩體是安全的。
關(guān)鍵詞：混凝土重力壩；三維有限元法；振型分解反應(yīng)譜法；靜動(dòng)應(yīng)力疊加；地震響應(yīng)；強(qiáng)度；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)
中圖分類號(hào)：TV642．3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—1683(2012)06—0018—05
Earthquake-resistance Safety Evaluation of Non-overflow Section
of Haokou Concrete Gravity Dam
ZHANG Teng-jiao ，SHEN Zhen-zhong ，LIANG Lianga，YANG Lei ’
(1．StateKey Laboratory of Hydrology-WaterResources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing
210098，China；2．T^8 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，
Na ing 210098，China ；3．Suzhou Water Design and Research Insitute Co．，Ltd，Suzhou 215004，Ch ina )
Abstract：According to the actual conditioas of Haokou hydropower station．a(chǎn) three-dimensional finite element model was developed for
the typical non-overflow section of Haokou concrete gravity dan1．Based on the static field of the dam。the dynamic analysis re—
sults obtained from the response spectrum method were superimposed with the static analysis results determined by the norm al
storage of the dam，which provided the dam stress under the static and dynamic forces．The strength and ability against sliding
of the dam were analyzed and evaluated using the rigid body limit equilibrium theory．The results demonstrated that the strength
of the dam meets the standard requirement under the design earthquake action．The safety factor against sliding the dam founda—
tion was 4．4，which was greater than the minimum safety factor allowed by the standard，and therefore the dam is safe．
Key words：concrete gravity dam；three-dimensional finite element method；mode-superposition response spectrum method；SU—
perposition of dynamic and static stress；earthquake response；strength；safety factor against sliding
浩口電站位于重慶市武隆縣南部，是一座以發(fā)電為主的
中型水電樞紐工程。壩址位于烏江南岸芙蓉江下游、重慶市
武隆縣浩13鄉(xiāng)浩13村附近的河段上，控制集水面積7 400
km2。水電站主要任務(wù)為發(fā)電，水庫(kù)總庫(kù)容9 412萬(wàn)m3，電
站裝機(jī)容量125 MW。工程等別為三等，其永久性水工主要
建筑物Ok壩、引水系統(tǒng)、廠房)級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4
級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。工程按Ⅵ度設(shè)防，其抗震設(shè)防類別
為丙類。地震動(dòng)峰值加速度按規(guī)范取0．05 g。考慮到復(fù)雜
的地形和地質(zhì)條件，需要進(jìn)行專門的抗震研究。
攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，共分9個(gè)壩段：左岸3
個(gè)擋水壩段，中間3個(gè)溢流壩段及右岸3個(gè)擋水壩段。壩軸
線長(zhǎng)212．08 m，壩頂高程356．5 m，壩頂寬10．0 m，最大壩高
91．5 m，最大壩寬72．10 m，建基面高程265．O0 m。左擋水
壩段長(zhǎng)6O．88 m，右擋水壩段長(zhǎng)66．22 m，溢流壩段長(zhǎng)85．0
m。壩體上游面295．0 m 以上鉛直，以下為斜坡，坡比
1：0．2；擋水壩段下游面坡比1：0．7，折坡高程340．57 m，
收稿日期：2012—08—26 修回日期：2012—11—03 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012—11—25
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／13．1334．TV．20121125．1103．022．html
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179062)
作者簡(jiǎn)介：張騰蛟(1988一)，男，江蘇如東人，碩士，主要從事大壩地震安全方面的研究 E-mail：ztjclark@126．COrn
通訊作者：沈振中(1968一)，男，江蘇吳江人，教授、博導(dǎo)，長(zhǎng)期從事水工結(jié)構(gòu)工程和巖土工程研究。E-mail：zhzhshen@hhu．edu．cn
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張騰蛟等·浩口混凝土重力壩非溢流壩段抗震安全評(píng)價(jià)
溢流壩段下游坡比1：0．7。
考慮到該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且大壩屬高壩，需要對(duì)該
壩進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，評(píng)價(jià)其抗震安全性。此壩非溢流壩段
為岸坡壩段，本文選取非溢流壩的典型壩段，采用三維有限
元法l】 建立浩口混凝土重力壩非溢流壩的三維有限元模型，
在獲得大壩初始應(yīng)力狀態(tài)下，將動(dòng)力分析反應(yīng)譜法計(jì)算所得
的動(dòng)力分析[a-s]結(jié)果與大壩在正常蓄水工況下靜力分析成果
進(jìn)行疊加，得到大壩在靜動(dòng)力作用下的壩體應(yīng)力，據(jù)此對(duì)大
壩進(jìn)行強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)[6 ]。
1 壩體結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)條件
浩口重力壩非溢流壩的典型壩段結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該壩段最
大高度41．5 m，壩基邊坡陡峻，形態(tài)復(fù)雜。
根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪和試驗(yàn)成果分析，將壩基(P m2)、
(Ptq )、(Plq3)看作同一壩基巖體，(P1 m1)、(P1q2)分別看作
兩個(gè)壩基巖體。
灰?guī)r(P rn2、P q 、P q3)壩基：為厚層狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)平面
測(cè)繪和鉆孔揭示；淺表結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，不存在不穩(wěn)定的棱
體，巖體較完整，巖石飽和抗壓強(qiáng)度大于40 iVIPa，中硬巖，
屬ⅢI B。
眼球狀灰?guī)r壩基(P m )：巖石飽和抗壓強(qiáng)度多小于30
MPa，屬軟質(zhì)巖，為薄層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，多閉合，巖
體較完整，屬Ⅳc。
薄層狀有機(jī)質(zhì)灰?guī)r(P q2)：巖石飽和抗壓強(qiáng)度多大于3O
iVIPa，屬中硬巖，為薄層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，多閉合，巖
體較完整，屬Ⅲze。
隧洞最大埋深125 m，洞軸線與巖層夾角變化大，穿越
地層包括：二疊系茅13組第二段(P m2)中厚層狀灰?guī)r；茅
口組第一段(P1m )眼球狀灰?guī)r；棲霞組一至三段(PIq 。)灰
巖、有機(jī)質(zhì)灰?guī)r、結(jié)核狀灰?guī)r及硅質(zhì)灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)梁山
組(P L)鋁土巖；志留系上統(tǒng)羅弱平組(S1 rL)頁(yè)巖。在茅口
組和棲霞組地層中頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育較多，厚度一般小于
5 cm，最大厚度80 cm，多含方解石脈，局部夾層見(jiàn)有糜棱巖，
繞曲明顯。
． ! ．
圖1 非溢流壩的典型壩段結(jié)構(gòu)
Fig．1 Structure of the typical section of non-overflow dam
2 三維有限元模型
根據(jù)結(jié)構(gòu)特性以及分析要求，考慮到廊道尺寸相對(duì)于壩
體尺寸較小，且對(duì)壩體和壩基整體應(yīng)力影響較小，因此，計(jì)算
模型忽略了廊道的影響。有限元模型采用的單元類型為
Solid65和Solid45，分別用于模擬壩體混凝土和壩基巖體。
壩體混凝土作為線彈性材料，壩基巖體作為彈塑性材料，動(dòng)
力計(jì)算時(shí)巖基考慮為無(wú)質(zhì)量彈性地基[1 。
采用ANSYS軟件建立三維有限元模型_8 ]，并進(jìn)行計(jì)
算分析。根據(jù)非溢流壩的實(shí)際情況，計(jì)算范圍如下：X方向，
以365 m高程壩體上游面處為零點(diǎn)，上游取至 —一140 m，
下游取至x一190 m，基巖取約1．5倍最大壩高；y方向，非
溢流壩最大壩高斷面基面高程約為270．00 m，壩基巖體約1
倍最大壩高；Z方向，取一個(gè)壩段，為25．5 m。根據(jù)實(shí)際情
況，非溢流壩段的壩基面為折面。
采用超單元自動(dòng)剖分技術(shù)生成非溢流壩段三維有限元網(wǎng)
格。離散后，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)是27 568，單元總數(shù)是22 990，有限
元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。計(jì)算時(shí)，模型底部邊界為固定約束，上、下游截
取邊界為X向約束，在壩軸線向，兩側(cè)面為z向約束。
圖2 非溢流壩段有限元網(wǎng)格
Fig．2 The finite element mesh of non-overflow section of the dam
3 荷載工況和計(jì)算參數(shù)
3．1 荷載工況
根據(jù)壩區(qū)抗震設(shè)計(jì)要求，參照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)
范》DL 5073—2000E ]，動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算考慮“正常蓄水位+地
震”的工況。上游為正常蓄水位352．00 m，下游水位
330．08 m。
本工程根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073—
2000)及浩口電站場(chǎng)地地震報(bào)告，設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜見(jiàn)圖3。
圖3 設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜
Fig．3 The response spectrum of design acceleration
圖中fl(T)為最大加速度反應(yīng)與地面加速度峰值的比值
(稱為動(dòng)力系數(shù))，最大動(dòng)力系數(shù)盆 取2．0。特征周期 取
0．35 S。
3．2 計(jì)算參數(shù)
三維有限元法計(jì)算分析的應(yīng)力符號(hào)規(guī)定為：拉應(yīng)力為
· 19 ·
第10卷總第63期·南水北調(diào)與水利科技·2012年第6期
正、壓應(yīng)力為負(fù)。
靜力分析采用的各分區(qū)材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。動(dòng)力
分析時(shí)，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073—2000)E”]，
混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30％。
非溢流壩段各分區(qū)混凝土及基巖計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。
表1 靜力計(jì)算時(shí)壩體和壩基材料參數(shù)
Table 1 Material parameters of dam and its foundation
for the static calculation
表2 動(dòng)力計(jì)算時(shí)壩體和壩基材料參數(shù)
Table 2 Material parameters of dam and its foundation
for the dynamic calculation
4 壩體地震響應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)E12-15-I
4．1 壩體靜力狀態(tài)
在該壩段最大斷面上，正常蓄水位工況下，該壩段最大
第一主應(yīng)力(壩踵)為壓應(yīng)力，其值為一O．259 MPa；最小第三
主應(yīng)力(壩趾)為壓應(yīng)力，其值為一2．305 MPa；垂直應(yīng)力均為
壓應(yīng)力，在壩趾處最大。
在該壩段最小斷面上，正常蓄水位工況下，該壩段最
大第一主應(yīng)力(壩踵)為拉應(yīng)力，其值為3．216 MPa；最小
第三主應(yīng)力(壩趾)為壓應(yīng)力，其值為一0．890 MPa最大
垂直應(yīng)力(壩踵)為拉應(yīng)力，其值為0．192 MPa。應(yīng)力分
布見(jiàn)圖4。
· 20 ·
4．2 動(dòng)力響應(yīng)分析
4．2．1 壩體自振特性分析Ll。]
在進(jìn)行反應(yīng)譜分析之前首先進(jìn)行非溢流壩段的模態(tài)分
析，即壩體的固有振動(dòng)特性分析。模態(tài)分析是為了取得結(jié)構(gòu)
的振動(dòng)特性，即固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。根據(jù)規(guī)范可知，采用振型分解反應(yīng)譜法
時(shí)，混凝土的阻尼比取0．05。
ANSYS 100
●● 一637698
■■ -635000
圜一350000
■■ 一150000
_ -780000
圓562000
團(tuán)185E+07
_ 320E+07
(a)第一主應(yīng)力／f／rstprincipal stress
(b)第三主應(yīng)力／thh'dprincipal stress
(e)垂直應(yīng)力，Venical siress
ANSYS 100
A=一246E塒
B=-210E+07
C=-174E+07
D=一I38E+昕
E— l02E+07
F=一656194
G=～295166
H=65862
I-~ 26890
(d)基面垂直應(yīng)力／Vertical stcess ofthe base surface
圖4 非溢流壩段壩體應(yīng)力分布
Fig．4 Stress distribution of the non—overflow section of the dam
在地震情況下的模態(tài)分析結(jié)果前5階固有頻率見(jiàn)表3。
o 昕昕凹昕 ，
張騰蛟等·浩口混凝土重力壩非溢流壩段抗震安全評(píng)價(jià)
表3 地震反應(yīng)譜譜值
Table 3 The earthquake response spectral values
4．2．2 地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析
在地震荷載作用下，非溢流壩段壩體產(chǎn)生變形。壩體在
地震荷載作用下的建基面動(dòng)垂直應(yīng)力最大值為拉應(yīng)力，值
0．86 MPa；建基面上的動(dòng)剪應(yīng)力最大值為0．37 MPa，見(jiàn)圖
5。可見(jiàn)單獨(dú)地震作用在建基面上產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，不
會(huì)超過(guò)基巖的承載力。
(a)垂直正應(yīng)力／Vertical n~-mal stress
(b)順河向剪應(yīng)力／shear stressalongtheflowdirection
(c)沿壩軸線向剪應(yīng)J3／shear stress alongthe dam axis direction
圖5 非溢流壩段地震荷載作用下建基面應(yīng)力分布
Fig．5 Stress distribution in the base surface of the
non-overflow section of the dam under earthquake action
4．3 抗震安全評(píng)價(jià)
考慮大壩在正常蓄水位時(shí)遭遇地震作用，將動(dòng)力分析反
應(yīng)譜法計(jì)算所得的動(dòng)力分析結(jié)果與大壩在正常蓄水工況下
靜力分析成果進(jìn)行疊加，可得到大壩在靜動(dòng)力作用下的壩體
應(yīng)力，據(jù)此對(duì)大壩進(jìn)行強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)
提供的資料壩基地質(zhì)條件良好，無(wú)明顯的不利斷裂帶或貫穿
性裂縫擴(kuò)展，因此只對(duì)壩基面的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。
4．3．1 應(yīng)力分析
根據(jù)正常蓄水位工況下計(jì)算得到的壩體在靜荷載作用
下的應(yīng)力場(chǎng)以及采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到的壩體在
地震作用下的動(dòng)應(yīng)力分布，按照對(duì)壩體應(yīng)力最不利的原則，
將靜力和動(dòng)力計(jì)算所得的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行疊加，得到地震作用下
壩體的應(yīng)力場(chǎng)分布，據(jù)此對(duì)大壩強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。地震
下疊加得到的應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。
在地震作用下，壩體最大第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，其值為
4．46 MPa，出現(xiàn)在高程295 ITI的臺(tái)階位置壩踵處，范圍很小；
最小第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力，值為一2．44 MPa，出現(xiàn)在最大高
程斷面壩趾處。從應(yīng)力分布來(lái)看，與靜力工況計(jì)算所得應(yīng)力
分布規(guī)律類似，極值出現(xiàn)部位大體相同(僅第一主應(yīng)力最大
值部位稍有差異)，數(shù)值上有所增加。在壩段兩側(cè)壩踵和壩
趾僅出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，且在壩踵處有較大的拉應(yīng)
力，但是其分布范圍很小，可以認(rèn)為是由有限元網(wǎng)格和數(shù)值
計(jì)算方法所造成的，不會(huì)影響壩體的安全。
(a) 垂直正應(yīng)力／Vertlc且I normal shes。
(b)建基面垂直正應(yīng)力／Vertical normal shessalongthebase sudace
(c)第一主應(yīng)力／fretprincipal s~ess
ANSYS 100
A一 +07
B一203E+07
C=-158E+07
D___1 16E+07
E=一987450
F=—7450如
C=—457000
H=一125666
(d)第三主應(yīng)力^hirdprincipal stress
圖6 非溢流壩段地震工況下壩體應(yīng)力分布
Fig．6 Stress distribution of the non-overflow section of the dam un～
der earthquake action
4．3．2 穩(wěn)定性分析
根據(jù)正常蓄水工況下計(jì)算得到的壩體在靜荷載作用下的
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第10卷總第63期·南水北調(diào)與水利科技·2012年第6期
應(yīng)力場(chǎng)以及采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到的壩體在地震作
用下的動(dòng)應(yīng)力分布，按照對(duì)壩體穩(wěn)定最不利的原則，將靜力和
動(dòng)力計(jì)算所得的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行疊加，得到地震作用下壩體的應(yīng)
力場(chǎng)。根據(jù)壩基面上各點(diǎn)的應(yīng)力分布，沿壩基面積分，可以得
到建基面上全部法向荷載和切向荷載，根據(jù)規(guī)范給出的抗剪
斷強(qiáng)度公式，計(jì)算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，即
K 一
式中：Σw 一作用于建基面上的力在法向投影的代數(shù)和；
ΣP一作用于建基面上的力在切向投影的代數(shù)和；u一作用
于建基面上的揚(yáng)壓力；廠、c 一建基面上的抗剪斷摩擦系數(shù)和
凝聚力。
根據(jù)上述方法和公式，計(jì)算得到地震工況下壩基面抗滑
穩(wěn)定系數(shù)K 一4．4。根據(jù)規(guī)范，地震作用下壩基面的抗滑穩(wěn)
定安全系數(shù)允許值為2．30，因此，該非溢流壩典型壩段沿壩
基面的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)語(yǔ)
本文采用ANSYS軟件，建立了浩口水電站混凝土重力
壩非溢流壩典型壩段的三維有限元模型，計(jì)算分析了非溢流
壩典型壩段靜力狀態(tài)和動(dòng)力響應(yīng)，得到了到大壩在靜動(dòng)力作
用下的壩體應(yīng)力。據(jù)此，根據(jù)剛體極限平衡原理對(duì)大壩進(jìn)行
強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)，結(jié)論如下。
(1)在設(shè)計(jì)地震作用下，該壩非溢流壩段壩體最大第一
主應(yīng)力為拉應(yīng)力，值為4．46 MPa，出現(xiàn)在295 m高程的臺(tái)階
位置壩踵處，范圍很??；最小第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力，值為
一2．44 MPa，出現(xiàn)在最大高程斷面壩體兩種材料分界處。應(yīng)
力分布與靜力工況計(jì)算所得應(yīng)力分布規(guī)律類似，極值出現(xiàn)部
位大體相同，。
(2)地震荷載作用下壩體的最大壓應(yīng)力為一2．44 MPa，
沒(méi)有超出材料的抗壓強(qiáng)度，壩體強(qiáng)度可以滿足規(guī)范要求。根
據(jù)剛體極限平衡原理，地震工況下沿壩基面抗滑穩(wěn)定安全系
數(shù)滿足規(guī)范要求，壩體是安全的。
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