谈某沥青混凝土心墙坝抗震安全性复核

2022-09-21 16:45:21 来源:写作指导

摘要:新版GB18306—2015《中国地震动参数区划图》调高了部分地区地震动参数,为了分析新规范下地震动参数调整对大坝抗震安全性的影响,选取某沥青混凝土心墙坝采用拟静力法进行抗震安全性复核计算,计算结果表明,基岩动峰值加速度由0.17g提高到0.3g后,正常蓄水位+Ⅷ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数有明显降低,分别降低14%和17%,防浪墙计算高程有所增大,由于设计阶段坝坡抗滑稳定安全系数和坝顶防浪墙高度均有一定的裕度,该大坝抗震安全性仍能满足新规范的要求。本次计算分析成果可为类似工程提供一定的借鉴价值。

关键词:地震动参数;抗震安全性;坝坡稳定;坝顶高程复核;沥青混凝土心墙坝

1概况

某碾压式沥青混凝土心墙坝位于新疆特克斯县境内,最大坝高91.1m,上游坝坡1∶2.25,下游坝坡1∶1.8,最大断面处下游综合坡度约为1∶2.142。坝体填筑分区从上游至下游分别为上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区、下游砂砾料区、下游利用料区、下游排水棱体区。沥青混凝土心墙的厚度由顶厚0.4m台阶式渐变至底厚0.8m。根据2009年电站工程场地地震安全性评价报告,工程区场地50年超越概率10%的基岩动峰值加速度为0.17g,相应地震基本烈度为Ⅶ度,拦河坝抗震设防类别为乙类。2015年的新版GB18306—2015《中国地震动参数区划图》对国内部分地区的地震动参数进行调整,部分已经投入运行的水电站大坝的地震动参数比原设计取值要大[1-2],原设计计算成果已不能满足大坝在定期检查过程中对抗震安全性评价的要求。根据GB18306—2015,该大坝工程区50年超越概率10%的基岩动峰值加速度为0.30g,相应地震基本烈度为Ⅷ度,由于大坝为2级建筑物,抗震设防类别为乙类,在2019年大坝首次定期检查过程中需采用水平地震动峰值加速度0.30g进行大坝上、下游坝坡稳定性复核计算,并结合坝顶高程复核成果和抗震安全性措施,综合评价新规范要求下大坝抗震安全性。

2坝体平面渗流计算分析

2.1计算方法与参数

在进行上下游坝坡稳定性复核计算前,采用有限元法进行坝体平面渗流计算,确定坝体浸润线,计算程序采用加拿大GEO-SLOPE公司的岩土工程计算分析软件包系列中的SEEP/W软件,计算工况为上游正常蓄水位1305m时的稳定渗流。计算区域为自坝体建基面以下,沿深度方向取至弱风化下限;以心墙中心线为基点向上下游方向各取不小于300m。坝基底边界为不透水边界。各土层及材料的渗透系数取值由地勘报告和土工试验综合确定,见表1。

2.2计算成果与分析

图1为坝体浸润线计算结果和上游高水位时坝基实测渗压水位分布图,正常蓄水位时坝体计算浸润线与坝基实测渗压水位分布形态基本吻合,心墙后坝基实测渗压水位略高于计算值,主要是由于实测上游水位略高于正常蓄水位,坝体计算浸润线与实测值相吻合,符合沥青混凝土心墙堆石坝的渗流规律,计算成果能够作为上、下游坝坡稳定性分析的基础。

3坝坡稳定计算分析

3.1计算方法与工况

根据DL/T5395—2007《碾压式土石坝设计规范》)的规定,土石坝坝坡稳定分析可采用平面刚体极限平衡法计及条块间作用力的简化毕肖普法计算[3-4]。计算程序采用中国水利水电科学研究院岩土所编制的“STAB2005边坡稳定分析程序”,同时用Geo-studio/Slope模块验证。坝坡稳定计算区域同渗流计算区域,并在坝体平面渗流分析的基础上进行坝坡稳定分析。表2为坝坡稳定计算工况[4]。

3.2计算参数

坝体材料动态抗剪强度采用静态强度值,取自土工试验得到的参数,见表3,由于缺少不固结不排水(UU)试验参数和固结不排水(CU)试验参数,且施工期坝坡稳定性分析不是本次大坝抗震安全性复核的重点,因此所有工况均采用固结排水(CD)试验参数的有效应力法。地震动加速度峰值根据现行GB18306—2015采用工程区50年超越概率10%的基岩动峰值加速度为0.30g,基本地震烈度为Ⅷ度。地震惯性力代表值和地震惯性力的动态分布系数根据NB35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》)的要求进行取值[5]。

3.3计算成果与分析

设计阶段采用“STAB1995边坡稳定分析程序”进行坝坡稳定性计算,本次复核采用“STAB2005边坡稳定分析程序”和Geo-studio/Slope模块2种方式进行计算,计算成果见表4,由表4可得:(1)本次复核计算的正常蓄水位和竣工期条件下大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数与设计成果(设计成果取自工程竣工验收技术鉴定之二设计自检报告,以下同)接近,说明不同软件计算所得结果基本一致,本次复核成果可用于大坝抗震安全性评价。(2)原设计基岩动峰值加速度为0.17g,正常蓄水位+Ⅶ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数分别为1.598、1.558;本次抗震复核计算结果表明,基岩动峰值加速度提高到0.3g后,正常蓄水位+Ⅷ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数分别为1.369、1.292,说明基岩动峰值加速度提高后,坝坡抗滑稳定安全系数有明显降低。死水位+Ⅷ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数分别为1.353、1.329。由此可见,正常蓄水位、死水位在遭遇Ⅷ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求的2级建筑物抗滑稳定最小安全系数1.15,且有一定的安全裕度[6-7]。

4坝顶高程复核

4.1计算方法与参数

根据DL/T5395—2007规定,坝顶高程分别按设计水位加正常运用条件下、设计洪水位加正常运用情况、校核洪水位加非常运用情况、正常蓄水位加地震非常运用情况等4种运用情况下计算得到的坝顶超高,取其最大值。波浪爬高和风壅水面高度根据规范和设计参数确定。地震涌浪高度可根据设计烈度和坝前水深采用0.5~1.5m,日本地震涌浪高度按1%坝高估计,经综合考虑,本次复核取1m。坝顶沉陷一般不超过坝高的0.5%~1%,在设计阶段,大坝经有限元法计算得到设计工况(加速度为0.17g)下最大震陷量为0.56m,校核工况(加速度为0.47g)下最大震陷量为1.38m,根据现行规范,工程区50年超越概率10%的基岩动峰值加速度为0.30g,通过线性插值可得加速度为0.30g时,大坝最大震陷量为0.91m,约为坝高的1%,故坝顶沉陷取0.91m[8-9]。

4.2计算成果与分析

大坝坝顶高程复核计算结果见表5,规范规定的四种工况下,大坝防浪墙顶计算高程最大值为1308.80m,不超过原设计防浪墙顶高程,但现状防浪墙顶高程低于计算高程最大值约0.25m。根据实测资料,坝顶实际高程为1307.45m,比正常蓄水位1305.00m和设计洪水位1304.23m均高出0.5m以上,且不低于校核洪水位1306.93m,满足规范的要求。在地震工况下,地震安全超高的取值会对坝顶高程计算值产生显著的影响,此次计算中,坝顶沉陷约占坝高的1%,基本为上限值,而地震涌浪高度取了中间值,若取为上限值1.5m,地震工况下防浪墙顶高程应为1309.26m,超出现状防浪墙高程约0.71m,若取为下限值0.5m,地震工况下防浪墙顶高程应为1308.26m,低于现状防浪墙高程约0.29m。考虑到大坝在地震工况下有0.70m的安全超高,现状防浪墙高程即使略低于计算值也仅使安全超高裕度有所降低,不影响大坝运行安全,故可认为在地震工况下防浪墙顶高程基本能满足规范要求。

5大坝抗震安全性综合评价

某沥青混凝土心墙坝根据现行GB18306—2015的要求,工程区50年超越概率10%的基岩动峰值加速度由设计阶段0.17g调整至0.30g,为满足大坝安全定期检查过程中大坝抗震安全性评价的要求,按照新规范给出的参数和提出的要求对大坝抗震进行复核计算,计算成果表明:(1)基岩动峰值加速度由0.17g提高到0.3g后,正常蓄水位+Ⅷ度地震情况下,上、下游坝坡抗滑稳定安全系数有明显降低,分别降低14%和17%。上、下游坝坡在Ⅷ度地震工况下抗滑稳定安全系数最小值为1.292,大于规范要求的最小安全系数1.15,且有一定的安全裕度。(2)地震动参数调高,地震沉陷量增大,导致地震工况下大坝防浪墙计算高程有所增大,考虑地震涌浪及地震沉陷量,正常蓄水位加地震非常运用情况下,该大坝坝顶高程满足规范要求,防浪墙顶高程基本满足规范要求。(3)在设计阶段,大坝有针对性地采取了一定的抗震措施。例如,加宽坝顶、提高坝体的密实度、加强不同部位的连接等,这些措施均有利于坝体结构的抗震安全性;另外,筑坝材料为砂砾石,其透水能力强,可保证地震时坝体产生的孔隙水压力迅速消失,有利于坝坡稳定。综上所述,该大坝在Ⅷ度地震作用的情况下,上、下游坝坡能够处于稳定状态,坝顶高程满足规范要求,设计阶段采取的抗震措施有助于坝体主要结构在遭遇地震时能够安全运行。

6结语

新版《中国地震动参数区划图》后,部分地区地震动参数要比原设计取值大,由于大坝设计一般较为保守,安全裕度较大,且采取了一定的抗震措施,按照新规范给出的参数和提出的要求进行复核分析,大坝抗震安全性往往是可以满足新规范要求的,无需采取工程措施。按照规范要求,对于地震烈度Ⅷ、Ⅸ且坝高70m以上的土石坝,在进行抗震稳定计算时应同时采用拟静力法和有限元法,本文仅采用了拟静力法,在进行大坝抗震安全性评价时是存在一定欠缺的。今后遇到类似工程抗震安全性复核计算时应尽量采用两种方法进行综合分析,确保评价结果全面、可靠。

作者:刘慧 许雷 单位:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 国家能源局大坝安全监察中心