天花板碾压混凝土双曲拱坝抗震设计.pdf

水 力 发 电 第 3 7 卷第6 期 2 0 1 1 年 6月 天 花 板 碾 压 混 凝 土 双 曲 拱 坝 抗 震 设 计 林健 勇 ，苏 岩 ，周 飞平 ，杨 子 强 ( 中国水 电顾 问集 团北京勘测设计研究院，北京1 0 0 0 2 4 ) 摘要 ：天花板水电站拱坝坝体较薄 ，体形结构较复杂 ，泄洪建筑物布置有较长的悬挑结构 。根据抗震动力分析研 究结 果 完善了坝体 的结构布置 ，加强 了薄弱部位的刚度 ，增强了结构 的整体性。大坝 总体强度、刚度和稳定性达 到抗震设计要求 。 关键词：混凝土双 曲拱坝；抗震设计 ；天花板水 电站 As e i s mi c De s i g n f o r Ti a n h u a b a n RCC Ar c h Da n l L i n J i a n y o n g ， S u Ya n ， Zh o u F e i p i n g ， Ya n g Z i q i a n g ( H y d r o C h i n a B e i j i n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e T i a n h u a b a n R CC Ar c h Da m i s t h i n n e r ， t h e s h a p e a n d s t r u c t u r e i s mo r e c o mp l e x a n d t h e d i s c h a r g e s t ruc t u r e h a s a l o n g e r o v e r h a n g i n g s t r u c t u r e B a s e d o n the r e s u l t s o f s e i s mi c s t u d i e s ， t h e d a m s t ruc t u r e i s i mp r o v e d ，the s t i ff n e s s o f we a k p a r t s i s s t r e n g t he ne d a n d t he s t ruc t u r a l i n t e g r i t y o f d a m i s e n ha n c e d The o v e r a s t r e ng th，s t i ffn e s s a n d s t a b i l i ty o f da m me e t t h e r e q u i r e me n ts o f a s e i s mi c de s i g n Ke y W o r d s ： c o n c r e t e d o u b l e - c u r v a t u r e a r c h d a m； a s e i s mi c d e s i g n ； T i anh u a b a n Hy d r o p o we r S t a t i o n 中圈 分类号 ： T V 6 4 2 4 2 ；T U 3 5 2 1 ( 2 7 4 ) 文献标识码： A 文章编号 ： 0 5 5 9 - 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) o 6 - o o 5 2 - o 2 天 花 板 水 电 站 为 三 等 中 型 工 程 ，拦 河 坝 及 泄 洪 建 筑 物 等 主 要 建 筑 物 为 3级 建 筑 物 。 其 中 ，拦 河 坝 为 碾 压 混 凝 土 双 曲 拱 坝 ，最 大 坝 高 1 0 7 0 m，坝 轴 线 长 1 5 9 8 7 m，拱 冠 梁 顶 宽 6 0 0 5 m，拱 坝 最 大 中 心 角 9 3 3 o拱 冠 梁 底 宽 2 2 6 4 3 m ，拱 端 最 大 厚 度 2 4 0 8 6 m，厚高 比 0 2 1 2。泄洪 建筑 物 由相间布 置 的 3个 表孔 、2个 中孔 组成 ，正对 主河床 ，集 中布置 于 坝体 中部 ，坝后 仅设 混凝 土短护坦 。 工 程 区 的 地 震 基 本 烈 度 为 度 ， 电 站 设 计 烈 度 为 7度 ，工 程 抗 震 设 防 类 别 为 丙 类 。 5 0年 超 越 概 率 l 0 的 地震 动参 数 为 0 1 4 3 g，5 0年 超越 概率 5 的 地震动 参数为 0 1 7 7 g 。 1 抗震性能研究 1 1 研 究方法 本 电 站 拦 河 坝 为 1 0 0 m 级 高 坝 ，坝 身 设 有 集 中 布 置 的 泄 洪 排 沙 建 筑 物 ，体 形 结 构 较 为 复 杂 。 施 工 详 图阶 段 ，根 据拦 河 坝实 际 开挖 及 体 形 调 整 情 况 ， 再 次 进 行 了 防 震 抗 震 分 析 的 专 题 研 究 工 作 。 采 用 了 如 下 两 种 研 究 方 法 ： ( 1 ) 拱 梁 分 载 法 。 可 研 阶 段 采 用 拱 坝 体 形 优 化 圄W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 6 系 统 程 序( ADAS O) 进 行 了 五 向调 整 的 拱 梁 分 载 法 坝 体 应 力 分 析 计 算 和 坝 体 体 形 优 化 设 计 工 作 ； 施 工 详 图 阶段 根 据 坝 基 岩 体 质 量 分 类 的 变 化 情 况 及 其 拱 坝体 形 的局 部 的调 整 ，采用 AD AS O 程序 重新 进 行 了拱 梁分 载法 的坝体 应 力分 析计 算 ，并 对设 计地 震 工 况 时 坝 体 应 力 状 态 进 行 了 复 核 。 ( 2 )有 限元法 坝体 动力分 析 。 对 坝体 进行 整 体 三 维 弹 性 有 限元 动 力 分 析 ，研 究 拱 坝 的 动 力 特 性 。 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 理 论 计 算 方 法 进 行 拱 坝 结 构 抗 震 计算 ，分析 拱坝 的动位 移和 动应力 。 基 于非线 性 动 力 分析 软 件 ，考虑 无 限 地 基 辐射 阻 尼 的影 响 ， 边 界采 用等 效 三维 一致 粘 弹性 边界 ，按 横 缝接 触算 法 及 时 程 分 析 方 法 ，对 拱 坝 进 行 三 维 非 线 性 地 震 反 应 分 析 ，研 究 分 缝 拱 坝 在 7度 地 震 时 的地 震 响 应 。 1 - 2计 算工况 根 据 水 电 工 程 地 震 设 防 要 遵 循“ 确 保 安 全 。 留 有 裕 度 ” 的原 则 ， 天 花 板 水 电 站 拱 坝 在 抗 震 复 核 时 ， 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 4 0 7 作者简介 ：林健勇( 1 9 6 6 一 ) ，女 ，吉林长春人 ，高级工程师，从 事水利水 电工程水工专业设计工作 第 3 7卷第 6期 林腱勇 ， 等 ： 天花板碾压混凝土双曲拱坝抗 震设计 按 5 0年 超 越 概 率 1 0 的 地 震 动 参 数 做 为 设 计 地 震 。 同 时 ， 研 究 了在 遭 遇 超 标 准 的 地 震 情 况 下 坝 体 的 应 力 状 态 ，按 5 0年 超 越 概 率 5 计 。 在 有 限 元 法 坝 体 动 力 分 析 时 ， 分 别 对 拱 坝 在 正 常 蓄 水 位 1 0 7 1 0 m 和 死 水 位1 0 5 0 0 m 时 ，在 场 地 谱 地 震 波 作 用 下 的 设 计 地 震 工 况 和 校 核 地 震 工 况 的 地 震 动 力 响 应 进 行 了分 析 ，研 究 了地 震工 况 对 坝体 的影 响 ，对 坝 体应 力 状 态 进 行 了 复 核 。 1 3主 要研 究结论 ( 1 ) 自振 特 性 分 析 表 明 ，正 常 蓄 水 位 、设 计 死 水 位 和 空 库 时 ， 拱 坝 各 阶 振 动 周 期 均 小 于 特 征 周 期 0 5 S ，拱 坝 不 会 发 生 共 振 。 ( 2 ) 反 应 谱 法 地 震 反 应 分 析 表 明 ，在 设 计 地 震 作 用 下 坝体 顺 河 向动位 移 最 大 值 出现在 上 游 面 3 号 表 孔 左 侧 闸 墩 墙 顶 部 。 拱 坝 闸墩 的横 向位 移 较 大 尤 其 是 断 面 较 单 薄 的 上 游 面 左 侧 薄 墩 墙 。 拱 坝 最 大 动 主 拉 应 力 出 现 在 上 游 面 1号 表 孔 左 侧 墩 墙 与 坝 面 连 接 处 。 最 大 动 主 压 应 力 出 现 在 下 游 面 右 岸 侧 诱 导 缝 下 端 部 。 拱 坝 除 闸 墩 与 坝 体 交 接 处 和 坝 踵 有 较 高 应 力 集 中外 ， 拱 端 的 中 上 部 拉 应 力 相 对 较 大 。 在 超 标 准 的 地 震 作 用 下 ，静 力 成 果 与 反 应 谱 法 成 果 叠 加 后 ，作 用 效 应 较 设 计 地 震 增 大 。 最 大 位 移 及 最 大 动 主拉应 力分 布部位 与设 计地震 工 况规律 都很 相近 。 ( 3) 时 程 分 析 法 地 震 反 应 分 析 表 明 ， 坝 体 正 常 蓄 水 位 较 死 水 位 地 震 反 应 大 对 于 有 缝 坝 体 模 型 ， 上 游 面 坝 体 大 部 分 拉 应 力 得 以 释 放 坝 体 拉 应 力 较 无 缝 坝 有 所 降 低 ，拱 座 处 中 部 高 程 仍 有 较 高 拉 应 力 区。不 同水 位 时坝 体 在 设计 地 震 和超 标 准 的地 震 作 用 下 的应 力分 布 规律 基 本相 近 ：坝体 第 一 主应 力 最 大 值均 出现在上 游 面右 岸侧 诱 导 缝底 端 部 ；第 三主 应 力 最 大 值 均 出 现 在 下 游 面 右 岸 侧 诱 导 缝 底 端 部 。 最 大 应 力 出现 部 位 均 为 明显 的 应 力 集 中 区 。 各 - L况 下 的 顶 拱 和 拱 冠 梁 剖 面 顺 河 向 最 大 动 位 移 分 布 规 律 都 很 相 近 。 顶 拱 顺 河 向 最 大 静 位 移 大 于 动 位 移 。 正 常 蓄水 位动 位移 较 死 水 位大 但 横缝 的张 开度 比死 水 位 小 。 坝 体 下 游 面 横 缝 开 度 均 大 于 上 游 面 ，但 横 缝 张 开 度 及 张 开 范 围 均 不 大 。 横 缝 虽 有 一 定 开 度 ， 但持 续 时间很 短 ，不 会 对横缝 止水 材料 造成 破坏 。 ( 4)拱 坝 除 局部 应 力集 中需 要设 计 加 强 外 ，坝 体 应 力 均 在 混 凝 土 容 许 应 力 范 围 内 大 坝 总 体 强 度 、 刚 度 和 稳 定 性 满 足 水 工 建 筑 物 抗 震 设 计 要 求 。 2 抗震措施 综 合 抗 震 研 究 成 果 ，结 合 现 行 规 范 对 抗 震 设 计 的 要 求 对 大 坝 抗 震 的 薄 弱 部 位 进 行 加 强 ，增 加 其 横 向刚 度 和 整 体 性 。 ( 1 ) 本 工 程 拦 河 坝 为 体 形 较 薄 的 碾 压 混 凝 土 双 曲拱 坝 ， 表 、 中 孔 均 采 用 了悬 挑 结 构 。 在 满 足 泄 洪 消 能 对 体 形 要 求 的 前 提 下 ，结 构 布 置 时 尽 可 能 地 减 小 拱 坝 坝 体 附 属 结 构 的 质 量 和 长 度 ， 以 利 于 改 善 坝 体 应 力 和 结 构 的 安 全 。 ( 2 ) 为 减 小 地 震 作 用 时 坝 体 中 上 部 及 接 近 坝 基 部 分 的 拉 应 力 区 ， 改 善 坝 体 应 力 分 布 ， 拱 坝 体 形 设 计 时 ，坝 体 顶 部 拱 冠 部 分 体 彤 为 略 倾 向 下 游 。 ( 3 ) 动 力 分 析 计 算 表 明 ，表 孔 闸 墩 坝 顶 处 上 游 侧 位 移 及 应 力 较 大 ， 在 上 游 侧 表 孔 闸 墩 之 间 设 置 了 横 向 支 撑 联 系 梁 增 强 了 闸 墩 部 分 的 横 向 刚 度 和 整 体 性 。 ( 4) 最 大 主 拉 应 力 发 生 在 1号 表 孑 L 左 闸 墩 与 坝 体 连 接 处 。 为 了 提 高 1号 表 孔 左 侧 闸墩 承 受 纵 向 力 、 横 向 力 的 能 力 ，提 高 其 纵 向 强 度 和 横 向强 度 ，对 1号 表 孔 左 侧 闸 墩 的 配 筋 进 行 了 加 强 设 置 了 双 层 钢 筋 ( 5 ) 拱 坝 闸 墩 与 坝 面 的 连 接 处 有 较 大 的 应 力 集 中 ，地 震 时 容 易 造 成 墩 坝 连 接 处 局 部 开 裂 在 该 部 位 均 设 置 钢 筋 网 加 强 ， 即 在 外 悬 结 构 与 坝 体 上 游 面 连 接 处 双 向 布 置 一 层 钢 筋 网 。 ( 6)设 置诱 导缝 重 复灌 浆 系 统 ，确 保 坝体 诱 导 缝 处 因地震导 致 开裂 时可及 时修 复 。 ( 7 )集 水 井 布 置 于 2号 表 孔 下 游 鼻 坎 正 下 方 ， 上 部 与 1 、 2号 中孔 下 游 鼻 坎 共 用 ，下 部 为“ n ” 形 结 构 。悬 臂 结 构通 过集 水 井 下游 侧 墙 连 成 整 体 ， 起 到 了支 撑 的 作 用 ，增 加 了 整 体 刚 度 ，不 仅 增 强 了 抗 震 能 力 ， 也 有 利 于 改 善 悬 臂 部 分 的 局 部 应 力 集 中 状 况 。此 外 ，集 水 井基 本 位 于 坝体 中部 ，宽 度和 刚 度 较大 ，对改 善坝 体应 力也有 一定 作用 。 ( 8 )针 对 左 坝 肩 断 层 ，采 用 2条 平 洞 和 1条 竖 井 进 行 混 凝 土 置 换 处 理 方 案 。其 他 地 基 内 软 弱 部 位 采 用 灌 浆 、局 部 锚 固 、支 护 等 综 合 支 护 措 施 进 行 加 固 3 结语 通 过 抗 震 动 力 分 析 研 究 ， 进 行 坝 体 结 构 强 度 安 全 性 和 坝 体 、坝 肩 整 体 稳 定 的 复 核 计 算 。 从 建 筑 物 自震 特 性 、 变 形 损 伤 、应 力 状 况 、整 体 稳 定 性 和 破 坏 模 式 等 方 面 。综 合 评 价 建 筑 物 结 构 抗 震 特 性 和 抗 震 安 全 性 ， 分 析 判 断 不 同 工 况 下 抗 震 安 全 的 薄 弱 部 位 和 薄 弱 环 节 ，并 提 出 相 应 的 抗 震 措 施 。 根 据 研 究 成 果 完 善 了 坝 体 的 结 构 布 置 ， 加 强 了 薄 弱 部 位 的 刚 度 ，增 强 了 结 构 的 整 体 性 。 大 坝 总 体 强 度 、 刚 度 和 稳 定 性 达 到 了 抗 震 设 计 的 要 求 。 ( 责 任编辑杨健 )