强震区超高拱坝抗震处理措施设计优化.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:田秋芬女高级工程师主要从事水利水电工程施工技术研究强震区超高拱坝抗震处理措施设计优化田秋芬(中国葛洲坝集团第一工程有限公司湖北 宜昌)摘要:基于大岗山拱坝地质条件复杂、地震烈度高按照静载设计、动载复核的原则对大岗山拱坝抗震设计开展了研究 通过计算分析和模型试验采用布置梁向抗震钢筋、跨缝阻尼器、抗力锚索与坝基薄弱岩体灌浆等工程技术措施提升了大岗山水电站超高拱坝的抗震稳定安全性关键词:大岗山水电站强震区超高拱坝抗震设计优化中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:大坝抗震安全是公共安全的重大问题受到各国的普遍关注 我国西南地区处在板块交界处地壳活跃、地震频发 年后建设的小湾拱坝(坝高.)、溪洛渡拱坝(坝高 )、锦屏一级拱坝(坝高 )其设计地震加速度提高到.、.和.大岗山水电站拱坝位于磨西断裂、大渡河断裂和金坪断裂所切割的黄草山断块上北西向的鲜水河活动断裂带、南段的磨西断裂以及近南北向的大渡河断裂穿过库区 天然地震活动背景强烈 地震基本烈度为度位列世界第一 大岗山拱坝坝高 地震构造环境复杂设计地震加速度达到创纪录的.设计地震加速度超过小湾、溪洛渡和锦屏一级拱坝为国内外高拱坝抗震设防最高水平 工程概况大岗山水电站坝址位于四川省大渡河中游雅安市石棉县挖角乡境内电站枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成 挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝经国家地震局烈度评定委员会审查确定大岗山电站工程区地震基本烈度为 度 根据对大岗山坝址进行的地震危险性分析设计地震加速度峰值取 年基准期内超越概率 为.相应基岩水平峰值加速度为.大岗山水电站坝址区 类辉绿岩总体属细、微粒结构岩石微细裂隙较发育根据前期成都勘测设计研究院的试验经验该类地层通过常规工艺的水泥灌浆很难达到设计要求的物理力学性能指标田秋芬:强震区超高拱坝抗震处理措施设计优化 年 月 设计实施重点与难点大岗山水电站项目拱坝具有坝高、泄洪流量大、抗震烈度高等特点为了提高大坝 基础整体抗震能力需高质量完成坝体抗震钢筋、部分横缝设置跨缝阻尼器、抗力锚索等项目的施工 大岗山水电站坝区范围内发育各类性状较差的岩脉其中尤以辉绿岩脉分布较多断层和节理裂隙伴生于辉绿岩脉中对建筑物的稳定性、基础应力传递等极为不利须进行稳妥可靠的处理 为有效解决辉绿岩脉地质缺陷需对坝基薄弱岩体灌浆处理关键技术研究 关键技术按照静载设计动载复核的设计原则对大岗山拱坝抗震设计开展研究指导大坝的抗震施工措施增加大岗山拱坝的抗震稳定安全性主要进行了以下六个方面的设计优化研究.大坝形体控制技术通过反复迭代计算三维坐标确保形体达到设计要求的中厚拱坝形体提高拱坝抗震性能 编制了放样程序程序采用自顶向下模块化的设计主程序和所有的子程序都是基于函数和数据文件 为保证能准确地表示出拱坝的双曲线形状采用限值为.的允许误差进行迭代计算施工测量放样点可以无限制地加密 对于超出拱端的点采用顺延的方法计算数学模型不变同时提出警告信息体型验收时能正确判断测量点是否为坝面、分缝或结构物边线及偏差严格控制拱坝高程放样的精度建立完整的测量成果监控体系成型坝体外观须联合测量检测确保拱坝形体满足设计要求.大坝全级配混凝土动态抗力试验研究本项目直接采用现场混凝土(四级配施工配合比)进行全级配混凝土动态抗力材料试验从而保证生产现场混凝土的质量 大坝全级配混凝土动态抗力试验研究表明在 设计龄期时相对于静态而言在不同的加载条件下湿筛混凝土动态弯拉强度提高了 全级配混凝土动态弯拉强度提高了 动态极限拉伸值提高了 大岗山拱坝混凝土动弹模在静弹模基础上提高 左右.拱坝梁向配筋和跨缝阻尼器设置技术大岗山拱坝坝面梁向受力钢筋最多设置双排热轧级钢筋即(或)钢筋为保证梁向受力钢筋连接接头质量现场采用直螺纹套筒连接接头 混凝土入仓后采用履带式平仓机进行平仓混凝土振捣台车振捣靠近模板或钢筋及金属结构埋件密集的部位采用手持插入式振捣器进行人工平仓、振捣 梁向钢筋显著改善坝体损伤断裂程度、控制横缝开度、提高拱坝整体性的基础上阻尼器可进一步局部限制横缝的张开 配置阻尼器对横缝开度有一定效果但对坝体拉、压应力水平基本没有改变“汶川大地震”的震后震损情况直接说明了预应力锚索对于边坡动力稳定的效果是十分显著的大岗山拱坝坝面钢筋最多布置双排 坝面钢筋全部采用抗震钢筋其类型和直径主要是出于钢筋性能和坝面钢筋混凝土的工作状态进行选择 坝顶局部具有代表性的横缝位置设置阻尼器 个用于抗震试验在有交通廊道的 高程和坝顶高程的每一道横缝上都布置了阻尼器共计 支.大坝常规动力计算分析和模型试验研究按照常规分析方法计算大坝动力响应分析大坝正常蓄水位时的基频频率约为.静动综合时的大坝主压应力小于混凝土动态抗压强度但是上、下游面静动综合主拉应力远远大于混凝土的动态抗拉强度主拉应力较大值集中出现在上游面高高程拱冠部位和下游面中高高程的拱冠附近 另外坝基附近的基础约束区也有较大的主拉应力 由于常规分析方法的动力拱梁分载法和线弹性有限元法都存在方法上的较大局限性进一步考虑材料的非线性作用、坝体局部混凝土损伤、坝体横缝在地震作用下的开合变化及地基辐射阻尼的影响都会导致坝体应力发生较大变化考虑地基辐射阻尼大坝结构非线性、大坝材料非线性、地震力非均匀输入等因素计算分析大坝的动力响应特性分析各种抗震措施效果将坝和地基考虑为一个整体模拟拱坝横缝、地基岩体岩类分区、坝肩控制性滑块结构面、基础处理等复杂因素的基础上进行大坝和地基整体动力分析和结构动力模型试验研究 大坝和地基整体抗震超载分析体系在超载条件下破坏形式是由左岸滑块滑动造成该部位坝体与基岩之间局部滑移增长并逐渐带动坝体发生向下游的滑移达到较大数值使坝体形成绕右岸的转动.的地震超载倍数范围是坝体地基体系工作性态发生变化的转折偏于安全考虑大岗山拱坝的抗震超载安全系数取为.相应的大坝极限抗震能力为水平地震峰值加速度./.坝基增强灌浆提高大坝整体抗震性能技术已有研究表明大坝坝基薄弱岩体在地震动作用水 电 与 新 能 源 年第 期下对大坝整体抗震稳定性具有重要影响 本项目为了增强坝基的稳定性开发了坝基薄弱岩体高效灌浆技术 大岗山水电站坝址区 类辉绿岩总体属细、微粒结构岩石微细裂隙较发育根据前期试验经验该类地层通过常规工艺的水泥灌浆很难达到设计要求的物理力学性能指标 因此提出对辉绿岩脉采取高压水泥化学复合固结灌浆进行处理为了论证经高压水泥化学复合灌浆后辉绿岩脉能否满足大坝建基面要求选择 勘探平洞揭露的 辉绿岩脉进行试验研究 经过灌浆试验处理后 类辉绿岩脉期望达到表 中灌后的指标且水泥灌浆后岩体透水率化学灌浆后岩体透水率 表 类辉绿岩脉岩体灌后期望指标指标声波纵波速度 平均值/()大于 /所占比例/完整性系数/透水率/变形模量/灌前(设计预估).灌后(期望).为了达到上述指标本项目提出了以下具体措施:)针对辉绿岩的特点提出采用高压水泥化学复合灌浆技术进行加固处理形成了高压水泥化学复合灌浆施工工艺)提出 系化学灌浆采用“压力下结束”和“定量灌注结束”双控标准作为化学灌浆质量控制指标)提出了水泥灌浆水灰比关键指标即针对微细裂隙比较发育的辉绿岩脉水泥灌浆开灌水灰比宜采用 发现 系化学灌浆可有效填充微细裂隙为其它工程提供了借鉴)高压水泥固结灌浆后和化学复合灌浆后的检测 检测表明采用本项目开发的高效灌浆技术可显著增强坝基的力学和防渗性能其抗震稳定性得到了极大提升.拱坝抗震整体安全度及风险分析大岗山拱坝在设计地震作用下产生轻微损伤的概率达到约 产生中等损伤、严重损伤的概率很低大坝运行期内发生设计地震的概率水平仅为 年超越概率 该条件下大坝完好的概率达到.轻微损伤的概率为.中等损伤、严重损伤级溃坝的概率约为.实施效果对拱坝坝基地质缺陷的综合处理、坝体针对性的混凝土分区设计及施工、对应高动应力部位的坝面布置梁向抗震钢筋、坝肩抗滑稳定控制部位的抗震锚索辅以适当的坝面防渗辅助措施 坝顶局部具有代表性的横缝位置设置阻尼器在有交通廊道的 高程和坝顶高程的每一道横缝上都布置了阻尼器 年 月 日四川雅安地区发生的.级地震未对在建大岗山项目拱坝工程造成影响 结 语本文根据大量的计算分析和试验研究的成果综合评判了大岗山拱坝的抗震安全性并结合工程实际施工情况进行工程抗震措施的具体设计 大坝抗震措施方面尝试设置了抗震阻尼器在国内、国际均尚属首例 对拱坝体形、应力分析、整体安全度及风险分析等进行总结计算分析的结果及现场施工表明拱坝设计安全可靠、技术可行、经济合理参考文献:张欣 王运生.白鹤滩水电站库区小江断裂带活动性研究.工程地质学报 ():陈厚群.高拱坝抗震设计研究进展.中国水利():李德玉 陈厚群.高拱坝抗震动力分析和安全评价.水利水电技术 ():何建涛 陈厚群 马怀发.拱坝非线性地震反应分析.地震工程与工程振动 ():王开拓 辛全才 马金磊.强震区高拱坝抗震安全研究.中国水利():中国地震动参数区划图 水电工程水工建筑物抗震设计规范李静 陈健云 徐强 等.高拱坝抗震性能评价指标研究.水利学报 ():周林.高拱坝抗震设计与抗震钢筋配置研究.科技创新导报 ():程立 刘耀儒 吕庆超 等.特高拱坝非平衡演化的变形稳定控制理论及应用.水力发电 ():李桂林 吴楠.大岗山水电站 级高边坡开挖支护技术研究.水力发电 ():