缅甸滚弄水电站重力坝抗震研究

吴余生

(云南省能源投资集团有限公司，昆明 650228)

1 工程概况

怒江出境后进入缅甸境内称之为丹伦江(也叫萨尔温江)，滚弄水电站为缅甸丹伦江梯级开发方案中的第一级电站，坝址位于南宁河与丹伦江汇口上游缅甸掸邦境内滚弄县户里乡，距云南耿马孟定清水河口岸约37 km。工程开发任务以发电为主，水库正常蓄水位519 m，相应库容为6.59×108m3，调节库容1.76×108m3，电站装机容量1 400 MW，多年平均发电量72.34×108kW·h。枢纽布置主要由常态混凝土重力坝，坝身溢流表孔及冲沙底孔，左岸坝后式发电厂房、右岸泄洪兼导流洞等建筑物组成。混凝土重力坝坝顶高程523 m，最大坝高103 m。

工程区位于缅甸掸邦高原的东北部，属冈底斯-念青唐古拉褶皱系之福贡-镇康褶皱带的保山-永德褶皱束内，处于龙陵—瑞丽断裂与南汀河断裂所夹持的三角地块西南角，区内褶皱、断裂等构造发育，场地周围150 km范围内发育有多条活动性断裂带，地震活动较频繁，地震基本烈度为Ⅷ度，属潜在地震震级较大的较不稳定地区。在强震区修建高坝大库是水电开发面临重大关键技术问题[1-2]，须对大坝抗震安全性进行专题研究，采取有效抗震措施，确保其抗震安全。

2 大坝抗震设防标准

依据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL 5180-2003)[3]的相关规定，滚弄水电站为一等大(Ⅰ)型工程，主要水工建筑物(大坝雍水建筑物、泄洪建筑物和引水发电建筑物)为1级建筑物。依据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)[4]的相关规定，大坝抗震设防类别为甲类，在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度，则大坝按Ⅸ度设防。结合地震安全性评价成果，大坝抗震设计标准采用基准期100年超越概率2%，相应基岩地震水平峰值加速度为0.57 g；大坝抗震校核标准(最大可信度地震)采用基准期100年超越概率1%，相应基岩地震水平峰值加速度为0.70 g。

3 大坝抗震分析

鉴于工程处于高地震烈度区，地震动参数高，在工程可行性研究阶段，从典型坝段平面二维，单坝段三维、整体大坝三维等3个层次，采用有限元法分析研究大坝在静动力工况下的工作性态，全面评价大坝抗震安全性，并提出相应的抗震措施[5]。

3.1 典型坝段平面有限元分析

采用平面有限元法对7#厂房坝段和10#溢流坝段等典型坝段进行抗震动力分析，研究坝体的位移变形和应力分布，限于篇幅，本文重点介绍设计地震工况计算成果。

3.1.1 位移分析

设计地震工况下(静载+设计规范谱时程)，典型坝段位移分布见图1。

平面有限元分析成果表明，静力荷载与规范谱地震荷载叠加后，坝体变形符合一般规律，水平向位移基本呈水平层状分布，位移值随坝高的增加而增大，坝顶位移最大，7#坝段和10#坝段坝顶顺河向水平位移最大值分别为7.06和7.57 cm。

图1 设计地震工况下典型坝段水平位移分布图

3.1.2 应力分析

设计地震工况下，典型坝段坝体竖向应力和主应力分布见图2-图3，其中主应力等值线为各地震时段中坝体各部位的最大应力分布包络图(不代表某一时刻的坝体应力分布情况)。

平面有限元分析成果表明，地震荷载作用主要在坝体上下游表面产生较大的动力响应。在设计地震工况下，主拉应力主要集中在坝踵、坝体上下游面，上游直坡面的最大主拉应力一般在3～4 MPa左右，下游坡面最大主拉应力数值一般在4～5 MPa，坝踵或部分折坡区域达到6～8 MPa，坝体内部的主拉应力水平则较低；坝体表面5 ～10 m范围内等值线较密，应力梯度较大，而坝体内部应力等值线较疏，应力分布较坝体表面均匀。按C9030混凝土的动态拉应力控制标准，坝踵超标区范围约7～12 m(在坝横0+7 m～0+8 m上游)，基本在坝体帷幕上游(帷幕布置在坝横0+8 m)；上游面超标区范围在坝面以内4.5～7 m；下游面超标区范围在坝面以内10～12 m。上述3个拉应力超标区域是相对容易出现拉裂的区域；根据应力时程分布，尽管上述部位最大值超过抗拉强度，但时刻很短，考虑到地震动往复特性和瞬态特性，对坝体安全性有一定影响但程度有限；并且地震动过程中超过抗拉强度的区域仅局限在上下游应力集中区的表面，坝体内部均未出现主拉应力超标区域连通的情况；另外，坝踵拉应力超标区基本在坝体帷幕上游，对帷幕影响有限。因此，采取坝体内部混凝土以C9020和C9025为主，表面混凝土以C9030为主，并在坝体表面配置抗震钢筋等措施来改善坝体的抗震性能，基本可以保障大坝的整体安全性。

图2 7#坝设计地震工况下的应力分布图

图3 10#坝设计地震工况下的应力分布图

3.2 三维有限元分析

3.2.1 典型坝段三维有限元模型

7#厂房坝段和10#溢流坝段体型复杂，为有效模拟分析进水口、闸墩等复杂细部结构对坝体抗震性能的影响，采用三维动力有限元针对设计地震工况进行分析。7#厂房坝段坝宽35 m、坝高103 m，10#溢流坝段坝宽20 m、坝高85 m，坝头主要采用结构混凝土，坝身主要采用大坝混凝土。坝段三维有限元模型采用8节点等参单元进行模拟，详细模拟坝体混凝土分区。地基模拟范围：上下游方向自坝踵、坝趾部位分别向上下游延伸3倍最大坝高；深度方向自最低建基面向下3倍最大坝高。坝体三维有限元模型见图4-图5。

图4 7#坝段三维有限元模型

图5 10#坝段三维有限元模型

3.2.2 大坝整体三维有限元模型

大坝坝体和地基均采用8节点块体单元，整体三维模型见图6，模型模拟了左右冲底孔、进水口、背管及厂房、坝头闸墩和挡水墙等。计算模拟范围：上下游方向自坝踵、坝趾部位分别向上下游延伸120 m；深度方向自最低建基面向下200 m，左右岸方向自坝顶高程的坝肩部位向两岸延伸向左右100 m。坝体横缝采用薄层单元模拟坝体横缝的影响，平行于缝面方向的弹模根据薄层单元厚度和横缝厚度(取为1 cm)比值进行折减；垂直于缝面方向(坝轴线方向)的弹模取为坝体混凝土的30%；剪切模量按照规范规定取为相应弹模的40%。

3.2.3 三维有限元计算结果

单坝段三维有限元分析成果表明，在静力荷载与规范谱地震荷载共同作用下，厂房坝段和溢流坝段地震动响应较大的部位主要是上游面直坡部位以及下游面折坡处；厂房坝段的上游面直坡部位以及下游圆弧处的竖向拉应力较大，局部达到4 MPa以上，溢流坝段坝踵处的拉应力达到5.0 MPa以上。

大坝-地基整体三维有限元分析成果表明，各坝段顺河向地震响应与坝段高度密切相关，坝顶最大峰值加速度出现在中间厂房坝段，为18.09 m/s2，与厂房坝段三维得到的顺河向加速度响应吻合，坝体横河向最大地震响应为15.5 m/s2。除溢流坝段闸墩部位横河向振动模态外，大坝自身未发现明显的横河向振动模态，闸墩在横河向地震作用下的地震响应十分强烈。近两岸坝段的地震响应远小于高度较高的厂房坝段，两侧坝段的约束作用减少了单坝段的地震响应，因此坝段横缝灌浆有利于提高大坝的整体抗震能力。闸墩在横河向地震作用下的横河向响应很大，尽管对大坝本身安全影响不大，但可能威胁到震后泄洪设施的正常功能。

图6 大坝全坝段-地基系统整体三维有限元模型

坝体的主拉应力集中区主要分布在5个区域，分别为各坝段上游建基面坝踵部位、溢流坝段的坝头闸墩和挡水墙部位、左右冲沙底孔坝段底孔进水口部位、厂房坝段的进水口部位、下游面主变平台折坡部位，局部主拉应力达到5～6 MPa左右以上，应采取一定的抗震措施，适当配置钢筋以限制裂缝。

3.3 大坝抗滑稳定分析

采用材料力学法和三维有限元法进行大坝抗滑稳定分析，主要成果如下：

1) 典型坝段平面有限元分析成果表明，静力工况下建基面抗滑稳定均满足规范要求，且有较大的安全裕度；设计地震工况下，各坝段沿建基面及坝体层间抗滑稳定性均满足现行规范的要求。

2) 左右岸坡坝段群侧向稳定三维有限元分析成果表明，设计地震工况时左岸岸坡部分的1#，2#坝段和右岸岸坡部分的14#，15#坝段，在包括横河向地震作用的多向地震荷载作用下，单坝段和联合坝段群沿建基面的的侧向稳定性满足要求。

3) 全坝段三维非线性有限元分析成果表明，设计地震工况下，溢流坝段的抗滑稳定安全裕度相对偏低，但其建基面抗力与水平作用的比值时程曲线，在整个地震过程中溢流坝段的抗滑稳定均满足了极限状态设计要求，大坝沿建基面抗滑稳定满足安全要求。

4 大坝抗震措施

通过上述抗震分析可知，设计地震工况下，部分区域应力集中产生较大的拉应力数值超过了混凝土抗拉强度，需采取相应的抗震措施。重力坝抗震设计遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的总体原则，主要采取以配置抗震钢为主，重点限制薄弱部位混凝土开裂，结合优化体型、混凝土分区优化、横缝接缝灌浆等其他措施为辅的抗震加固方案，做到抗震措施安全可靠、经济合理、可操作性强。

1) 配置抗震钢筋。在拉应力集中的区域配置抗震钢筋能减小裂缝宽度，有效控制裂缝发展，提高大坝抵抗地震破坏的能力，尤其是在主震后继续发生较强余震时，抗震钢筋对提高大坝整体抗震能力是有利的。大坝抗震钢筋配置方案为：大坝上游面全面布置两排φ32@200 mm的三级钢筋，坝踵、坝趾、上下游折坡处、上下游坝头等体型突变部位，布置三排φ32@200 mm的三级钢筋。

2) 优化大坝体型和混凝土分区。经综合分析，拟适当加大坝体基本三角形断面，大坝上游坡度为0.3(起坡点447.0 m)，下游坡度为0.8，坝顶宽为12 m，并尽量较少体型突变，在转折处采用圆弧过渡连接。此外，还优化坝体混凝土分区，有针对性地提高坝体相关部位的混凝土标号，提高拉应力集中区域的混凝土抗拉强度。

3) 坝体横缝和厂坝纵缝接缝灌浆处理。对横缝和厂坝纵缝进行接缝灌浆，将大坝和厂房联接成整体，增强大坝整体性，提高大坝整体抗震性能储备。

5 结 论

缅甸滚弄水电站工程处于高地震烈度区，地震动参数高，混凝土重力坝的抗震安全问题是工程最关键的技术问题之一。本文从平面二维、单坝段三维、整体大坝三维等3个层次，采用有限元法分析研究大坝在静动力工况下的工作性态，全面评价大坝抗震安全性，并提出相应的抗震措施，主要结论如下：

1) 地震荷载作用主要在坝体上下游表面产生较大的动力响应，大坝抗震的薄弱部位为坝踵、坝趾、上下游折坡体型突变部位及溢流坝段闸墩等。这些薄弱部位在地震期的应力水平较高，局部拉应力超过了混凝土动态抗拉强度，需在结构设计中采取配置抗震钢筋、优化体型等综合措施对这些部位进行加强。

2) 在设计地震作用下，大坝沿建基面及坝体层间抗滑稳定性均满足规范要求，大坝整体是安全稳定的。