水电站大坝抗震防震研究

吴志波

摘要：DK水电站位于云南省的西南部，处在腾冲—龙陵和耿马—澜沧次级地震活动带上，其周边经常发生地震，所以对其进行在设计中必须考虑地震因素的影响，对其进行抗震防震研究。
关键字：地震烈度抗滑稳定分析抗剪断坝踵坝趾敏感性分析
Abstract: in yunnan province is located in the southwest of DK hydropower station, in LongLing segmented-and gengma-LanCang subprime seismic activity on its neighboring earthquakes occur frequently, so the design must be considered in the earthquake factors, the earthquake seismic research.
Key word: seismic intensity of sliding stability analysis of shear broken dam heel dam toe sensitivity analysis

中图分类号：U452.2+8       文献标识码：A        文章编号：
1、大坝基本资料
拦河坝最大坝高68.4m，总库容5324.2万m3，电站装机容量120MW。
依据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）规定，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型；建筑物级别：枢纽主要建筑物的大坝为3级建筑物。
根据枢纽主要建筑物级别，确定大坝的安全级别为II级。
洪水标准
运用情况洪水频率（重现期）
校核情况 0.1％（1000年）
设计情况 1％（100年）
拦河大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高68.4m，坝顶长度293m，共分13个坝段，由左岸非溢流坝段即1#~4#坝段、溢流表孔坝段即5#~6#坝段、溢流冲沙底孔坝段即6#坝段、发电取水坝段即7#~9#坝段、右岸非溢流坝段即10#~13#坝段组成，非溢流挡水坝段总长193.5m，溢流表孔及冲沙坝段总长47m，电站进水口坝段总长52.5m，最大坝高位于4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#坝段。
溢流表孔共3孔，布置在第5#、6#坝段，5#坝段宽24.0m，堰顶高程1008.80m，单孔尺寸宽×高＝7.8m×10.2m，溢流总净宽3×7.8=23.4m。
冲沙底孔共1孔，布置在第6#坝段，坝段宽23.0m，进口高程为970.00m，孔身尺寸宽×高＝6m×6.3m。
发电取水坝段位于右岸第7#、8#、9#坝段内，每个坝段宽17.5m，主要由进口拦污栅、闸门井段、压力钢管段等组成。设三个取水口，取水口底板高程995.00m。闸门井段内依次设有平板检修门，孔口尺寸5.0m×7.1m；平板事故快速闸门，闸门孔口尺寸5.0m×5.8m。事故门后接C20钢筋混凝土方变圆段，顶部设1Ф1000mm通气孔。渐变段后为压力钢管。
2、地震参数选择
根据中华人民共和国国家标准《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），工程区位于地震动峰值加速度0.30g、地震动反应谱特征周期0.30s的范围边缘地带。
工程场地地震动参数建议值：地震动峰值加速度50年超越概率10%为0.24g，5%为0.30g，场地基岩地震动反应谱特征周期为0.30s。
当涉及地基处理﹑构造措施或其他防震减灾措施时，场地的地震基本烈度可按Ⅷ度考虑。
3、抗震计算分析和评价
3.1、抗震计算表达式
根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—2000）水工建筑物抗震强度按承载能力极限状态进行设计，表达式如下：
     γ0ψS（γGGk，γQQk，γEEk，ak）≤R(fk/γm，ak）/γd
     式中， γ0   —   结构重要性系数
ψ —   设计状况系数，地震情况为0.85
S（*） — 结构的作用效应函数
γG    —   永久作用的分项系数
Gk   — 永久作用的标准值
γQ — 可变作用的分项系数
Qk   — 可变作用的标准值
γE — 地震作用的分项系数，为1.0
Ek — 地震作用的代表值
ak   — 几何参数的标准值
γd   — 承载能力极限状态的结构系数
R（*）— 结构的抗力函数
fk— 材料性能的标准值
γm — 材料性能的分项系数
3.2、混凝土重力坝抗震分析
DK水电站大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高68.4m。大坝工程抗震设防类别为丙类，设计采用拟静力法法进行地震作用效应计算。
3.2.1、坝体与坝基接触面抗滑稳定分析及坝踵、趾应力分析
荷载组合考虑正常蓄水位工况荷载+地震作用情况。
采用基准期50年超越概率10%的地震动参数作为设计地震参数，即地震水平向设计地震加速度代表值ah=0.24g。
地震工况下(水平向设计地震加速度代表值（ah=0.24g）的坝基面抗滑稳定和坝踵、坝趾应力分析分用电力版《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）进行计算，计算公式及结果如下：
坝趾、坝踵垂直应力计算公式按规范推荐的公式计算，见下式：
坝趾抗压强度承载能力极限状态：
作用效应函数S（.）=
抗压强度极限状态抗力函数R（.）=或R（.）=
式中：－坝基面上全部法向作用之和，kN；
－全部作用对坝基面形心的力矩之和，kN.m；
－坝基面的面积，㎡；
－坝基面对形心轴的惯性矩，m4；
－坝基面形心轴到下游面的距离，m；
－坝体下游坡度
－混凝土抗压强度，kPa；
－基岩抗压强度，kPa。
坝踵垂直应力不出现拉应力，计算公式为：

式中：－坝基面形心轴到上游面的距离，m。
坝体抗滑稳定和坝趾、坝踵垂直应力分析成果见表

坝体抗滑稳定计算成果表（ah=0.24g)
计算工况计算剖面计算参数选取坝体砼与基岩接触面的抗滑稳定备注
     C′（MPa） f′ 总作用效应（kN）总抗力（kN）结论
特殊组合
（正常蓄水位+地震） 1#坝段 0.9 0.9 8051.08 14341 满足要求
2#坝段 0.9 0.9 11259.46 19397 满足要求
3#坝段 0.9 0.9 14323.93 23222 满足要求
4#坝段 0.9 0.9 23474.93 39089 满足要求
5#溢流表孔坝段 0.6 0.8 569205.27 881682 满足要求
6#冲砂、溢流坝段 0.8 0.8 533093.77 886170 满足要求
7、8、9#取水口坝段 0.9 0.9 438879.32 806861 满足要求
10#坝段 0.8 0.8 25248.52 33422 满足要求
11#坝段 0.9 0.9 20361.58 32425 满足要求
12#坝段 0.9 0.9 11383.48 19492 满足要求
13#坝段 0.9 0.9 5486.05 11934 满足要求

坝踵、坝趾应力分析成果表（ah=0.24g)
计算工况计算剖面坝踵垂直
应力(MPa) 坝趾抗压强度(MPa)   备注
     应力
(MPa) 允许值
(MPa) 应力(MPa) 坝基容许压应力值(MPa) 结论

特殊组合（正常蓄水位+地震） 1#坝段 0.062 ≥0 0.782 6 满足要求
2#坝段 0.054 ≥0 0.956 6 满足要求
3#坝段 0.069 ≥0 1.028 6 满足要求
4#坝段 0.133 ≥0 1.167 6 满足要求
5#溢流表孔坝段 0.074 ≥0 1.842 5 满足要求
6#冲砂、溢流坝段 0.023 ≥0 1.854 5 满足要求
7、8、9#取水口坝段 0.289 ≥0 1.18 6 满足要求
10#坝段 0.089 ≥0 1.397 5 满足要求
11#坝段 0.062 ≥0 1.267 6 满足要求
12#坝段 0.058 ≥0 0.96 6 满足要求
13#坝段 0.073 ≥0 0.675 6 满足要求
计算结果表明，在正常蓄水位工况荷载+地震作用（ah=0.24g）情况下，抗滑稳定满足规范要求。坝踵垂直正应力均为压应力，未出现拉应力。坝趾压应力值小于地基允许承载力，满足规范要求。