印度尼西亞錫索坎大壩的抗震分析

[印度尼西亞]N.穆爾揚(yáng)托昂格等

劉洪亮 譯自英刊《水電與大壩》2009年第1期

印度尼西亞于2009年開始修建上錫索坎抽水蓄能電站。計劃使該電站的首批2臺機(jī)組于2013年投入運(yùn)行,其余2臺機(jī)組將于2014年投入運(yùn)行。電站總裝機(jī)容量為 4×260MW。

該工程由一家株式會社(Newjec)和一家聯(lián)營公司(Associates)2個單位承擔(dān)設(shè)計,設(shè)計工作已于2002年完成。該工程有2座壩:①上庫壩,是一座75 m高的 RCC建筑物;②下庫壩,也是 RCC建筑物,壩高 98 m。就地震荷載而言,這2座大壩均是按200a一遇運(yùn)行基本地震(OBE)設(shè)計的。設(shè)計報告已得到印度尼西亞國營電力公司(PLN)的批準(zhǔn)。

按照印度尼西亞的法規(guī),一座大壩在施工之前,其設(shè)計必須通過印度尼西亞大壩安全委員會的批準(zhǔn)。在水庫蓄水之前,業(yè)主必須獲得施工證書;在工程運(yùn)行之前,還必須獲得蓄水證書。

原則上,印度尼西亞大壩安全委員會批準(zhǔn)了上錫索坎抽水蓄能電站的設(shè)計方案。但是,還必須根據(jù)最大可信地震(MCE)對大壩及其方案進(jìn)行分析,而不是根據(jù) OBE進(jìn)行分析。在開展分析的過程中,該委員會參考了美國墾務(wù)局的“混凝土拱壩和重力壩的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”。

受 PLN的委托,印度尼西亞國營電力公司技術(shù)中心(Jasa Enjining)與印度尼西亞的各有關(guān)專家合作,對上錫索坎大壩的地震活動情況進(jìn)行研究和動力分析。印度尼西亞國營電力公司技術(shù)中心已與萬隆工程學(xué)院工業(yè)研究分院(LAPI ITB)簽訂了協(xié)議,進(jìn)行此項研究。

本文介紹了確定 MCE的地震風(fēng)險分析結(jié)果,并分析了與 MCE有關(guān)的2座 RCC大壩。報告指出,該壩址處 MCE峰值地面加速度為0.28 g。該值接近于200a一遇的 OBE。但是,根據(jù) MCE對該壩進(jìn)行的動力分析的結(jié)果表明,大壩并非十分堅固。

該分析是在三維模型上,應(yīng)用水平與垂直地震荷載分量進(jìn)行的。如果僅考慮水平地震荷載,則大壩沒有問題。而且,即使是考慮了垂直地震荷載,對大壩進(jìn)行的二維分析的結(jié)果也表明大壩沒有問題。

分析報告存在2個問題。首先,是否應(yīng)該考慮垂直地震荷載的分量;其次,只進(jìn)行二維分析而不進(jìn)行三維分析是否可行。該報告必須提交給印度尼西亞大壩安全委員會進(jìn)行審批。若大壩安全委員會拒絕該報告,則將對大壩設(shè)計方案進(jìn)行修改。

1 背 景

上錫索坎工程是印度尼西亞的第1座抽水蓄能電站。它位于西爪哇省錫塔倫河支流之一的錫索坎河上游端、雅加達(dá)東南150km處。壩址于20世紀(jì)80年代中期選定,1992～1995年,對該工程進(jìn)行了可行性研究。2001～2002年,進(jìn)行了細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計,緊接著于2006～2007年進(jìn)行了補(bǔ)充設(shè)計。

該工程包括上庫大壩和下庫大壩,均為碾壓混凝土大壩。上庫大壩最大壩高75.5 m,壩頂長 375 m;下庫大壩最大壩高 98 m,壩頂長294 m。兩座大壩均有一庫容約為1000萬 m3的水庫。連接兩座壩的輸水道包括2個進(jìn)水口、2條長約1.2 km的引水隧洞、2個縮束孔口調(diào)壓井、2條斜壓力鋼管、4條尾水隧洞和泄水建筑物。地下廠房高51 m、寬26 m,長156.6m,安裝 4臺額定容量為260MW的可逆式水輪發(fā)電機(jī)組。

如上所述,該工程由 Newjec和 Associates公司設(shè)計,已于2002年完成。設(shè)計報告已通過了 PLN審批。但是,根據(jù)印度尼西亞大壩安全委員會的政策,目前,還必須根據(jù) MCE對大壩進(jìn)行分析。

目前正在籌備為上錫索坎抽水蓄能電站投資事宜。世界銀行投資主體工程和工程的服務(wù)項目,而PLN則投資前期工程。屆時將成立一個項目審查小組(PRP),該小組由國內(nèi)和國外的專家組成,負(fù)責(zé)工程的設(shè)計和施工過程的檢查。項目審查小組還將對大壩的設(shè)計方案進(jìn)行審查。在等待完成投資過程的同時,印度尼西亞國營電力公司(PLN)還指派意大利實驗測試中心參與確定 MCE的地震分析,以及對受到 MCE影響的錫索坎大壩進(jìn)行動力分析。

2 大壩細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 地震分析

2.1.1 方 法

在進(jìn)行工程細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計期間,采用了以下地震分析方法。收集了全世界范圍的歷史地震資料。采用加速度衰減公式計算了壩址處由歷史地震誘發(fā)的加速度(表1)。從所有計算的加速度值中選出50例最大加速度。根據(jù)這50個值,對相應(yīng)于50a、100a和200a重現(xiàn)期的最大加速度和設(shè)計地震系數(shù)進(jìn)行分析。

表1 估算的錫索坎工程上下庫大壩的最大加速度

2.1.2 地震目錄

對地震數(shù)據(jù)的來源進(jìn)行了仔細(xì)分析,以便盡可能多地收集發(fā)生在世界各地的歷史地震資料。分析發(fā)現(xiàn),有222882個地震事件能夠滿足以下兩個條件:

(1)震級在里氏4.0級以上;

(2)震源深度不超過1000km。

所取的發(fā)生地震事件的時間為1904～1998年。

2.1.3 加速度衰減公式

通常,規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定在進(jìn)行水電工程地震風(fēng)險分析時,應(yīng)使用哪些衰減公式。往往是由顧問提出擬采用的衰減公式,然后經(jīng)工程業(yè)主同意即可。

一般是采用不同的公式來計算壩址處由特定震級地震產(chǎn)生的峰值地面加速度。計算加速度的公式視震級、距壩址的距離和震源而定。已采用以下公式作為錫索坎抽水蓄能電站的加速度衰減公式:

(1)梅吉雷公式(1974);

(2)福島 -田中公式(1990);

(3)日本建設(shè)省公式(1985)。

2.1.4 重現(xiàn)期的估算加速度

按重現(xiàn)期估算的地震加速度(cm/s2)的結(jié)果見表1。應(yīng)用上述 3個公式,對上下庫壩址處的加速度進(jìn)行了估算。

2.1.5 地震系數(shù)評估

由于簡單方便,在抗震設(shè)計中,通常采用靜態(tài)地震系數(shù)法。已有許多有關(guān)最大加速度與設(shè)計地震系數(shù)關(guān)系的報告,它們都是基于應(yīng)用下述公式:

式中,Kh為設(shè)計水平地震加速度;A為最大加速度;R為換算系數(shù)(0.4～0.6)。

換算系數(shù)的值取決于基礎(chǔ)硬度和地震周期。如果基巖堅硬,或者使用了較短地震周期,則可假定一個較小的換算系數(shù)值。如果基巖軟、預(yù)測的地震周期長時,則應(yīng)采用較大的換算系數(shù)。對于日本大壩的設(shè)計地震來講,最大加速度的重現(xiàn)期通常取200a。因此,設(shè)計地震系數(shù)的計算值如下:

(1)上庫大壩為 0.094～0.183

(2)下庫大壩為 0.097～0.195

壩址處的基巖假定是“堅硬”的,那么200a一遇的地震系數(shù)則為0.12。當(dāng)采用地震系數(shù)分析法時,水平地震系數(shù)超過20%,這樣就考慮了包括垂直運(yùn)動在內(nèi)的所有運(yùn)動。因此,對于地震系數(shù)法,設(shè)計水平地震系數(shù)取 Kh=0.15,而設(shè)計垂直地震系數(shù)取 Kυ=0。

2.1.6 大壩設(shè)計

在進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計期間,確定了上庫大壩和下庫大壩的主要特征,如表2所示。

2座大壩的各項參數(shù)數(shù)據(jù)列于表2。在分析中采用了地震系數(shù)法。如上所述,水平地震系數(shù)取值為 Kh=0.15,垂直地震系數(shù)取 Kυ=0。 Kh=0.15已經(jīng)考慮了垂直地震運(yùn)動。分析結(jié)果表明,大壩設(shè)計在承受地震事件的荷載方面是可以接受的。

表2 上下庫主要特征

3 地震分析評價

3.1 分析方法

如前所述,上錫索坎大壩抗震設(shè)計是基于OBE,采用200a一遇重現(xiàn)期。地震分析是采用概率地震風(fēng)險性分析法(PSHA)。印度尼西亞大壩安全委員會認(rèn)為:必須采用 MCE對大壩進(jìn)行校核。

獲取MCE的方法是基于 PSHA和DSHA。采用的 PSHA方法與以前研究中確定 OBE的方法相同。通過考慮明顯影響壩址的斷層,進(jìn)行 PSHA分析。

3.2 地震目錄

為了能夠盡量多的收集世界各地的地震歷史資料,調(diào)查了各種地震資料源。在分析中,應(yīng)用了以下資料:

(1)Arthur阿瑟?威赫曼目錄(至1957年);

(2)印度尼西亞巴丹氣象及地球物理索引(BMG)(1800～2008)年;

(3)國際地震中心(ISC)(1900～2008年);

(4)美國地質(zhì)調(diào)查局國家地震信息中心(NEIC)(1970～2008年);

(5)日本吉斯內(nèi)特(1997～2008年);

(6)德國波茨坦福斯春地理中心(2006～2008年)。

從上述資料源中查獲的資料滿足了2個條件:

(1)地震震級不小于里氏 4.0級;

(2)地震震源深度不超過150km。

3.3 分析資料

在分析中應(yīng)用了以下資料:

(1)楊氏模量(1997年);

(2)阿特金森和博爾(2003年)的理論資料;

(3)坎貝爾和波左尼亞(2003年)的理論資料;

(4)阿夫拉姆森和席爾瓦的理論資料。

3.4 概率與不確定性

為了獲得基巖的抗震標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行了地震事件計算,以提供500a、1000a等一遇地震事件的概率。分析方法是基于應(yīng)用 EQRISK(麥圭爾,1976年)的概率理論,其中某些衰減函數(shù)考慮了峰值地面加速度。

在分析中,可能存在如下不確定因素:

(1)由印澳板塊引起的界面削減地震活動,震級為里氏9.0級,不確定度為0.124;

(2)由巴里比斯/錫曼迪爾斷層(無能動斷層)引起的地震事件,ME=6.9(里氏),不確定度為0.192;

(3)能動斷層產(chǎn)生的地震活動,其強(qiáng)度 ME=6.0SR,不確定度為0.41。

考慮到上述不確定因素,可以看出,界面削減產(chǎn)生的地震很容易預(yù)測,而能動斷層產(chǎn)生的地震則很難預(yù)測。因此,應(yīng)在這兩個值中選擇不確定度。這意味著由巴里比斯/錫曼迪爾斷層引起的地震事件可作為最應(yīng)該考慮的地震。

3.5 結(jié)果與討論

地震風(fēng)險分析的結(jié)果示于表 3。表 3中列出了可能發(fā)生在壩址處的最大可信地震。為了設(shè)計所選擇和考慮的最大可信地震的值可作為最大考慮地震。

表3 地震風(fēng)險分析結(jié)果

基于上述理由,可以得出結(jié)論:根據(jù)錫索坎抽水蓄能電站壩址處按峰值地面加速度確定的最大考慮地震為2.75m/s2(0.28 g)。對于 0～1 s的自然周期,該值涉及到1000～2500a一遇的重現(xiàn)期。除了能動斷層外,該值考慮了影響該壩址的所有斷層。PGA的出現(xiàn)概率為最接近165 a。

4 大壩結(jié)構(gòu)的動力分析

4.1 結(jié)構(gòu)模擬和材料特性

應(yīng)用 ADINA對兩座大壩進(jìn)行了模擬和分析。大壩模擬應(yīng)盡可能接近實際設(shè)計圖紙。上庫大壩的壩頂高度為75.5 m,下庫大壩的壩頂高度則為 98 m。兩座大壩的上游斷面都是垂直的,下游坡均為斜面,H∶V=74∶1。采用二維和三維模型。兩種模型均是固體單元(圖1)。

圖1 上下庫大壩模型

計劃用于大壩的 RCC抗壓強(qiáng)度為15 MPa,因此,抗拉斷裂強(qiáng)度假定為 0.7 MPa,抗拉強(qiáng)度為2.711 MPa。

4.2 地震荷載

根據(jù)地震實測資料,模擬了壩址處人工土壤的運(yùn)動。有4種理論土壤運(yùn)動符合標(biāo)準(zhǔn),而所有響應(yīng)譜均接近按標(biāo)準(zhǔn)確定的響應(yīng)譜。一般來講,應(yīng)用的理論土壤運(yùn)動輸入值是基于加速度、速度或位移。在本研究中,位移可作為土壤運(yùn)動的輸入值,因為這樣應(yīng)用會更加符合地震荷載的實際情況。

4.3 大壩結(jié)構(gòu)的動力分析

下一步就是將地震荷載應(yīng)用于經(jīng)受過地震位移時程的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用非線性動力直接時域逐步積分法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該方法被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)動力分析的現(xiàn)狀。

二維分析結(jié)果表明,不管是上庫大壩或者是下庫大壩,均不存在可能引起大壩災(zāi)難性潰決的加荷情況。這意味著,盡管大壩某些部位可能會出現(xiàn)一些裂縫,但是不會潰決。

不過,對于三維模型,模擬結(jié)果則完全不同,如表4所示。

表4 大壩三維動力分析結(jié)果

5 結(jié)論與建議

根據(jù)上述研究分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)在上錫索坎抽水蓄能電站細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定的 OBE的峰值地面加速度結(jié)果為0.24～0.30g,與該研究得出的 MCE的結(jié)果為0.28 g非常接近。

(2)當(dāng)承受動力地震荷載時,大壩斷面采用的水平地震系數(shù)法(二維)被認(rèn)為不適用于代表大壩分析的實際情況。即使是將水平系數(shù)增大20%來考慮一切問題,包括地震事件的垂直方向,也是不夠的。

(3)采用二維和三維模型對兩座大壩的動力特性進(jìn)行了模擬分析,但得出的結(jié)論卻完全不同。所有二維分析結(jié)果表明,盡管會出現(xiàn)一些裂縫,但總體來講,大壩是安全的。然而,三維分析結(jié)果卻表明,在 8種荷載情況中,有5種情況會使兩座大壩潰決。

總之,必須對錫索坎抽水蓄能電站上下庫大壩的設(shè)計進(jìn)行修改,以確保大壩在受到 MCE時不會發(fā)生潰決。大壩風(fēng)險分析的結(jié)果 MCE為0.28 g(水平),是采用的垂直荷載應(yīng)力水平的 65%。對受到MCE影響的混凝土壩的動力分析,應(yīng)根據(jù)三維模型而不是二維模型進(jìn)行。

應(yīng)指派一個專家組(包括有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的世界級專家)來審查錫索坎大壩的設(shè)計方案,并對設(shè)計提出有建設(shè)性的建議。