丹江口水利樞紐右岸土石壩抗震安全復(fù)核研究

周 榮,梅潤(rùn)雨,魏匡民

(1.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司,湖北 丹江口 442700; 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430014; 3.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所,江蘇 南京 210024)

0 引 言

土石壩抗震安全歷來(lái)是工程建設(shè)與運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題,尤其是“5·12”汶川地震后,大壩抗震安全受到高度重視[1]。已有研究表明,土石壩震害類型主要包括地震導(dǎo)致的壩坡失穩(wěn)、地震永久變形及防滲系統(tǒng)損傷甚至破壞[2-4]。

丹江口水利樞紐為Ⅰ等工程,是開(kāi)發(fā)治理漢江的關(guān)鍵工程,同時(shí)也是南水北調(diào)中線的水源工程,分兩期進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)。初期工程于1958年9月動(dòng)工,1973年建成。大壩加高工程是在初期工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行續(xù)建,工程于2005年9月26日開(kāi)工,2013年完工,2014年汛后通水。丹江口大壩由河床及岸邊的混凝土壩和兩岸土石壩組成,屬于混合壩型。2017年秋汛期間,長(zhǎng)江水利委員會(huì)組織開(kāi)展了丹江口水庫(kù)164.0 m和167.0 m兩級(jí)水位蓄水試驗(yàn),庫(kù)水位首次超過(guò)初期工程壩頂高程。2021年10月10日首次蓄水至正常蓄水位170 m。從2013年完工至今,建筑物和機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)平穩(wěn),大壩總體工作性態(tài)正常[5-6]。

2015年,GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[7]正式頒布,依據(jù)最新地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖,國(guó)內(nèi)較多水利水電工程地震動(dòng)參數(shù)均有較大調(diào)整,為了保障工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行,需按最新地震動(dòng)參數(shù)復(fù)核工程安全。在新版規(guī)范中,丹江口大壩所在區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造背景、地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃等發(fā)生了較大的變化與調(diào)整。經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)丹江口大壩北側(cè)丹江口潛在震源區(qū)震級(jí)上限由5.5級(jí)提高至6.0級(jí)且范圍有所擴(kuò)大,大壩西側(cè)十堰潛在震源區(qū)震級(jí)上限由5.5級(jí)提高至6.0級(jí),復(fù)核峰值加速度較之前略有提高。

已有研究得出,土石壩和混凝土壩剛度存在明顯差別,剛度的不同將使各自壩段具有不同的振動(dòng)特性,土石壩與混凝土壩連接部位產(chǎn)生裂縫較難避免[8-9],然而相關(guān)的研究較少。值得說(shuō)明的是,丹江口右岸土石壩與混凝土壩連接,土石壩最大壩高60 m,在中國(guó)屬于前列,并無(wú)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)參考,抗震安全復(fù)核除了涉及壩體本身的壩坡穩(wěn)定和壩體變形問(wèn)題,土石壩和混凝土壩接觸連接部位是大壩抗震薄弱部位,值得重點(diǎn)關(guān)注。

本文通過(guò)類比類似工程壩料動(dòng)力試驗(yàn)成果確定土石壩填筑料力學(xué)參數(shù),構(gòu)建右聯(lián)混凝土壩和右岸土石壩三維有限元精細(xì)化模型,考慮土石壩和混凝土壩復(fù)雜接觸狀態(tài),分析大壩在正常蓄水期遭遇地震工況下大壩的安全狀態(tài),重點(diǎn)分析壩坡穩(wěn)定性、防滲體心墻安全性以及兩岸土石壩與混凝土壩接頭部位的變形協(xié)調(diào)性。研究結(jié)論在為本工程安全運(yùn)行評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐的同時(shí),也可為其他同類工程提供借鑒。

1 工程概況

丹江口水利樞紐右岸土石壩為改線新建而成。右岸土石壩與混凝土壩右5、右6壩段下游面正交連接,為黏土心墻壩,壩頂軸線長(zhǎng)877 m;右岸土石壩上游壩坡1∶2.25～1∶2.50,下游壩坡1∶2.00～1∶2.25,頂寬10 m,上設(shè)1.4 m高防浪墻,上游護(hù)坡采用現(xiàn)澆混凝土、下游護(hù)坡采用混凝土格柵和草皮組合護(hù)坡。坡腳在高程較低設(shè)排水堆石棱體,頂寬2 m;上、下游壩坡均設(shè)有3級(jí)寬為2 m的馬道。心墻頂高程176.10 m,頂寬13.25～3.00 m,上游側(cè)坡比為1∶0.20～1∶0.55,下游側(cè)坡比為1∶0.20～1∶0.67。右岸土石壩典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 右岸土石壩典型斷面圖(尺寸單位:cm)Fig.1 Typical section of earth-rock dam on the right bank

右岸土石壩壩頂高程176.6 m,大壩正常蓄水位170.00 m,設(shè)計(jì)洪水位172.20 m,校核洪水位174.35 m。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

在構(gòu)建土石壩有限元模型時(shí),單元根據(jù)大壩填筑施工順序排序,實(shí)體單元一般采用8結(jié)點(diǎn)六面體等參實(shí)體單元,為適應(yīng)邊界條件以及壩料分區(qū)的變化,部分區(qū)域采用了三棱體和四面體退化單元。有限元模型中,右岸土石壩單元數(shù)為99萬(wàn)個(gè),結(jié)點(diǎn)數(shù)為95萬(wàn)個(gè),有限元網(wǎng)格分布詳見(jiàn)圖2。

圖2 右岸土石壩三維有限元幾何模型Fig.2 Three dimensional finite element geometric model of earth-rock dam on the right bank

2.2 動(dòng)力本構(gòu)模型

采用等價(jià)黏彈性模型[10],動(dòng)力剪切模量G和阻尼比λ按下列兩式計(jì)算:

(1)

(2)

2.3 心墻抗剪安全系數(shù)

心墻抗剪安全性根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則計(jì)算[11],考慮地震動(dòng)剪應(yīng)力時(shí),心墻抗剪安全系數(shù)可表達(dá)為

(3)

式中:(τd)eff為等效動(dòng)剪應(yīng)力;(τd)max為地震過(guò)程中單元?jiǎng)蛹魬?yīng)力過(guò)程線的峰值。該公式中,當(dāng)安全系數(shù)FS≥1時(shí),單元未發(fā)生破壞;當(dāng)安全系數(shù)FS<1時(shí),單元發(fā)生剪切破壞。

2.4 計(jì)算參數(shù)

2.4.1筑壩料靜動(dòng)力參數(shù)

土石壩心墻黏土料和壩殼砂礫石料的本構(gòu)模型參數(shù)計(jì)算采用鄧肯E-B模型[12-14],壩體反濾料計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程類比確定。由于本工程未開(kāi)展壩料動(dòng)力試驗(yàn),動(dòng)力計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程類比確定,選擇壩料巖性與本工程接近的試驗(yàn)成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)本工程壩料特點(diǎn)、級(jí)配特征、設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn),以及相應(yīng)靜力三軸試驗(yàn)的結(jié)果,結(jié)合兩岔河心墻壩、將軍廟砂礫石壩和蘇洼龍瀝青混凝土心墻壩等工程壩料材料參數(shù)的靜動(dòng)力試驗(yàn)參數(shù)資料[15-16],類比給出本工程各分區(qū)的計(jì)算參數(shù)。得到的丹江口水庫(kù)右岸土石壩心墻料、壩殼料、反濾料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1～2。

表1 丹江口土石壩筑壩材料鄧肯模型參數(shù)Tab.1 Duncan model parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

表2 丹江口土石壩筑壩材料動(dòng)力參數(shù)Tab.2 Dynamic parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

壩料流變模型參數(shù)結(jié)合土石壩表面沉降數(shù)據(jù),選擇右岸土石壩壩頂部分測(cè)點(diǎn)(鄰近混凝土壩)沉降過(guò)程線與壩頂測(cè)點(diǎn)沉降縱向分布作為基本依據(jù)反演得出,并參考相似工程(苗尾心墻壩[2])的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)算采用的流變模型參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 丹江口右岸土石壩流變模型參數(shù)Tab.3 Rheological model parameters of right bank earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

2.4.2接觸面參數(shù)

土體與混凝土材料之間采用殷宗澤薄層單元[17],計(jì)算參數(shù)同土石壩料靜動(dòng)力參數(shù)。

2.4.3地震動(dòng)輸入?yún)?shù)

根據(jù)GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[7]和GB 51247-2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[18],本次計(jì)算設(shè)計(jì)地震取100 a內(nèi)超越概率2%地震動(dòng),校核地震取100 a內(nèi)超越概率1%地震動(dòng)。表4給出了壩址的50 a超越概率10%、5%、2%和100 a超越概率5%、2%、1%的水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜(阻尼比5%)參數(shù)。對(duì)應(yīng)的100 a超越概率2%、1%加速度時(shí)程如圖3,4所示(各3組)?？紤]到丹江口水利樞紐工程的重要性,本次計(jì)算地震動(dòng)偏安全地采用三向地震動(dòng)輸入,豎向地震動(dòng)取水平向的2/3[19]。

表4 丹江口大壩設(shè)定地震動(dòng)參數(shù)(阻尼比5%)Tab.4 Set ground motion parameters of Danjiangkou Dam (damping ratio 5%)

圖3 100 a超越概率2%加速度時(shí)程曲線Fig.3 Acceleration time course profiles with a 2% probability of exceedance in 100 years

圖4 100 a超越概率1%加速度時(shí)程曲線Fig.4 Acceleration time course curves for conditions with a 1% probability of exceedance in 100 years

3 抗震安全復(fù)核分析

3.1 大壩動(dòng)力響應(yīng)

表5給出了6種組合地震動(dòng)輸入下的右岸土石壩動(dòng)力反應(yīng)。綜合來(lái)看,100 a超越概率2%情況下,組合4(X方向輸入時(shí)程2、Y方向輸入時(shí)程3、Z方向輸入時(shí)程1)較其他組合的大壩動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈,同理,100 a超越概率1%情況下,組合4較其他組合的大壩動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈,故本文選取地震動(dòng)輸入?yún)?shù)組合4作為最不利工況進(jìn)行抗震復(fù)核分析。

表5 場(chǎng)地譜100 a超越概率2%地震右岸壩體動(dòng)力反應(yīng)Tab.5 Dynamic response of the right bank dam for earthquakes with a 2% probability of site spectral exceedance in 100 years

3.1.1加速度響應(yīng)

設(shè)計(jì)地震工況下,壩頂最大加速度反應(yīng)分別為3.85 m/s2和2.72 m/s2,對(duì)應(yīng)于輸入的水平基巖峰值加速度1.57 m/s2和豎向基巖峰值加速度1.05 m/s2,上下游向和豎向加速度最大放大倍數(shù)分別為2.45,2.60。從最大反應(yīng)加速度分布(圖5)可以看到,土石壩壩頂?shù)摹氨奚摇毙?yīng)明顯,符合土石壩地震響應(yīng)的一般規(guī)律[20]。

圖5 設(shè)計(jì)地震工況右岸土石壩最大地震反應(yīng)加速度放大倍數(shù)Fig.5 Amplification factor of maximum seismic response acceleration of right bank earth-rock dam under design seismic condition

校核地震工況下,壩頂最大加速度反應(yīng)分別為4.47 m/s2和2.72 m/s2,上下游向和豎向加速度最大放大倍數(shù)分別為2.29,2.51。由此可見(jiàn)校核地震時(shí)的大壩動(dòng)力反應(yīng)加速度放大倍速稍小。

3.1.2動(dòng)位移

設(shè)計(jì)地震工況下,壩體最大動(dòng)位移分布如圖6所示,上下游向、垂直向動(dòng)位移最大值分別為21.2 cm、19.8 cm。

圖6 設(shè)計(jì)地震工況右岸土石壩最大動(dòng)位移分布(位移單位:cm)Fig.6 Maximum dynamic displacement distribution of earth-rock dam on the right bank under design earthquake condition

校核地震工況右岸土石壩壩體最大動(dòng)位移分布與設(shè)計(jì)地震工況類似,上下游向、垂直向動(dòng)位移最大值分別為35.1 cm、29.6 cm。

3.1.3地震永久變形

設(shè)計(jì)地震工況下,大壩上下游向、垂直向永久變形分布如圖7所示。心墻壩指向下游永久變形最大值為12.2 cm,壩體震陷最大值為16.4 cm。最大震陷約占?jí)胃?最大壩高60 m)的0.27%,符合碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定[21]。

圖7 設(shè)計(jì)地震工況右岸土石壩永久變形分布(變形量單位:cm)Fig.7 Permanent deformation distribution of right bank earth-rock dam under design earthquake condition

校核地震工況右岸大壩上下游向、垂直向永久變形分布與設(shè)計(jì)地震工況類似。心墻壩指向下游永久變形最大值為21.5 cm,壩體震陷最大值為25.1 cm。永久變形有所增大。

對(duì)右岸土石壩壩體在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)地震動(dòng)作用下的動(dòng)應(yīng)力變形進(jìn)行計(jì)算分析,壩體抗震復(fù)核結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 壩體抗震復(fù)核結(jié)果Tab.6 Seismic review results of dam body

3.2 右岸土石壩與混凝土壩接觸變位

設(shè)計(jì)地震工況下,右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的相對(duì)位移矢量見(jiàn)圖8,土石壩相對(duì)混凝土壩的位移在土石壩上游與混凝土壩右7壩、右8壩、右9壩、右10壩段接觸部位、高程162.3～176.6 m位置較大。地震引起的心墻相對(duì)混凝土壩的沉降為1.51 cm;順河向位移0.84 cm;左右岸向位移1.69 cm,張拉區(qū)最大深度為0.68 m。地震引起的壩殼料相對(duì)混凝土壩的沉降為3.8 cm;順河向位移1.1 cm;左右岸向位移3.1 cm,張拉區(qū)最大深度為1.22 m。

圖8 右岸土石壩與混凝土壩接觸部位相對(duì)位移矢量(設(shè)計(jì)地震工況)Fig.8 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (Design seismic condition)

校核地震工況下,右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的相對(duì)位移矢量見(jiàn)圖9。地震引起的心墻相對(duì)混凝土壩的沉降為1.96 cm;順河向位移1.07 cm;壩軸向位移2.71 cm,張拉區(qū)最大深度為0.76 m。地震引起的壩殼料相對(duì)混凝土壩的沉降為4.9 cm;順河向位移1.6 cm;壩軸向位移5.8 cm,張拉區(qū)最大深度為1.35 m。

圖9 右岸土石壩與混凝土壩接觸部位相對(duì)位移矢量(校核地震工況)Fig.9 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (check seismic condition)

由此可見(jiàn),地震情況下,壩頂接頭部位存在發(fā)生裂縫的可能性。從計(jì)算結(jié)果看,大壩心墻部位相對(duì)變位較小、張拉趨勢(shì)不明顯,且接頭部位設(shè)置了混凝土齒墻,接頭部位工作性態(tài)總體安全。

3.3 心墻抗剪安全性

圖10為設(shè)計(jì)地震及校核地震工況下右岸土石壩心墻0+43.0剖面抗剪安全系數(shù)分布,從圖中可以看出,心墻內(nèi)抗剪安全系數(shù)在1.5以上,心墻防滲體不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

圖10 地震期0+43.0剖面心墻抗剪安全系數(shù)分布Fig.10 Distribution of shear safety factor of core wall section of 0+43.0 section during earthquake

3.4 壩坡抗震穩(wěn)定性

動(dòng)力有限元法邊坡穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)按GB 51247-2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求執(zhí)行[18]。對(duì)于設(shè)計(jì)地震工況,上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)在2.6上下波動(dòng),最小安全系數(shù)為0.892(出現(xiàn)時(shí)刻3.44 s),壩坡安全系數(shù)有小于1的情況,持時(shí)極短(0.10 s),并且Newmark法計(jì)算出的累計(jì)滑動(dòng)位移量為7.0 cm,遠(yuǎn)低于0.6 m,壩坡穩(wěn)定,見(jiàn)圖11。下游壩坡安全系數(shù)均大于1.0,最小安全系數(shù)為1.111(出現(xiàn)時(shí)刻7.28 s),壩坡不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖11 設(shè)計(jì)地震工況右岸壩坡安全系數(shù)時(shí)程線Fig.11 Time course curves of safety factor of right bank dam slope under design earthquake condition

對(duì)于校核地震工況(圖12),上游壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為0.786(出現(xiàn)時(shí)刻3.22 s),下游壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為0.864(出現(xiàn)時(shí)刻6.54 s),壩坡安全系數(shù)有小于1的情況,持時(shí)極短,分別為0.38 s和0.18 s,且Newmark法計(jì)算出的累計(jì)滑動(dòng)位移量分別為10.0 cm、7.3 cm,遠(yuǎn)低于0.6 m,壩坡不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖12 校核地震工況右岸壩坡安全系數(shù)時(shí)程線Fig.12 Time course curves for checking safety factor of right bank dam slope under seismic condition

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 運(yùn)行期遭遇設(shè)計(jì)地震情況下,右岸土石壩壩體上下游向及垂直向最大反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為2.45,2.60,壩體震陷最大值為16.4 cm,最大震陷約占?jí)胃?最大壩高60 m)的0.27%。壩體地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律正常,符合土石壩地震響應(yīng)的一般規(guī)律。

(2) 運(yùn)行期遭遇校核地震工況下,右岸土石壩壩體動(dòng)力應(yīng)力變形規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況計(jì)算結(jié)果大體相同,只是壩體反應(yīng)加速度放大倍數(shù)有所減小,而動(dòng)位移、地震永久變形等動(dòng)力特征值都有所增大,但仍在正常范圍內(nèi)。

(3) 在地震荷載作用下,右岸土石壩的心墻動(dòng)力抗剪安全系數(shù)均在1.0以上,防滲體心墻不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

(4) 在正常蓄水期遭遇設(shè)計(jì)地震和校核地震情況下,右岸土石壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

(5) 右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的變形值得關(guān)注。接觸面在運(yùn)行期已有部分相對(duì)變位,在遭遇地震的情況下,接觸面相對(duì)變位將進(jìn)一步增加。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,較大相對(duì)位移主要出現(xiàn)在壩殼料區(qū)域,心墻結(jié)合部位相對(duì)變位較小,且接頭處設(shè)有混凝土齒墻,接頭部位的工作性態(tài)總體安全。在工程運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè),一旦發(fā)生地震,應(yīng)及時(shí)巡視檢查處理。