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浩口混凝土重力坝非溢流坝段抗震安全评价

文档作者：张腾蛟沈振中梁亮杨磊文档来源： 1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 2．河海大学水利水电学院 3．苏州市水利设计研究院有限公司，		点击数：	更新时间： 2024年02月22日
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第10卷第6期
2012年12月
南水北调与水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&amp;amp; Technology
V0I．10 No．6
Dec．2012
doi：10．3724／SP．J．1201．2012．06018
浩，口H口混， 匕 凝土重力坝非溢流坝段抗震 安全评价
张腾蛟 ，沈振中 ，梁 亮。，杨磊
(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098；
2．河海大学水利水电学院，南京210098；3．苏州市水利设计研究院有限公司，江苏苏州215004)
摘要：根据浩13水电站工程的实际情况，采用三维有限元法，建立了混凝土重力坝非溢流坝典型坝段的三维有限元
模型。在获得坝体静力场的基础上，将动力分析反应谱法计算所得的动力分析结果与大坝在正常蓄水工况下静力
分析成果进行叠加，得到大坝在静动力作用下的坝体应力。据此，根据刚体极限平衡原理对大坝进行强度和抗滑稳
定性分析和评价。结果表明，大坝在设计地震作用下强度满足规范要求，坝基面抗滑稳定安全系数4．4，大于规范
允许最小安全系数。因此，坝体是安全的。
关键词：混凝土重力坝；三维有限元法；振型分解反应谱法；静动应力叠加；地震响应；强度；抗滑稳定安全系数
中图分类号：TV642．3 文献标识码：A 文章编号：1672—1683(2012)06—0018—05
Earthquake-resistance Safety Evaluation of Non-overflow Section
of Haokou Concrete Gravity Dam
ZHANG Teng-jiao ，SHEN Zhen-zhong ，LIANG Lianga，YANG Lei ’
(1．StateKey Laboratory of Hydrology-WaterResources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing
210098，China；2．T^8 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，
Na ing 210098，China ；3．Suzhou Water Design and Research Insitute Co．，Ltd，Suzhou 215004，Ch ina )
Abstract：According to the actual conditioas of Haokou hydropower station．a three-dimensional finite element model was developed for
the typical non-overflow section of Haokou concrete gravity dan1．Based on the static field of the dam。the dynamic analysis re—
sults obtained from the response spectrum method were superimposed with the static analysis results determined by the norm al
storage of the dam，which provided the dam stress under the static and dynamic forces．The strength and ability against sliding
of the dam were analyzed and evaluated using the rigid body limit equilibrium theory．The results demonstrated that the strength
of the dam meets the standard requirement under the design earthquake action．The safety factor against sliding the dam founda—
tion was 4．4，which was greater than the minimum safety factor allowed by the standard，and therefore the dam is safe．
Key words：concrete gravity dam；three-dimensional finite element method；mode-superposition response spectrum method；SU—
perposition of dynamic and static stress；earthquake response；strength；safety factor against sliding
浩口电站位于重庆市武隆县南部，是一座以发电为主的
中型水电枢纽工程。坝址位于乌江南岸芙蓉江下游、重庆市
武隆县浩13乡浩13村附近的河段上，控制集水面积7 400
km2。水电站主要任务为发电，水库总库容9 412万m3，电
站装机容量125 MW。工程等别为三等，其永久性水工主要
建筑物Ok坝、引水系统、厂房)级别为3级，次要建筑物为4
级，临时建筑物为5级。工程按Ⅵ度设防，其抗震设防类别
为丙类。地震动峰值加速度按规范取0．05 g。考虑到复杂
的地形和地质条件，需要进行专门的抗震研究。
拦河大坝为碾压混凝土重力坝，共分9个坝段：左岸3
个挡水坝段，中间3个溢流坝段及右岸3个挡水坝段。坝轴
线长212．08 m，坝顶高程356．5 m，坝顶宽10．0 m，最大坝高
91．5 m，最大坝宽72．10 m，建基面高程265．O0 m。左挡水
坝段长6O．88 m，右挡水坝段长66．22 m，溢流坝段长85．0
m。坝体上游面295．0 m 以上铅直，以下为斜坡，坡比
1：0．2；挡水坝段下游面坡比1：0．7，折坡高程340．57 m，
收稿日期：2012—08—26 修回日期：2012—11—03 网络出版时间：2012—11—25
网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／13．1334．TV．20121125．1103．022．html
基金项目：国家自然科学基金项目(51179062)
作者简介：张腾蛟(1988一)，男，江苏如东人，硕士，主要从事大坝地震安全方面的研究 E-mail：ztjclark@126．COrn
通讯作者：沈振中(1968一)，男，江苏吴江人，教授、博导，长期从事水工结构工程和岩土工程研究。E-mail：zhzhshen@hhu．edu．cn
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＆l ‰ || d| l3| | 4％ ∞ |潍％|
张腾蛟等·浩口混凝土重力坝非溢流坝段抗震安全评价
溢流坝段下游坡比1：0．7。
考虑到该工程地质条件复杂，且大坝属高坝，需要对该
坝进行动力响应分析，评价其抗震安全性。此坝非溢流坝段
为岸坡坝段，本文选取非溢流坝的典型坝段，采用三维有限
元法l】 建立浩口混凝土重力坝非溢流坝的三维有限元模型，
在获得大坝初始应力状态下，将动力分析反应谱法计算所得
的动力分析[a-s]结果与大坝在正常蓄水工况下静力分析成果
进行叠加，得到大坝在静动力作用下的坝体应力，据此对大
坝进行强度和抗滑稳定性分析和评价[6 ]。
1 坝体结构及工程地质条件
浩口重力坝非溢流坝的典型坝段结构见图1。该坝段最
大高度41．5 m，坝基边坡陡峻，形态复杂。
根据地表地质测绘和试验成果分析，将坝基(P m2)、
(Ptq )、(Plq3)看作同一坝基岩体，(P1 m1)、(P1q2)分别看作
两个坝基岩体。
灰岩(P rn2、P q 、P q3)坝基：为厚层状结构，根据平面
测绘和钻孔揭示；浅表结构面中等发育，不存在不稳定的棱
体，岩体较完整，岩石饱和抗压强度大于40 iVIPa，中硬岩，
属ⅢI B。
眼球状灰岩坝基(P m )：岩石饱和抗压强度多小于30
MPa，属软质岩，为薄层状结构，结构面中等发育，多闭合，岩
体较完整，属Ⅳc。
薄层状有机质灰岩(P q2)：岩石饱和抗压强度多大于3O
iVIPa，属中硬岩，为薄层状结构，结构面中等发育，多闭合，岩
体较完整，属Ⅲze。
隧洞最大埋深125 m，洞轴线与岩层夹角变化大，穿越
地层包括：二叠系茅13组第二段(P m2)中厚层状灰岩；茅
口组第一段(P1m )眼球状灰岩；栖霞组一至三段(PIq 。)灰
岩、有机质灰岩、结核状灰岩及硅质灰岩；二叠系下统梁山
组(P L)铝土岩；志留系上统罗弱平组(S1 rL)页岩。在茅口
组和栖霞组地层中页岩、炭质页岩发育较多，厚度一般小于
5 cm，最大厚度80 cm，多含方解石脉，局部夹层见有糜棱岩，
绕曲明显。
． ! ．
图1 非溢流坝的典型坝段结构
Fig．1 Structure of the typical section of non-overflow dam
2 三维有限元模型
根据结构特性以及分析要求，考虑到廊道尺寸相对于坝
体尺寸较小，且对坝体和坝基整体应力影响较小，因此，计算
模型忽略了廊道的影响。有限元模型采用的单元类型为
Solid65和Solid45，分别用于模拟坝体混凝土和坝基岩体。
坝体混凝土作为线弹性材料，坝基岩体作为弹塑性材料，动
力计算时岩基考虑为无质量弹性地基[1 。
采用ANSYS软件建立三维有限元模型_8 ]，并进行计
算分析。根据非溢流坝的实际情况，计算范围如下：X方向，
以365 m高程坝体上游面处为零点，上游取至 —一140 m，
下游取至x一190 m，基岩取约1．5倍最大坝高；y方向，非
溢流坝最大坝高断面基面高程约为270．00 m，坝基岩体约1
倍最大坝高；Z方向，取一个坝段，为25．5 m。根据实际情
况，非溢流坝段的坝基面为折面。
采用超单元自动剖分技术生成非溢流坝段三维有限元网
格。离散后，网格结点总数是27 568，单元总数是22 990，有限
元网格见图2。计算时，模型底部边界为固定约束，上、下游截
取边界为X向约束，在坝轴线向，两侧面为z向约束。
图2 非溢流坝段有限元网格
Fig．2 The finite element mesh of non-overflow section of the dam
3 荷载工况和计算参数
3．1 荷载工况
根据坝区抗震设计要求，参照《水工建筑物抗震设计规
范》DL 5073—2000E ]，动力反应计算考虑“正常蓄水位+地
震”的工况。上游为正常蓄水位352．00 m，下游水位
330．08 m。
本工程根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—
2000)及浩口电站场地地震报告，设计加速度反应谱见图3。
图3 设计加速度反应谱
Fig．3 The response spectrum of design acceleration
图中fl(T)为最大加速度反应与地面加速度峰值的比值
(称为动力系数)，最大动力系数盆 取2．0。特征周期 取
0．35 S。
3．2 计算参数
三维有限元法计算分析的应力符号规定为：拉应力为
· 19 ·
第10卷总第63期·南水北调与水利科技·2012年第6期
正、压应力为负。
静力分析采用的各分区材料物理力学参数见表1。动力
分析时，根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000)E”]，
混凝土的动态弹性模量的标准值较其静态标准值提高30％。
非溢流坝段各分区混凝土及基岩计算参数见表2。
表1 静力计算时坝体和坝基材料参数
Table 1 Material parameters of dam and its foundation
for the static calculation
表2 动力计算时坝体和坝基材料参数
Table 2 Material parameters of dam and its foundation
for the dynamic calculation
4 坝体地震响应分析及安全评价E12-15-I
4．1 坝体静力状态
在该坝段最大断面上，正常蓄水位工况下，该坝段最大
第一主应力(坝踵)为压应力，其值为一O．259 MPa；最小第三
主应力(坝趾)为压应力，其值为一2．305 MPa；垂直应力均为
压应力，在坝趾处最大。
在该坝段最小断面上，正常蓄水位工况下，该坝段最
大第一主应力(坝踵)为拉应力，其值为3．216 MPa；最小
第三主应力(坝趾)为压应力，其值为一0．890 MPa最大
垂直应力(坝踵)为拉应力，其值为0．192 MPa。应力分
布见图4。
· 20 ·
4．2 动力响应分析
4．2．1 坝体自振特性分析Ll。]
在进行反应谱分析之前首先进行非溢流坝段的模态分
析，即坝体的固有振动特性分析。模态分析是为了取得结构
的振动特性，即固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构
设计的重要参数。根据规范可知，采用振型分解反应谱法
时，混凝土的阻尼比取0．05。
ANSYS 100
●● 一637698
■■ -635000
圜一350000
■■ 一150000
_ -780000
圆562000
团185E+07
_ 320E+07
(a)第一主应力／f／rstprincipal stress
(b)第三主应力／thh'dprincipal stress
(e)垂直应力，Venical siress
ANSYS 100
A=一246E埘
B=-210E+07
C=-174E+07
D=一I38E+昕
E— l02E+07
F=一656194
G=～295166
H=65862
I-~ 26890
(d)基面垂直应力／Vertical stcess ofthe base surface
图4 非溢流坝段坝体应力分布
Fig．4 Stress distribution of the non—overflow section of the dam
在地震情况下的模态分析结果前5阶固有频率见表3。
o 昕昕凹昕 ，
张腾蛟等·浩口混凝土重力坝非溢流坝段抗震安全评价
表3 地震反应谱谱值
Table 3 The earthquake response spectral values
4．2．2 地震作用下的动力响应分析
在地震荷载作用下，非溢流坝段坝体产生变形。坝体在
地震荷载作用下的建基面动垂直应力最大值为拉应力，值
0．86 MPa；建基面上的动剪应力最大值为0．37 MPa，见图
5。可见单独地震作用在建基面上产生的附加应力较小，不
会超过基岩的承载力。
(a)垂直正应力／Vertical n~-mal stress
(b)顺河向剪应力／shear stressalongtheflowdirection
(c)沿坝轴线向剪应J3／shear stress alongthe dam axis direction
图5 非溢流坝段地震荷载作用下建基面应力分布
Fig．5 Stress distribution in the base surface of the
non-overflow section of the dam under earthquake action
4．3 抗震安全评价
考虑大坝在正常蓄水位时遭遇地震作用，将动力分析反
应谱法计算所得的动力分析结果与大坝在正常蓄水工况下
静力分析成果进行叠加，可得到大坝在静动力作用下的坝体
应力，据此对大坝进行强度和抗滑稳定性分析和评价。根据
提供的资料坝基地质条件良好，无明显的不利断裂带或贯穿
性裂缝扩展，因此只对坝基面的抗滑稳定进行分析和评价。
4．3．1 应力分析
根据正常蓄水位工况下计算得到的坝体在静荷载作用
下的应力场以及采用振型分解反应谱法计算得到的坝体在
地震作用下的动应力分布，按照对坝体应力最不利的原则，
将静力和动力计算所得的应力场进行叠加，得到地震作用下
坝体的应力场分布，据此对大坝强度进行分析和评价。地震
下叠加得到的应力分布见图6。
在地震作用下，坝体最大第一主应力为拉应力，其值为
4．46 MPa，出现在高程295 ITI的台阶位置坝踵处，范围很小；
最小第三主应力为压应力，值为一2．44 MPa，出现在最大高
程断面坝趾处。从应力分布来看，与静力工况计算所得应力
分布规律类似，极值出现部位大体相同(仅第一主应力最大
值部位稍有差异)，数值上有所增加。在坝段两侧坝踵和坝
趾仅出现一定程度的应力集中，且在坝踵处有较大的拉应
力，但是其分布范围很小，可以认为是由有限元网格和数值
计算方法所造成的，不会影响坝体的安全。
(a) 垂直正应力／Vertlc且I normal shes。
(b)建基面垂直正应力／Vertical normal shessalongthebase sudace
(c)第一主应力／fretprincipal s~ess
ANSYS 100
A一 +07
B一203E+07
C=-158E+07
D___1 16E+07
E=一987450
F=—7450如
C=—457000
H=一125666
(d)第三主应力^hirdprincipal stress
图6 非溢流坝段地震工况下坝体应力分布
Fig．6 Stress distribution of the non-overflow section of the dam un～
der earthquake action
4．3．2 稳定性分析
根据正常蓄水工况下计算得到的坝体在静荷载作用下的
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篓露篡
第10卷总第63期·南水北调与水利科技·2012年第6期
应力场以及采用振型分解反应谱法计算得到的坝体在地震作
用下的动应力分布，按照对坝体稳定最不利的原则，将静力和
动力计算所得的应力场进行叠加，得到地震作用下坝体的应
力场。根据坝基面上各点的应力分布，沿坝基面积分，可以得
到建基面上全部法向荷载和切向荷载，根据规范给出的抗剪
断强度公式，计算坝基面的抗滑稳定安全系数，即
K 一
式中：Σw 一作用于建基面上的力在法向投影的代数和；
ΣP一作用于建基面上的力在切向投影的代数和；u一作用
于建基面上的扬压力；厂、c 一建基面上的抗剪断摩擦系数和
凝聚力。
根据上述方法和公式，计算得到地震工况下坝基面抗滑
稳定系数K 一4．4。根据规范，地震作用下坝基面的抗滑稳
定安全系数允许值为2．30，因此，该非溢流坝典型坝段沿坝
基面的抗滑稳定满足规范要求。
5 结语
本文采用ANSYS软件，建立了浩口水电站混凝土重力
坝非溢流坝典型坝段的三维有限元模型，计算分析了非溢流
坝典型坝段静力状态和动力响应，得到了到大坝在静动力作
用下的坝体应力。据此，根据刚体极限平衡原理对大坝进行
强度和抗滑稳定性分析和评价，结论如下。
(1)在设计地震作用下，该坝非溢流坝段坝体最大第一
主应力为拉应力，值为4．46 MPa，出现在295 m高程的台阶
位置坝踵处，范围很小；最小第三主应力为压应力，值为
一2．44 MPa，出现在最大高程断面坝体两种材料分界处。应
力分布与静力工况计算所得应力分布规律类似，极值出现部
位大体相同，。
(2)地震荷载作用下坝体的最大压应力为一2．44 MPa，
没有超出材料的抗压强度，坝体强度可以满足规范要求。根
据刚体极限平衡原理，地震工况下沿坝基面抗滑稳定安全系
数满足规范要求，坝体是安全的。
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