水电站大坝抗震防震研究
发布时间：2012-03-21 11:40:00更新时间：2012-03-21 11:40:41
1
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。
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。
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