白鹤滩拱坝抗震安全性研究课件

白鹤滩拱坝抗震安全性研究华东勘测设计研究院徐建荣白鹤滩拱坝抗震安全性研究华东勘测设计研究院以发电为主，兼顾防洪，并促进地方经济社会发展和移民群众脱贫致富。工程建成后还有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合利用效益，是“西电东送”的骨干电源点之一。装机容量16000MW，多年平均发电量640.95亿kW.h，保证出力5500MW，可明显改善下游梯级的供电质量。水库总库容206.27亿m3，调节库容可达104.36亿m3，防洪库容75亿m3。

以发电为主，兼顾防洪，并促进地方经济社会发展和移民群众脱贫致右岸左岸左岸——850m以上为缓坡地形，以下陡崖、陡坡与缓坡相间右岸——1170m以上为缓坡地形，以下为陡坡、悬崖正常蓄水位处谷宽449~534m，河谷宽高比约1.75，为略显不对称的V形河谷，枯水期水面宽50～90m坝址地形地质条件右岸左岸左岸——850m以上为缓坡地形，以下陡崖、陡坡与缓坡坝址地形地质条件岩层产状N30~55ºE，SE∠15~20º层间、层内错动带断层P2β33柱状节理玄武岩

43~76m坝址地形地质条件岩层产状N30~55ºE，SE∠15~2混凝土双曲拱坝，最大坝高289m泄洪设施由6表孔、7深孔和3条泄洪洞组成地下厂房采用首部开发，左右岸各布置8台百万机组导流洞左岸3条、右岸2条混凝土双曲拱坝，最大坝高289m拱坝布置大部分河床坝段利用完整性较好的P2β32-3层角砾熔岩作为建基面河床坝段及第一类柱状节理玄武岩出露部位设置混凝土扩大基础，左岸750m以上设垫座静载设计，动载复核拱坝布置大部分河床坝段利用完整性较好的P2β32-3层角砾熔坝址位于由鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂共同组成的川滇菱形断块东部边界的外侧，现今构造活动总体水平不高，尤其是断块差异活动强度不大。则木河鲜水河安宁河小江大凉山工程场地地震危险性分析场址的地震危险性主要来自于外围地震带强震活动的影响。历史地震对坝址的影响烈度达VIII度。坝址位于由鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和超越概率50年63%50年10%50年5%100年2%100年1%水平加速度峰值51165212325420工程场区的地震基本烈度为Ⅷ度超越概率50年63%50年10%50年5%100年2%10混凝土拱坝抗震分析和评价采用拱梁分载法进行大坝在设计和校核地震作用下的动力分析，采用线弹性有限元反应谱法、时程法进行复核对比，评价坝体强度的抗震安全。按现行规范进行的拱坝抗震分析水科院LDDA清华ABAQUS大连理工ABAQUS非线性动力分析采用动力拱梁分载法成果，用三维刚体平衡法进行坝肩动力稳定复核；有限元法进行坝肩抗滑稳定分析评价坝肩的抗震安全。坝肩抗滑稳定抗震评价考虑横缝张开、地基辐射阻尼等地震动超载条件下拱坝抗震能力拱坝动力模型试验混凝土拱坝抗震分析和评价采用拱梁分载法进行大坝在设计和校核地反应谱标准反应谱白鹤滩场地谱白鹤滩场地地震反应谱与规范标准反应谱地震波标准反应谱生成的人工地震波场地相关反应谱生成的地震波修正Koyna(柯依那)实测地震波反应谱白鹤滩场地地震反应谱与规范标准反应谱地震波设计地震按现行规范进行的抗震分析正常蓄水位标准谱拱梁分载法上游面静动综合主应力14.30-2.19上游面最大主压应力14.30MPa，小于设计控制标准(15.20MPa)上游面最大主拉应力2.19MPa，位于顶拱的拱冠附近，小于设计控制标准(2.80MPa)下游面主拉应力4.81MPa，大于控制值场地反应谱作用下的静动综合主应力总体上较标准反应谱略大，但差别不大校核地震作用下，大坝动态位移、动态拱梁应力较设计地震时增加29.2%设计地震按现行规范进行的抗震分析正常蓄水位标准谱拱拱梁分载法静动综合主应力类比

工程名称正常蓄水位（MPa）死水位（MPa）最大主拉应力最大主压应力最大主拉应力最大主压应力上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面白鹤滩2.194.8114.3011.364.874.1210.807.94乌东德3.132.287.859.454.512.986.047.75大岗山6.207.6913.4112.056.677.1512.3710.99小湾3.483.7511.9211.884.064.7611.397.47溪洛渡3.802.3210.2112.935.612.879.838.09上虎跳峡7.344.9611.6210.688.215.9710.019.00上游面静动综合最大主拉应力2.19MPa总体上小于其它拱坝下游面最大主拉应力14.30MPa大于溪洛渡、乌东德拱坝，小于其它拱坝大坝静动综合最大主压应力与其它拱坝基本相当按现行规范进行的抗震分析拱梁分载法静动综合主应力类比工程名称正常蓄水位（MPa）死工程名称正常蓄水位死水位最大主拉应力最大主压应力最大主拉应力最大主压应力上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面白鹤滩9.255.6913.9120.226.695.8210.6215.01溪洛渡9.985.2212.2814.895.455.089.0511.39大岗山11.888.1614.7115.8811.268.4214.6915.37正常蓄水位标准谱拱坝上、下游面最大主拉应力9.25MPa、5.69MPa，与溪洛渡相当，比大岗山小上游面主压应力13.91MPa，与溪洛渡、大岗山相当下游面主压应力相对较大场地反应谱静动综合反应总体上略大于标准反应谱，但差别不大校核地震作用下，大坝动态位移、动态拱梁应力较设计地震时增加29.2%有限元法静动综合主应力类比

按现行规范进行的抗震分析采用相同分析方法，与小湾、溪洛渡、乌东德、上虎跳峡、大岗山等工程类比，白鹤滩拱坝上游面静动综合最大主拉应力总体上小于其它拱坝，而下游面最大主拉应力和最大主压应力与其它拱坝相当坝体线弹性分析将夸大局部应力集中现象，应考虑材料非线性、坝体横缝开合、地基辐射阻尼等，了解局部真实应力状态工程名称正常蓄水位死水位最大主拉应力最大主压应力最大主拉应力考虑横缝开合影响考虑地基辐射阻尼影响三维非线性有限元法拱坝非线性动力反应分析水科院LDDA横缝28条清华ABAQUS横缝30条大连理工ABAQUS横缝11条考虑横缝开合影响拱坝非线性动力反应分析水科院LDDA水科院LDDA正常水位下遭遇设计地震时，顶拱附近上下游面动拱应力上游面下游面拱坝非线性动力反应分析有无辐射阻尼的差异水科院LDDA正常水位下遭遇设计地震时，顶拱附近上下游面动拱无限地基辐射阻尼效应使大坝地震动力响应显著降低。正常水位和死水位下，动拱梁应力最大降幅约为20~30%线弹性分析中坝体中上部大范围的高拉应力区消失校核地震下，坝体静动综合最大拉应力为2.78MPa，未超过大坝混凝土动态抗拉强度水科院LDDA正常水位下遭遇设计地震时，顶拱附近上下游面动梁应力上游面下游面有无辐射阻尼的差异拱坝非线性动力反应分析无限地基辐射阻尼效应使大坝地震动力响应显著降低。正常水位和死大坝横缝张开度最大值出现在坝顶拱冠附近设计地震标准谱人工波作用下，死水位时横缝最大张开度小于7mm死水位下遭遇设计地震时，顶拱横缝张开上游面下游面水科院LDDA拱坝非线性动力反应分析大坝横缝张开度最大值出现在坝顶拱冠附近死水位下遭遇设计地震时白鹤滩拱坝横缝开度较小，上下游面的最大主拉应力居中等或中等偏上水平横缝最大张开度（mm）最大主拉应力最大主压应力上游面下游面上游面下游面白鹤滩5.364.592.1511.7722.46乌东德10.403.522.2210.3311.39大岗山8.715.337.7912.3915.07小湾6.778.332.5110.0811.07溪洛渡8.206.142.249.0413.64上虎跳峡14.754.363.337.309.16拱坝非线性动力反应分析水科院LDDA白鹤滩拱坝横缝开度较小，上下游面的最大主拉应力居中等或中等偏超载系数2.5，拱坝底部坝基面局部有贯穿性开裂超载系数4.0，未见超10cm的残余位移大坝地基系统整体抗震能力拱坝地基系统强度储备安全系数约为2.0拱坝非线性动力反应分析水科院LDDA强度储备系数1.50~2.50时，大坝地基系统顺河向残余位移为cm级强度储备系数超过2.0时，坝与地基交接面出现了较大范围的贯穿性开裂拱坝地基系统对设计地震的超载安全系数约为2.50超载系数2.5，拱坝底部坝基面局部有贯穿性开裂大坝地基系统整考虑地基辐射阻尼影响后，拱坝对标准谱地震时程的反应有比较明显的降低坝面高应力区的范围大大缩小反应的极值大大降低地基辐射阻尼对下游坝面的影响要大于上游坝面地基辐射阻尼的影响研究地基类型上游坝面最大应力下游坝面最大应力大主应力小主应力大主应力小主应力无质量截断地基4.53-15.63.48-16.97无限地基辐射阻尼2.73-11.22.89-15.33相差39.74%28.21%16.95%9.66%正常蓄水位下坝体静动综合应力清华ABAQUS考虑地基辐射阻尼影响后，拱坝对标准谱地震时程的反应有比较明显顶拱最大横缝开度地震水位(m)横缝最大开度(mm)设计正常蓄水位5.81设计死水位19.12校核正常蓄水位17.61校核死水位32.18清华ABAQUS采用同一计算分析程序，网格划分条件大体相近拱坝最大横缝开度约为20mm，与大岗山拱坝相当，大于二滩拱坝的5mm拱坝拉应力为4.03MPa，小于大岗山拱坝(9.07MPa)，大于二滩拱坝(3.29MPa)顶拱最大横缝开度地震水位(m)横缝最大开度(mm)设计正常蓄超载倍数1.3（校核地震）地震荷载作用下坝体损伤开裂区分布

地震超载非线性损伤分析校核地震下，拱坝上游面并未出现损伤,坝体并未出现贯穿性的损伤区清华ABAQUS上游下游超载倍数1.3（校核地震）地震荷载作用下坝体损伤开裂区分布超载倍数1.5地震荷载作用下坝体损伤开裂区分布地震超载非线性损伤分析1.5倍设计地震超载下，坝体内部未出现贯穿性损伤区，坝体未达到动力承载极限清华ABAQUS上游下游超载倍数1.5地震荷载作用下坝体损伤开裂区分布地震超载非线地震超载非线性损伤分析超载倍数1.8地震荷载作用下坝体损伤开裂区分布1.8倍设计地震超载作用下，最大损伤因子达到0.8以上，坝体中上部出现贯穿性损伤区清华ABAQUS上游下游拱坝的动力极限承载能力至少在1.8倍设计地震以上地震超载非线性损伤分析超载倍数1.8地震荷载作用下坝体损伤开工程名称最大主拉应力最大主压应力上游面下游面上游面下游面白鹤滩2.382.0010.2012.20溪洛渡2.041.4010.0213.23小湾1.501.427.368.25大岗山6.182.509.5910.42拉西瓦3.933.2811.3412.69ShahidRajaee2.503.1914.2514.89Pacoima3.122.5213.9517.35德里内尔2.532.4615.3018.10正常蓄水位设计地震作用下地震响应工程类比上下游最大主拉应力与溪洛渡、德里内尔拱坝相当，比大岗山、拉西瓦和Pacoima小压应力与溪洛渡、大岗山、拉西瓦相当大连理工ABAQUS拱坝非线性动力反应分析工程名称最大主拉应力最大主压应力上游面下游面上游面下游面白鹤坝体横缝最大张开度正常蓄水位死水位坝体的开度的最大值出现在右岸的缝11，正常蓄水位18mm，死水位23mm。左岸缝的开度以缝1为主坝体上游面的开度总体上较下游面小开度分布两侧缝大中间缝小大连理工ABAQUS左左右右缝1缝3缝5缝7缝9缝11缝2缝4缝10缝8缝6坝体横缝最大张开度正常蓄水位死水位坝体的开度的最大值出超载1.5倍时，坝体右侧拱端损伤值增长迅速，但裂缝未发生贯穿。超载2.0倍时，坝体右侧拱端发生贯穿性裂缝，最右侧坝缝开度增长迅速，坝体在2.0倍超载时已近失效。拱坝-拱端系统在2.0倍超载地震动时失效坝体损伤主要发生在坝体与基岩交接处靠近上游面部位和两岸拱端部位。地震超载作用下坝体动力响应大连理工ABAQUS拱坝非线性动力反应分析超载1.5倍时，坝体右侧拱端损伤值增长迅速，但裂缝未发生贯穿上游面测点分布下游面测点分布拱坝动力模型试验比尺1:300上游面测点分布下游面测点分布拱坝动力模型试验比尺1:300设计水平地震动与校核水平地震动作用下，均未观测到明显损伤或残留滑动动力超载加振后维持了静态的稳定，设计及校核地震作用下的整体抗震安全满足设计要求2.0倍及更高超载地震作用下，坝肩局部块体出现残留滑动3.0倍超载地震作用下，坝体发生初始宏观开裂强地震作用下，坝肩局部块体、坝体上部下游面梁向及拱冠上游面坝踵附近为抗震薄弱部位由于坝体的不对称，地震响应左岸大于右岸拱坝动力模型试验设计水平地震动与校核水平地震动作用下，均未观测到明显损伤或残F14F16F17坝址主要地质构造平行发育的NW、NE向陡倾断层和缓倾层间(内)错动带断层

NW向N50~60ºW——F14、F16NE向N35~45ºE——F17

普遍为陡倾角断层，规模总体不大，以Ⅳ级和Ⅲ级结构面为主坝轴线F14F16F17坝址主要地质构造平行发育的NW、NC3C3-1LS342LS415LS331LS3318F17LS331影响左岸坝肩稳定的主要构造4aF17+LS3318+LS3314bF17+LS331C3C3-1LS342LS415LS331LS3318F17块体编号静力安全系数动力时程法X=1.0Y=0.5Z=0.5X=0.5Y=1.0Z=0.5X=0.5Y=0.5Z=1.0最小安全系数%4a3.241.081.221.240.930.674b3.080.621.101.100.716.35%：安全系数小于1.2的时程长度占总时程的百分比。4a、4a未加固4a块体安全系数时程4b块体安全系数时程刚体极限平衡法左岸块体坝肩抗滑稳定抗震评价块体静力安全系数动力时程法X=1.0X=0.5X=0.5左岸4a（F17+LS3318+LS331）、4b（F17+LS331）进行超载和降强分析地震荷载超载4倍时，块体残余位移仅11mm左右块体在强度储备系数2.0后残余变形增大速率明显加快块体顺河向残余位移与强度储备系数的关系左岸块体非线性有限元法坝肩块体动力分析水科院LDDA法坝肩抗滑稳定抗震评价左岸4a（F17+LS3318+LS331）、4b（F17左岸块体（F17+LS331）,考虑坝体损伤因素正常蓄水位设计地震人工波作用下块体最小安全系数为1.97，块体均能满足动力稳定安全系数要求校核地震作用最小动力稳定安全系数为1.38

大连理工ABAQUS法左岸块体正常蓄水位设计地震下抗滑稳定安全系数时程非线性有限元法坝肩块体动力分析坝肩抗滑稳定抗震评价左岸块体（F17+LS331）,考虑坝体损伤因素大连理工A左1(Jx+C3)、左2(F17+LS3318)、左3(F17+LS331)右1(F18+C5)、右2(F18+C4)、右3(F18+C4+f2