白鹤滩拱坝抗震安全性研究课件

华东勘测设计研究院华东勘测设计研究院徐建荣徐建荣白鹤滩拱坝抗震安全性研究华东勘测设计研究院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，是善下游通航条件等综合利用效益，是“西电东送西电东送”的骨干的骨干电源点之一。电源点之一。装机容量装机容量16000MW16000MW，多年平均发电量，多年平均发电量640.95640.95亿亿kW.hkW.h，保，保证出力证出力5500MW5500MW，可明显改善下游梯级的供电质量。，可明显改善下游梯级的供电质量。水库总库容水库总库容206.27206.27亿亿m m3 3，调节库容可达，调节库容可达104.36104.36亿亿m m3 3，防，防洪库容洪库容7575亿亿m m3 3。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右岸左岸左岸左左岸岸850m以以上上为为缓缓坡坡地地形形，以以下下陡陡崖崖、陡陡坡坡与与缓坡相间缓坡相间右岸右岸1170m以上为缓坡地形，以下为陡坡、悬崖以上为缓坡地形，以下为陡坡、悬崖 正正常常蓄蓄水水位位处处谷谷宽宽449534m，河河谷谷宽宽高高比比约约1.75，为为略略显显不不对对称称的的V形形河河谷谷，枯枯水水期期水面宽水面宽5090m 右岸左岸左岸右岸左岸左岸850m以上为缓坡地形，以下陡崖、陡坡与缓坡以上为缓坡地形，以下陡崖、陡坡与缓坡岩层产状岩层产状N3055E，SE1520层间、层内错动带层间、层内错动带断层断层P233 柱状节理玄武岩柱状节理玄武岩 4376m坝址地形地质条件岩层产状坝址地形地质条件岩层产状N3055E，SE 152n混凝土双曲拱坝，最大坝高混凝土双曲拱坝，最大坝高289mn泄洪设施由泄洪设施由6表孔、表孔、7深孔和深孔和3条泄洪洞组成条泄洪洞组成n地下厂房采用首部开发，左地下厂房采用首部开发，左右岸各布置右岸各布置8台百万机组台百万机组n导流洞左岸导流洞左岸3条、右岸条、右岸2条条 混凝土双曲拱坝，最大坝高混凝土双曲拱坝，最大坝高289ml大部分河床坝段利用完整性较好的大部分河床坝段利用完整性较好的P P2 23 32-32-3层角层角砾熔岩作为建基面砾熔岩作为建基面l河床坝段及第一类柱状节理玄武岩出露部位设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，左岸置混凝土扩大基础，左岸750m750m以上设垫座以上设垫座静载设计，动载复核静载设计，动载复核拱坝布置大部分河床坝段利用完整性较好的拱坝布置大部分河床坝段利用完整性较好的P232-3层角砾熔层角砾熔 坝址位于由鲜水河坝址位于由鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂共同组成的断裂和小江断裂共同组成的川滇菱形断块东部边界的外川滇菱形断块东部边界的外侧，现今构造活动总体水平侧，现今构造活动总体水平不高，尤其是断块差异活动不高，尤其是断块差异活动强度不大。强度不大。则木河则木河鲜水河鲜水河安宁河安宁河小江小江大凉山大凉山l场址的地震危险性主要来自场址的地震危险性主要来自于外围地震带强震活动的影于外围地震带强震活动的影响。响。l历史地震对坝址的影响烈度历史地震对坝址的影响烈度达达VIIIVIII度。度。坝址位于由鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和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超越概率50年年63%50年年10%50年年5%100年年2%100年年1%水平加速水平加速度峰值度峰值51165212325420工程场区的地震基本烈度为工程场区的地震基本烈度为度度超越概率超越概率50年年63%50年年10%50年年5%100年年2%10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。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。水科院水科院LDDA清华清华ABAQUS大连理工大连理工ABAQUS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。限元法进行坝肩抗滑稳定分析评价坝肩的抗震安全。考虑横缝张开、地基辐射阻尼等考虑横缝张开、地基辐射阻尼等地震动超载条件下拱坝抗震能力地震动超载条件下拱坝抗震能力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反应谱l标准反应谱标准反应谱l白鹤滩场地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白鹤滩场地地震反应谱与规范标准反应谱地震波地震波l标准反应谱生成的人工地震波标准反应谱生成的人工地震波l场地相关反应谱生成的地震波场地相关反应谱生成的地震波l修正修正Koyna(柯依那柯依那)实测地震波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设计地震正常蓄水位 标准谱 拱梁分载法 上游面静动综合主应力14.30-2.19l上游面上游面最大主压应力最大主压应力14.30MPa14.30MPa，小于设计控制标准，小于设计控制标准(15.20MPa)(15.20MPa)l上游面最大主拉应力上游面最大主拉应力2.19MPa2.19MPa，位于顶拱的拱冠附近，小于设计控制标准，位于顶拱的拱冠附近，小于设计控制标准(2.80MPa)(2.80MPa)l下游面主拉应力下游面主拉应力4.81MPa4.81MPa，大于控制值，大于控制值l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l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%29.2%设计地震按现行规范进行的抗震分析正常蓄水位设计地震按现行规范进行的抗震分析正常蓄水位 标准谱标准谱 拱拱拱梁分载法静动综合主应力类比拱梁分载法静动综合主应力类比 工程名称工程名称正常蓄水位（正常蓄水位（MPaMPa）死水位（死水位（MPaMPa）最大主拉最大主拉应力力最大主最大主压应力力最大主拉最大主拉应力力最大主最大主压应力力上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面白白鹤滩2.192.194.814.8114.3014.3011.3611.364.874.874.124.1210.8010.807.947.94乌东德德3.133.132.282.287.857.859.459.454.514.512.982.986.046.047.757.75大大岗山山6.206.207.697.6913.4113.4112.0512.056.676.677.157.1512.3712.3710.9910.99小湾小湾3.483.483.753.7511.9211.9211.8811.884.064.064.764.7611.3911.397.477.47溪洛渡溪洛渡3.803.802.322.3210.2110.2112.9312.935.615.612.872.879.839.838.098.09上虎跳峡上虎跳峡7.347.344.964.9611.6211.6210.6810.688.218.215.975.9710.0110.019.009.00l上游面静动综合最大主拉应力上游面静动综合最大主拉应力 2.19MPa 2.19MPa 总体上小于其它拱坝总体上小于其它拱坝l下游面最大主拉应力下游面最大主拉应力 14.30MPa 14.30MPa 大于溪洛渡、乌东德拱坝，小于其它拱坝大于溪洛渡、乌东德拱坝，小于其它拱坝l大坝静动综合最大主压应力大坝静动综合最大主压应力 与其它拱坝基本相当与其它拱坝基本相当拱梁分载法静动综合主应力类比拱梁分载法静动综合主应力类比 工程名称正常蓄水位（工程名称正常蓄水位（MPa）死）死工程名称工程名称正常蓄水位正常蓄水位死水位死水位最大主拉最大主拉应力力最大主最大主压应力力最大主拉最大主拉应力力最大主最大主压应力力上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面上游面上游面下游面下游面白白鹤滩9.259.255.695.6913.9113.9120.2220.226.696.695.825.8210.6210.6215.0115.01溪洛渡溪洛渡9.989.985.225.2212.2812.2814.8914.895.455.455.085.089.059.0511.3911.39大大岗山山11.8811.888.168.1614.7114.7115.8815.8811.2611.268.428.4214.6914.6915.3715.37正常蓄水位正常蓄水位 标准谱标准谱l拱坝上、下游面最大主拉应力拱坝上、下游面最大主拉应力9.25MPa9.25MPa、5.69MPa5.69MPa，与溪洛渡相当，比大岗山小，与溪洛渡相当，比大岗山小l上游面主压应力上游面主压应力13.91MPa13.91MPa，与溪洛渡、大岗山相当，与溪洛渡、大岗山相当l下游面主压应力相对较大下游面主压应力相对较大l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l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%29.2%有限元法静动综合主应力类比有限元法静动综合主应力类比 l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，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应力和最大主压应力与其它拱坝相当l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、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横缝开合影响考虑地基辐射阻尼影响考虑地基辐射阻尼影响三维非线性有限元法三维非线性有限元法水科院水科院 LDDA LDDA 横缝横缝2828条条清华清华 ABAQUS ABAQUS 横缝横缝3030条条大连理工大连理工 ABAQUS ABAQUS 横缝横缝1111条条考虑横缝开合影响拱坝非线性动力反应分析水科院考虑横缝开合影响拱坝非线性动力反应分析水科院 LDDA 上游面测点分布上游面测点分布下游面测点分布下游面测点分布比尺比尺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安全满足设计要求2.02.0倍及更高超载地震作用下，坝肩局部块体出现残留滑动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 3.0 倍超载地震作用下，坝体发生初始宏观开裂倍超载地震作用下，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由于坝体的不对称，地震响应左岸大于右岸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坝址主要地质构造坝址主要地质构造 平行发育的平行发育的NW、NE向陡倾断层和缓倾层间向陡倾断层和缓倾层间(内内)错动带错动带断层断层 NWNW向向 N5060WF14、F16 NE NE向向 N3545EF F17 普遍为陡倾角断层，规模总体不大，以普遍为陡倾角断层，规模总体不大，以级和级和级结构面为主级结构面为主坝轴线坝轴线F14F16F17坝址主要地质构造坝址主要地质构造 平行发育的平行发育的NW、NC C3 3C C3-13-1LSLS342342LSLS415415LSLS331331LSLS33183318F F1717LSLS3313314a4aF F1717+LS+LS33183318+LS+LS3313314b4bF F1717+LS+LS331331C3C3-1LS342LS415LS331LS3318F17块体体编号号静力安静力安全系数全系数动 力力时程法程法X=1.0X=1.0Y=0.5Y=0.5Z=0.5Z=0.5X=0.5X=0.5Y=1.0Y=1.0Z=0.5Z=0.5X=0.5X=0.5Y=0.5Y=0.5Z=1.0Z=1.0最小安最小安全系数全系数%4a4a3.243.241.081.081.221.221.241.240.930.930.670.674b4b3.083.080.620.621.101.101.101.100.710.716.356.35%：安全系数小于：安全系数小于1.21.2的时程长度占总时程的百分比。的时程长度占总时程的百分比。4a4a、4a4a未加固未加固4a4a块体安全系数时程块体安全系数时程 4b4b块体安全系数时程块体安全系数时程 刚体极限平衡法刚体极限平衡法左岸块体左岸块体块体静力安全系数动块体静力安全系数动 力时程法力时程法X=1.0X=0.5X=0.5左岸左岸4a 4a（F F1717+LS+LS33183318+LS+LS331331）、）、4b4b（F F1717+LS+LS331331）进行超载和降强分析）进行超载和降强分析l地震荷载超载地震荷载超载4 4倍时，块体残余位移仅倍时，块体残余位移仅11mm11mm左右左右 l块体在强度储备系数块体在强度储备系数2.02.0后残余变形增大速率明显加快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块体顺河向残余位移与强度储备系数的关系 左岸块体左岸块体非线性有限元法坝肩块体动力分析非线性有限元法坝肩块体动力分析水科院水科院LDDA法法左岸左岸4a（F17+LS3318+LS331）、）、4b（F17左岸块体（左岸块体（F F1717+LS+LS331331）,考虑坝体损伤因素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1.971.97，块体均能满足动力稳定，块体均能满足动力稳定安全系数要求安全系数要求校核地震作用最小动力稳定安全系数为校核地震作用最小动力稳定安全系数为1.381.38 大连理工大连理工ABAQUS法法左岸块体左岸块体 正常蓄水位设计地震下抗滑稳定安全系数时程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非线性有限元法坝肩块体动力分析左岸块体（左岸块体（F17+LS331）,考虑坝体损伤因素大连理工考虑坝体损伤因素大连理工A左左1(J1(Jx x+C+C3 3)、左、左2(F2(F1717+LS+LS33183318)、左、左3(F3(F1717+LS+LS331331)右右1(F1(F1818+C+C5 5)、右、右2(F2(F1818+C+C4 4)、右、右3(F3(F1818+C+C4 4+f+f222222+C+C3-13-1)河海混合解法河海混合解法屈服面积屈服面积95%95%时，块体周围结构面以达到屈服时，块体周围结构面以达到屈服极限，此时的强度储备系数为块体安全系数。极限，此时的强度储备系数为块体安全系数。坝肩滑块体动力安全系数坝肩滑块体动力安全系数岸岸 别别块 体体动力安全系数力安全系数右右 岸岸右右1 11.601.60右右2 21.601.60右右3 31.451.45左左 岸岸左左1 11.401.40左左2 21.451.45左左3 31.551.55非线性有限元法坝肩块体动力分析非线性有限元法坝肩块体动力分析左左1(Jx+C3)、左、左2(F17+LS3318)、左、左3(F1l现行抗震规范方法评价现行抗震规范方法评价 拱坝抗震安全总体可达到国内几座已建和在建高拱坝抗震安全总体可达到国内几座已建和在建高拱坝的水平拱坝的水平 l非线性分析及工程类比非线性分析及工程类比 拱坝横缝开度、坝体应力水平、坝体损伤等动力拱坝横缝开度、坝体应力水平、坝体损伤等动力响应与类似工程基本相当，总体上白鹤滩拱坝横缝开度和上下游面的最大主响应与类似工程基本相当，总体上白鹤滩拱坝横缝开度和上下游面的最大主拉应力居中等或中等偏上水平拉应力居中等或中等偏上水平l校核地震作用下的拱坝抗震校核地震作用下的拱坝抗震评价评价 拱坝校核地震作用下坝体变形、应力和拱坝校核地震作用下坝体变形、应力和损伤均较设计地震有所增大，但仍未达到承载力极限状态损伤均较设计地震有所增大，但仍未达到承载力极限状态l多种方法的坝肩稳定分析多种方法的坝肩稳定分析 拱坝坝肩动力稳定能够满足设计要求，拱坝地拱坝坝肩动力稳定能够满足设计要求，拱坝地基系统满足设计地震下的抗震稳定安全要求基系统满足设计地震下的抗震稳定安全要求l拱坝地震动超载能力拱坝地震动超载能力 三种方法三种方法均表明白鹤滩拱坝可承受相对设计地震均表明白鹤滩拱坝可承受相对设计地震动的超载倍数约为动的超载倍数约为2.02.52.02.5倍，超过了校核地震水平（倍，超过了校核地震水平（1.31.3倍），拱坝具有一倍），拱坝具有一定的超载抗震能力定的超载抗震能力拱坝抗震安全总体评价现行抗震规范方法评价拱坝抗震安全总体评价现行抗震规范方法评价 拱坝抗震安全总拱坝抗震安全总采用高强度等级混凝土采用高强度等级混凝土河床坝段河床坝段680m680m高程以下和两岸坝肩、坝基部位地震动力反应较强的部位采用高程以下和两岸坝肩、坝基部位地震动力反应较强的部位采用强度等级为强度等级为C C1801804040高强混凝土高强混凝土配置抗震钢筋配置抗震钢筋在拱坝坝基交接面附近可能出现相对较大的主拉应力区范围，上游坝面布置在拱坝坝基交接面附近可能出现相对较大的主拉应力区范围，上游坝面布置梁向抗震钢筋，以提高坝体抗裂能力。拱坝抗震钢筋兼有限裂功能。梁向抗震钢筋，以提高坝体抗裂能力。拱坝抗震钢筋兼有限裂功能。坝肩抗力体布置预应力锚索坝肩抗力体布置预应力锚索坝顶表孔设联系梁坝顶表孔设联系梁采用高强度等级混凝土大坝抗震措施配置抗震钢筋坝肩抗力体布置预采用高强度等级混凝土大坝抗震措施配置抗震钢筋坝肩抗力体布置预谢谢各位领导、专家！谢谢各位领导、专家！