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朱红兵:三峡总公司水电工程抗震安全研究
2009/5/12 18:05:19    新闻来源:中国水力发电工程学会

                       朱红兵:三峡总公司水电工程抗震安全研究

汇 报 提 纲

一、5.12 地震对总公司所属水电工程的影响

二、葛洲坝、三峡工程抗震安全研究

三、向家坝、溪洛渡工程抗震安全研究

四、白鹤滩、乌东德工程抗震安全研究

 

一、

 08年5月12日四川汶川大地震发生时,三峡和葛洲坝水利枢纽有一定震感,正在建设中的金沙江溪洛渡和向家坝水电站震感较明显。

 地震发生后,中国三峡总公司立即组织相关运行管理、设计、施工、监理等单位,对三峡和葛洲坝的枢纽运行情况、建设中的溪洛渡和向家坝施工区安全情况进行了全面的检查。

 根据坝址区强震仪监测成果和湖北省地震局计算分析,这次汶川大地震影响到宜昌葛洲坝和三峡大坝的烈度为Ⅳ度,远小于工程抗震设防标准。检查结果表明:

三峡和葛洲坝大坝、电厂、船闸以及三峡茅坪副坝没有发生建筑物破损现象,设备运行正常;

三峡和葛洲坝电厂机组没有因地震直接原因影响发电;

三峡和葛洲坝船闸没有因地震影响运行,过闸情况正常;

三峡水库水位没有异常;

三峡和葛洲坝两枢纽监测系统没有发现异常情况;

三峡专用公路的桥梁、隧道未见异常。

“5.12”四川汶川里氏8.0级大地震影响到溪洛渡水电站坝址区的最大加速度为0.011g,影响到向家坝水电站坝址区的最大加速度为0.015g,两工区震感较明显。检查结果表明,工程各建筑物未受到损坏,安全监测数据表明工程处于正常状态。

     白鹤滩和乌东德水电站目前正在开展可行性研究工作,我们将根据相关文件和新颁布的《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》的要求,做好两电站可行性研究阶段的防震抗震研究设计工作。

 

二、

 三斗坪坝址所处的黄陵地块,为前震旦纪变质杂岩和侵入其间的花岗—闪长岩组成的结晶基底。

岩体坚硬完整,断裂规模小,无孕育中强震的发震构造。

航磁资料反映基底比较完整,是一个稳定程度高的刚性地块。

坝区所在的黄陵地块,历史上无破坏性地震记载,现今微震台网监测表明,地震活动微弱。从总体上看,工程所在的黄陵结晶岩地块的稳定性和安全度高。坝区地震烈度的高低,主要取决于外围地震波及的影响,坝区地震基本烈度经有关单位先后四次鉴定,均为VI度

从工程所处的地质环境分析,不能排除局部地段有可能产生水库诱发地震,但发生强水库地震的可能性小,不会影响工程安全

长江水利委员会在三峡工程设计时,大坝抗震设计按7度设防,地震烈度提高1度,并按最不利的条件确定地震动参数

计算分析和抗震试验表明:在地震设防烈度Ⅶ度作用下,大坝坝体抗滑稳定安全系数均大于2.3,大坝坝踵及坝址的应力满足规范要求,大坝设计能满足Ⅶ度抗震要求。

为提高坝体抗震性能,将坝体折坡采取弧形连接,以减小应力集中,对应力大的部位进行钢筋加强,所有坝下游面电梯井及坝顶启闭机房等结构的框架节点均按抗震节点进行设计。

综上所述,三峡大坝各建筑物的稳定及结构设计满足规范的要求

葛洲坝坝区位于宜昌单斜拗陷的西北边缘并以红层底部不整合面为界,与黄陵背斜的东南翼相接。

构造变动主要受“喜山”运动影响,变形轻微,无强烈皱褶与较大断层产生。

坝区在地质历史上是处在河流背斜隆起与汉江拗陷之间的一个比较稳定的过渡地带。从阶地高差越来越小的趋势来看,本区地壳目前正处于相对稳定阶段。

葛洲坝水利枢纽首次大坝安全定期检查的设计复查依据地区地震烈度为6度,设计按7度校核,对大坝水工建筑物抗滑稳定安全度进行了复核。经过复核计算,各水工建筑物抗滑稳定安全。

葛洲坝的主要建筑物,二江冲砂闸、大江冲砂闸、电站厂房及船闸均为钢筋混凝土结构,所有闸墩、机房及梁板系统均安抗震要求进行了计算配筋,并对重要部位进行了加强配筋。按现行规范要求复核后,均满足抗震规范要求。

左右岸土石坝防浪墙和栏杆、上、下坝坡均满足抗震要求。

 

三、

向家坝水电站工程区域西部为松潘印支地槽,东部为扬子准地台。区域性断裂以SN向为主。

根据地球物理场分析研究,坝址区位于四川内陆盆地盖层褶皱滑脱构造稳定区内的自贡至宜宾地震危险区的基本稳定带。

向家坝坝址区无区域性断裂通过,地质构造较简单,东距华莹山断裂带和柏树溪断裂分别为17km和13km,西距昭通至马边断裂带约40km。

坝址地震基本烈度取决于区域地震与外围的马边至大关强震带和自贡至宜宾中强地震带的波及影响。

向家坝水库区基本不存在同时具备最有利于诱震的构造条件和岩性介质条件的库段,因此不致诱发强度可观的地震。即使在各种诱震因素都相对不利的情况下,其震级上限不会超过5级,不会超过各库段地震基本烈度复核值范围。

根据国家地震局的基本烈度复核和危险性分析成果,并经国家地震局地震烈度评定委员会审定,工程区地震基本烈度为7度。

根据国家相关规定,向家坝水电站大坝的抗震设防类别为甲类,设计烈度为8度。

设计地震加速度代表值:

通过按现行规范进行的抗震动力计算、非线性显式有限元地震波动反应分析、三维动力分析及动力模型试验成果表明,大坝动力抗滑稳定及应力安全满足规范要求。

虽然在坝踵附近拉应力和坝趾附近压应力均较大,但其具有应力梯度大、发生区域小(坝踵拉应力范围处于灌浆帷幕前且小于坝底宽度的7%)的角缘应力集中的特点,所以此小范围的较高应力区,不会对坝体抗震安全产生大的影响,能够保证挡水坝段和泄水坝段的静动力稳定。

坝体泄水中孔出口处溢流面及坝踵部位抗拉强度安全裕度不高,可适当提高该部位的混凝土强度等级。

坝基软弱层面须进行包括灌浆、混凝土置换或其它综合手段的处理措施。

尽量减轻坝体顶部实体混凝土的宽度,代之以轻型的墩梁结构或圆拱结构,以减轻坝体上部重量;坝体内各类孔口进口两侧边墙地震动应力相对较大,配筋时均应加强;大坝坝坡避免剧变,坝体下游顶部折坡均设置弧形。

溪洛渡水电站位于南北向峨边-金阳断裂、北东向的莲峰断裂及北西向的马边-盐津隐伏断裂带所围限的雷波-永善三角形块体之中南部,是一个相对完整、稳定的块体。

据深部地球物理场勘探资料,雷波-永善三角形块体及向斜构造盆地深部无区域性深大断裂通过,是一个相对完整、稳定的块体,不具备发生6级以上强震的地震地质背景。

     溪洛渡拱坝抗震设防类别为甲类,根据国家地震局研究报告,溪洛渡坝址场地地震基本烈度为8度。基准期100年,超越概率0.02的基岩水平峰值加速度为0.321g。

溪洛渡水电站混凝土拱坝高278m,已超出现行水工抗震设计规范的限定,溪洛渡拱坝的抗震复核,首先按照现行水工抗震设计规范,开展了拱梁分载法和有限元法动力反应分析以及坝肩三维刚体极限平衡法动力稳定分析,计算结果表明:坝体应力与基础稳定可满足规范规定的容许应力和抗滑安全系数的要求;仅局部区域的拉应力超限,且范围不到坝面的5%。

动力模型试验除模拟库水、横缝外,首次模拟了大坝基础及边界阻尼影响,能够反映坝基不均匀输入。

无论计算分析,还是模型试验的成果,均表明溪洛渡拱坝具有较好的抗震能力,满足抗震设计要求。

根据计算分析及模型试验成果,采用以下抗震措施:

在高应力部位及坝身孔口部位提高混凝土强度等级。

拱坝横缝采用铜止水片和橡胶止水片,能够适宜横缝张开的要求。若拱坝经受高强地震后,经检测视横缝张开情况可研究进行横缝灌浆处理。

无需设置抗震钢筋。地震作用下拱坝横缝张合的变化,基本消除了拱坝中上部拱冠梁区域的高拉应力,坝体应力水平满足设计要求,因此大坝上部无需设置抗震钢筋就可保证大坝的整体性。

四、

白鹤滩工程位于强烈活动的川滇菱形块体东侧边缘附近,受青藏高原侧向变形的影响,具有较高的区域构造和地震活动背景。

工程近场区范围内构造活动相对较弱,现今构造活动总体水平不高,近场区内其他主要断裂晚第四纪以来没有明显活动,发生破坏性地震潜能不大

经国家地震安全性评定委员会审查,同意白鹤滩水电站工程场址区的地震基本烈度定为VIII度。

通过对近场区地震地质补充调查研究,结合近年来该地区地震安评工作新的研究成果,核定了坝址的设计地震动参数。

研究表明:坝体中上部在地震荷载下会产生较高的拱向拉应力,但考虑横缝非线性影响后,拱向拉应力随着横缝张开几乎完全释放。因此,可以预见考虑上述因素后该部位的拱向高拉应力区将不复存在,该部位的抗震安全应不会成为大坝设计的制约因素。

初步研究成果表明,不对称拱坝与对称拱坝的各阶自振特性与相应振型相差不大,频率差异基本在10%以内。因此可以认为,地形不对称性不会给白鹤滩拱坝的动力反应带来明显的不利影响。

乌东德工程地处我国西部强烈地震活动区内,区域地震活动频度高。但坝址位于川滇台背斜之武定—米易隆褶束内,构造以地台为主,在地台盖层发育时期,处于相对构造稳定状态,新构造运动间歇性抬升过程中无明显差异。

坝址区及其周缘地区不具备孕育强烈地震的构造条件。

按照规范的要求,各建筑物设计抗震标准为:

计算成果表明,通过控制有利于坝体抗震性能的体形调整,可较大幅度提高拱坝抗震能力。

采用多拱梁方法程序对比计算表明选定的拱坝体型具有较高的抗震性能力:

地震作用下坝体最大主拉、压应力数值与国内其它250m以上高拱坝基本相当;

考虑地基辐射阻尼影响后,最大主拉应力降低约25~30%,最大主压应力降低约20%~25%;

考虑地震中横缝张开影响,顶部拱冠梁附近高拉应力得到释放,拱向最大拉应力值得到有效控制,梁向拉应力有所增大,拱坝整体应力状态有所改善。

 

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