土耳其德里内尔拱坝的设计_M_维兰德

( 5) 对于满库工况 , 施工缝中的扬压力呈三角 形分布, 可 按 Westerg aard 模型 ( 不可压 缩水库 ) 考 虑上游面的动水质量。 4. 4 大坝线弹性分析结果 在图 2 中 , 绘出了在线弹性分析中输入的不同 地震激励所得出的坝顶顺河向的最大位移包络线。 M CE 引起的坝顶最大位移为 220 mm, 大约是水荷 载引起挠度的两倍。 如果考虑横缝的张开 , 位移会进一步增大。假 定混凝土坝块是刚体, 且在接缝处只可能发生转动, 就可利用坝顶挠度来估计坝顶附近横缝的最大张开 位移。 4. 5 孤立混凝土坝块的转动- 滑动分析 对图 1 中所示的 20 m 高的混凝土坝块进行了 二维转动 - 滑动分析 , 将该坝块底部经过放大的加 速度作为输入运动。通过把转动中心向坝体内移动 约 1 m, 增大转动响应, 以考虑施工缝上下游面处混 凝土剥落的影响。表 1 列出了转动- 滑动分析的主 要结果。在分析中, 摩擦系数采用 0. 7, 考虑了空库 和满库两种工况。图 3 示出了空库和满库时混凝土 坝块滑动与转动位移的典型时程。
应力。 接缝张开和裂缝 形成将引起拱坝应力重新分 布 , 导致压应力增大。开裂后的拱坝的动压应力较 高 , 不可能造成坝体进一步的破坏, 因为大体积混凝 土的动抗压强度是抗拉强度十几倍, 而且在基本荷 载条件下 , 压应力的安全系数至少为 3。在地震发 生后 , 地震前的基 本荷载 ( 死荷载、 水荷载、 泥沙荷 载、 温度效应等) 又重新作用在坝上。尽管地震发生 后坝已开裂 , 在接缝和裂缝内可能会产生水压力 , 但 附加压应力仍在大坝可承受的范围内。在混凝土坝 中 , 尚未观察到超压应力引起的地震破坏。 应该指出 : 现场地震观测 , 特别是振动台试验, 仅在混凝土坝上发现很少的裂缝。这说明一旦形成 裂缝 , 就能防止其余坝体出现超限拉应力和形成新 的裂缝。因此, 在分析开裂后大坝的性状时, 如果坝 基的稳定能得到保证 , 只需关注混凝土开裂后所形 成坝块的动力稳定就足够了。 4. 2 混凝土坝块的动力稳定分析方法 实际上, 通常是考虑水库和坝基之间的相互作 用 , 采用线弹性动力分析评估混凝土坝的抗震安全 性。这种动力分析适用于地震作用未在坝内引起高 动拉应力的情况, 如重现期为 145 a 的运行基准地 震 ( OBE) 。通常 , 具有较低基本固有频率的高拱坝 遭受的动力响应高于小拱坝。瑞士蓬特多加尔拱坝 ( 130 m) 和埃莫松拱坝 ( 180 m ) 的地震观测数据表 明 : 相 应 于 地 震 动 峰 值 加 速 度 ( P GA) 为 0. 01 ~ 0. 05 g 的小地震来说 , 最大坝顶加速度的放大系数 可达到 11, 甚至更大。放大系数大也归因于这些坝 基本振型的阻尼小。 一旦动拉应力超 过横缝和施工缝的动抗拉强 度 , 那么 , 由于开裂、 接缝张开和接缝移动 , 动力响应 就变为非线性。由于非线性动力分析方法仍在研究 和开发阶段, 完全非线性动力分析尚不适用于拱坝 设计 , 现有方法的可靠性也没有经过地震观测记录 的验证 , 因此 , 需要采用既能反映预计的地震破坏特 征 ( 即裂缝完全沿着横缝和施工缝发展 ) , 又能对坝 体安全性做出保守评估的分析模型。 对于拱坝中上部混凝土开裂后形成的孤立坝块 的动力稳定分析, 建议的简化方法包括下列步骤 : ( 1) 坝 - 水库- 坝基系统的线弹性动力时程分 析 ; 计算绝对加速度和动主拉应力的包络线; 对满库 和空库两种工况进行分析。 ( 2) 根据动主拉应力和绝对加速度的包络线,
M . 维兰德 等
土耳其德里内尔拱坝的设计
选择进行动力稳定分析的孤立混凝土坝块, 可选择 由张开的横缝和施工缝切割形成的 2~ 3 个坝块。 ( 3) 根据第 1 步的结果, 确定各孤立坝块底部 的绝对加速度的径向和竖向时程。 ( 4) 用二维有限元模型模拟孤立坝块 , 在该模 型中 , 用接触单元表示开裂的水平施工缝。 ( 5) 将第 3 步的结果作为加速度输入 , 用于分 析孤立混凝土坝块的动力稳定 ; 混凝土坝块将产生 转动与滑动; 由于几何形状的约束 , 二维混凝土坝块 只能向上游方向移动。 ( 6) 至少应分析 3 种不同的地震动作用下 , 上 游面和下游面的最大滑动位移 和最大裂缝张 开位 移。由于坝顶附近顺河向的加速度达到最大, 离坝 顶最近、 高度最小的混凝土坝块将发生最大的滑动。 4. 3 简化动力稳定分析的假定 孤立混凝土坝块的动力响应取决于大坝系统的 线弹性动力响应。除了地震输入数据外, 控制大坝 动力响应最重要的因素是线弹性模型中阻尼比的假 定。在高拱坝的抗震安全评估中 , 对于很强的地震 动, 为谨慎起见 , 一般假设阻尼比 ( 包括水库和基岩 的地震波辐射作用) 不超过 5% ~ 7% 。 对于孤立混凝土坝块的动力稳定分析, 采取的 其他基本假定如下 ( 德里内尔坝所选的关键坝块见 图 1) :
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抗震设计
大型拱坝的抗震性能 线弹性动力 分析 表明 : 在 诸如 最大 可 信地 震
( MCE) 或安全设计地震 ( SEE) 等强地震动作用下 , 在高拱坝的中上部会出现超过大体积混凝土动抗拉 强度的拉应力。由于灌浆垂直收缩接缝 ( 横缝 ) 和浇 筑层水平接缝( 施工缝) 的抗拉强度低于大体积混凝 土的本体抗拉强度, 故横缝可能张开, 而沿着施工缝 可能出现水平裂缝。因此, 拱坝的动力变形主要是 横缝和施工缝张开 , 以及混凝土坝块沿着这些接缝 与裂缝滑移所致。这些变形可释放拱坝坝体中的拉 22
表1 拱坝中上部孤立混凝土坝块转动 - 滑动 分析的主要结果
输入 地震动 M CE1 M CE2 M CE3 M CE1 M CE2 M CE3 地震 持续 时间 /s 15 25 32 15 25 32 水库 工况 空库 空库 空库 满库 满库 满库 沿施工缝裂 缝的最大 滑动位移 / mm 272 525 708 346 307 280 上游缘最大 裂缝张开 位移 / mm 129 149 142 136 143 110 下游缘最大 裂缝张开 位移 / mm 58 40 76 96 86 30
2009 年 2 月
水利 水电 快 报
EWRHI
第 30 卷第 2 期
设计与施工
文章编号 : 1006 - 0081( 2009) 02 -0021 - 04
土耳其德里内尔拱坝的设计
[ 瑞士] M. 维兰德 等
摘要 : 位于土耳其克鲁赫河上的德里内尔 拱坝于 1998 年开工 , 2005 年开始大坝混凝土浇筑 , 预计 2010 年竣工 。 该坝高 249 m, 将是土耳其最高的拱坝 。 介绍了工程的基本情况以及设计过程中的几 个关键技 术 问题 , 详细讨论了大坝的抗震设计 。 在强地震 动作用 下 , 坝体中上 部将出 现沿水 平施工 缝的裂 缝 , 灌浆 横 缝也将张开 。 开裂形成的孤立混凝土坝 体可能 向上游方 向发生 位移 , 研究了 坝块可 能出现 的最大 滑动 位 移和转动位移 。 关键词 : 拱坝 ; 坝设计 ; 德里内尔水电站 ; 土耳其 中图分类号 : T V 642. 4 文献标 识码 : A
德里内尔水电工程位于土耳其东北部克鲁赫河 的下游。大坝为混凝土双曲拱坝, 坝高 249 m, 坝顶 长 721 m , 坝底最大厚度 60 m, 混凝土方量 350 万 m 3 。地下 厂房位 于右 岸靠 近大 坝处 , 宽 20 m 、 长 126 m 、 高 45 m, 将安装 4 台立轴混流式发电机组 , 总装机容量为 670 M W 。 坝址控制流域面积为 18 390 km 2 , 平均入库流 量为 154 m 3 / s 。水库总库容为 19. 7亿 m 3 , 有效库容 为9. 6亿 m 3 , 正常 蓄水位 时水库 面积为 26. 4 km 2 。 导流隧洞为马蹄形断面 , 直径 11. 6 m, 长 912 m, 按 100 a 一遇洪水设计 , 泄水能力为 1 804 m 3 / s。 基岩主要为花岗闪长岩, 有辉绿岩脉侵入。一 般说来 , 这种岩石很适合建拱坝。岩层构造能够受 力。在坚硬岩石之上 有一层减压岩石 , 节理发育。 地球物理测量结果表明, 新鲜岩石与减压岩石在波 传播速度方面存在明显的差别。拱坝将由坚硬岩石 支承 , 需要完成大量的基础开挖工作。 工程于 1998 年开工, 2005 年底坝基开挖完成 , 随即开始浇筑拱坝混凝土。然而, 从 2006 年 9 月到 2007 年 9 月, 混凝土浇筑施工暂停。2008 年 1 月 ,
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水利 水电 快 报
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第 30 卷第 2 期
( 3) 对于岩石开挖引起的边缘变形 , 采用岩土 仪器( 测斜仪 ) 和大地测量实施监测。 2002 年 5 月 安装了第 1 批测斜仪 , 2004 年 10 月开始实 施大地 监测。到 2007 年, 在 左岸 ( 高 程 542 m, 高出坝 顶 145 m) 和右岸 ( 高程 563 m, 高出坝顶 166 m ) 分别 观测到的最大边坡位移为 6 cm 和 4 cm 。
注 : 水平 PG A 和垂直 PGA 分别为 0. 35 g 和 0. 23 g 。
图1
德里内尔拱坝动力稳定分析 所选的混凝土坝块
4. 6 孤立混凝土坝块的动力稳定分析 4. 6. 1 结果讨论 孤立混凝土坝块的动力稳定分析结果如下 : ( 1) 在空库条件下 , 水平 PGA 为 0. 35 g 时, 坝 块向上游方向的最大滑动位移为 1 045 mm 。因为 向上游方向的滑动位移具有累积性质, 强地震动的 持续时间对空库工况的最大滑动位移有重要影响。 ( 2) 在满库条件下 , 水压力起着把坝块推回原 位的作用 , 如图 3 所示。在 水平 P GA 为 0. 35 g 时, 最大滑动位移要小得多 , 仅 346 mm , 而且强地震动 23
收稿日期 : 2008 - 11 - 28
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坝基和岩石开挖
坝基开挖方量为 870 万 m 3 。在开挖过程中 , 碰