摘要：依据小湾拱坝伸缩横缝间布设抗震钢筋方案、特点和要求，围绕抗震钢筋对大坝抗震的影响展开研究，内容包括抗震钢筋种类的选择、温度影响、配筋方式、部位、数量的布设、方案的效果检验及其优化、以及布设预应力钢束的效果等，并提出了这些抗震措施对坝体横缝张开度的影响。研究结果认为在提供上、下游面各布设6 层含钒抗震钢筋能有效减小地震时上游横缝的张开度，采用穿越横缝的抗震钢筋是有效的抗震措施。

关键词：拱坝；抗震钢筋；伸缩横缝；张开度

中图分类号：TV312 文献标识码：A

小湾水电站位于云南西部澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河段规划8个梯级电站中的第二级。最大坝高292m ，为世界上拟建中的最高拱坝，坝址区地震基本烈度高(Ⅷ度)，设计地面峰值加速度为0 308g ，电站总装机420kW ，总库容151 亿m3。设计泄洪流量15666m3/s ，校核泄洪流量20683m3/s 。小湾坝高为世界之最，设计烈度高达Ⅸ度，国内外尚缺乏可以借鉴的经验，地震作用特有的很大不确定性又增加了对大坝进行抗震研究的难度，因此，高拱坝的抗震安全更加为各有关方面所关注。为确保大坝抗震安全性方面尚有不少技术问题需要继续深化研究，特别是其工程抗震措施的实施已成为工程设计和施工十分关心的问题，急需进行可直接为工程设计实际参考选用的具体方案［ 1 ］。以往在对坝体上部布设抗震钢筋的研究成果中[2]，已经明确了对于高拱坝这样的大体积结构，横缝间布设抗震钢筋的作用并非要抗震钢筋承受由传统的整体拱坝结构在地震作用下产生的很大拱向拉应力而防止横缝开裂以维持其整体性。高拱坝在强地震作用下，尤其是在低水位运行时，横缝开裂难以避免。布设抗震钢筋的主要目的是局部减少横缝的张开度，以防止坝段间横缝止水结构因张开过大而遭致修复难度较大的损坏，保证震后大坝的正常蓄水和安全运行。

1 钢筋种类选择与一般钢筋混凝土中钢筋的作用不同，拱坝上部布设的抗震钢筋，必须在其弹性屈服强度内工作，以保证其不发生塑性变形而使横缝在地震后能完全复位的同时钢筋能够保持原始性能。钢筋屈服强度值关系到穿越横缝的自由段长度和总的钢筋用量。为此，必须选择有明显弹性屈服极限且其屈服强度高的软钢。我国20 世纪80 年代以来自行开发的钒微合金化钢筋，由于加入微量钒合金元素，使其具有细化晶粒和强化的作用。采用钒铁合金化，利用碳化钒的析出强化作用可使钢筋的屈服强度和极限抗拉强度比水工混凝土结构设计规范(DL/T 5057-1996)中列出的20MnSi Ⅱ级钢筋明显提高，屈服强度fy ，可达到410 ～500MPa ，平均为455MPa ，大大超过规范中规定的Ⅲ级钢筋抗拉、压强度设计值360MPa ；极限抗拉强度可达到600 ～700MPa ，平均为650MPa 。由于晶粒细化的有利作用，部分抵消了沉淀强化对韧性的不利影响，其结果使塑韧性一般变化不大或有所改善。此外，含钒钢筋还具有较高的高应变、低周疲劳性能，较高的抗形变时效性能，较好的冲击韧性，良好的焊接性能等优良技术指使之更适合于高拱坝抗震钢筋的要求，而其制造成本仅较Ⅱ级钢筋增加5 ％左右，远低于由于屈服强度提高钢材总量节约的百分比，使这项抗震工程措施的总造价降低并减少对大坝的施工干扰。为此，小湾拱坝如采用在坝体上部布设抗震钢筋作为工程抗震措施，采用含钒钢筋HRB400 或HRB500 型号较为合适，其屈服强度fy 分别为400MPa 及500MPa 。

2 混凝土温度变化的影响

如抗震钢筋HRB400 ，其屈服强度为400MPa ，则其强度的42 ％用于承受混凝土温降产生的预拉应力，用于减少横缝张开度的有效率仅为58 ％，相应的横缝允许最大张开度为4 5mm 左右。

3 钢筋布设方案比较

为检验布设抗震钢筋的效果，首先要对考虑横缝张开后，拱坝坝体作为接触非线性问题进行动力分析，以确定其横缝在地震作用时的开合过程。为此，在探讨已有反映拱坝横缝影响的数学模型基础上，应用了能满足接触条件的动接触力理论模型并研制了相应的计算分析程序。其次深入探讨了坝体计算模型中计入横缝的部位、间距、数量对坝体反应及横缝张开度的影响。

拱坝上部布设抗震钢筋的目的在于减少横缝张开度，确保横缝止水结构的完好。基于小湾拱坝设计中的初步设想方案，拟在拱坝上部约1/3 坝高的106m 范围内布设6 层拱向钢筋，每层上、下游面各放置96根40 的钢筋，见图1 。

显然，在进一步工作中，钢筋的布设尚需根据坝顶溢洪孔布置等细部结构作详细设计和适当调整。为比较和说明布设抗震钢筋的效果，并便于和文献 研究成果的比较，仍以文献 的方案作为计算分析的基础，但采用HRB400 含钒钢筋代替原计算中的I 级钢筋后，可以32 替代40 而仍给出每层上、下游各约3 ×104kN 的拉力。

研究中采用的计算模型和方法基于文献 成果，钢筋作用的模拟采用前述按钢筋实际位置组合其刚度到单元有关结点的组合式模型。整个坝体地基体系仍用计入地基辐射阻尼，坝基不均匀地震动影响及满足不嵌入位移接触条件的横缝动接触力法为特征的非线性有限单元结合人工透射边界的波动分析方法。根据对强震时横缝张开情况的进一步分析和坝体网格划分情况，采用沿全坝设置17 条横缝的代表性计算模型(图2)。

鉴于布设抗震钢筋以减少横缝张开度主要为防止横缝止水结构被损坏，横缝下游面的张开度对止水结构影响不会很大，因此比较了在上、下游面布筋及取消下游面布筋的影响。

为减少横缝张开度，穿缝抗震钢筋布设应尽量靠近坝面。但为了避开对拱坝上游止水结构和灌浆系统的干扰，抗震钢筋宜布置在距上游坝面约3 ～4m 的位置，这势必影响抗震钢筋的实际效果。为此，比较了在上游坝面及布筋中心线距上游坝面4m 处布设抗震钢筋效果的影响。强震时拱坝横缝的张开度以坝顶最大，沿高程向下逐渐减少以至闭合。显然，靠近坝顶部分的抗震钢筋远较其下部的抗震钢筋效果显著。为此，又比较了6 层钢筋分别集中到各有关结点和取消下部高程3 层钢筋的影响。

综上所述，确定了以下4 种布设抗震钢筋方案：（1 ）上下游面各布设6 层抗震钢筋；（2 ）仅上游面布设6 层抗震钢筋；（3 ）距上游面4m 布设6 层抗震钢筋；（4 ）距上游面4m 布设上部3 层抗震钢筋。

表1 给出了无钢筋和几种布设钢筋方案中，各横缝上、下游面的最大张开度(设计地震，运行低水位)。

表2 给出了张开度较大的有代表性的第11 条横缝沿高程张开结果。

由表1 结果可以看出，即使仅在坝体上游面上部距坝面4m 处布设3 层抗震钢筋，对止水结构有影响的横缝上游面最大张开度也仅4 59mm ，在穿越横缝抗震钢筋自由段长度取4m 时，也基本能满足HRB400 钢筋在扣除了混凝土温降影响后的钢筋屈服强度σs 要求，即横缝最大张开度允许值Δc 为

如果采用HRB500 钢筋达到屈服强度有约1.2 的富裕强度系数。

4 对坝体伸缩横缝状态的影响

为核查布设抗震钢筋对坝体应力状态的影响，图3 和图4 分别给出了不采取专门的抗震工程措施和在坝体上部距上游坝面4m 处布设3 层抗震钢筋两种情况下，坝体各横缝在地震作用下的张开度时间历程。图5 和图6 分别给出了两种情况下，张开度最大的第11 横缝顶部横河向和竖向累积错动量。

从以上两种情况的比较可以看出，布设抗震钢筋对减少横缝法向张开度和切向错动是有效的。

5 预应力抗震钢束效果

为探讨在拱坝上部上游面布设预应力抗震钢筋的效果，比较了在拱坝上部上游面布设6 层抗震钢筋外，再在坝顶沿上游坝面在各横缝处增设拉力为3 ×104kN 的后张无黏结预应力抗震钢束的效果。计算结果给出的各横缝上、下游面最大张开度见表3 。从表3 可见，即使在坝顶上游面布筋效果最显著部位各横缝增加了3 ×104kN 预加压力，坝体横缝上游最大张开度仅从未加预应力的3.79mm 降至3.32mm ，即下降仅12 ％，增加预应力抗震钢束的效果并不显著。

考虑到在坝顶上游面各横缝间施加3 ×104kN 后张预应力施工的复杂性，以及由此引起上游坝面很大的径向压力，对横缝灌浆的影响，以及预应力钢束和坝面混凝土摩擦力影响和地震往复振动对预应力钢束锚固端影响等尚难确定等因素，这类抗震工程措施的可行性和可靠性都值得商榷。

6 结 论

(1)在拱坝上下游面各布设6 层，每层为96 ×φ 32HRB400 含钒抗震钢筋后，在设计地震作用下，坝体上游横缝最大张开度由不布抗震钢筋时的6.77mm 降至3.41mm 。(2)如仅在上游面布设6 层抗震钢筋，则坝体上游横缝最大张开度由上、下游布抗震钢筋时的3.41mm 增至3.79mm ，即布筋量几近减半而对张开度影响仅11 ％，虽下游面横缝最大张开度由3.14mm 增至5.95mm ，但并不影响止水结构，在地震后即可复原。(3)考虑到因横缝上游面止水结构和灌浆系统的布置而将穿缝抗震钢筋从靠近上游坝面移至距上游坝面4m处后，坝体上游横缝最大张开度由原来的3.79mm 增至4.50mm 。可见抗震钢筋实际布设的位置对横缝最大张开度有较为显著的影响。(4)横缝的张开度由下往上逐渐增大，至坝顶达到最大。与在坝体上游面上部布置6 层抗震钢筋比较，当仅在上部3 层布筋而取消下部布筋时，坝体横缝最大张开度由原来的4.50mm增大到4.59mm 。说明在1190m 高程以下布筋对横缝最大张开度的影响很小。(5)为减小拱坝在强震时的横缝张开度防止横缝止水结构受损，以增加坝体抗震安全性，采取在坝体穿越横缝的抗震钢筋是可行而有效的抗震工程措施之一。(6)采用高屈服强度HRB400 或HRB500 含钒抗震钢筋，仅在坝体靠近坝顶的上游不连续布设全长8 ～9m 的穿越横缝的抗震钢筋的优化方案，可在对坝体横缝张开度影响不大情况下与预应力抗震钢束方案相比，使钢筋量减少达90 ％，并最大限度地减轻布设抗震钢筋对施工干扰等负面影响。

参考文献：

[1]中国水利水电科学研究院.小湾高拱坝抗震工程措施深化研究［ R ］ .北京：中国水利水电科学研究院，2002 年.

[2]“九五”国家重点科技攻关项目“高坝工程技术研究”，课题“300m 级高拱坝抗震工程研究”，专题“高拱坝地震应力控制标准和抗震结构工程措施研究”，子题“高拱坝抗震结构工程措施研究”［ R ］ .北京：中国水利水电科学研究院，1999.

[3]朱伯芳.强地震区高拱坝抗震配筋问题［ J ］ .水力发电，2000 ，(7)：18-22.

[4]“九五”国家重点科技攻关项目“高坝工程技术研究”，课题“300m 级高拱坝抗震技术研究”，专题“高拱坝抗震分析和坝肩动力稳定性研究”研究报告［ R ］ .北京：中国水利水电科学研究院，2000.

[5]中国水利水电科学研究院.钢筋混凝土粘结效应有限元分析［ R ］ .北京：中国水利水电科学研究院，2002.

Effect of aseismic reinforcement on earthquake resistance of high arch dam

GUO Yong gang, TU Jin, CHEN Houqun

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100044 ，China)

Abstract ：According to the structure requirement and designed reinforcerment arrangement scheme of Xiaowan Arch Dam,the effect of aseismic reinforcement on earthquake resistance of the dam is studied.The main topics such as the selection of the variety of reinforcement,influence of temperature variation,effect of reinforcement locations,quantity and the way of steel bar arrangement are considered.It is found that the scheme in which two rows of steel bar are placed on the upstream and downstream suface of the dam can effectively minimize the openings of the transverse expansion joints during earthquake.Furthermore,the reinforcement bar passing through the transverse expansion joint is effective for enhancing the aseismic resistance of the dam.

Key words ：hihg arch dam; aseismic reinforcement; transverse joint; Opening

作者单位：中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心

作者简介：郭永刚(1966-)，男，黑龙江双城人，高级工程师，主要研究方向为水工结构抗震及振动测试。