哥伦比亚圣埃斯皮里图电站地震危险性分析

2015-07-16哥伦比亚科雷亚

水利水电快报 2015年8期

［哥伦比亚］ M.科雷亚

1 概述

圣埃斯皮里图(Espirita Santo)电站位于哥伦比亚北部安蒂奥基亚省考卡(Cauca)河上，其可行性研究正在进行中。坝址位于目前在建的装机2400MW的伊图安戈(Ituango)电站下游24km处，设计主坝高93 m，为碾压混凝土坝，库容5800万m3，地下厂房安装4台150MW发电机组。考卡河多年平均流量1026 m3/s，可能的最大洪峰流量为25000 m3/s。工程主要特征如下。

流域特征

河流名称: 考卡河

流域面积: 36977km2

平均流量: 1026 m3/s

流域用水率: 27.7 I/s/km2

大坝

坝型: 碾压混凝土重力坝

建基面高程: 135 m(海拔高程)

坝顶高程: 228 m(海拔高程)

坝高: 93 m

坝顶长度: 320 m

体积: 72万m3

溢洪道

类型: 坝顶开敞式溢洪道

溢洪道泄洪水位:205 m(海拔高程)

溢洪道顶宽: 100.8 m

溢洪道底宽: 70.3 m

设计流量: 23250 m3/s

水库

最高和正常蓄水位:205 m(海拔高程)

库容: 56.3 hm3

兴利库容: 0

淹没面积: 2.4km2

电站厂房

类型: 地下厂房

洞室数量: 3座

交通洞长度: 553 m

主洞室: 23.5/150.8/41(宽/长/高)

变压器洞室: 15/87.35/17.3(宽/长/高)

下游减压井: 18.5/93/40.1(宽/长/高)

效能参数

设计流量: 1168 m3/s

总水头: 58.6 m

净水头: 57.3 m

装机: 600MW

发电机组数量: 4台

水轮机类型: 混流式

压力管道

直径: 10 m

井筒压力直径: 10 m

衬护排水洞直径:7.2 m

长度: 233 m

项目所在的考卡河流域水电蕴藏量丰富，相关的研究工作已经进行了45 a，例如，早在1971年，公共事业哥伦比亚电力公司(ISA)就聘请Integral咨询股份公司对该项目开展了研究。

目前在建的伊图安戈电站，坝高225 m，库容27.2亿m3，将通过调蓄洪水和拦淤使圣埃斯皮里图工程发挥效益。这将改善工程的运行环境。

圣埃斯皮里图坝位于海拔100～250 m的雨林环境中，湿热多雨。这一地区还属于高地震风险地带。

低海拔、环境条件恶劣、地震频发以及径流量大等条件，决定了该水电站在设计、建设和运行阶段必须解决很多复杂问题。

一个要考虑的基本问题是设计洪水。由于在陡峭的山坡上难以建造溢洪道，因此土石坝不可行。

2 地震危害

尽管哥伦比亚全部位于南美板块内，但南美板块与其他板块，特别是与哥伦比亚海岸前的纳斯卡板块的相互作用，导致工程区地震背景复杂。这一点可从复杂的地貌、横贯全国的活动性断层、深源和浅源地震活动等方面得到印证。这些现象首先与板块的俯冲有关，其次与山区断层的活动有关。需要注意的是，虽然哥伦比亚北海岸板块的俯冲不及南部强烈，但却是诱发深源大地震的原因。

构造活动主要发生在3条山脉中，这3条山脉将安第斯最大的南北向山间盆地分成了两个盆地，即东和中部山脉间的马格达莱纳盆地，以及工程所在的中部和西部山脉间的考卡盆地。

这一地区历史震级不超过里氏7.0级，最大的一次是在1992年穆林多地区，地震造成的建筑物损坏和财产损失波及到100km之外，坝址距震中150km。

哥伦比亚震级最大、破坏性最强的地震都是由长活动断层带引发，所有震级达到里氏7.4级的浅源地震几乎都与山脉走向平行分布。哥伦比亚分布有3条主要断层带，分别与3座山脉边界重合:西部和中部山脉间的考卡－罗梅拉尔断层带、中部和东部山脉间的帕莱斯蒂纳断层带，以及东部山脉东缘的山前断层带。考卡－罗梅拉尔断层带从南部的厄瓜多尔一直延伸到北部的哥伦比亚，由圣埃斯皮里图、东圣塔丽塔、西圣塔丽塔等断层组成。

坝址附近，最浅的震源都与考卡－罗梅拉尔断层带以及当地的其他断层带有关，如达贝巴阿奇和墨累断层、穆塔塔和穆云渡断层。

该项目位于两个平行断层之间，西距东圣塔丽塔断层12km，东距圣埃斯皮里图断层2.5km，二者都呈北东走向，属正断层。

在这种地质构造环境下，建碾压混凝土坝是设计工程师的首选。大坝选址的一个基本原则就是要避开受断层影响的河段，因为碾压混凝土坝是刚性体，对坝基变形较敏感。

预可研阶段，对几个坝址进行了研究分析，最终选择塞维利亚(Sevilla)坝址，该坝址所在河段不与任何断层并行，减小了河床存在断层的可能性。最近在可行性研究中，对该坝址进行了地形测量、地质测绘以及跨河探测，排除了坝址河床存在断层的可能性。

坝基也没探察到小断层，因此可以断定大坝坐落在单一块状岩体上，地震发生时坝基作单体运动，不会产生相对位移。

坝基岩体呈块状结构，岩性均一，仅发育微小裂隙，局部含叶理片麻岩，坝基和地下厂房洞室的地质条件极好。

最可能引发地震危害的是圣埃斯皮里图断层，它距坝址仅2.5km，许多专家先前以及在项目开展过程中均对该断层进行过研究，通过观察新近断层两盘的滑动和坝址附近坑探获得的证据，证实了它在第四纪的活动性。

在地震危险性评价中，采取确定性法和概率法计算工程的地震设防标准，运行基准地震重现期为475 a，余震重现期为2500 a，最大可信地震重现期10000 a。Integral咨询股份公司采用该地区其他工程数据，特别是内奇工程和伊图安戈工程，开展了该工程的地震危险性研究。

采用国际上普遍接受的、适合这一地区的衰减关系，运用概率性法对不同重现期的地面加速度进行了计算，其中最具代表性的研究者是布尔和阿特金森(2008年)，伊德里斯(2008年)、加利格和奥达斯(2000年)。2008年，太平洋地震工程研究中心出版的《下一代地震动衰减关系》中，包含了前两位作者的研究成果，这是一项多学科研究成果，目的是通过综合性、高度交互式研究，建立新的地面运动预报关系。

20世纪80年代，伍德沃德和克莱特开展了描述性研究，采用确定性方法计算了地面加速度，将最大震级和分段与附近的断层相关联，重点研究了距坝址2.5km的圣埃斯皮里图断层区段4。对圣埃斯皮里图断层进行的各种地震研究都表明，该断层引发的地震震级可取里氏6.5～7.0级。

计算所得运行基准地震和余震的地面加速度分别为0.19 g和0.37 g，采用确定性方法计算出的最大可信地震地面加速度在0.56 g和0.63 g之间，与采用概率法计算的10000 a重现期地面加速度0.59 g相似，最终定为该值(见表1)。

表1 地震设计标准与参数

3 拟定方案

在预可行性研究阶段，考虑了2种坝型，即柔性的土石坝和刚性的碾压混凝土坝。由于土石坝的溢洪道必须建在河岸上，大约1100万m3的开挖弃料需转移到40km以外的地方，增加了不必要的投资，因此排除了土石坝方案。根据峡谷特点选择碾压混凝土坝。

考虑到地震危害，溢洪道不采用弧形闸门方案，因为根据洪水量，弧形闸门需要15 m宽和25 m高，而溢流式溢洪道不需要设置任何可能遭受地震损坏的设施。

根据工程结构和水力特征，大坝设计最大高度93 m，坝体断面为梯形，坝顶宽7 m，上、下游坝坡坡度分别为0.2∶1 和0.8∶1，坝总长325 m(见图1 和图2)。

大坝为弧形碾压混凝土重力坝，弧形半径244 m(见图3)，洪水全部排放入河。

图1 大坝典型断面

图2 大坝高程

图3 建筑物平面布置

采用专门为混凝土重力坝开发的软件EAGD84建立多个有限元模型，对大坝进行了抗滑稳定分析，并对大坝在优势地震作用下的反应进行了校核。结构分析考虑不同荷载情况，包括正常、非正常、极端(荷载)和余震。采用平面应变有限元模型以及均质线性和各向同性材料，对大坝与其基岩、大坝与水库的相互作用进行了分析，同时考虑库水对地震波的压缩和反射效应。地震力与水平和垂直分量作为时间域自由场加速度记录在案。对2个近代大地震，即哥伦比亚亚美尼亚地震(1999年)和克塔梅地震(2008年)进行了量化，以代表工程的地震危害(见图4)。