溢洪道不對稱受力閘室抗震穩定計算分析

趙常斌，崔 培

(中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

溢洪道用于宣泄規劃庫容所不能容納的洪水，是保證水庫安全的重要設施，閘室是溢洪道的控制部分，其結構穩定安全關系重大[1]。在中小型工程閘室穩定計算中，常常忽略邊墩承受的橫向土壓力對閘室的影響，但由于地基特性、工作特點以及施工要求等，在設計時可能采用邊墩與河岸相連的布置方式，閘室受到雙向水平力的作用[2]，應驗算其合力方向的穩定性。對中小型結構布置和受力不對稱閘室進行穩定計算和抗震復核的研究較少[2- 4]，文章以淮河流域某溢洪道閘室為例，分別考慮設岸墻(不考慮橫向土壓力)、不設岸墻(考慮橫向土壓力)兩種方案，分析橫向土壓力對閘室穩定結果的影響，并采用擬靜力法對不同地震烈度下的閘室穩定進行抗震復核，為閘室布置優化提供參考。

1 工程概況

某水庫工程位于淮河以南，屬淮河流域濠河水系，總庫容為9065萬m3，工程規模為中型，主要建筑物為3級，考慮到庫容接近中型水庫上限，設計洪水標準取為100年一遇，校核洪水標準為2000年一遇。工程主要由大壩、溢洪道、放水涵等組成，大壩原為均質土壩，后在除險加固時增設一道混凝土心墻。溢洪道為岸邊式溢洪道，采用側槽式，由進水渠、控制段、側槽、消能防沖段及下游防護段組成。該溢洪道現狀控制段采用低實用堰，堰上建7孔泄洪閘，單孔凈寬5m，閘孔總凈寬35.0m。現狀閘門采用鋼筋混凝土板梁直升門，上部建有啟閉機房，配手電兩用螺桿式啟閉機，泄槽側建有鋼筋混凝土板交通橋。泄槽平面布置、水流流態復雜，消能設施由水工模型試驗確定。溢洪道閘室中墩為鋼筋混凝土結構厚0.65m，邊墩為圬工結構，順水流方向長7.5m。交通橋及啟閉機機房結構安全隱患多，結構不滿足現行規范要求，同時為響應交通增長的需求，根據工程建設任務，擬拆除重建控制段閘室。為滿足規范[5]和交通需要、保證泄流能力、減少對下游消能設施影響，擬將閘室順水流方向加長至16.0m，閘室保持總凈寬不變、堰型不變，中墩厚度為1.0m，閘室由7孔改為5孔，單孔凈寬7.0m，交通橋布置在靠近水庫側，啟閉機房建在泄槽側，閘門改為平面鋼閘門，配卷揚式啟閉機。

2 計算模型

2.1 計算參數

根據地質勘探結果，溢洪道閘室基礎位于第(1)層強風化砂巖或第(2)層強風化石英巖地基上，該層地基承載力較高。工程地震基本烈度為Ⅶ度，基本地震動峰值加速度為0.10g。水庫正常蓄水位為51.82m(1985國家高程基準，下同)，100年一遇設計洪水位為53.38m，2000年一遇校核洪水位為54.52m。

2.2 計算單元

溢洪道閘室垂直水流方向較長，需進行分縫。考慮閘室基礎較好，擬將沉降縫設在中孔底板，沿順水流方向設兩道永久縫，將閘室分成兩邊孔及中孔底板。單側邊孔的底板結構擬采用整體式，垂直水流方向長18.0m，包括兩孔閘門及3個閘墩；豎直方向上依次為底板、閘墩、交通橋、啟閉機排架、啟閉機房等。選取其中一個邊孔閘室作為計算單元。

2.3 荷載與荷載組合

水閘結構自重及其設備自重按設計尺寸及銘牌確定，水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力等荷載根據不同計算情況按規范[6]公式計算，橫向土壓力按靜止土壓力計算。

地震慣性力對順水流和垂直水流兩個水平方向分別計算，分底板、墩墻、交通橋、排架、啟閉機房等部位，作用于幾何中心，按不利原則考慮，其值大小按下式計算：

Fi=αhεGEiαi/g

(1)

式中，Fi—作用在結構質點i的水平向地震慣性力代表值，kN；αh—水平向設計地震加速度代表值，m/s2；ε—地震作用的效應折減系數，依規范并參考類似工程取0.25；GEi—集中在結構質點i的重力作用標準值，kN；αi—結構質點i的動態分布系數[8]。

單位寬度閘室的總動水壓力按下式計算：

(2)

式中，F0—單位寬度總動水壓力代表值；ρw—水體質量密度標準值；H0—水深[8]。

根據規范[5]要求，荷載組合主要包括基本組合和特殊組合，基本組合主要選取完建、正常蓄水、設計洪水3種計算情況；特殊組合主要選取校核洪水、檢修、正常蓄水+地震3種計算情況。

2.4 穩定計算

閘室結構布置和受力不對稱，基底應力按雙向受壓公式計算，抗滑穩定按抗剪公式計算[6]。

(3)

(4)

式中，∑H—作用于閘室基底面的全部水平方向的荷載，kN；∑G—作用于閘室基底面的全部豎直方向的荷載，kN；f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數；σmax、σmin—閘室基底應力的最大值、最小值，kPa；∑Mx、∑My—作用于閘室基礎的全部豎直方向荷載和水平方向荷載對閘室基底面順水流方向、垂直水流方向形心軸X、Y的力矩代數和，kN·m；Wx、Wy—閘室基底面形心軸X、Y的截面模量，m3[6]。

根據計算單元底板結構型式，確定底板的形心位置，以形心為交點，分別取通過形心的順水流方向和垂直水流方向為形心軸X、Y，分部位求出全部豎向荷載和水平向荷載對底板形心X、Y軸的力矩代數值，考慮正負值后再累積計算，最后求得基底應力與抗滑穩定安全系數。

2.5 抗震計算方法

水工建筑物抗震分析主要有靜力法、擬靜力法、動力分析法等[4]。靜力法認為結構物為剛體，不考慮自身固有特性，假定各處的最大加速度相同，將其與質量的乘積作為地震作用直接加到結構上，計算簡單但精度較差，在中型水利工程上運用較少。動力分析法認為地震作用是一種動力荷載，其大小隨時間變化而變化，目前主要有反應譜法和時程分析法，接近實際地震情況，計算過程復雜但精度較高，一般在大型水利工程中運用較多。擬靜力法認為結構物具有一定的彈性，水平加速度在地震過程中沿結構高度的分布是不均勻的，用簡化圖形來表示隨高度變化的加速度動態分布系數以反映這一特性，方法計算較為簡單，精度也較高[9]，在中小型水利工程中運用較廣。

在對地震區設計或已建的各類水工建筑物進行大量動力分析的基礎上，歸納出大體上能反映結構動態特性的地震作用沿高度的分布規律，以動態分布系數進行表征的擬靜力法，可根據震害和工程設計時間經驗確定的最大地震慣性力仍以靜態作用形式給出，避免了繁復的動力分析，因此在中小型水工建筑物中得到了大量運用[9]。本工程為中型，根據規范[8]要求，采用擬靜力法進行抗震穩定計算。

3 計算成果與分析

3.1 不同計算情況下閘室穩定計算分析

為分析閘室結構布置及受力對稱和不對稱時對閘室穩定的影響程度，文章設置兩種溢洪道閘室與河岸連接的布置方式，方案一是采用岸墻與兩岸連接，假定墻后土壓力全部由岸墻自身來承擔，不考慮橫向土壓力對閘室的影響；方案二是閘室邊墩與河岸直接相連，利用邊墩擋土，閘室需要考慮橫向土壓力的影響。兩種布置方案的溢洪道閘室穩定分析計算結果分別見表1、表2。

表1 方案一閘室穩定計算成果(不考慮橫向土壓力)

表2 方案二閘室穩定計算成果(需考慮橫向土壓力)

(1)根據計算結果，兩種布置方案的基底應力及抗滑穩定安全系數均滿足現行規范[5]要求。如果閘室基礎為土基，特別是地基為壓縮性較強的土層，考慮橫向土壓力的布置方案的閘室基底應力不均勻系數難以滿足要求，不均勻沉降差可能引起建筑物傾斜、閘門啟閉困難等危害，須采用岸墻等工程措施來減少此類風險，改善邊孔閘室受力。

(2)對比表1、表2可以看到，在考慮橫向土壓力作用后，同一個計算情況下抗滑穩定安全系數值較不考慮橫向土壓力作用的小，降低幅度為43%～72%，平均降幅為63%。閘室基底應力不均勻系數增加幅度較大，為29%～101%，平均增幅達到77%，可見橫向土壓力對閘室的抗滑穩定安全系數、基底應力分布影響顯著。

3.2 不同地震烈度下閘室抗震穩定復核分析

以溢洪道閘室布置方案一、方案二為例，在正常蓄水+設計地震烈度計算情況成果的基礎上，復核不同的溢洪道閘室布置方案在地震烈度分別為6度(水平加速度為0.05g)、8度(水平加速度為0.2g)、9度(水平加速度為0.4g)計算情況下的抗震穩定性。兩種閘室布置方案在不同地震烈度下的抗滑穩定安全系數及基底應力計算結果如圖1、圖2所示。

圖1 方案一不同地震烈度下抗震穩定計算成果(不考慮橫向土壓力)

圖2 方案二不同地震烈度下抗震穩定計算成果(考慮橫向土壓力)

根據抗震復核計算成果圖，兩種閘室布置方案在地震烈度小于9度時，其閘室基底應力與抗滑穩定系數均滿足要求。當地震烈度為9度時，基底均出現拉應力，但都小于-100kPa，不考慮橫向土壓力的閘室布置方案一的抗滑穩定安全系數滿足規范要求，而考慮橫向土壓力方閘室布置方案二的抗滑安全系數小于1，不滿足規范要求[6]。

從圖1可以看到，隨著地震烈度的增加，不考慮橫向土壓力布置方案的閘室基底應力最大值不斷增加，基底應力最小值相應減小，基底應力最大值與最小值之比也越來越大，且增長幅度越來越快；抗滑穩定安全系數越來越小，平均降幅為66%。

對比圖1、圖2，同等地震烈度下，考慮橫向土壓力的閘室布置方案二，其閘室基底最大應力與基底最小應力之比，是不考慮橫向土壓力方案的139%～300%，變化幅度更為劇烈；方案二的閘室抗滑穩定安全系數更小，為方案一的32%～84%。隨著地震烈度的增加，兩個方案的抗滑穩定安全系數之間的差別越來越小，反映地震荷載對閘室穩定安全的影響占比越來越大。橫向土壓力對閘室基底應力比和抗滑穩定安全系數的影響非常大，地震作用加劇了這一影響趨勢，且隨著地震烈度的增加，地震作用影響更為顯著。

4 結語

(1)采用對底板形心軸分別求矩的計算方法，分部位、分高度計算相應荷載和地震慣性力，可以保證力矩符號的一致性，避免過多符號引起混淆而出現錯誤，增加計算結果的可靠性。

(2)擬靜力法中的地震復核過程表明，溢洪道閘室在地震工況下的抗滑安全系數比同水位條件下不受地震作用時降低幅度大，地震作用對水工建筑物的抗滑穩定安全系數影響顯著，且隨著地震烈度的越發明顯；基底應力分布受地震作用影響更加直接，對地震烈度的增加反應更為靈敏，當地基為中、高壓縮性土時，應引起足夠注意。

(3)橫向土壓力作用對閘室抗滑穩定安全系數影響大，對基底應力變化更為敏銳。當受功能、投資、地形等限制，閘室結構布置及受力不對稱時，必須考慮橫向土壓力影響，驗算其合力方向的抗滑穩定性和基底應力分布情況。巖基承載力較高，對基底應力分布要求較低，但是當閘室地基為壓縮性較強的土層時，應當慎重考慮閘室與兩岸的連接方式，特別是在工程又位于地震區域、閘室高度較高的情況下，不建議采用邊墩直接擋土的布置方式，應盡可能采取工程措施來削弱橫向土壓力對閘室的不利影響。