對《水工建筑物抗震設計規范》中 有關水閘及閘壩抗震問題探究

阿達來提·吐爾溫 劉 薇 王明龍 王艷寧

(1. 新疆水利廳喀什噶爾河流域管理處，新疆喀什市 844000； 2.中國農業節水和農村供水技術協會規劃設計研究中心，北京 100045)

新疆是我國強震頻發地區，許多大型水閘及閘壩均位于7度或8度強震區。鑒于新疆地區水閘震害的獨特性，根據本地區水閘抗震除險加固情況，結合汶川地震中一些共同問題進行探究。

1 1-2級水閘抗滑穩定是否需要采用動力法計算

水閘和閘壩的抗滑穩定是其設計中是基本要求之一。《水工建筑物抗震設計規范》（SDJ10-78）規范第8.1.1條規定：水閘的抗震計算包括抗震穩定和結構強度計算。第8.1.2條規定：設計烈度為8、9度的1、2級水閘或地基為可液化土的1、2級水閘的地震作用效應計算，應采用動力法進行抗震計算。

目前我國所有水工建筑物抗滑穩定計算均采用擬靜力法計算，那么，設計烈度為8、9度的1、2級水閘和閘壩或地基為可液化土的1、2級水閘和閘壩抗滑穩定計算如何來執行上述規定？如果用動力法計算水閘和閘壩的抗滑安全性，又用什么作為判據？如果考慮目前水閘動力法及抗滑穩定計算現狀，是否應明確規定：設計烈度為8、9度的1、2級水閘和閘壩或地基為可液化土的1、2級水閘和閘壩抗滑穩定仍采用擬靜力法計算。

2 如何判斷震后水閘抗滑穩定性

砂礫地基上地震工況下2級水閘抗剪穩定安全系數，《水閘設計規范》明確規定K ＞1.05，對沉降變形也規定最大沉陷量不大于15cm，不均勻沉降不大于5cm，但對震后水平變位卻沒有明確規定。

耿達閘壩壩高31.5m，建于砂礫石深厚覆蓋層地基上，設防烈度8度。由于覆蓋層中含漂卵石層中存在局部架空等原因，1986年蓄水至2006年整個閘壩持續沉降和向下游變位。雖變位逐步收斂，但最大沉降5.4mm，最大水平位移28.4mm。2008年汶川地震，場地烈度9度，震后產生10.2mm沉降變形，但向下游產生126mm水平變位，復核成果表現，在8度地震下（0.259g），結構抗滑穩定安全系數滿足規范要求。在9度地震下（a =0.48g），該閘壩抗滑穩定安全系數0.88，但震后閘室地基未 出現液化現象，整個閘體未產生明顯不均勻變形，閘室未產生貫穿性裂縫，閘室無明顯失穩形態，僅產生較大水平變位。

該如何評價該閘壩震后的抗滑穩定性？是否要進行抗震加固？又如何進行抗震加固？水閘及閘壩的失穩評判標準應如何確定？

3 動力法計算適用條件

抗震規范第8.1.2條規定：設計烈度為8、9度的1、2級水閘或地基為可液化土的1、2級水閘的地震作用效應計算，應采用動力法進行抗震計算。由于當前我國無閘壩設計規范，大量河床式電站中的閘壩，仍按水閘設計規范設計。

由于靜力計算無法反映覆蓋層非線性動力特點，而許多深覆蓋層上高達30多米的3級閘壩，震害及其影響遠大于平原地區的水閘，是否仍可不用動力法計祘？

4 關于垂直水流向震害及抗震設計

抗震規范4.1.7條規定：“閘墩、進水塔、閘頂機架，應考慮兩個主軸方向水平向地震作用”，實踐證明這一要求和規定是正確，但可能需完善。

新疆喀什布哈拉水閘，地處開闊平坦的戈壁灘上，8度地震區，Ⅱ級水閘，閘室高4m，開敞式整體結構，上部板梁結構簡支于啟閉臺柱上，地震后啟閉臺柱、閘墩震害嚴重、牛腿混凝土全部拉壓破壞、輕型鋼架鉄皮啟閉機房的圈梁剪斷、公路橋工作橋無法正常工作……

四川魚子溪電站的泄洪閘，閘室高28.5m，為各自獨立的帶胸墻的整體式閘室結構，汶川地震時，場地地震烈度10度（超過設防烈度8度），震后次生災害異常嚴重，啟閉機房嚴重砸壞，三扇弧形閘門支臂被震斷沖至下游，支鉸后尾墩開裂，但由于閘壩軸線與地震波主軸夾角較小，且壩頂長78m，河谷狹窄，兩岸山體約束較強，又采用帶胸墻的整體結構，整體剛度較大，經多次檢查：胸墻、閘墩、啟閉臺柱幾乎未見什么裂縫，結構完好。

從上述兩座閘室震害對比中似乎可見：

(1) 作為抗震規范，從安全計，要求水閘和閘壩在抗震計算中，考慮兩個主軸方向水平向地震作用，是必要的。

(2) 但認識和宏觀判斷上，在峽谷地區，當采用帶胸墻的整體結構，且上部結構與啟閉臺柱為剛結時，由于橫向剛度的提高，垂直水流的地震反應不一定是控制條件。

5 關于地震反應的線彈性與非線性動力分析

強震是一個人們至今尚未完全認識的極為復雜的、可造成極為嚴重災害的小概率事件。砂礫石、砂等土基的動力特性遠比巖基復雜，由于地震波在土基中吸收、反射，地震過程中土基中孔隙水壓力的提高，有效應力的減少，土基的模量比和阻尼比具有明顯非綫性特點，因而土基的結構抗震問題頗為復雜，再加上水閘是個縱橫向剛度差異較大的空間結構，因而土基上的水閘的結構抗震問題更為復雜。

較長時間里，由于強震區水閘數量不多，相對大壩而言，地震給水閘所帶來的直接與間接災難較小，因而水閘的抗震設計多以地震工況下結構穩定為條件，沿用擬靜法進行計算。實踐證明，盡管其抗滑安全系數滿足規范要求，但在飽和中等密實土基上的水閘仍會發生嚴重破壞，有的甚至傾倒失穩，因而規范規定設計烈度為8、9度的1、2級水閘或地基為可液化土的1、2級水閘，應采用動力法進行結構強度抗震復核。

用動力法進行水閘結構強度復核，就需要現場進行地基動力特性測試，并在室內利用動三軸試驗，測定土基的最大剪切模量與平均有效主應力的關系、動剪切模量比與動剪應變幅的關系、阻尼比與動剪應變幅的關系，概化后代入特定的非線性程序進行計算，才可模擬出地震中土基上水閘破壞過程。然而由于現場試驗諸多困難，室內重塑樣的代表性，試驗成果概化后的誤差，以及計算中許多假定，不少計算結果常與實際有一定出入。

當然，在條件具備時，進行土基上三維彈塑性計算是需要的，但考慮到目前土基上水閘的三維非綫性動力計算成果尚不能直接作為除險加固設計的主要依據，試驗和計算費用較大。在此現況下，逐步摸索一套以三維非線性動力計算成果為基礎，以等效線彈性動力參數為依據，以實際震害為鑒別標準，進行三維線彈性動力分析，并參見眾多工程實踐及經驗進行加固設計，是否為更實用、更便于推廣的方法？

6 抗震復核的荷載組合

SL265-2001《水閘設計規范》規定：地震工況時，按正常蓄水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力，地震力，不計冰壓力和凍土壓力。

查閱新疆伽師地區地震記載，自1996年以來所發生的5次6級以上地震中，有3次發生在10月27至次年3月21日的結冰期，即在喀什地區存在著地震與冰壓力組合的可能性。由于本地區設計冰層厚度為80cm，相應每米寬的冰壓力215kN，約為同等深度水壓力的數十倍，對干設計水深較小的引水建筑物的閘門、牛腿及閘墩等結構，所承受的推力增加很大，成為一個不可忽視的因素。因而水閘抗震計算的工況，是否應適當考慮各地的差異？

7 不同步荷載模擬及牛腿拉壓破壞原因

牛腿是傳遞弧門推力的壓剪結構，但新疆布哈拉水閘所有牛腿地震后即出現明顯嚴重拉壓破壞裂縫，原因何在呢？在動力計算中又如何模擬呢？

在布哈拉水閘震害的反演計算中，我們根據動力法抗震計算假定：假定結構物由有限個具有一定質量的質點組成。地震波由多個不同頻率簡諧波組合而成。結構物的地震反應，是這些有限個具有質量的質點，在多個簡諧波共同作用下的反應。按照抗震規范規定，外荷載也應轉化為相應等效質量的質點，懸掛于建筑物相應的表面。

弧形閘門推力是外荷載，也應轉化為相應等效質量的質點，懸掛于建筑物（牛腿）相應的表面。考慮到弧形閘門與牛腿鉸接，牛腿本身在靜態為受壓構件，但在地震中，由于閘門與閘墩牛腿變位的不同步，閘門推力往返拉壓牛腿，牛腿成為受到反復拉力和壓力作用的構件，因而我們把弧門推力概化為含有等效質量的質點后，與牛腿用彈簧連接。

鑒于牛腿尺寸70cm×70cm，正常蓄水工況下，C25混凝土牛腿承受壓力3.83t，牛腿平均壓應力僅為0.78kg/cm2，結構安全，但在冬季結冰又遭遇地震后，承受89.4t推力；當弧門與閘門同步變位時，牛腿上壓應力18.22kg/cm2，結構仍然安全，當弧門與閘門不同步變位時，牛腿可能受到同樣噸位的拉力，相應牛腿混凝土平均拉應力達18.22kg/cm2，牛腿拉應力超過混凝土抗拉強度，牛腿即可拉壞；一旦拉壞，其抗壓強度就顯著降低，這樣在反復拉壓荷載作用下，牛腿全部拉壞破壞。結合魚子溪泄洪閘弧形閘門支臂與支鉸的連接螺栓在地震中被拉斷的事實，在抗震規范修編中，對于不同步變位所產生的影響是否應以考慮？

8 分離式結構的抗震性能

鑒于砂礫石地基嚴格講并非彈性地基，中密以上砂礫石的地基反力遠比土基小，新疆喀什地區的早期水閘，多將閘墩與底板分開，建成分離式結構，這樣受力明確，既便于施工，又節約投資。但1976年唐山地震中諸多水閘震害表明，分離式閘室結構剛度小，震害明顯重于整體式結構，所以DL5073-1997水工建筑物抗震設計規范規定：地震烈度8度以上的強震區，不宜釆用分離式結構。

1988年建成天南維其克引水樞紐中的老分水閘和老泄洪閘為分離式閘室，閘室孔寬7.0m，閘墩高4.0m，厚0.7m，為少筋混凝土結構，底板厚70cm，與閘墩分開，為無筋混凝土。為了適應天南維其克引水樞紐中的老分水閘和老泄洪閘原有分離式結構的特點，并提高結構抗震剛度和適應地基變形能力，我們在底板上澆筑20cm鋼筋混凝土面層，增加閘墩厚度至1.0m，并將新澆的底板與閘墩連成整體，以提高結構剛度。

三維線彈性動力計算成果表明：加強底板與閘墩連接后，地震反應順水流向第一振型周期由分離式的0.38s減少為0.21s，相應啟閉機房變位由4.2cm減少為1.1cm，地基最大沉降由原0.22cm減少為0.15cm，改善了地基應力，減少地基變形，提高了結構適應地基變形能力。這種處理辦法是否能作為抗震規范中有關強震區分離式水閘規定的一種補充。

9 上部結構的地震反應及加固措施

實踐證明：上部結構的地震反應明顯大干下部，上部結構震害也明顯重于下部。為了提高結構整體抗震性能，特別是提高垂直水流向結構剛度，常用的辦法是：減少上部啟閉機房結構自重，改磚混結構為輕鋼結構，改簡支的板梁結構為剛接的結構。

天南維其克新泄洪沖砂閘的計算成果表明，在垂直水流方向地震力作用下，把上部簡支的結構改變為剛接后，啟閉機房頂變位由4.3cm減少為1.9cm，相應閘墩拉應力圍范和應力值大幅減少，啟閉機房不再會散落，抗震效果是明顯的。這種把上部簡支結構改為剛接的措施，是否具有普遍意義？

10 可液化土基的處理

新疆喀什地區引水樞紐大都建在砂礫石、砂土及其他土基上，有相當部分地基為可液化的粉細砂或壤土，地震后地表開裂、冒水冒砂，閘基或擋土墻或翼墻傾倒、倒塌、閘室發生較大變形、出現較多裂縫……

為防止土基地震液化，往往首先通過對各地層形成年代、顆粒組成、級配、飽和度、剪切波速、液性指數、相對密實度、標準貫入擊數等初判和復判，評判地層是否為可液化地層，當確定15m范圍內地基為可液化土時，常采用換土、振動壓實、圍封、碎石樁、灌注樁等法處理。

1988年修建的布哈拉水閘，對可液化土曾采用定噴圍封法進行處理，圍封深度7m，基本達到不可液化土層。雖然圍封不能防止砂土液化，僅阻止沙土流動，但自1996年以來多次地震，實際地震烈度達到設防烈度8度，閘室周圍曾發生冒水冒沙現象，閘室上部遭嚴重破壞，被圍封的閘基雖有些不均勻沉降，但整個閘基未發生液化現象，閘室總體穩定，可見圍封是一種有效抗震措施。

碎石樁也是一種抗液化處理辦法，由于振動水沖碎石樁可提高砂層密度，提高地基承載能力，地震中可以有利于地下水排出，常為工程所采用，但實踐證明，該方法理論及計算尚不完全成熟，且隨時間的加長，其排水和抗液化作用將減弱，后期地震破壞仍然明顯。例如岷江上游金湯河最后一個梯級金康電站，8度地震區，20m高閘壩建于90m含礫砂層砂壤土覆蓋層上，為防地震液化，閘室地其采用振沖碎石樁處理，2006年蓄水，閘基揚壓力和閘室垂直變位變化無規律，但各閘室均向下游位移，最大變位50mm，年變位速率10mm/a，閘室多處發生貫穿性裂縫……原因何在？該如何評價振沖碎石樁防砂土地震液化效果？

把灌注樁打入非液化土層，且留有足夠承力深度，該結構受力明確，效果明顯，但唐山地震證明，由干砂土液化流動，底板與樁頂間會發生滲流破壞，需要在其逸出點加強反濾保護。

實踐證明對于埋深較淺的可液化土基，可以采取挖除換填法處理，對于表層可液化土基可以采用強夯法處理……正如抗震規范指出那樣，上述這些處理方法是有效的，但有的抗液化機理是明確的，有些并不一定十分明確，在結構抗震的計算中，如何來模擬抗液化作用，又如何評價其抗液化效果？

11 地震中閘門破壞

2008年汶川地震中映秀灣閘首距震中5.4km，場地地震烈度11度，震后次生災害嚴重，閘室上部結構破壞嚴重，但各閘間沉陷不明顯，揚壓力變化不大，閘壩整體穩定，可是2#和4#泄洪沖砂閘的弧形工作閘門支臂有較明顯扭曲變形，閘門底緣鋼板明顯變形……

魚子溪閘首距汶川震中約8.8km，場地地震烈度10度，震后閘室上部結構震壞或被巨石砸壞，閘室整體穩定，但1#2#3#泄洪閘弧形閘門支臂與支鉸連接處的螺栓全部拉斷，支臂與支鉸全部斷開，閘門的鋼絲繩全部拉斷，三扇閘門分別被沖至下游，相應啟閉機機架均有構件彎折、牛腿附近閘墩混凝土開裂……

震后對魚子溪閘門進行強度復核，結果表明：在8度設防烈度下，泄洪閘支承梁應力較小，支鉸應力低于材料允許應力，支承梁和支鉸是安全的，這似乎解釋了魚子溪閘門連接螺栓在超標準地震作用下斷裂的原因，但對比映秀灣更強的地震反應下閘門僅發生支臂變形，我們又應該吸取什么教訓呢？相應閘門抗震設計又該注意什么問題？