烏拉泊水庫抗震穩定計算方法對比分析

駱秀萍，易 平

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830002)

1 工程概況

烏拉泊水庫是烏魯木齊河中游的一座攔河水庫，被稱為“烏市頭上一盆水”。水庫始建于1959年，1961年建成投入運行。1975年被列為全國37座重點病險水庫之一，1978年又被列為全國13座重點抗震加固水庫之一。由于壩體防滲型式的復雜性(壩體壤土斜墻與混凝土防滲墻之間的飽和體存在超靜孔隙水壓力，有液化可能，水庫抗震設防存在隱患)，水庫的抗震安全直接影響烏魯木齊市各族人民生命財產安全和城市發展，因此復核水庫大壩的抗震安全性是十分必要的[1-6]。鑒于烏拉泊水庫壩體結構的復雜性，壩體的抗震穩定性動力分析委托中國水利水電科學研究院巖土工程研究所完成。

烏拉泊水庫由大壩、放水涵洞、溢洪道等組成，總庫容7 000萬m3，最大壩長1 050 m，最大壩高26 m，工程設防烈度為8度，大壩按1級建筑物設計。0+028.00 m～0+092.00 m壩段為有水平鋪蓋的壤土心墻砂殼壩，0+092.00 m～0+806.80 m段為有水平鋪蓋的壤土斜墻砂殼壩，0+806.80 m～1+050.00 m段為人工填筑砂礫石均質壩。0+028.00 m～0+806.80 m壩段，在壩體上游馬道設置有防滲墻，基礎深入基巖以下1 m。

2 抗震穩定分析

抗震穩定分析[7-13]包括2項內容：① 按照《水工建筑物抗震設計規范》[14]的規定，對壩坡進行常規的瑞典圓弧擬靜力法抗震穩定分析；② 根據有限元靜、動應力計算的結果，對壩坡進行應力滑弧穩定分析。本文針對烏拉泊水庫進行了設計洪水位工況下大壩上、下游坡的抗震穩定計算[15]。

在應力滑弧穩定分析中，首先，將擬定的滑弧體分成若干個垂直條塊，條塊寬度一般不大于有限元單元寬度的1/2。確定條塊底部滑弧中點的坐標值，找出形心與某滑弧中點坐標最近的單元，取此單元的應力作為該滑弧中點的應力值，當滑弧通過多個單元時，以滑弧中點所在單元的應力值代表滑弧的平均應力值，以避免繁瑣計算。然后，對滑弧中點的應力值進行坐標變換，即把由直角坐標系表示的有效徑向正應力、環向正應力和切向剪應力σx′、σy′與τxy變換為以滑弧中心為極點的極坐標系表示的σθ′、σr′與τrθ。其中，σθ′、σr′分別為極坐標系下的有效徑向正應力和環向正應力，τrθ為切向剪應力。類似地，由有限元動應力分析計算得出的σxd、σyd與τxyd變換出τxθd，將切向動剪應力τxθd乘以0.65的系數與切向剪應力τrθ相加，即為該滑弧條塊上的滑動力。

根據各條塊滑弧中點的初始徑向正應力σr′和初始剪應力比α=τrθ/σr′，可確定該滑弧的靜強度、動力總剪強度為：

τf=c+σr′tanφ

(1)

τf′=τf(σr′,α=τrθ/σr′)

(2)

式中：c為土的黏聚力；φ為土的內摩擦角。

在應力穩定分析中，對各條塊采用動力總剪強度，當動力總剪強度高于靜強度值時，采用靜強度值。滑弧面上的整體抗震穩定安全系數為：

(3)

式中:ΔL為各條塊的滑弧長度。

在分析中，首先在大范圍搜索安全系數最小的滑弧圓心位置和滑弧半徑，逐步縮小搜索步長，找出安全系數最小的可能滑動面。

抗震穩定計算中使用的壩基、壩體材料的密度與靜強度指標，見表1。在應力穩定分析中，采用Dr=0.72的地震總應力抗剪強度。

表1 抗震穩定靜力計算參數表

注：對水下土石料，密度為浮密度；對水上土石料，密度為天然密度。

二維穩定計算的結果以0+150.00 m為典型斷面，計算成果見表2。

表2 0+150.00 m斷面壩坡最小安全系數表

根據三維有限元靜、動力計算得出的靜、動應力，得出高壩段0+150.00 m、0+200.00 m斷面、S形壩段0+450.00 m、0+505.00 m以及0+600.00 m斷面的靜、動應力。以下再采用應力穩定分析法對壩體的上、下游壩坡進行計算，得出了5個斷面應力穩定法的壩坡最小安全系數，詳見表3。

表3 應力穩定法壩坡最小安全系數表

3 方法評述

從表2、3與圖1可以看出：

(1) 當基巖輸入加速度峰值為2.00 m/s2時，采用瑞典圓弧法和應力穩定分析，得出上、下游壩坡的安全系數均大于1.30；當基巖輸入加速度峰值為3.18 m/s2時，采用應力穩定分析，得出上、下游壩坡的安全系數均大于1.20，滿足規范要求。

(2) 與傳統的瑞典圓弧法計算結果相比，由應力穩定分析得到的安全系數略高，危險滑弧略淺，這是由于按照瑞典圓弧法進行擬靜力法的穩定計算時，在壩的上部區需施加較大的水平慣性力，導致壩體上部的抗震安全性較低。而應力穩定分析直接采用了靜、動應力，能更客觀地反映滑弧面上的應力狀態。特別是應力穩定分析中動應力直接應用了動力反應分析的結果，可以考慮不同地震輸入的影響；此外，在應力穩定分析中，還可以利用動力試驗得到的地震總應力抗剪強度，這都是傳統的瑞典圓弧法所無法采用的。

圖1 抗震穩定分析的危險滑弧位置圖

綜上所述，在高烈度地區建壩采用應力穩定分析進行抗震計算，對降低工程造價、保證大壩抗震安全是十分必要的。