高鐵通過某鐵路沿線附近人工湖的穩定性分析

陳 彬，姜 姍，崔頻捷，周清勇

(1.江西省安瀾工程咨詢有限公司，南昌 330001； 2.江西省水投建設有限公司，南昌 330006； 3.江西省水泰工程檢測有限公司，南昌 330001； 4.江西省水利科學研究院，南昌 330029)

大壩運行管理中，最重要的工作就是保證大壩結構安全，土石壩則分析其滲流穩定和位移變形等[1-4]，特別是水庫大壩及人工湖工程在其初期蓄水時的結構安全[5-6]，并且應考慮水庫附近是否會受到其他建筑物的影響。若在水庫附近建設高速鐵路，建成后高鐵的運行可能會對水庫建筑物產生一定的影響。所以，本文考慮高鐵通過鐵路路基時所產生的震動是否會影響水庫的結構安全。

1 工程概況

某人工湖大壩位于滬昆高速K948+500路外50 m內，其正常蓄水位141.00 m，壩頂高程145.72 m，總庫容15.9×104m3，屬小(Ⅱ)型水庫。人工湖大壩分兩期填筑完成，在先期堰塘圍埂的基礎上填筑達現狀規模，原為相鄰的2座水塘聯通合并而成的。湖堤迎水坡正常蓄水位以下采用混凝土板護坡，其余堤坡未護坡，堤坡普遍較陡，背水坡未護坡，坡腳無反濾排水棱體等排水設施。考慮人工湖大壩和附近鐵路路基的安全狀況，因人工湖大壩臨近滬昆高鐵南側，高鐵運行所產生的震動也可能會對蓄水后的人工湖大壩產生不利影響。目前，人工湖大壩暫未蓄水。本文基于滲流強度理論，采用有限元計算方法，分析高鐵通過鐵路路基時所產生的擬地震烈度及擬震動反應譜頻率是否對人工湖大壩的穩定產生影響。

2 擬地震烈度分析

人工湖壩體由礫質土rQ2和rQ1組成，其滲透系數分別5.0×10-5和2.0×10-5cm/s，壩基由礫質土耕植土dlQ4、粉質黏土dlQ4和礫質黏土el-dlQ2組成，其滲透系數分別8.0×10-5、1.0×10-5和3.0×10-5cm/s。人工湖大壩填土及壩基土層物理力學指標見表1。

表1 大壩各土層物理力學參數指標

本地區的區內地震動峰值加速度等于0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應地震基本烈度為Ⅵ度，區域穩定性好。但高鐵通過人工湖附近的鐵路路基時會產生一定的震動，所以本文假設地震烈度為7級進行模擬(峰值加速度為0.1 g)，分析是否會對人工湖大壩產生不利的穩定影響，計算有無高鐵通過時大壩壩體穩定情況結果對比見表2。

表2 擬7級地震烈度情況下大壩穩定安全系數計算成果表

據有限元計算可知，在無高鐵通過時，即正常運行時候4種方法計算出的安全系數均大于規范允許值。分析擬7級地震烈度情況下所計算出來的安全系數，亦均大于規范允許值。所以，在地震動峰值加速度等于0.1 g即7級地震烈度時人工湖大壩穩定是安全的。

經綜合考慮，進一步分析7級地震烈度下的豎向位移變形、水平位移變形、最大總應力和最小總應力情況，計算成果見圖1～圖4。

從圖1～圖4分析可知，豎向位移變形量范圍-0.000 58～0.000 33 m，遠小于壩高的1%；水平位移變形量范圍-0.000 37～0.007 3 m，在上游水壓力的影響有向下游變形的走勢，位移量極小；最大主應力變化范圍-2.035～1.662 Pa，主要集中在壩體壩基接觸位置，變化影響不大。最小主應力變化范圍-2.996～1.147 Pa，同樣是集中于壩體壩基接觸位置，變化影響不大。所以，位移變形和應力變化，均在允許范圍內，進一步證明7級地震烈度情況下人工湖大壩穩定是安全的。

圖1 豎向位移變形分布圖

圖2 水平位移變形分布圖

圖3 最大總應力分布圖

圖4 最小總應力分布圖

3 擬震動反應譜分析

本文模擬高鐵通過人工湖附近路基時釋放出的軌道共振所產生震動反應譜，選取釋放出入時間為10 s，參考相關資料，選取常見的震動反應譜進行有限元分析。震動反應譜頻率分布見圖5，峰值加速度為53.5 g，峰值時間為2.8 s，并進行峰值修正，計算結果見表3。

圖5 擬震動反應譜頻率分布圖

運行狀況瑞典圓弧法畢肖普法Janbu法M-P法安全系數允許值無高鐵通過(正常運用)1.3981.4981.4131.4931.25擬震動反應譜(非常運用)1.1771.2181.2191.2151.10

據有限元計算可知，擬震動反應譜頻率情況下所計算的大壩安全系數均大于規范允許值，即擬震動反應譜頻率情況下人工湖大壩穩定是安全的。進一步計算出擬震動反應譜頻率情況下豎向位移變形、水平位移變形、最大總應力和最小總應力成果，計算成果見圖6～圖9。

圖6 豎向位移變形分布圖

圖7 水平位移變形分布圖

圖8 最大總應力分布圖

圖9 最小總應力分布圖

從圖6～圖9分析可知，豎向位移變形量范圍-0.228 8～0.259 m，小于壩高的1%；水平位移變形量范圍-0.530 9～0.370 9 m，大壩上游面壩體位移變形量大于下游面壩體，位移變形量很小；最大主應力變化范圍-2.035～1.662 Pa，最小主應力變化范圍-2.996～1.147 Pa，應力變形與擬震動反應譜頻率有相似規律，變形影響均不大。所以，位移變形和應力變化均在允許范圍內，擬震動反應譜頻率情況下人工湖大壩穩定亦是安全的。

4 結 論

通過對高鐵鐵路沿線附近某人工湖大壩的穩定分析，結合滲流強度理論，采用有限單元算法，探討高鐵通過人工湖附近路基時所產生擬地震烈度及擬震動反應譜對人工湖的影響，結論如下：

1) 擬7級地震烈度情況下所計算出來的安全系數，大于規范允許值，位移變形和應力變化亦均在允許范圍內，人工湖大壩在擬7級地震烈度情況下的壩體穩定是安全的。

2) 擬震動反應譜頻率情況下安全系數、位移變形和應力變化等均在允許范圍內，人工湖大壩在擬震動反應譜下的壩體穩定是安全的。

3) 人工湖和鐵路路基之間的運行狀況，在實際運行情況下，并未能達到擬震動反應譜頻率較為危險的狀況，上述計算較為保守，人工湖可正常蓄水。本文分析對其他工程遇到類似問題具有一定參考價值。