溢洪道不對稱受力閘室抗震穩(wěn)定計算分析

趙常斌，崔 培

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

溢洪道用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，是保證水庫安全的重要設(shè)施，閘室是溢洪道的控制部分，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全關(guān)系重大[1]。在中小型工程閘室穩(wěn)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(shè)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(yīng)驗算其合力方向的穩(wěn)定性。對中小型結(jié)構(gòu)布置和受力不對稱閘室進行穩(wěn)定計算和抗震復(fù)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(shè)岸墻(不考慮橫向土壓力)、不設(shè)岸墻(考慮橫向土壓力)兩種方案，分析橫向土壓力對閘室穩(wěn)定結(jié)果的影響，并采用擬靜力法對不同地震烈度下的閘室穩(wěn)定進行抗震復(fù)核，為閘室布置優(yōu)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(guī)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(shè)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(zhì)土壩，后在除險加固時增設(shè)一道混凝土心墻。溢洪道為岸邊式溢洪道，采用側(cè)槽式，由進水渠、控制段、側(cè)槽、消能防沖段及下游防護段組成。該溢洪道現(xiàn)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?，F(xiàn)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(cè)建有鋼筋混凝土板交通橋。泄槽平面布置、水流流態(tài)復(fù)雜，消能設(shè)施由水工模型試驗確定。溢洪道閘室中墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚0.65m，邊墩為圬工結(jié)構(gòu)，順水流方向長7.5m。交通橋及啟閉機機房結(jié)構(gòu)安全隱患多，結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，同時為響應(yīng)交通增長的需求，根據(jù)工程建設(shè)任務(wù)，擬拆除重建控制段閘室。為滿足規(guī)范[5]和交通需要、保證泄流能力、減少對下游消能設(shè)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(cè)，啟閉機房建在泄槽側(cè)，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(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，溢洪道閘室基礎(chǔ)位于第(1)層強風(fēng)化砂巖或第(2)層強風(fēng)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(shè)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?？紤]閘室基礎(chǔ)較好，擬將沉降縫設(shè)在中孔底板，沿順水流方向設(shè)兩道永久縫，將閘室分成兩邊孔及中孔底板。單側(cè)邊孔的底板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重及其設(shè)備自重按設(shè)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(jù)不同計算情況按規(guī)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，F(xiàn)i—作用在結(jié)構(gòu)質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值，kN；αh—水平向設(shè)計地震加速度代表值，m/s2；ε—地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，依規(guī)范并參考類似工程取0.25；GEi—集中在結(jié)構(gòu)質(zhì)點i的重力作用標準值，kN；αi—結(jié)構(gòu)質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)[8]。

單位寬度閘室的總動水壓力按下式計算：

(2)

式中，F(xiàn)0—單位寬度總動水壓力代表值；ρw—水體質(zhì)量密度標準值；H0—水深[8]。

根據(jù)規(guī)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(shè)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(wěn)定計算

閘室結(jié)構(gòu)布置和受力不對稱，基底應(yīng)力按雙向受壓公式計算，抗滑穩(wěn)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(shù)；σmax、σmin—閘室基底應(yīng)力的最大值、最小值，kPa；∑Mx、∑My—作用于閘室基礎(chǔ)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(shù)和，kN·m；Wx、Wy—閘室基底面形心軸X、Y的截面模量，m3[6]。

根據(jù)計算單元底板結(jié)構(gòu)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(shù)值，考慮正負值后再累積計算，最后求得基底應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

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(jié)構(gòu)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(zhì)量的乘積作為地震作用直接加到結(jié)構(gòu)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(yīng)譜法和時程分析法，接近實際地震情況，計算過程復(fù)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(jié)構(gòu)物具有一定的彈性，水平加速度在地震過程中沿結(jié)構(gòu)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(tài)分布系數(shù)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(qū)設(shè)計或已建的各類水工建筑物進行大量動力分析的基礎(chǔ)上，歸納出大體上能反映結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的地震作用沿高度的分布規(guī)律，以動態(tài)分布系數(shù)進行表征的擬靜力法，可根據(jù)震害和工程設(shè)計時間經(jīng)驗確定的最大地震慣性力仍以靜態(tài)作用形式給出，避免了繁復(fù)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(jù)規(guī)范[8]要求，采用擬靜力法進行抗震穩(wěn)定計算。

3 計算成果與分析

3.1 不同計算情況下閘室穩(wěn)定計算分析

為分析閘室結(jié)構(gòu)布置及受力對稱和不對稱時對閘室穩(wěn)定的影響程度，文章設(shè)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(dān)，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(wěn)定分析計算結(jié)果分別見表1、表2。

表1 方案一閘室穩(wěn)定計算成果(不考慮橫向土壓力)

表2 方案二閘室穩(wěn)定計算成果(需考慮橫向土壓力)

(1)根據(jù)計算結(jié)果，兩種布置方案的基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范[5]要求。如果閘室基礎(chǔ)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(yīng)力不均勻系數(shù)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(fēng)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(wěn)定安全系數(shù)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(yīng)力不均勻系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力分布影響顯著。

3.2 不同地震烈度下閘室抗震穩(wěn)定復(fù)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(shè)計地震烈度計算情況成果的基礎(chǔ)上，復(fù)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(wěn)定性。兩種閘室布置方案在不同地震烈度下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 方案一不同地震烈度下抗震穩(wěn)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(wěn)定計算成果(考慮橫向土壓力)

根據(jù)抗震復(fù)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(yīng)力與抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足要求。當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?度時，基底均出現(xiàn)拉應(yīng)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(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)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(shù)小于1，不滿足規(guī)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(yīng)力最大值不斷增加，基底應(yīng)力最小值相應(yīng)減小，基底應(yīng)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(wěn)定安全系數(shù)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(yīng)力與基底最小應(yīng)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(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)之間的差別越來越小，反映地震荷載對閘室穩(wěn)定安全的影響占比越來越大。橫向土壓力對閘室基底應(yīng)力比和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)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(jié)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(yīng)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(xiàn)錯誤，增加計算結(jié)果的可靠性。

(2)擬靜力法中的地震復(fù)核過程表明，溢洪道閘室在地震工況下的抗滑安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)影響顯著，且隨著地震烈度的越發(fā)明顯；基底應(yīng)力分布受地震作用影響更加直接，對地震烈度的增加反應(yīng)更為靈敏，當(dāng)?shù)鼗鶠橹?、高壓縮性土?xí)r，應(yīng)引起足夠注意。

(3)橫向土壓力作用對閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響大，對基底應(yīng)力變化更為敏銳。當(dāng)受功能、投資、地形等限制，閘室結(jié)構(gòu)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(wěn)定性和基底應(yīng)力分布情況。巖基承載力較高，對基底應(yīng)力分布要求較低，但是當(dāng)閘室地基為壓縮性較強的土層時，應(yīng)當(dāng)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(qū)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(yīng)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。