劉占濤

(新賓滿族自治縣水務(wù)局南雜木水利站，遼寧 撫順 113217)

黎溝水庫(kù)是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼有水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小(2)型水利工程。水庫(kù)大壩壩址以上控制流域面積5.84km2(另有長(zhǎng)壩河水庫(kù)集雨面積1.95km2)，總庫(kù)容74.2萬m3。水庫(kù)自流設(shè)計(jì)灌溉面積為1800畝，目前實(shí)際灌溉100畝。水庫(kù)擋水大壩壩型為漿砌石壩，壩高30m，壩頂高程620m，壩頂厚3.5m、壩底厚8.5m。該壩于1979年10月動(dòng)工興建，1998年9月竣工建成。溢洪道為壩頂溢流，寬30.0m，溢流壩頂高程為618m，按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)下泄流量為90.4m3/s，校核洪水位時(shí)下泄流量154m3/s。該大壩由于在建設(shè)期間存在延續(xù)工期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)、施工缺少經(jīng)驗(yàn)、“三邊”工程、群眾突擊性施工等一系列問題，加之上次除險(xiǎn)加固后已運(yùn)行了十五年，因此需要對(duì)水庫(kù)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核。

目前針對(duì)壩體進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的方式主要有多種[1- 3]，擬靜力法假定地震作用下建筑物所受的加速度大小和方向恒定，忽略了地震特性和巖土體材料本身的動(dòng)力特征影響，無法真實(shí)反應(yīng)地震荷載下壩的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律[4- 5]。SL203- 97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中在擬靜力法基礎(chǔ)上考慮了加速度沿水工建筑物高度增大逐漸增大的規(guī)律，引入了地震加速度沿水工建筑物高度分布系數(shù)。然而，其引入的分布系數(shù)并不具有針對(duì)性，尤其是對(duì)壩計(jì)算效果并不理想[7]。有限單元法亦稱有限元法是近年來興起的一種新型計(jì)算方法，考慮了地震特性和材料特性等，能夠較真實(shí)的反映建筑物動(dòng)力荷載下的響應(yīng)規(guī)律[8- 10]。采用有限元計(jì)算時(shí)，建筑物與地基動(dòng)剪應(yīng)力均為時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，建筑物穩(wěn)定安全系數(shù)是隨時(shí)間變化的，目前通常取整個(gè)地震過程中安全系數(shù)最小值作為評(píng)判建筑物穩(wěn)定的依據(jù)，然而建筑物在某一瞬時(shí)失穩(wěn)并不意味著建筑物一定破壞，因此取安全系數(shù)最小值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)上并不合理[11- 13]。本文引入了平均小穩(wěn)定系數(shù)對(duì)壩動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并將其與擬靜力法結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)水平擬靜因子取值范圍的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 材料計(jì)算參數(shù)

漿砌石壩具有就地取材、工期安排靈活以及施工期允許壩體透水等特點(diǎn)，具有良好的適用性與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)鉆孔資料確定計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

1.2 計(jì)算模型與方法

漿砌石壩縱剖面圖如圖1所示，依圖1，按1∶1建立漿砌石壩模型如圖2所示，漿砌石壩壩高為30m，壩頂厚度為3.5m，壩底厚度為8.5m，漿砌石壩分為5層，每層厚度為6m，前4層以每層0.5m向上逐層遞減，最后一層厚度減小3.5m，壩體材料為漿砌石，壩下為基礎(chǔ)，為避免壩基邊界對(duì)漿砌石壩計(jì)算結(jié)果的影響，模型計(jì)算長(zhǎng)度和寬度均大于2倍的壩底厚度，模型底面位移設(shè)為全固定，既在水平向固定又在豎直向固定，基礎(chǔ)兩側(cè)只固定水平方向位移。計(jì)算時(shí)考慮庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位，計(jì)算地震波采用汶川地震波，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取為10s，計(jì)算動(dòng)力的時(shí)間步長(zhǎng)取0.01s。

圖1 漿砌石壩縱剖面圖

圖2 漿砌石壩計(jì)算模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

地震荷載作用下漿砌石壩應(yīng)力分布云圖如圖3所示。受地震荷載影響，漿砌石壩整體表現(xiàn)為受拉，在局部區(qū)域表現(xiàn)為受壓，在漿砌石壩壩前與地基聯(lián)結(jié)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，壩體受較大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為600kPa，壩體可能在此處發(fā)生受拉破壞。而壩后拉應(yīng)力較小，在距壩頂約2/3處，存在一個(gè)集中分布的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為200kPa，這可能是由于地震荷載作用下，壩體發(fā)生破壞，壩體發(fā)生卸荷現(xiàn)在，故壩后在較大范圍內(nèi)應(yīng)力為零。

2.2 位移分析

地震荷載作用下漿砌石壩變形分布云圖如圖4所示。地震荷載作用下，漿砌石壩位移沉降量沿壩體先增大后減小，在壩中位置漿砌石壩位移最大，在壩后中部存在最大位移14cm，壩體在此處會(huì)發(fā)生局部破壞，這可能是由于漿砌石壩壩體較為單薄，壩體整體穩(wěn)定性較差，容易在壩中出現(xiàn)折斷，變形結(jié)果進(jìn)一步印證了應(yīng)力分析結(jié)果。

圖3 地震荷載下漿砌石壩應(yīng)力分布

圖4 地震荷載下漿砌石壩變形分

2.3 穩(wěn)定性分析

地震荷載作用下漿砌石壩穩(wěn)定系數(shù)時(shí)程曲線如圖5所示，由圖5可知，漿砌石壩最小穩(wěn)定安全系數(shù)為0.52，由于地震加速度變化，該穩(wěn)定安全系數(shù)并未持續(xù)，而是迅速增大，因此若直接采用此穩(wěn)定安全系數(shù)作為壩體穩(wěn)定判別依據(jù)明顯偏保守。

考慮壩體動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)介于靜力與動(dòng)力最小穩(wěn)定安全系數(shù)之間，現(xiàn)對(duì)小于靜力穩(wěn)定安全系數(shù)的動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)積分并取平均值作為動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)，定義為平均小穩(wěn)定系數(shù)Fss，其計(jì)算式為：

(1)

劉漢龍等[14]亦給出了平均小穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式，將平均小穩(wěn)定系數(shù)定義為：

Fss=Fs0-0.65(Fs0-Fsmin)

(2)

式中，F(xiàn)s0—靜力荷載作用下漿砌石壩穩(wěn)定安全系數(shù)；Fsmin—?jiǎng)恿奢d作用下漿砌石壩最小穩(wěn)定安全系數(shù)，采用劉漢龍方法計(jì)算可得漿砌石壩的平均小穩(wěn)定系數(shù)為0.959。采用劉漢龍?zhí)岢龅钠骄》€(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法與本文所采用的計(jì)算方法相差不大，劉漢龍等引入了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.65，其物理意義并不明確，采用積分法計(jì)算漿砌石壩的平均小穩(wěn)定系數(shù)物理意義更明確。

圖5 漿砌石壩穩(wěn)定系數(shù)時(shí)程曲線

2.4 水平擬靜力因子的確定

針對(duì)地震荷載下動(dòng)力穩(wěn)定分析，Terzaghi將地震荷載簡(jiǎn)化為水平或垂直方向的恒定加速度，其產(chǎn)生的體質(zhì)心慣性力稱為擬靜力因子，根據(jù)加速度方向不同分為水平擬靜力因子Rh和豎直擬靜力因子kv，目前研究以水平擬靜力因子為主。Terzaghi等[15- 16]認(rèn)為Rh可根據(jù)地震等級(jí)取0.1到0.5，地震震級(jí)越高Rh越大。分別計(jì)算Rh=0.1、0.2、0.3、0.4和0.5時(shí)漿砌石壩穩(wěn)定安全系數(shù)，擬靜力法與動(dòng)力法(有限元法)計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果見表2。

表2 兩種方法結(jié)果對(duì)比

由表2可知：當(dāng)水平擬靜力因子小于0.2時(shí)，擬靜力法計(jì)算所得的穩(wěn)定安全系數(shù)大于動(dòng)力法平均小穩(wěn)定安全系數(shù)，說明水平擬靜力因子取值偏小，而水平擬靜力因子取值大于0.3時(shí)，計(jì)算所得穩(wěn)定安全系數(shù)小于動(dòng)力法計(jì)算平均小穩(wěn)定安全系數(shù)，說明水平擬靜力因子取值偏大，計(jì)算結(jié)果偏保守。在汶川地震波作用下建議水平擬靜力因子取值范圍為0.2～0.3，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)建筑物等級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對(duì)于特別重要工程可以適當(dāng)增大水平擬靜力因子取值，但取值最大值不應(yīng)超過0.5，對(duì)一般工程可以降低水平擬靜力因子取值，最小取值不應(yīng)小于0.1。

3 結(jié)論

(1)漿砌石壩在壩前與地基聯(lián)結(jié)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，壩體受較大拉應(yīng)力，壩體可能在此處發(fā)生受拉破壞，而壩后拉應(yīng)力較小，在距壩頂約2/3處，存在一個(gè)集中分布的壓應(yīng)力。

(2)漿砌石壩位移沉降量沿壩體先增大后減小，在壩中位置漿砌石壩位移最大，壩體在此處會(huì)發(fā)生局部破壞。

(3)引入積分法計(jì)算漿砌石壩平均小穩(wěn)定系數(shù)，并與劉漢龍計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，兩者計(jì)算結(jié)果相差不大，然而采用積分法物理意義更加明確。

(4)汶川地震荷載下，水平擬靜力因子取為0.3時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與平均小穩(wěn)定系數(shù)相差最小，對(duì)汶川地震，建議水平擬靜力因子的取值范圍為0.2～0.3。

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