欒曉培

（葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，遼寧葫蘆島125060）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，有地震活動(dòng)分布范圍廣，地震強(qiáng)度大等特點(diǎn)[1-3]。為解決平原區(qū)居民的生活生產(chǎn)用水問題，在平原地區(qū)興建了大量的平原水庫(kù)。平原區(qū)人口稠密，一旦發(fā)生地震將會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)周圍及下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅，因此在設(shè)計(jì)過程中必須考慮庫(kù)區(qū)水工建筑物的抗震能力[4-7]。對(duì)于平原水庫(kù)土石壩的穿壩建筑物來說，因其與周圍土體剛度差別較大，蓄水后常常會(huì)出現(xiàn)涵管與周圍土體接觸面滲漏以及由滲漏引起的坍塌等災(zāi)害，動(dòng)力作用下涵管常常會(huì)出現(xiàn)各種形式的裂縫，滲流水會(huì)沿著這些裂縫流動(dòng)，帶走大量土顆粒，加速土壩的滲透破壞，很有可能在短時(shí)間內(nèi)引起壩體塌坑甚至潰壩[8-10]。因此，研究動(dòng)力作用下涵管結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并采取相應(yīng)的防范措施對(duì)于壩體的安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 計(jì)算原理

等效線性方法可以通過多次迭代計(jì)算來近似反映土體的非線性特征，由于該方法是線性迭代，所以計(jì)算效率高，特別適用于應(yīng)變較?。ㄐ∮?%～2%）及地震加速度小于0.3～0.4g的情況，因此該方法得以在巖土抗震分析中廣泛應(yīng)用。文中動(dòng)力反應(yīng)分析采用沈珠江提出的等效線彈性模型[11-12]：

式中：G為剪切應(yīng)變?yōu)閲鷫?，kPa；pa為大氣壓強(qiáng)為歸一化的剪應(yīng)變和n為試驗(yàn)確定的材料參數(shù)；λ為剪應(yīng)變。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

某水庫(kù)圍壩工程是南水北調(diào)東線工程重要的組成部分，該工程的主要建筑物包括圍壩、進(jìn)水閘和節(jié)制閘、供水洞、入庫(kù)泵站等。水庫(kù)圍壩為復(fù)合土工膜防滲體斜墻砂壤土均質(zhì)壩，圍壩軸線全長(zhǎng)9845.0m，水庫(kù)最高設(shè)計(jì)蓄水位為12.5m，相應(yīng)最大庫(kù)容為4209萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)死水位為3.9m，死庫(kù)容為684萬(wàn)m3。為解決該區(qū)域的供排水問題，在圍壩的東南角設(shè)有1座供水洞，供水洞斷面2.5m×2.5m。為方便計(jì)算以及分析，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，模型共劃分44997個(gè)單元，37694個(gè)節(jié)點(diǎn)。所設(shè)的模型參數(shù)如表1所示

表1 材料等線性模型參數(shù)

2.2 地震動(dòng)輸入

根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，庫(kù)區(qū)區(qū)域構(gòu)造較為穩(wěn)定，未見大的斷裂帶穿過，近場(chǎng)內(nèi)不具備發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造背景，壩址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。采用國(guó)際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時(shí)程曲線，截取地震振幅較大的前10.00s作為輸入波，在對(duì)地震波進(jìn)行濾波以及基線校正處理的基礎(chǔ)上將其峰值調(diào)為0.1g。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同庫(kù)水位工況下的加速度響應(yīng)

3.1.1 涵管順河向最大加速度

在空庫(kù)狀態(tài)下，最大順河向加速度發(fā)生在涵管的出口底板處，為2.47m/s2，是輸入水平加速度峰值的2.4倍。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大加速度范圍為1.80～2.19m/s2。正常蓄水位狀態(tài)下，最大加速度發(fā)生在涵管的進(jìn)口底板處，為3.31m/s2，是輸入水平加速度峰值的3.3倍。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大加速度范圍為1.60～2.17m/s2，涵管的上游段最大加速度相對(duì)其他部位最小，放大倍數(shù)為1.6倍。相對(duì)而言，地震作用下涵管的各個(gè)部位都出現(xiàn)不同程度的加速度放大效應(yīng)，四周被回填土包裹部位的加速度放大倍數(shù)小于其余部位。

3.1.2 涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度

空庫(kù)和正常蓄水位工況下，在地震作用的前7.00s，頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度都比較小，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都在8.70s達(dá)到最大值，空庫(kù)工況下分別為2.58m/s2和2.67m/s2，正常蓄水位工況下分別為2.27m/s2和2.15m/s2。相比而言，蓄水后涵管的最大順河向加速度比空庫(kù)下小，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線非常相似，最大加速度發(fā)生時(shí)間點(diǎn)一致，都滯后于輸入加速度時(shí)程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

3.1.3 地震作用下涵管豎向最大加速度

在地震作用期間的豎向最大加速度分布與順河向最大加速度分布相似：最大加速度發(fā)生部位都位于進(jìn)出口的底板或邊墻，被回填土包裹的涵管管段的最大加速度較小?？偟膩碚f，被回填土包裹的涵管管段在地震作用下的最大加速度值要比進(jìn)出口管段小，這可能是因?yàn)楹苤車钔恋南拗谱饔谩?/p>

3.1.4 地震作用下涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度

由圖1（a）可知，在地震作用的前7.50s，頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度都比較小，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都在9.92s達(dá)到最大值，分別為4.11m/s2和3.74m/s2。由圖1（b）可知，在地震作用的前7.00s，頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度都比較小，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都在9.92s達(dá)到最大值，分別為3.36m/s2和3.18m/s2。相比而言，蓄水后涵管的最大豎向加速度比空庫(kù)下小，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線非常相似，最大加速度發(fā)生時(shí)間點(diǎn)一致，都滯后于輸入加速度時(shí)程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

圖1 不同工況下涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度分布曲線圖

3.2 不同庫(kù)水位工況下的應(yīng)力響應(yīng)

3.2.1 涵管最大動(dòng)壓應(yīng)力分布圖

空庫(kù)狀態(tài)下，最大動(dòng)壓應(yīng)力發(fā)生在涵管進(jìn)口前緣。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大動(dòng)壓應(yīng)力范圍為40.0～91.3kPa。正常蓄水位狀態(tài)下，最大動(dòng)壓應(yīng)力發(fā)生在涵管進(jìn)口前緣，此處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大動(dòng)壓應(yīng)力范圍為34.8～173.0kPa，涵管的上游段最大動(dòng)壓應(yīng)力比其他部位大，這是因?yàn)樯嫌蚊媸┘拥乃畨毫鬟f到涵管。

3.2.2 涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)壓應(yīng)力分布

由圖2（a）可知，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地震作用期間的動(dòng)壓應(yīng)力比頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)小，在8.00～11.00s區(qū)間頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力值比其他區(qū)間大，頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值分別為150.3kPa和94.9kPa。由圖2（b）可知，蓄水后頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓應(yīng)力變化規(guī)律和空庫(kù)情況下相似：頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力值要大于底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值分別為159.7kPa和132.9kPa。相比而言，蓄水后涵管的最大動(dòng)壓應(yīng)力比空庫(kù)下大，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓應(yīng)力時(shí)程曲線非常相似，都滯后于輸入加速度時(shí)程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

圖2 不同工況下涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓應(yīng)力分布曲線圖

3.2.3 涵管最大動(dòng)拉應(yīng)力

空庫(kù)狀態(tài)下，涵管最大動(dòng)拉應(yīng)力發(fā)生在涵管進(jìn)口處。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大動(dòng)拉應(yīng)力范圍為13.5～185.9kPa。正常蓄水位狀態(tài)下，涵管最大動(dòng)壓應(yīng)力發(fā)生在涵管進(jìn)口前緣，此處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。四周都被回填土包裹的涵管管段的最大加速度范圍為20.1～161.8kPa，涵管的上游段最大動(dòng)拉應(yīng)力比其他部位大。

3.2.4 涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)拉應(yīng)力

空庫(kù)工況下，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地震作用期間的動(dòng)拉應(yīng)力比頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)小，在8.00～11.00s區(qū)間頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力值比其他區(qū)間大，頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值分別為175.3kPa和125.8 kPa。正常蓄水位工況下，蓄水后頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓應(yīng)力變化規(guī)律和空庫(kù)情況下相似：頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力值要大于底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值分別為197.4kPa和108.9kPa。相比而言，蓄水后涵管的最大動(dòng)拉應(yīng)力比空庫(kù)下小，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)拉應(yīng)力時(shí)程曲線非常相似，都滯后于輸入加速度時(shí)程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）空庫(kù)工況下，涵管的最大順河向和豎向加速度主要發(fā)生在進(jìn)出口位置，四周被回填土包裹的涵管管段的最大加速度相對(duì)較小。涵管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值時(shí)間點(diǎn)滯后于輸入加速度時(shí)程的峰值時(shí)間點(diǎn)，而且出現(xiàn)加速度峰值放大現(xiàn)象。同一剖面不同高程處的加速度時(shí)程曲線幾乎一樣，只是峰值大小有細(xì)微差別。涵管的最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在進(jìn)口前緣。

2）正常蓄水位工況下涵管的加速度變化規(guī)律與空庫(kù)工況下相似，只是被回填土包裹的涵管管段的最大加速度較空庫(kù)下小。涵管的最大動(dòng)應(yīng)力都發(fā)生在進(jìn)口前緣。

3）地震作用下平原水庫(kù)土石壩穿壩涵管的穩(wěn)定性與地震等級(jí)、涵管自身強(qiáng)度、地基處理等因素密切相關(guān)，工程實(shí)踐中要結(jié)合具體情況分析。