溢洪道不对称受力闸室抗震稳定计算分析

赵常斌，崔 培

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

溢洪道用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水，是保证水库安全的重要设施，闸室是溢洪道的控制部分，其结构稳定安全关系重大[1]。在中小型工程闸室稳定计算中，常常忽略边墩承受的横向土压力对闸室的影响，但由于地基特性、工作特点以及施工要求等，在设计时可能采用边墩与河岸相连的布置方式，闸室受到双向水平力的作用[2]，应验算其合力方向的稳定性。对中小型结构布置和受力不对称闸室进行稳定计算和抗震复核的研究较少[2- 4]，文章以淮河流域某溢洪道闸室为例，分别考虑设岸墙(不考虑横向土压力)、不设岸墙(考虑横向土压力)两种方案，分析横向土压力对闸室稳定结果的影响，并采用拟静力法对不同地震烈度下的闸室稳定进行抗震复核，为闸室布置优化提供参考。

1 工程概况

某水库工程位于淮河以南，属淮河流域濠河水系，总库容为9065万m3，工程规模为中型，主要建筑物为3级，考虑到库容接近中型水库上限，设计洪水标准取为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇。工程主要由大坝、溢洪道、放水涵等组成，大坝原为均质土坝，后在除险加固时增设一道混凝土心墙。溢洪道为岸边式溢洪道，采用侧槽式，由进水渠、控制段、侧槽、消能防冲段及下游防护段组成。该溢洪道现状控制段采用低实用堰，堰上建7孔泄洪闸，单孔净宽5m，闸孔总净宽35.0m。现状闸门采用钢筋混凝土板梁直升门，上部建有启闭机房，配手电两用螺杆式启闭机，泄槽侧建有钢筋混凝土板交通桥。泄槽平面布置、水流流态复杂，消能设施由水工模型试验确定。溢洪道闸室中墩为钢筋混凝土结构厚0.65m，边墩为圬工结构，顺水流方向长7.5m。交通桥及启闭机机房结构安全隐患多，结构不满足现行规范要求，同时为响应交通增长的需求，根据工程建设任务，拟拆除重建控制段闸室。为满足规范[5]和交通需要、保证泄流能力、减少对下游消能设施影响，拟将闸室顺水流方向加长至16.0m，闸室保持总净宽不变、堰型不变，中墩厚度为1.0m，闸室由7孔改为5孔，单孔净宽7.0m，交通桥布置在靠近水库侧，启闭机房建在泄槽侧，闸门改为平面钢闸门，配卷扬式启闭机。

2 计算模型

2.1 计算参数

根据地质勘探结果，溢洪道闸室基础位于第(1)层强风化砂岩或第(2)层强风化石英岩地基上，该层地基承载力较高。工程地震基本烈度为Ⅶ度，基本地震动峰值加速度为0.10g。水库正常蓄水位为51.82m(1985国家高程基准，下同)，100年一遇设计洪水位为53.38m，2000年一遇校核洪水位为54.52m。

2.2 计算单元

溢洪道闸室垂直水流方向较长，需进行分缝。考虑闸室基础较好，拟将沉降缝设在中孔底板，沿顺水流方向设两道永久缝，将闸室分成两边孔及中孔底板。单侧边孔的底板结构拟采用整体式，垂直水流方向长18.0m，包括两孔闸门及3个闸墩；竖直方向上依次为底板、闸墩、交通桥、启闭机排架、启闭机房等。选取其中一个边孔闸室作为计算单元。

2.3 荷载与荷载组合

水闸结构自重及其设备自重按设计尺寸及铭牌确定，水重、静水压力、扬压力、浪压力等荷载根据不同计算情况按规范[6]公式计算，横向土压力按静止土压力计算。

地震惯性力对顺水流和垂直水流两个水平方向分别计算，分底板、墩墙、交通桥、排架、启闭机房等部位，作用于几何中心，按不利原则考虑，其值大小按下式计算：

Fi=αhεGEiαi/g

(1)

式中，Fi—作用在结构质点i的水平向地震惯性力代表值，kN；αh—水平向设计地震加速度代表值，m/s2；ε—地震作用的效应折减系数，依规范并参考类似工程取0.25；GEi—集中在结构质点i的重力作用标准值，kN；αi—结构质点i的动态分布系数[8]。

单位宽度闸室的总动水压力按下式计算：

(2)

式中，F0—单位宽度总动水压力代表值；ρw—水体质量密度标准值；H0—水深[8]。

根据规范[5]要求，荷载组合主要包括基本组合和特殊组合，基本组合主要选取完建、正常蓄水、设计洪水3种计算情况；特殊组合主要选取校核洪水、检修、正常蓄水+地震3种计算情况。

2.4 稳定计算

闸室结构布置和受力不对称，基底应力按双向受压公式计算，抗滑稳定按抗剪公式计算[6]。

(3)

(4)

式中，∑H—作用于闸室基底面的全部水平方向的荷载，kN；∑G—作用于闸室基底面的全部竖直方向的荷载，kN；f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数；σmax、σmin—闸室基底应力的最大值、最小值，kPa；∑Mx、∑My—作用于闸室基础的全部竖直方向荷载和水平方向荷载对闸室基底面顺水流方向、垂直水流方向形心轴X、Y的力矩代数和，kN·m；Wx、Wy—闸室基底面形心轴X、Y的截面模量，m3[6]。

根据计算单元底板结构型式，确定底板的形心位置，以形心为交点，分别取通过形心的顺水流方向和垂直水流方向为形心轴X、Y，分部位求出全部竖向荷载和水平向荷载对底板形心X、Y轴的力矩代数值，考虑正负值后再累积计算，最后求得基底应力与抗滑稳定安全系数。

2.5 抗震计算方法

水工建筑物抗震分析主要有静力法、拟静力法、动力分析法等[4]。静力法认为结构物为刚体，不考虑自身固有特性，假定各处的最大加速度相同，将其与质量的乘积作为地震作用直接加到结构上，计算简单但精度较差，在中型水利工程上运用较少。动力分析法认为地震作用是一种动力荷载，其大小随时间变化而变化，目前主要有反应谱法和时程分析法，接近实际地震情况，计算过程复杂但精度较高，一般在大型水利工程中运用较多。拟静力法认为结构物具有一定的弹性，水平加速度在地震过程中沿结构高度的分布是不均匀的，用简化图形来表示随高度变化的加速度动态分布系数以反映这一特性，方法计算较为简单，精度也较高[9]，在中小型水利工程中运用较广。

在对地震区设计或已建的各类水工建筑物进行大量动力分析的基础上，归纳出大体上能反映结构动态特性的地震作用沿高度的分布规律，以动态分布系数进行表征的拟静力法，可根据震害和工程设计时间经验确定的最大地震惯性力仍以静态作用形式给出，避免了繁复的动力分析，因此在中小型水工建筑物中得到了大量运用[9]。本工程为中型，根据规范[8]要求，采用拟静力法进行抗震稳定计算。

3 计算成果与分析

3.1 不同计算情况下闸室稳定计算分析

为分析闸室结构布置及受力对称和不对称时对闸室稳定的影响程度，文章设置两种溢洪道闸室与河岸连接的布置方式，方案一是采用岸墙与两岸连接，假定墙后土压力全部由岸墙自身来承担，不考虑横向土压力对闸室的影响；方案二是闸室边墩与河岸直接相连，利用边墩挡土，闸室需要考虑横向土压力的影响。两种布置方案的溢洪道闸室稳定分析计算结果分别见表1、表2。

表1 方案一闸室稳定计算成果(不考虑横向土压力)

表2 方案二闸室稳定计算成果(需考虑横向土压力)

(1)根据计算结果，两种布置方案的基底应力及抗滑稳定安全系数均满足现行规范[5]要求。如果闸室基础为土基，特别是地基为压缩性较强的土层，考虑横向土压力的布置方案的闸室基底应力不均匀系数难以满足要求，不均匀沉降差可能引起建筑物倾斜、闸门启闭困难等危害，须采用岸墙等工程措施来减少此类风险，改善边孔闸室受力。

(2)对比表1、表2可以看到，在考虑横向土压力作用后，同一个计算情况下抗滑稳定安全系数值较不考虑横向土压力作用的小，降低幅度为43%～72%，平均降幅为63%。闸室基底应力不均匀系数增加幅度较大，为29%～101%，平均增幅达到77%，可见横向土压力对闸室的抗滑稳定安全系数、基底应力分布影响显著。

3.2 不同地震烈度下闸室抗震稳定复核分析

以溢洪道闸室布置方案一、方案二为例，在正常蓄水+设计地震烈度计算情况成果的基础上，复核不同的溢洪道闸室布置方案在地震烈度分别为6度(水平加速度为0.05g)、8度(水平加速度为0.2g)、9度(水平加速度为0.4g)计算情况下的抗震稳定性。两种闸室布置方案在不同地震烈度下的抗滑稳定安全系数及基底应力计算结果如图1、图2所示。

图1 方案一不同地震烈度下抗震稳定计算成果(不考虑横向土压力)

图2 方案二不同地震烈度下抗震稳定计算成果(考虑横向土压力)

根据抗震复核计算成果图，两种闸室布置方案在地震烈度小于9度时，其闸室基底应力与抗滑稳定系数均满足要求。当地震烈度为9度时，基底均出现拉应力，但都小于-100kPa，不考虑横向土压力的闸室布置方案一的抗滑稳定安全系数满足规范要求，而考虑横向土压力方闸室布置方案二的抗滑安全系数小于1，不满足规范要求[6]。

从图1可以看到，随着地震烈度的增加，不考虑横向土压力布置方案的闸室基底应力最大值不断增加，基底应力最小值相应减小，基底应力最大值与最小值之比也越来越大，且增长幅度越来越快；抗滑稳定安全系数越来越小，平均降幅为66%。

对比图1、图2，同等地震烈度下，考虑横向土压力的闸室布置方案二，其闸室基底最大应力与基底最小应力之比，是不考虑横向土压力方案的139%～300%，变化幅度更为剧烈；方案二的闸室抗滑稳定安全系数更小，为方案一的32%～84%。随着地震烈度的增加，两个方案的抗滑稳定安全系数之间的差别越来越小，反映地震荷载对闸室稳定安全的影响占比越来越大。横向土压力对闸室基底应力比和抗滑稳定安全系数的影响非常大，地震作用加剧了这一影响趋势，且随着地震烈度的增加，地震作用影响更为显著。

4 结语

(1)采用对底板形心轴分别求矩的计算方法，分部位、分高度计算相应荷载和地震惯性力，可以保证力矩符号的一致性，避免过多符号引起混淆而出现错误，增加计算结果的可靠性。

(2)拟静力法中的地震复核过程表明，溢洪道闸室在地震工况下的抗滑安全系数比同水位条件下不受地震作用时降低幅度大，地震作用对水工建筑物的抗滑稳定安全系数影响显著，且随着地震烈度的越发明显；基底应力分布受地震作用影响更加直接，对地震烈度的增加反应更为灵敏，当地基为中、高压缩性土时，应引起足够注意。

(3)横向土压力作用对闸室抗滑稳定安全系数影响大，对基底应力变化更为敏锐。当受功能、投资、地形等限制，闸室结构布置及受力不对称时，必须考虑横向土压力影响，验算其合力方向的抗滑稳定性和基底应力分布情况。岩基承载力较高，对基底应力分布要求较低，但是当闸室地基为压缩性较强的土层时，应当慎重考虑闸室与两岸的连接方式，特别是在工程又位于地震区域、闸室高度较高的情况下，不建议采用边墩直接挡土的布置方式，应尽可能采取工程措施来削弱横向土压力对闸室的不利影响。