烏拉泊水庫抗震穩(wěn)定計算方法對比分析

駱秀萍，易 平

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830002)

1 工程概況

烏拉泊水庫是烏魯木齊河中游的一座攔河水庫，被稱為“烏市頭上一盆水”。水庫始建于1959年，1961年建成投入運行。1975年被列為全國37座重點病險水庫之一，1978年又被列為全國13座重點抗震加固水庫之一。由于壩體防滲型式的復(fù)雜性(壩體壤土斜墻與混凝土防滲墻之間的飽和體存在超靜孔隙水壓力，有液化可能，水庫抗震設(shè)防存在隱患)，水庫的抗震安全直接影響烏魯木齊市各族人民生命財產(chǎn)安全和城市發(fā)展，因此復(fù)核水庫大壩的抗震安全性是十分必要的[1-6]。鑒于烏拉泊水庫壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，壩體的抗震穩(wěn)定性動力分析委托中國水利水電科學研究院巖土工程研究所完成。

烏拉泊水庫由大壩、放水涵洞、溢洪道等組成，總庫容7 000萬m3，最大壩長1 050 m，最大壩高26 m，工程設(shè)防烈度為8度，大壩按1級建筑物設(shè)計。0+028.00 m～0+092.00 m壩段為有水平鋪蓋的壤土心墻砂殼壩，0+092.00 m～0+806.80 m段為有水平鋪蓋的壤土斜墻砂殼壩，0+806.80 m～1+050.00 m段為人工填筑砂礫石均質(zhì)壩。0+028.00 m～0+806.80 m壩段，在壩體上游馬道設(shè)置有防滲墻，基礎(chǔ)深入基巖以下1 m。

2 抗震穩(wěn)定分析

抗震穩(wěn)定分析[7-13]包括2項內(nèi)容：① 按照《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[14]的規(guī)定，對壩坡進行常規(guī)的瑞典圓弧擬靜力法抗震穩(wěn)定分析；② 根據(jù)有限元靜、動應(yīng)力計算的結(jié)果，對壩坡進行應(yīng)力滑弧穩(wěn)定分析。本文針對烏拉泊水庫進行了設(shè)計洪水位工況下大壩上、下游坡的抗震穩(wěn)定計算[15]。

在應(yīng)力滑弧穩(wěn)定分析中，首先，將擬定的滑弧體分成若干個垂直條塊，條塊寬度一般不大于有限元單元寬度的1/2。確定條塊底部滑弧中點的坐標值，找出形心與某滑弧中點坐標最近的單元，取此單元的應(yīng)力作為該滑弧中點的應(yīng)力值，當滑弧通過多個單元時，以滑弧中點所在單元的應(yīng)力值代表滑弧的平均應(yīng)力值，以避免繁瑣計算。然后，對滑弧中點的應(yīng)力值進行坐標變換，即把由直角坐標系表示的有效徑向正應(yīng)力、環(huán)向正應(yīng)力和切向剪應(yīng)力σx′、σy′與τxy變換為以滑弧中心為極點的極坐標系表示的σθ′、σr′與τrθ。其中，σθ′、σr′分別為極坐標系下的有效徑向正應(yīng)力和環(huán)向正應(yīng)力，τrθ為切向剪應(yīng)力。類似地，由有限元動應(yīng)力分析計算得出的σxd、σyd與τxyd變換出τxθd，將切向動剪應(yīng)力τxθd乘以0.65的系數(shù)與切向剪應(yīng)力τrθ相加，即為該滑弧條塊上的滑動力。

根據(jù)各條塊滑弧中點的初始徑向正應(yīng)力σr′和初始剪應(yīng)力比α=τrθ/σr′，可確定該滑弧的靜強度、動力總剪強度為：

τf=c+σr′tanφ

(1)

τf′=τf(σr′,α=τrθ/σr′)

(2)

式中：c為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角。

在應(yīng)力穩(wěn)定分析中，對各條塊采用動力總剪強度，當動力總剪強度高于靜強度值時，采用靜強度值。滑弧面上的整體抗震穩(wěn)定安全系數(shù)為：

(3)

式中:ΔL為各條塊的滑弧長度。

在分析中，首先在大范圍搜索安全系數(shù)最小的滑弧圓心位置和滑弧半徑，逐步縮小搜索步長，找出安全系數(shù)最小的可能滑動面。

抗震穩(wěn)定計算中使用的壩基、壩體材料的密度與靜強度指標，見表1。在應(yīng)力穩(wěn)定分析中，采用Dr=0.72的地震總應(yīng)力抗剪強度。

表1 抗震穩(wěn)定靜力計算參數(shù)表

注：對水下土石料，密度為浮密度；對水上土石料，密度為天然密度。

二維穩(wěn)定計算的結(jié)果以0+150.00 m為典型斷面，計算成果見表2。

表2 0+150.00 m斷面壩坡最小安全系數(shù)表

根據(jù)三維有限元靜、動力計算得出的靜、動應(yīng)力，得出高壩段0+150.00 m、0+200.00 m斷面、S形壩段0+450.00 m、0+505.00 m以及0+600.00 m斷面的靜、動應(yīng)力。以下再采用應(yīng)力穩(wěn)定分析法對壩體的上、下游壩坡進行計算，得出了5個斷面應(yīng)力穩(wěn)定法的壩坡最小安全系數(shù)，詳見表3。

表3 應(yīng)力穩(wěn)定法壩坡最小安全系數(shù)表

3 方法評述

從表2、3與圖1可以看出：

(1) 當基巖輸入加速度峰值為2.00 m/s2時，采用瑞典圓弧法和應(yīng)力穩(wěn)定分析，得出上、下游壩坡的安全系數(shù)均大于1.30；當基巖輸入加速度峰值為3.18 m/s2時，采用應(yīng)力穩(wěn)定分析，得出上、下游壩坡的安全系數(shù)均大于1.20，滿足規(guī)范要求。

(2) 與傳統(tǒng)的瑞典圓弧法計算結(jié)果相比，由應(yīng)力穩(wěn)定分析得到的安全系數(shù)略高，危險滑弧略淺，這是由于按照瑞典圓弧法進行擬靜力法的穩(wěn)定計算時，在壩的上部區(qū)需施加較大的水平慣性力，導致壩體上部的抗震安全性較低。而應(yīng)力穩(wěn)定分析直接采用了靜、動應(yīng)力，能更客觀地反映滑弧面上的應(yīng)力狀態(tài)。特別是應(yīng)力穩(wěn)定分析中動應(yīng)力直接應(yīng)用了動力反應(yīng)分析的結(jié)果，可以考慮不同地震輸入的影響；此外，在應(yīng)力穩(wěn)定分析中，還可以利用動力試驗得到的地震總應(yīng)力抗剪強度，這都是傳統(tǒng)的瑞典圓弧法所無法采用的。

圖1 抗震穩(wěn)定分析的危險滑弧位置圖

綜上所述，在高烈度地區(qū)建壩采用應(yīng)力穩(wěn)定分析進行抗震計算，對降低工程造價、保證大壩抗震安全是十分必要的。