阿達(dá)來(lái)提·吐?tīng)枩?劉 薇 王明龍 王艷寧

(1. 新疆水利廳喀什噶爾河流域管理處，新疆喀什市 844000； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)村供水技術(shù)協(xié)會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，北京 100045)

新疆是我國(guó)強(qiáng)震頻發(fā)地區(qū)，許多大型水閘及閘壩均位于7度或8度強(qiáng)震區(qū)。鑒于新疆地區(qū)水閘震害的獨(dú)特性，根據(jù)本地區(qū)水閘抗震除險(xiǎn)加固情況，結(jié)合汶川地震中一些共同問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 1-2級(jí)水閘抗滑穩(wěn)定是否需要采用動(dòng)力法計(jì)算

水閘和閘壩的抗滑穩(wěn)定是其設(shè)計(jì)中是基本要求之一?！端そㄖ锟拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（SDJ10-78）規(guī)范第8.1.1條規(guī)定：水閘的抗震計(jì)算包括抗震穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。第8.1.2條規(guī)定：設(shè)計(jì)烈度為8、9度的1、2級(jí)水閘或地基為可液化土的1、2級(jí)水閘的地震作用效應(yīng)計(jì)算，應(yīng)采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震計(jì)算。

目前我國(guó)所有水工建筑物抗滑穩(wěn)定計(jì)算均采用擬靜力法計(jì)算，那么，設(shè)計(jì)烈度為8、9度的1、2級(jí)水閘和閘壩或地基為可液化土的1、2級(jí)水閘和閘壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算如何來(lái)執(zhí)行上述規(guī)定？如果用動(dòng)力法計(jì)算水閘和閘壩的抗滑安全性，又用什么作為判據(jù)？如果考慮目前水閘動(dòng)力法及抗滑穩(wěn)定計(jì)算現(xiàn)狀，是否應(yīng)明確規(guī)定：設(shè)計(jì)烈度為8、9度的1、2級(jí)水閘和閘壩或地基為可液化土的1、2級(jí)水閘和閘壩抗滑穩(wěn)定仍采用擬靜力法計(jì)算。

2 如何判斷震后水閘抗滑穩(wěn)定性

砂礫地基上地震工況下2級(jí)水閘抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定K ＞1.05，對(duì)沉降變形也規(guī)定最大沉陷量不大于15cm，不均勻沉降不大于5cm，但對(duì)震后水平變位卻沒(méi)有明確規(guī)定。

耿達(dá)閘壩壩高31.5m，建于砂礫石深厚覆蓋層地基上，設(shè)防烈度8度。由于覆蓋層中含漂卵石層中存在局部架空等原因，1986年蓄水至2006年整個(gè)閘壩持續(xù)沉降和向下游變位。雖變位逐步收斂，但最大沉降5.4mm，最大水平位移28.4mm。2008年汶川地震，場(chǎng)地烈度9度，震后產(chǎn)生10.2mm沉降變形，但向下游產(chǎn)生126mm水平變位，復(fù)核成果表現(xiàn)，在8度地震下（0.259g），結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。在9度地震下（a =0.48g），該閘壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)0.88，但震后閘室地基未 出現(xiàn)液化現(xiàn)象，整個(gè)閘體未產(chǎn)生明顯不均勻變形，閘室未產(chǎn)生貫穿性裂縫，閘室無(wú)明顯失穩(wěn)形態(tài)，僅產(chǎn)生較大水平變位。

該如何評(píng)價(jià)該閘壩震后的抗滑穩(wěn)定性？是否要進(jìn)行抗震加固？又如何進(jìn)行抗震加固？水閘及閘壩的失穩(wěn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)如何確定？

3 動(dòng)力法計(jì)算適用條件

抗震規(guī)范第8.1.2條規(guī)定：設(shè)計(jì)烈度為8、9度的1、2級(jí)水閘或地基為可液化土的1、2級(jí)水閘的地震作用效應(yīng)計(jì)算，應(yīng)采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震計(jì)算。由于當(dāng)前我國(guó)無(wú)閘壩設(shè)計(jì)規(guī)范，大量河床式電站中的閘壩，仍按水閘設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)。

由于靜力計(jì)算無(wú)法反映覆蓋層非線(xiàn)性動(dòng)力特點(diǎn)，而許多深覆蓋層上高達(dá)30多米的3級(jí)閘壩，震害及其影響遠(yuǎn)大于平原地區(qū)的水閘，是否仍可不用動(dòng)力法計(jì)祘？

4 關(guān)于垂直水流向震害及抗震設(shè)計(jì)

抗震規(guī)范4.1.7條規(guī)定：“閘墩、進(jìn)水塔、閘頂機(jī)架，應(yīng)考慮兩個(gè)主軸方向水平向地震作用”，實(shí)踐證明這一要求和規(guī)定是正確，但可能需完善。

新疆喀什布哈拉水閘，地處開(kāi)闊平坦的戈壁灘上，8度地震區(qū)，Ⅱ級(jí)水閘，閘室高4m，開(kāi)敞式整體結(jié)構(gòu)，上部板梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支于啟閉臺(tái)柱上，地震后啟閉臺(tái)柱、閘墩震害嚴(yán)重、牛腿混凝土全部拉壓破壞、輕型鋼架鉄皮啟閉機(jī)房的圈梁剪斷、公路橋工作橋無(wú)法正常工作……

四川魚(yú)子溪電站的泄洪閘，閘室高28.5m，為各自獨(dú)立的帶胸墻的整體式閘室結(jié)構(gòu)，汶川地震時(shí)，場(chǎng)地地震烈度10度（超過(guò)設(shè)防烈度8度），震后次生災(zāi)害異常嚴(yán)重，啟閉機(jī)房嚴(yán)重砸壞，三扇弧形閘門(mén)支臂被震斷沖至下游，支鉸后尾墩開(kāi)裂，但由于閘壩軸線(xiàn)與地震波主軸夾角較小，且壩頂長(zhǎng)78m，河谷狹窄，兩岸山體約束較強(qiáng)，又采用帶胸墻的整體結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，經(jīng)多次檢查：胸墻、閘墩、啟閉臺(tái)柱幾乎未見(jiàn)什么裂縫，結(jié)構(gòu)完好。

從上述兩座閘室震害對(duì)比中似乎可見(jiàn)：

(1) 作為抗震規(guī)范，從安全計(jì)，要求水閘和閘壩在抗震計(jì)算中，考慮兩個(gè)主軸方向水平向地震作用，是必要的。

(2) 但認(rèn)識(shí)和宏觀判斷上，在峽谷地區(qū)，當(dāng)采用帶胸墻的整體結(jié)構(gòu)，且上部結(jié)構(gòu)與啟閉臺(tái)柱為剛結(jié)時(shí)，由于橫向剛度的提高，垂直水流的地震反應(yīng)不一定是控制條件。

5 關(guān)于地震反應(yīng)的線(xiàn)彈性與非線(xiàn)性動(dòng)力分析

強(qiáng)震是一個(gè)人們至今尚未完全認(rèn)識(shí)的極為復(fù)雜的、可造成極為嚴(yán)重災(zāi)害的小概率事件。砂礫石、砂等土基的動(dòng)力特性遠(yuǎn)比巖基復(fù)雜，由于地震波在土基中吸收、反射，地震過(guò)程中土基中孔隙水壓力的提高，有效應(yīng)力的減少，土基的模量比和阻尼比具有明顯非綫性特點(diǎn)，因而土基的結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題頗為復(fù)雜，再加上水閘是個(gè)縱橫向剛度差異較大的空間結(jié)構(gòu)，因而土基上的水閘的結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題更為復(fù)雜。

較長(zhǎng)時(shí)間里，由于強(qiáng)震區(qū)水閘數(shù)量不多，相對(duì)大壩而言，地震給水閘所帶來(lái)的直接與間接災(zāi)難較小，因而水閘的抗震設(shè)計(jì)多以地震工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為條件，沿用擬靜法進(jìn)行計(jì)算。實(shí)踐證明，盡管其抗滑安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，但在飽和中等密實(shí)土基上的水閘仍會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，有的甚至傾倒失穩(wěn)，因而規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)烈度為8、9度的1、2級(jí)水閘或地基為可液化土的1、2級(jí)水閘，應(yīng)采用動(dòng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抗震復(fù)核。

用動(dòng)力法進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核，就需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地基動(dòng)力特性測(cè)試，并在室內(nèi)利用動(dòng)三軸試驗(yàn)，測(cè)定土基的最大剪切模量與平均有效主應(yīng)力的關(guān)系、動(dòng)剪切模量比與動(dòng)剪應(yīng)變幅的關(guān)系、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅的關(guān)系，概化后代入特定的非線(xiàn)性程序進(jìn)行計(jì)算，才可模擬出地震中土基上水閘破壞過(guò)程。然而由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)諸多困難，室內(nèi)重塑樣的代表性，試驗(yàn)成果概化后的誤差，以及計(jì)算中許多假定，不少計(jì)算結(jié)果常與實(shí)際有一定出入。

當(dāng)然，在條件具備時(shí)，進(jìn)行土基上三維彈塑性計(jì)算是需要的，但考慮到目前土基上水閘的三維非綫性動(dòng)力計(jì)算成果尚不能直接作為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，試驗(yàn)和計(jì)算費(fèi)用較大。在此現(xiàn)況下，逐步摸索一套以三維非線(xiàn)性動(dòng)力計(jì)算成果為基礎(chǔ)，以等效線(xiàn)彈性動(dòng)力參數(shù)為依據(jù)，以實(shí)際震害為鑒別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行三維線(xiàn)彈性動(dòng)力分析，并參見(jiàn)眾多工程實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，是否為更實(shí)用、更便于推廣的方法？

6 抗震復(fù)核的荷載組合

SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：地震工況時(shí)，按正常蓄水位組合計(jì)算水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力，地震力，不計(jì)冰壓力和凍土壓力。

查閱新疆伽師地區(qū)地震記載，自1996年以來(lái)所發(fā)生的5次6級(jí)以上地震中，有3次發(fā)生在10月27至次年3月21日的結(jié)冰期，即在喀什地區(qū)存在著地震與冰壓力組合的可能性。由于本地區(qū)設(shè)計(jì)冰層厚度為80cm，相應(yīng)每米寬的冰壓力215kN，約為同等深度水壓力的數(shù)十倍，對(duì)干設(shè)計(jì)水深較小的引水建筑物的閘門(mén)、牛腿及閘墩等結(jié)構(gòu)，所承受的推力增加很大，成為一個(gè)不可忽視的因素。因而水閘抗震計(jì)算的工況，是否應(yīng)適當(dāng)考慮各地的差異？

7 不同步荷載模擬及牛腿拉壓破壞原因

牛腿是傳遞弧門(mén)推力的壓剪結(jié)構(gòu)，但新疆布哈拉水閘所有牛腿地震后即出現(xiàn)明顯嚴(yán)重拉壓破壞裂縫，原因何在呢？在動(dòng)力計(jì)算中又如何模擬呢？

在布哈拉水閘震害的反演計(jì)算中，我們根據(jù)動(dòng)力法抗震計(jì)算假定：假定結(jié)構(gòu)物由有限個(gè)具有一定質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)組成。地震波由多個(gè)不同頻率簡(jiǎn)諧波組合而成。結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)，是這些有限個(gè)具有質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，在多個(gè)簡(jiǎn)諧波共同作用下的反應(yīng)。按照抗震規(guī)范規(guī)定，外荷載也應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)等效質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，懸掛于建筑物相應(yīng)的表面。

弧形閘門(mén)推力是外荷載，也應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)等效質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，懸掛于建筑物（牛腿）相應(yīng)的表面?？紤]到弧形閘門(mén)與牛腿鉸接，牛腿本身在靜態(tài)為受壓構(gòu)件，但在地震中，由于閘門(mén)與閘墩牛腿變位的不同步，閘門(mén)推力往返拉壓牛腿，牛腿成為受到反復(fù)拉力和壓力作用的構(gòu)件，因而我們把弧門(mén)推力概化為含有等效質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)后，與牛腿用彈簧連接。

鑒于牛腿尺寸70cm×70cm，正常蓄水工況下，C25混凝土牛腿承受壓力3.83t，牛腿平均壓應(yīng)力僅為0.78kg/cm2，結(jié)構(gòu)安全，但在冬季結(jié)冰又遭遇地震后，承受89.4t推力；當(dāng)弧門(mén)與閘門(mén)同步變位時(shí)，牛腿上壓應(yīng)力18.22kg/cm2，結(jié)構(gòu)仍然安全，當(dāng)弧門(mén)與閘門(mén)不同步變位時(shí)，牛腿可能受到同樣噸位的拉力，相應(yīng)牛腿混凝土平均拉應(yīng)力達(dá)18.22kg/cm2，牛腿拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，牛腿即可拉壞；一旦拉壞，其抗壓強(qiáng)度就顯著降低，這樣在反復(fù)拉壓荷載作用下，牛腿全部拉壞破壞。結(jié)合魚(yú)子溪泄洪閘弧形閘門(mén)支臂與支鉸的連接螺栓在地震中被拉斷的事實(shí)，在抗震規(guī)范修編中，對(duì)于不同步變位所產(chǎn)生的影響是否應(yīng)以考慮？

8 分離式結(jié)構(gòu)的抗震性能

鑒于砂礫石地基嚴(yán)格講并非彈性地基，中密以上砂礫石的地基反力遠(yuǎn)比土基小，新疆喀什地區(qū)的早期水閘，多將閘墩與底板分開(kāi)，建成分離式結(jié)構(gòu)，這樣受力明確，既便于施工，又節(jié)約投資。但1976年唐山地震中諸多水閘震害表明，分離式閘室結(jié)構(gòu)剛度小，震害明顯重于整體式結(jié)構(gòu)，所以DL5073-1997水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：地震烈度8度以上的強(qiáng)震區(qū)，不宜釆用分離式結(jié)構(gòu)。

1988年建成天南維其克引水樞紐中的老分水閘和老泄洪閘為分離式閘室，閘室孔寬7.0m，閘墩高4.0m，厚0.7m，為少筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚70cm，與閘墩分開(kāi)，為無(wú)筋混凝土。為了適應(yīng)天南維其克引水樞紐中的老分水閘和老泄洪閘原有分離式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并提高結(jié)構(gòu)抗震剛度和適應(yīng)地基變形能力，我們?cè)诘装迳蠞仓?0cm鋼筋混凝土面層，增加閘墩厚度至1.0m，并將新澆的底板與閘墩連成整體，以提高結(jié)構(gòu)剛度。

三維線(xiàn)彈性動(dòng)力計(jì)算成果表明：加強(qiáng)底板與閘墩連接后，地震反應(yīng)順?biāo)飨虻谝徽裥椭芷谟煞蛛x式的0.38s減少為0.21s，相應(yīng)啟閉機(jī)房變位由4.2cm減少為1.1cm，地基最大沉降由原0.22cm減少為0.15cm，改善了地基應(yīng)力，減少地基變形，提高了結(jié)構(gòu)適應(yīng)地基變形能力。這種處理辦法是否能作為抗震規(guī)范中有關(guān)強(qiáng)震區(qū)分離式水閘規(guī)定的一種補(bǔ)充。

9 上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及加固措施

實(shí)踐證明：上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯大干下部，上部結(jié)構(gòu)震害也明顯重于下部。為了提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能，特別是提高垂直水流向結(jié)構(gòu)剛度，常用的辦法是：減少上部啟閉機(jī)房結(jié)構(gòu)自重，改磚混結(jié)構(gòu)為輕鋼結(jié)構(gòu)，改簡(jiǎn)支的板梁結(jié)構(gòu)為剛接的結(jié)構(gòu)。

天南維其克新泄洪沖砂閘的計(jì)算成果表明，在垂直水流方向地震力作用下，把上部簡(jiǎn)支的結(jié)構(gòu)改變?yōu)閯偨雍?，啟閉機(jī)房頂變位由4.3cm減少為1.9cm，相應(yīng)閘墩拉應(yīng)力圍范和應(yīng)力值大幅減少，啟閉機(jī)房不再會(huì)散落，抗震效果是明顯的。這種把上部簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)改為剛接的措施，是否具有普遍意義？

10 可液化土基的處理

新疆喀什地區(qū)引水樞紐大都建在砂礫石、砂土及其他土基上，有相當(dāng)部分地基為可液化的粉細(xì)砂或壤土，地震后地表開(kāi)裂、冒水冒砂，閘基或擋土墻或翼墻傾倒、倒塌、閘室發(fā)生較大變形、出現(xiàn)較多裂縫……

為防止土基地震液化，往往首先通過(guò)對(duì)各地層形成年代、顆粒組成、級(jí)配、飽和度、剪切波速、液性指數(shù)、相對(duì)密實(shí)度、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)等初判和復(fù)判，評(píng)判地層是否為可液化地層，當(dāng)確定15m范圍內(nèi)地基為可液化土?xí)r，常采用換土、振動(dòng)壓實(shí)、圍封、碎石樁、灌注樁等法處理。

1988年修建的布哈拉水閘，對(duì)可液化土曾采用定噴圍封法進(jìn)行處理，圍封深度7m，基本達(dá)到不可液化土層。雖然圍封不能防止砂土液化，僅阻止沙土流動(dòng)，但自1996年以來(lái)多次地震，實(shí)際地震烈度達(dá)到設(shè)防烈度8度，閘室周?chē)l(fā)生冒水冒沙現(xiàn)象，閘室上部遭嚴(yán)重破壞，被圍封的閘基雖有些不均勻沉降，但整個(gè)閘基未發(fā)生液化現(xiàn)象，閘室總體穩(wěn)定，可見(jiàn)圍封是一種有效抗震措施。

碎石樁也是一種抗液化處理辦法，由于振動(dòng)水沖碎石樁可提高砂層密度，提高地基承載能力，地震中可以有利于地下水排出，常為工程所采用，但實(shí)踐證明，該方法理論及計(jì)算尚不完全成熟，且隨時(shí)間的加長(zhǎng)，其排水和抗液化作用將減弱，后期地震破壞仍然明顯。例如岷江上游金湯河最后一個(gè)梯級(jí)金康電站，8度地震區(qū)，20m高閘壩建于90m含礫砂層砂壤土覆蓋層上，為防地震液化，閘室地其采用振沖碎石樁處理，2006年蓄水，閘基揚(yáng)壓力和閘室垂直變位變化無(wú)規(guī)律，但各閘室均向下游位移，最大變位50mm，年變位速率10mm/a，閘室多處發(fā)生貫穿性裂縫……原因何在？該如何評(píng)價(jià)振沖碎石樁防砂土地震液化效果？

把灌注樁打入非液化土層，且留有足夠承力深度，該結(jié)構(gòu)受力明確，效果明顯，但唐山地震證明，由干砂土液化流動(dòng)，底板與樁頂間會(huì)發(fā)生滲流破壞，需要在其逸出點(diǎn)加強(qiáng)反濾保護(hù)。

實(shí)踐證明對(duì)于埋深較淺的可液化土基，可以采取挖除換填法處理，對(duì)于表層可液化土基可以采用強(qiáng)夯法處理……正如抗震規(guī)范指出那樣，上述這些處理方法是有效的，但有的抗液化機(jī)理是明確的，有些并不一定十分明確，在結(jié)構(gòu)抗震的計(jì)算中，如何來(lái)模擬抗液化作用，又如何評(píng)價(jià)其抗液化效果？

11 地震中閘門(mén)破壞

2008年汶川地震中映秀灣閘首距震中5.4km，場(chǎng)地地震烈度11度，震后次生災(zāi)害嚴(yán)重，閘室上部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，但各閘間沉陷不明顯，揚(yáng)壓力變化不大，閘壩整體穩(wěn)定，可是2#和4#泄洪沖砂閘的弧形工作閘門(mén)支臂有較明顯扭曲變形，閘門(mén)底緣鋼板明顯變形……

魚(yú)子溪閘首距汶川震中約8.8km，場(chǎng)地地震烈度10度，震后閘室上部結(jié)構(gòu)震壞或被巨石砸壞，閘室整體穩(wěn)定，但1#2#3#泄洪閘弧形閘門(mén)支臂與支鉸連接處的螺栓全部拉斷，支臂與支鉸全部斷開(kāi)，閘門(mén)的鋼絲繩全部拉斷，三扇閘門(mén)分別被沖至下游，相應(yīng)啟閉機(jī)機(jī)架均有構(gòu)件彎折、牛腿附近閘墩混凝土開(kāi)裂……

震后對(duì)魚(yú)子溪閘門(mén)進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核，結(jié)果表明：在8度設(shè)防烈度下，泄洪閘支承梁應(yīng)力較小，支鉸應(yīng)力低于材料允許應(yīng)力，支承梁和支鉸是安全的，這似乎解釋了魚(yú)子溪閘門(mén)連接螺栓在超標(biāo)準(zhǔn)地震作用下斷裂的原因，但對(duì)比映秀灣更強(qiáng)的地震反應(yīng)下閘門(mén)僅發(fā)生支臂變形，我們又應(yīng)該吸取什么教訓(xùn)呢？相應(yīng)閘門(mén)抗震設(shè)計(jì)又該注意什么問(wèn)題？