对《水工建筑物抗震设计规范》中 有关水闸及闸坝抗震问题探究

阿达来提·吐尔温 刘 薇 王明龙 王艳宁

(1. 新疆水利厅喀什噶尔河流域管理处，新疆喀什市 844000； 2.中国农业节水和农村供水技术协会规划设计研究中心，北京 100045)

新疆是我国强震频发地区，许多大型水闸及闸坝均位于7度或8度强震区。鉴于新疆地区水闸震害的独特性，根据本地区水闸抗震除险加固情况，结合汶川地震中一些共同问题进行探究。

1 1-2级水闸抗滑稳定是否需要采用动力法计算

水闸和闸坝的抗滑稳定是其设计中是基本要求之一。《水工建筑物抗震设计规范》（SDJ10-78）规范第8.1.1条规定：水闸的抗震计算包括抗震稳定和结构强度计算。第8.1.2条规定：设计烈度为8、9度的1、2级水闸或地基为可液化土的1、2级水闸的地震作用效应计算，应采用动力法进行抗震计算。

目前我国所有水工建筑物抗滑稳定计算均采用拟静力法计算，那么，设计烈度为8、9度的1、2级水闸和闸坝或地基为可液化土的1、2级水闸和闸坝抗滑稳定计算如何来执行上述规定？如果用动力法计算水闸和闸坝的抗滑安全性，又用什么作为判据？如果考虑目前水闸动力法及抗滑稳定计算现状，是否应明确规定：设计烈度为8、9度的1、2级水闸和闸坝或地基为可液化土的1、2级水闸和闸坝抗滑稳定仍采用拟静力法计算。

2 如何判断震后水闸抗滑稳定性

砂砾地基上地震工况下2级水闸抗剪稳定安全系数，《水闸设计规范》明确规定K ＞1.05，对沉降变形也规定最大沉陷量不大于15cm，不均匀沉降不大于5cm，但对震后水平变位却没有明确规定。

耿达闸坝坝高31.5m，建于砂砾石深厚覆盖层地基上，设防烈度8度。由于覆盖层中含漂卵石层中存在局部架空等原因，1986年蓄水至2006年整个闸坝持续沉降和向下游变位。虽变位逐步收敛，但最大沉降5.4mm，最大水平位移28.4mm。2008年汶川地震，场地烈度9度，震后产生10.2mm沉降变形，但向下游产生126mm水平变位，复核成果表现，在8度地震下（0.259g），结构抗滑稳定安全系数满足规范要求。在9度地震下（a =0.48g），该闸坝抗滑稳定安全系数0.88，但震后闸室地基未 出现液化现象，整个闸体未产生明显不均匀变形，闸室未产生贯穿性裂缝，闸室无明显失稳形态，仅产生较大水平变位。

该如何评价该闸坝震后的抗滑稳定性？是否要进行抗震加固？又如何进行抗震加固？水闸及闸坝的失稳评判标准应如何确定？

3 动力法计算适用条件

抗震规范第8.1.2条规定：设计烈度为8、9度的1、2级水闸或地基为可液化土的1、2级水闸的地震作用效应计算，应采用动力法进行抗震计算。由于当前我国无闸坝设计规范，大量河床式电站中的闸坝，仍按水闸设计规范设计。

由于静力计算无法反映覆盖层非线性动力特点，而许多深覆盖层上高达30多米的3级闸坝，震害及其影响远大于平原地区的水闸，是否仍可不用动力法计祘？

4 关于垂直水流向震害及抗震设计

抗震规范4.1.7条规定：“闸墩、进水塔、闸顶机架，应考虑两个主轴方向水平向地震作用”，实践证明这一要求和规定是正确，但可能需完善。

新疆喀什布哈拉水闸，地处开阔平坦的戈壁滩上，8度地震区，Ⅱ级水闸，闸室高4m，开敞式整体结构，上部板梁结构简支于启闭台柱上，地震后启闭台柱、闸墩震害严重、牛腿混凝土全部拉压破坏、轻型钢架鉄皮启闭机房的圈梁剪断、公路桥工作桥无法正常工作……

四川鱼子溪电站的泄洪闸，闸室高28.5m，为各自独立的带胸墙的整体式闸室结构，汶川地震时，场地地震烈度10度（超过设防烈度8度），震后次生灾害异常严重，启闭机房严重砸坏，三扇弧形闸门支臂被震断冲至下游，支铰后尾墩开裂，但由于闸坝轴线与地震波主轴夹角较小，且坝顶长78m，河谷狭窄，两岸山体约束较强，又采用带胸墙的整体结构，整体刚度较大，经多次检查：胸墙、闸墩、启闭台柱几乎未见什么裂缝，结构完好。

从上述两座闸室震害对比中似乎可见：

(1) 作为抗震规范，从安全计，要求水闸和闸坝在抗震计算中，考虑两个主轴方向水平向地震作用，是必要的。

(2) 但认识和宏观判断上，在峡谷地区，当采用带胸墙的整体结构，且上部结构与启闭台柱为刚结时，由于横向刚度的提高，垂直水流的地震反应不一定是控制条件。

5 关于地震反应的线弹性与非线性动力分析

强震是一个人们至今尚未完全认识的极为复杂的、可造成极为严重灾害的小概率事件。砂砾石、砂等土基的动力特性远比岩基复杂，由于地震波在土基中吸收、反射，地震过程中土基中孔隙水压力的提高，有效应力的减少，土基的模量比和阻尼比具有明显非綫性特点，因而土基的结构抗震问题颇为复杂，再加上水闸是个纵横向刚度差异较大的空间结构，因而土基上的水闸的结构抗震问题更为复杂。

较长时间里，由于强震区水闸数量不多，相对大坝而言，地震给水闸所带来的直接与间接灾难较小，因而水闸的抗震设计多以地震工况下结构稳定为条件，沿用拟静法进行计算。实践证明，尽管其抗滑安全系数满足规范要求，但在饱和中等密实土基上的水闸仍会发生严重破坏，有的甚至倾倒失稳，因而规范规定设计烈度为8、9度的1、2级水闸或地基为可液化土的1、2级水闸，应采用动力法进行结构强度抗震复核。

用动力法进行水闸结构强度复核，就需要现场进行地基动力特性测试，并在室内利用动三轴试验，测定土基的最大剪切模量与平均有效主应力的关系、动剪切模量比与动剪应变幅的关系、阻尼比与动剪应变幅的关系，概化后代入特定的非线性程序进行计算，才可模拟出地震中土基上水闸破坏过程。然而由于现场试验诸多困难，室内重塑样的代表性，试验成果概化后的误差，以及计算中许多假定，不少计算结果常与实际有一定出入。

当然，在条件具备时，进行土基上三维弹塑性计算是需要的，但考虑到目前土基上水闸的三维非綫性动力计算成果尚不能直接作为除险加固设计的主要依据，试验和计算费用较大。在此现况下，逐步摸索一套以三维非线性动力计算成果为基础，以等效线弹性动力参数为依据，以实际震害为鉴别标准，进行三维线弹性动力分析，并参见众多工程实践及经验进行加固设计，是否为更实用、更便于推广的方法？

6 抗震复核的荷载组合

SL265-2001《水闸设计规范》规定：地震工况时，按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力、浪压力，地震力，不计冰压力和冻土压力。

查阅新疆伽师地区地震记载，自1996年以来所发生的5次6级以上地震中，有3次发生在10月27至次年3月21日的结冰期，即在喀什地区存在着地震与冰压力组合的可能性。由于本地区设计冰层厚度为80cm，相应每米宽的冰压力215kN，约为同等深度水压力的数十倍，对干设计水深较小的引水建筑物的闸门、牛腿及闸墩等结构，所承受的推力增加很大，成为一个不可忽视的因素。因而水闸抗震计算的工况，是否应适当考虑各地的差异？

7 不同步荷载模拟及牛腿拉压破坏原因

牛腿是传递弧门推力的压剪结构，但新疆布哈拉水闸所有牛腿地震后即出现明显严重拉压破坏裂缝，原因何在呢？在动力计算中又如何模拟呢？

在布哈拉水闸震害的反演计算中，我们根据动力法抗震计算假定：假定结构物由有限个具有一定质量的质点组成。地震波由多个不同频率简谐波组合而成。结构物的地震反应，是这些有限个具有质量的质点，在多个简谐波共同作用下的反应。按照抗震规范规定，外荷载也应转化为相应等效质量的质点，悬挂于建筑物相应的表面。

弧形闸门推力是外荷载，也应转化为相应等效质量的质点，悬挂于建筑物（牛腿）相应的表面。考虑到弧形闸门与牛腿铰接，牛腿本身在静态为受压构件，但在地震中，由于闸门与闸墩牛腿变位的不同步，闸门推力往返拉压牛腿，牛腿成为受到反复拉力和压力作用的构件，因而我们把弧门推力概化为含有等效质量的质点后，与牛腿用弹簧连接。

鉴于牛腿尺寸70cm×70cm，正常蓄水工况下，C25混凝土牛腿承受压力3.83t，牛腿平均压应力仅为0.78kg/cm2，结构安全，但在冬季结冰又遭遇地震后，承受89.4t推力；当弧门与闸门同步变位时，牛腿上压应力18.22kg/cm2，结构仍然安全，当弧门与闸门不同步变位时，牛腿可能受到同样吨位的拉力，相应牛腿混凝土平均拉应力达18.22kg/cm2，牛腿拉应力超过混凝土抗拉强度，牛腿即可拉坏；一旦拉坏，其抗压强度就显著降低，这样在反复拉压荷载作用下，牛腿全部拉坏破坏。结合鱼子溪泄洪闸弧形闸门支臂与支铰的连接螺栓在地震中被拉断的事实，在抗震规范修编中，对于不同步变位所产生的影响是否应以考虑？

8 分离式结构的抗震性能

鉴于砂砾石地基严格讲并非弹性地基，中密以上砂砾石的地基反力远比土基小，新疆喀什地区的早期水闸，多将闸墩与底板分开，建成分离式结构，这样受力明确，既便于施工，又节约投资。但1976年唐山地震中诸多水闸震害表明，分离式闸室结构刚度小，震害明显重于整体式结构，所以DL5073-1997水工建筑物抗震设计规范规定：地震烈度8度以上的强震区，不宜釆用分离式结构。

1988年建成天南维其克引水枢纽中的老分水闸和老泄洪闸为分离式闸室，闸室孔宽7.0m，闸墩高4.0m，厚0.7m，为少筋混凝土结构，底板厚70cm，与闸墩分开，为无筋混凝土。为了适应天南维其克引水枢纽中的老分水闸和老泄洪闸原有分离式结构的特点，并提高结构抗震刚度和适应地基变形能力，我们在底板上浇筑20cm钢筋混凝土面层，增加闸墩厚度至1.0m，并将新浇的底板与闸墩连成整体，以提高结构刚度。

三维线弹性动力计算成果表明：加强底板与闸墩连接后，地震反应顺水流向第一振型周期由分离式的0.38s减少为0.21s，相应启闭机房变位由4.2cm减少为1.1cm，地基最大沉降由原0.22cm減少为0.15cm，改善了地基应力，减少地基变形，提高了结构适应地基变形能力。这种处理办法是否能作为抗震规范中有关强震区分离式水闸规定的一种补充。

9 上部结构的地震反应及加固措施

实践证明：上部结构的地震反应明显大干下部，上部结构震害也明显重于下部。为了提高结构整体抗震性能，特别是提高垂直水流向结构刚度，常用的办法是：减少上部启闭机房结构自重，改砖混结构为轻钢结构，改简支的板梁结构为刚接的结构。

天南维其克新泄洪冲砂闸的计算成果表明，在垂直水流方向地震力作用下，把上部简支的结构改变为刚接后，启闭机房顶变位由4.3cm减少为1.9cm，相应闸墩拉应力围范和应力值大幅减少，启闭机房不再会散落，抗震效果是明显的。这种把上部简支结构改为刚接的措施，是否具有普遍意义？

10 可液化土基的处理

新疆喀什地区引水枢纽大都建在砂砾石、砂土及其他土基上，有相当部分地基为可液化的粉细砂或壤土，地震后地表开裂、冒水冒砂，闸基或挡土墙或翼墙倾倒、倒塌、闸室发生较大变形、出现较多裂缝……

为防止土基地震液化，往往首先通过对各地层形成年代、颗粒组成、级配、饱和度、剪切波速、液性指数、相对密实度、标准贯入击数等初判和复判，评判地层是否为可液化地层，当确定15m范围内地基为可液化土时，常采用换土、振动压实、围封、碎石桩、灌注桩等法处理。

1988年修建的布哈拉水闸，对可液化土曾采用定喷围封法进行处理，围封深度7m，基本达到不可液化土层。虽然围封不能防止砂土液化，仅阻止沙土流动，但自1996年以来多次地震，实际地震烈度达到设防烈度8度，闸室周围曾发生冒水冒沙现象，闸室上部遭严重破坏，被围封的闸基虽有些不均匀沉降，但整个闸基未发生液化现象，闸室总体稳定，可见围封是一种有效抗震措施。

碎石桩也是一种抗液化处理办法，由于振动水冲碎石桩可提高砂层密度，提高地基承载能力，地震中可以有利于地下水排出，常为工程所采用，但实践证明，该方法理论及计算尚不完全成熟，且随时间的加长，其排水和抗液化作用将减弱，后期地震破坏仍然明显。例如岷江上游金汤河最后一个梯级金康电站，8度地震区，20m高闸坝建于90m含砾砂层砂壤土覆盖层上，为防地震液化，闸室地其采用振冲碎石桩处理，2006年蓄水，闸基扬压力和闸室垂直变位变化无规律，但各闸室均向下游位移，最大变位50mm，年变位速率10mm/a，闸室多处发生贯穿性裂缝……原因何在？该如何评价振冲碎石桩防砂土地震液化效果？

把灌注桩打入非液化土层，且留有足够承力深度，该结构受力明确，效果明显，但唐山地震证明，由干砂土液化流动，底板与桩顶间会发生渗流破坏，需要在其逸出点加强反滤保护。

实践证明对于埋深较浅的可液化土基，可以采取挖除换填法处理，对于表层可液化土基可以采用强夯法处理……正如抗震规范指出那样，上述这些处理方法是有效的，但有的抗液化机理是明确的，有些并不一定十分明确，在结构抗震的计算中，如何来模拟抗液化作用，又如何评价其抗液化效果？

11 地震中闸门破坏

2008年汶川地震中映秀湾闸首距震中5.4km，场地地震烈度11度，震后次生灾害严重，闸室上部结构破坏严重，但各闸间沉陷不明显，扬压力变化不大，闸坝整体稳定，可是2#和4#泄洪冲砂闸的弧形工作闸门支臂有较明显扭曲变形，闸门底缘钢板明显变形……

鱼子溪闸首距汶川震中约8.8km，场地地震烈度10度，震后闸室上部结构震坏或被巨石砸坏，闸室整体稳定，但1#2#3#泄洪闸弧形闸门支臂与支铰连接处的螺栓全部拉断，支臂与支铰全部断开，闸门的钢丝绳全部拉断，三扇闸门分别被冲至下游，相应启闭机机架均有构件弯折、牛腿附近闸墩混凝土开裂……

震后对鱼子溪闸门进行强度复核，结果表明：在8度设防烈度下，泄洪闸支承梁应力较小，支铰应力低于材料允许应力，支承梁和支铰是安全的，这似乎解释了鱼子溪闸门连接螺栓在超标准地震作用下断裂的原因，但对比映秀湾更强的地震反应下闸门仅发生支臂变形，我们又应该吸取什么教训呢？相应闸门抗震设计又该注意什么问题？