高鐵通過某鐵路沿線附近人工湖的穩(wěn)定性分析

陳 彬，姜 姍，崔頻捷，周清勇

(1.江西省安瀾工程咨詢有限公司，南昌 330001； 2.江西省水投建設(shè)有限公司，南昌 330006； 3.江西省水泰工程檢測(cè)有限公司，南昌 330001； 4.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

大壩運(yùn)行管理中，最重要的工作就是保證大壩結(jié)構(gòu)安全，土石壩則分析其滲流穩(wěn)定和位移變形等[1-4]，特別是水庫大壩及人工湖工程在其初期蓄水時(shí)的結(jié)構(gòu)安全[5-6]，并且應(yīng)考慮水庫附近是否會(huì)受到其他建筑物的影響。若在水庫附近建設(shè)高速鐵路，建成后高鐵的運(yùn)行可能會(huì)對(duì)水庫建筑物產(chǎn)生一定的影響。所以，本文考慮高鐵通過鐵路路基時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)是否會(huì)影響水庫的結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

某人工湖大壩位于滬昆高速K948+500路外50 m內(nèi)，其正常蓄水位141.00 m，壩頂高程145.72 m，總庫容15.9×104m3，屬小(Ⅱ)型水庫。人工湖大壩分兩期填筑完成，在先期堰塘圍埂的基礎(chǔ)上填筑達(dá)現(xiàn)狀規(guī)模，原為相鄰的2座水塘聯(lián)通合并而成的。湖堤迎水坡正常蓄水位以下采用混凝土板護(hù)坡，其余堤坡未護(hù)坡，堤坡普遍較陡，背水坡未護(hù)坡，坡腳無反濾排水棱體等排水設(shè)施?？紤]人工湖大壩和附近鐵路路基的安全狀況，因人工湖大壩臨近滬昆高鐵南側(cè)，高鐵運(yùn)行所產(chǎn)生的震動(dòng)也可能會(huì)對(duì)蓄水后的人工湖大壩產(chǎn)生不利影響。目前，人工湖大壩暫未蓄水。本文基于滲流強(qiáng)度理論，采用有限元計(jì)算方法，分析高鐵通過鐵路路基時(shí)所產(chǎn)生的擬地震烈度及擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率是否對(duì)人工湖大壩的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

2 擬地震烈度分析

人工湖壩體由礫質(zhì)土rQ2和rQ1組成，其滲透系數(shù)分別5.0×10-5和2.0×10-5cm/s，壩基由礫質(zhì)土耕植土dlQ4、粉質(zhì)黏土dlQ4和礫質(zhì)黏土el-dlQ2組成，其滲透系數(shù)分別8.0×10-5、1.0×10-5和3.0×10-5cm/s。人工湖大壩填土及壩基土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 大壩各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

本地區(qū)的區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度等于0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域穩(wěn)定性好。但高鐵通過人工湖附近的鐵路路基時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng)，所以本文假設(shè)地震烈度為7級(jí)進(jìn)行模擬(峰值加速度為0.1 g)，分析是否會(huì)對(duì)人工湖大壩產(chǎn)生不利的穩(wěn)定影響，計(jì)算有無高鐵通過時(shí)大壩壩體穩(wěn)定情況結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 擬7級(jí)地震烈度情況下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

據(jù)有限元計(jì)算可知，在無高鐵通過時(shí)，即正常運(yùn)行時(shí)候4種方法計(jì)算出的安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。分析擬7級(jí)地震烈度情況下所計(jì)算出來的安全系數(shù)，亦均大于規(guī)范允許值。所以，在地震動(dòng)峰值加速度等于0.1 g即7級(jí)地震烈度時(shí)人工湖大壩穩(wěn)定是安全的。

經(jīng)綜合考慮，進(jìn)一步分析7級(jí)地震烈度下的豎向位移變形、水平位移變形、最大總應(yīng)力和最小總應(yīng)力情況，計(jì)算成果見圖1～圖4。

從圖1～圖4分析可知，豎向位移變形量范圍-0.000 58～0.000 33 m，遠(yuǎn)小于壩高的1%；水平位移變形量范圍-0.000 37～0.007 3 m，在上游水壓力的影響有向下游變形的走勢(shì)，位移量極小；最大主應(yīng)力變化范圍-2.035～1.662 Pa，主要集中在壩體壩基接觸位置，變化影響不大。最小主應(yīng)力變化范圍-2.996～1.147 Pa，同樣是集中于壩體壩基接觸位置，變化影響不大。所以，位移變形和應(yīng)力變化，均在允許范圍內(nèi)，進(jìn)一步證明7級(jí)地震烈度情況下人工湖大壩穩(wěn)定是安全的。

圖1 豎向位移變形分布圖

圖2 水平位移變形分布圖

圖3 最大總應(yīng)力分布圖

圖4 最小總應(yīng)力分布圖

3 擬震動(dòng)反應(yīng)譜分析

本文模擬高鐵通過人工湖附近路基時(shí)釋放出的軌道共振所產(chǎn)生震動(dòng)反應(yīng)譜，選取釋放出入時(shí)間為10 s，參考相關(guān)資料，選取常見的震動(dòng)反應(yīng)譜進(jìn)行有限元分析。震動(dòng)反應(yīng)譜頻率分布見圖5，峰值加速度為53.5 g，峰值時(shí)間為2.8 s，并進(jìn)行峰值修正，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖5 擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率分布圖

運(yùn)行狀況瑞典圓弧法畢肖普法Janbu法M-P法安全系數(shù)允許值無高鐵通過(正常運(yùn)用)1.3981.4981.4131.4931.25擬震動(dòng)反應(yīng)譜(非常運(yùn)用)1.1771.2181.2191.2151.10

據(jù)有限元計(jì)算可知，擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率情況下所計(jì)算的大壩安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，即擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率情況下人工湖大壩穩(wěn)定是安全的。進(jìn)一步計(jì)算出擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率情況下豎向位移變形、水平位移變形、最大總應(yīng)力和最小總應(yīng)力成果，計(jì)算成果見圖6～圖9。

圖6 豎向位移變形分布圖

圖7 水平位移變形分布圖

圖8 最大總應(yīng)力分布圖

圖9 最小總應(yīng)力分布圖

從圖6～圖9分析可知，豎向位移變形量范圍-0.228 8～0.259 m，小于壩高的1%；水平位移變形量范圍-0.530 9～0.370 9 m，大壩上游面壩體位移變形量大于下游面壩體，位移變形量很?。蛔畲笾鲬?yīng)力變化范圍-2.035～1.662 Pa，最小主應(yīng)力變化范圍-2.996～1.147 Pa，應(yīng)力變形與擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率有相似規(guī)律，變形影響均不大。所以，位移變形和應(yīng)力變化均在允許范圍內(nèi)，擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率情況下人工湖大壩穩(wěn)定亦是安全的。

4 結(jié) 論

通過對(duì)高鐵鐵路沿線附近某人工湖大壩的穩(wěn)定分析，結(jié)合滲流強(qiáng)度理論，采用有限單元算法，探討高鐵通過人工湖附近路基時(shí)所產(chǎn)生擬地震烈度及擬震動(dòng)反應(yīng)譜對(duì)人工湖的影響，結(jié)論如下：

1) 擬7級(jí)地震烈度情況下所計(jì)算出來的安全系數(shù)，大于規(guī)范允許值，位移變形和應(yīng)力變化亦均在允許范圍內(nèi)，人工湖大壩在擬7級(jí)地震烈度情況下的壩體穩(wěn)定是安全的。

2) 擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率情況下安全系數(shù)、位移變形和應(yīng)力變化等均在允許范圍內(nèi)，人工湖大壩在擬震動(dòng)反應(yīng)譜下的壩體穩(wěn)定是安全的。

3) 人工湖和鐵路路基之間的運(yùn)行狀況，在實(shí)際運(yùn)行情況下，并未能達(dá)到擬震動(dòng)反應(yīng)譜頻率較為危險(xiǎn)的狀況，上述計(jì)算較為保守，人工湖可正常蓄水。本文分析對(duì)其他工程遇到類似問題具有一定參考價(jià)值。