高铁通过某铁路沿线附近人工湖的稳定性分析

陈 彬，姜 姗，崔频捷，周清勇

(1.江西省安澜工程咨询有限公司，南昌 330001； 2.江西省水投建设有限公司，南昌 330006； 3.江西省水泰工程检测有限公司，南昌 330001； 4.江西省水利科学研究院，南昌 330029)

大坝运行管理中，最重要的工作就是保证大坝结构安全，土石坝则分析其渗流稳定和位移变形等[1-4]，特别是水库大坝及人工湖工程在其初期蓄水时的结构安全[5-6]，并且应考虑水库附近是否会受到其他建筑物的影响。若在水库附近建设高速铁路，建成后高铁的运行可能会对水库建筑物产生一定的影响。所以，本文考虑高铁通过铁路路基时所产生的震动是否会影响水库的结构安全。

1 工程概况

某人工湖大坝位于沪昆高速K948+500路外50 m内，其正常蓄水位141.00 m，坝顶高程145.72 m，总库容15.9×104m3，属小(Ⅱ)型水库。人工湖大坝分两期填筑完成，在先期堰塘围埂的基础上填筑达现状规模，原为相邻的2座水塘联通合并而成的。湖堤迎水坡正常蓄水位以下采用混凝土板护坡，其余堤坡未护坡，堤坡普遍较陡，背水坡未护坡，坡脚无反滤排水棱体等排水设施。考虑人工湖大坝和附近铁路路基的安全状况，因人工湖大坝临近沪昆高铁南侧，高铁运行所产生的震动也可能会对蓄水后的人工湖大坝产生不利影响。目前，人工湖大坝暂未蓄水。本文基于渗流强度理论，采用有限元计算方法，分析高铁通过铁路路基时所产生的拟地震烈度及拟震动反应谱频率是否对人工湖大坝的稳定产生影响。

2 拟地震烈度分析

人工湖坝体由砾质土rQ2和rQ1组成，其渗透系数分别5.0×10-5和2.0×10-5cm/s，坝基由砾质土耕植土dlQ4、粉质黏土dlQ4和砾质黏土el-dlQ2组成，其渗透系数分别8.0×10-5、1.0×10-5和3.0×10-5cm/s。人工湖大坝填土及坝基土层物理力学指标见表1。

表1 大坝各土层物理力学参数指标

本地区的区内地震动峰值加速度等于0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应地震基本烈度为Ⅵ度，区域稳定性好。但高铁通过人工湖附近的铁路路基时会产生一定的震动，所以本文假设地震烈度为7级进行模拟(峰值加速度为0.1 g)，分析是否会对人工湖大坝产生不利的稳定影响，计算有无高铁通过时大坝坝体稳定情况结果对比见表2。

表2 拟7级地震烈度情况下大坝稳定安全系数计算成果表

据有限元计算可知，在无高铁通过时，即正常运行时候4种方法计算出的安全系数均大于规范允许值。分析拟7级地震烈度情况下所计算出来的安全系数，亦均大于规范允许值。所以，在地震动峰值加速度等于0.1 g即7级地震烈度时人工湖大坝稳定是安全的。

经综合考虑，进一步分析7级地震烈度下的竖向位移变形、水平位移变形、最大总应力和最小总应力情况，计算成果见图1～图4。

从图1～图4分析可知，竖向位移变形量范围-0.000 58～0.000 33 m，远小于坝高的1%；水平位移变形量范围-0.000 37～0.007 3 m，在上游水压力的影响有向下游变形的走势，位移量极小；最大主应力变化范围-2.035～1.662 Pa，主要集中在坝体坝基接触位置，变化影响不大。最小主应力变化范围-2.996～1.147 Pa，同样是集中于坝体坝基接触位置，变化影响不大。所以，位移变形和应力变化，均在允许范围内，进一步证明7级地震烈度情况下人工湖大坝稳定是安全的。

图1 竖向位移变形分布图

图2 水平位移变形分布图

图3 最大总应力分布图

图4 最小总应力分布图

3 拟震动反应谱分析

本文模拟高铁通过人工湖附近路基时释放出的轨道共振所产生震动反应谱，选取释放出入时间为10 s，参考相关资料，选取常见的震动反应谱进行有限元分析。震动反应谱频率分布见图5，峰值加速度为53.5 g，峰值时间为2.8 s，并进行峰值修正，计算结果见表3。

图5 拟震动反应谱频率分布图

运行状况瑞典圆弧法毕肖普法Janbu法M-P法安全系数允许值无高铁通过(正常运用)1.3981.4981.4131.4931.25拟震动反应谱(非常运用)1.1771.2181.2191.2151.10

据有限元计算可知，拟震动反应谱频率情况下所计算的大坝安全系数均大于规范允许值，即拟震动反应谱频率情况下人工湖大坝稳定是安全的。进一步计算出拟震动反应谱频率情况下竖向位移变形、水平位移变形、最大总应力和最小总应力成果，计算成果见图6～图9。

图6 竖向位移变形分布图

图7 水平位移变形分布图

图8 最大总应力分布图

图9 最小总应力分布图

从图6～图9分析可知，竖向位移变形量范围-0.228 8～0.259 m，小于坝高的1%；水平位移变形量范围-0.530 9～0.370 9 m，大坝上游面坝体位移变形量大于下游面坝体，位移变形量很小；最大主应力变化范围-2.035～1.662 Pa，最小主应力变化范围-2.996～1.147 Pa，应力变形与拟震动反应谱频率有相似规律，变形影响均不大。所以，位移变形和应力变化均在允许范围内，拟震动反应谱频率情况下人工湖大坝稳定亦是安全的。

4 结 论

通过对高铁铁路沿线附近某人工湖大坝的稳定分析，结合渗流强度理论，采用有限单元算法，探讨高铁通过人工湖附近路基时所产生拟地震烈度及拟震动反应谱对人工湖的影响，结论如下：

1) 拟7级地震烈度情况下所计算出来的安全系数，大于规范允许值，位移变形和应力变化亦均在允许范围内，人工湖大坝在拟7级地震烈度情况下的坝体稳定是安全的。

2) 拟震动反应谱频率情况下安全系数、位移变形和应力变化等均在允许范围内，人工湖大坝在拟震动反应谱下的坝体稳定是安全的。

3) 人工湖和铁路路基之间的运行状况，在实际运行情况下，并未能达到拟震动反应谱频率较为危险的状况，上述计算较为保守，人工湖可正常蓄水。本文分析对其他工程遇到类似问题具有一定参考价值。