地震动水压力的计算及在GEO5中的使用

       在对支挡结构进行地震工况的分析时，不仅要考虑地震对结构自身的影响以及地震土压力的影响，如果环境中有地下水或地表水，还需要考虑地震动水压力的影响。本文参考国内各行业规范及国际通用方法，对地震动水压力的计算及在GEO5软件中的使用进行说明。

1. 国际通用方法

       根据物部-冈部（Mononobe-Okabe）或者 Arango提出的方法，地震动水压力呈抛物线分布，简化为梯形分布后，作用在结构后面的动水压力合力可以表示为：

其中： 

合力作用点位置距离墙踵的距离为0.4H。

2. 国内规范方法

       国内地震动水压力的计算根据不同行业规范略有差异，但总体上与国际通用方法相匹配。以下分别论述。

2.1 《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）

（1）拟静力法

       根据规范7.1.12节的论述，当采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时，水深h处的地震动水压力可表示为：

其中：

Pw(h)--   作用在直立迎水坝面水深h处的地震动水压力代表值

-- 水平向设计地震加速度代表值

 --  地震作用的效应折减系数,动力法计算地震作用效应时取为1.00；拟静力法计算地震作用效应时取为0.25

--   水深h处的地震动水压力分布系数，应按表7.1.12的规定取值

--   水体质量密度标准值

H₀--  水深

       那么单位宽度坝面的总地震动水压力可以表示为

合力作用点在水下0.54H₀处。

       这个合力的计算实际上是将表格7.1.12的分布系数在总深度或总墙高范围内进行积分计算的结果，类似如下分析，感兴趣的工程师可以自行作图计算。

（2）动力法

       根据规范7.1.14的论述，采用动力法时，水深h处的水平向地震动水压力按下式计算

       规范中没有提总的动水压力，但将上式在总深度H₀范围内积分得到

       可以看出采用动力法计算得到的总动水压力跟国际通用方法是一致的。

       此外，规范《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047-2015）跟上述国标要求一致。

2.2 《水运工程抗震设计规范》（JTS146-2012）

       根据规范5.4节的论述，作用在直墙式建筑物上的地震动水压力强度、总动水压力可以分别按下式计算：

其中C为综合影响系数，取0.25，η取1。

        跟水工建筑物抗震设计标准中的动力法对比，可以发现水运行业的计算公式除了多了一个综合影响系数，其他都一致。相当于采用水运公式计算，将动水压力进行了折减。

2.3 其他规范

       在《铁路工程抗震设计规范》（50111-2006(2009年版)）以及《公路工程抗震设计规范》中，对地震动水压力也有论述，但只针对桥梁工程，并不适用于常规岩土支挡结构设计，此处不再引用。

3. GEO5中的使用

       在分析设置中，用户可以指定地震荷载分析时采用的规范，对于地震动水压力计算，当选择Mononobe-Okabe、 Arango以及NCMA-SRW美标规范时，动水压力都按本文第一节提到的国际通用方法计算，当选择国内水运规范计算时，软件按照2.2节水运规范的公式计算，当选择水电规范时，软件按照水2.1节中拟静力法的公式计算。选择其他行业规范时，默认参考2.1节水电行业动力法的公式计算。

       另外，在GEO5软件当中，还需要注意两点：

①当墙前有地下水时，软件将计算地震影响下作用在挡墙前面的动水压力；

②当墙后土体渗透性较低时，如果不考虑动水压力的影响，此时在地震荷载界面中的地震动水压力中选择承压水（土体渗透性差），反之选择自由水（土体渗透性好）。