高拱坝抗震设计研究进展

本文概述了高拱坝抗震面临的关键技术问题和国内外的研究动态，简要介绍了近年来我国各有关单位结合小湾、溪洛渡等工程对高拱坝抗震进行攻关研究的目标和思路，以及当前研究的进展。内容包括拱坝体系作为宫续介质的地震反应和坝肩抗稳定方法及其在小湾拱坝工程中的实际应用，拱坝整体和有缝模型的动力试验；拱坝体系作为离散介质的地震及反应和坝肩抗震稳定分析方法；厚淤砂时坝面动压影响；以及拱坝随机震动场作用下的反应分析。     

高拱坝抗震分析和坝肩动力稳定性研究

“九五”国家科技攻关项目（96－221－03－02）根据高洪坝抗震面临的关键技术问题,结合小湾,溪洛渡等工程对高拱坝抗震进行攻关研究。研究内容包括：拱坝体系作为连续介质的地震反应和坝肩抗震稳定分析方法及其在小湾拱坝工程中的实际应用;拱坝整体和有缝模型的动力试验;拱坝体系在作为离散介质的地震反应和坝肩抗震稳定分析方法,厚淤沙对坝面动压影响,拱坝随机地震动场作用下的反应分析等。     

高拱坝的动力非线性分析

强地震时，高拱坝中上部因动力放大效应而成为抗震薄弱部位，各项段间的伸缩横缝难以承受较大的拱向拉应力而开裂，拱坝不能现视为整体结构而作线弹性分析。为此，以三维非线性接缝单元模拟坝体分缝，采用基于动态子结构理论的非线性动力分析方法，分析研究伸缩横缝对高拱坝地震反应的影响。研究表明，强烈地震时伸缩横缝反复张合引起显著的坝体应力重分布，大大减少开裂区附近的拱向拉应力而使坝体中部下游面的梁向拉应力有一定增加     

模拟拱坝坝体－库水相互作用的振动台动力模型试验研究

采用仿真混凝土材料在振动台上进行逐级加载的拱坝坝体－库水相互作用的动力模型试验研 究,分析拱坝从弹性阶段到破坏阶段的动力响应和损伤情况。在不同的地震波激励下,测得拱坝沿不同 高程拱圈和拱冠梁的坝面动水压力分布,拱冠梁处动水压力最大值在坝底至距坝底1／3坝高之间,认为 拱坝动水压力分布与坝体体型、山体形状、地震动强度、地震干扰频率和地震激励方向等因素有关。在 人工波顺河向激励下,通过坝体基频、加速度响应分析确定坝体在0．377ｇ时出现损伤,0．471ｇ时在坝 体两侧靠近坝肩和距右岸1／4拱圈处率先出现贯穿裂缝,确定了坝体抗震薄弱部位,对研究坝体的抗震 安全有重要意义。     

二滩拱坝地震响应的动力模型试验研究

二滩双曲拱坝的动力模型试验在大型模拟地震振动台上进行。研究了在实际地震波作用下,坝体、水库和地基的相互作用影响,坝体抗震安全度,动水压力分布和拱坝在强烈地震下的破坏机理。研究结果表明:1.高拱坝的最大动应力是拱应力,位于上游坝顶中间部位。下游坝顶中间部位和2/3坝高部位以及坝踵是抗震薄弱部位。2.紧靠拱坝上游面的山体形状对坝面动水压力值的影响较大,故对于坝前地形复杂的水库,应模拟一倍坝高长的自然地形。3.满库时,拱坝前几阶固有频率对库水位的微小变化非常敏感。4.拱坝在强烈地震下的破坏在瞬间完成,主要是中上部的脆性开裂。     

坝基措施对高拱坝抗震性能影响的比较研究

拱坝拟建场址的河谷地形、地质条件通常很复杂，坝基处理对于改善拱坝受力状态具有很重要的作用。针对白鹤滩拱坝采取不同的坝基措施(无垫座和扩大基础、设置坝肩垫座、扩大基础),对比分析了在设计地震动下，拱坝位移、横缝开度以及坝体损伤等响应随着地震动强度增大的变化规律。结果表明，采取扩大基础和垫座对于拱坝地震动抗震性能是有利的，坝肩垫座对拱坝整体地震动响应及损伤破坏的影响不大，扩大基础影响较大。     

有缝拱坝工作状态的试验研究

在重力拱坝设计中，由于枢纽布置，温度控制和施工工艺的需要，往往在坝内设置纵横缝，并埋设冷却灌浆系统，待混凝土冷却至坝区年平均气温时进行接缝灌浆，以提高拱坝的整体性。实践证明，即使完全满足设计要求进行冷却灌浆，纵横缝的灌浆封填效果也是有限的，它仍是拱坝的薄弱面。     

基于向量地震动强度指标的拱坝地震易损性分析

将地震动顺河向分量的一、二阶谱加速度以及地震动横河向、顺河向分量的一阶谱加速度分别作为反映地震动强度的向量指标,建立了以拱冠位移、横缝开度和损伤体积比为性能指标的拱坝地震易损性曲面,以预测拱坝在不同强度水平的地震作用下达到各级破损的概率。以白鹤滩拱坝为研究对象,考虑地震动以及材料的不确定性对拱坝进行增量动力分析,将分析结果取对数后进行二元线性回归,得到概率地震需求模型,然后建立了不同性能指标的拱坝地震易损性曲面,并对基于向量地震动强度指标和基于标量地震动强度指标进行拱坝地震易损性分析的效率进行了比较。研究结果表明:基于向量IM的易损性分析能够显著降低拱坝地震需求预测的离散性,同时基于向量IM比标量IM更加高效,采用基于向量IM的地震易损性曲面对拱坝进行易损性分析能更加准确地评估拱坝的抗震性能。     

非均匀地震输入下的拱坝动力反应

通过对二滩等拱坝的动力反应分析,探讨了影响坝肩地震加速度分布的主要因素和坝肩地震加速度的分布规律,研究了坝肩地震动力放大作用、地震行波效应及坝肩地震自由场运动对拱坝动力反应的影响。     

沙牌碾压混凝土拱坝坝体分缝形式的结构特性研究

在碾压混凝土拱坝设计中，选择合理的坝体分缝结构与分缝位置是有效地控制坝面开裂范围和保证拱坝整体稳定性的关键技术问题。文章结合沙牌水电站碾压混凝土拱坝的实际，运用有限元数值分析方法对拱坝不同分缝结构的坝体应力及缝端开裂特征作了多方案研究，在比较了各分缝方案结构特性差异的基础上，对该坝体的分缝结构和分缝部位提出了建议。     

双曲拱坝地震动力响应分析

基于坝体-地基-库水系统运用三维线弹性有限元方法对双曲砌石拱坝进行了动力分析.比较了不同水位对拱坝自振特性的影响,采用时程分析法计算了双曲砌石拱坝在地震作用下的动应力、动位移及加速度,结果表明:坝水耦合作用提高了坝的整体质量,降低了自振频率;动应力、动位移及加速度的最大值均出现在拱冠顶部,而且当拱坝系统受3个方向地震波共同击振作用时坝体反应最为强烈.     

小湾拱坝诱导底缝的三维有限元分析

根据小湾水电站拱坝虚设结构诱导缝的实际工程要求，采用三维有限元和子模型方法分析研究坝踵处的应力、应变和变形特征，分析研究了设缝对拱坝整体结构的影响。研究结果表明，设缝后拱坝整体刚度略有降低，但对拱坝整体安全性影响很小；诱导缝位于拉应力区，可以起到释放拉应力的作用，可改善坝踵应力状态，综合考虑施工因素，设缝是合适的；蓄水后诱导缝处于张开状态，须确保止水可靠，以防水力劈裂；缝端廊道周边存在拉应力，局部己超过混凝土的抗拉强度，应加强配筋以限制裂缝开展；设缝高程处坝体有效截面减小，抗剪能力略有降低，但不致出现剪切破坏。     

小湾坝址场地对地震动影响的研究

河谷两岸地震地面运动的差异对于建造在深山峡谷、基底延伸很长、各点高差很大的复杂空间结构的高拱坝地震反应和抗震安全有极为重要的影响，可导致两岸坝肩形成抗震薄弱部位。本文采用显式有限元法结合人工透射边界，对小湾河段左岸孤立半岛地形对坝址河谷地震动的影响作了初步分析探讨，半岛地形引起的河谷两岸地震动频谱分量和动位移的差异，在大坝抗震安全性的评估中应予考虑。     

结构缝对高碾压混凝土拱坝地震破坏机理影响的试验研究

为探究结构缝的存在对碾压混凝土拱坝地震破坏机理的影响,在地震模拟系统上进行了拱坝模型动力破坏试验。模型的建立基于弹性力-重力准则,不考虑库水以及坝体-地基相互作用。采用一种新型压电传感器测量模型内部的动态应力,并主动监测模型内部微裂纹的发生和发展过程。横缝的模拟考虑了键槽的影响,诱导缝的模拟基于断裂力学理论。选择模型基频对应的谐波逐级加载来研究拱坝在地震动超载作用下的反应。试验表明,拱坝顶拱的端部与拱冠的破坏均较严重,试验中横缝与诱导缝的先后张开分别释放了拱向端部应力与冠部应力,从而引导了裂纹开裂方向,减轻坝体破坏。通过实际震害与物理模拟的对比验证了试验结果的可靠性,显示本文的物理模拟技术有助于研究结构缝对拱坝地震破坏机理和最终失效模式的影响,可为碾压混凝土拱坝的抗震设计提供科学依据。     

基于复杂地基的切割式横缝碾压混凝土重力坝动力响应分析

巴基斯坦东北部旁遮普省和阿扎德查谟克什米尔地区交界的玛尔水电站大坝为碾压混凝土重力坝,其坝基岩性为不同强度的砂岩以及砂岩与泥岩互层,区域构造及地震地质背景复杂。在进行岩体质量分级的基础上,研究了坝体横缝及坝体-坝基接触缝模拟方法,选取玛尔电站10~#—11~#坝段群为研究对象,运用CZM双线性模型模拟坝体接触缝,计算分析了考虑砂岩泥岩互层地基情况下坝体的动位移和动应力分布状况。结果表明,减小横缝切割深度可以有效降低坝体的动力响应,对坝体应力分布和抗震安全有利;若考虑坝基的砂岩泥岩互层分布,坝踵、坝趾各点的动应力差异显著。     

土耳其德里内尔拱坝在最大可信地震下的动力稳定性分析

本文讨论了位于土耳其东北部克鲁赫河上正在建设中的高250m德里内尔拱坝。该拱坝建基面开挖施工已于2005年完成，大坝混凝土已经开始浇筑，预计将于2010年完成大坝混凝土浇筑。建成后，该坝混凝土总方量为330万m3，将是土耳其最高的拱坝，也是世界上最高的拱坝之一。本文详细讨论了大坝的抗震设计。重现期为10000年的安全评估地震的峰值加速度为0.35g。在该地震作用下，坝体中上部将出现沿水平施工缝的裂缝，带有键槽的灌浆横缝也将张开。于是，大坝顶部由于开裂而形成的混凝土坝块可能向水库方向发生位移，本文研究了该混凝土坝块可能出现的最大位移和转动位移。     

基于非平稳随机地震动场的拱坝随机地震反应分析方法

本文基于空间非均匀地震动输入和拱坝三维动力有限元法，建立了拱坝在非平稳空间随机地震动场激励下的随机振动分析方法．以一实际拱坝为例，计算了非平稳随机地震动场作用下的拱坝随机地震反应，并与平稳随机地震动场的结果进行了比较．     

拱坝坝肩抗震稳定分析

高拱坝坝肩抗震稳定分析是建于地震高烈度区的高拱坝抗震设计的关键课题之一。本文将传统的用于块体稳定分析的刚体极限平衡方法和有限元计算分析相结合，求解拱坝坝肩抗震稳定问题。具体作法是：有限元网格剖分时，尽可能布置有限元节点于拱坝坝肩的可能滑动块体表面。完成有限元静动力分析后，将块体表面各节点的静动应力进行积分，求出块体拱推力、作用于块体上的地震荷载等，然后由刚体极限平衡法求拱坝坝肩抗震稳定安全系数。上述方法的特点是能充分利用有限元和刚体极限平衡两种分析方法的优点，可以提供安全系数时程曲线，安全系数的定义与现行规范一致，易为设计人员所接受。     

新抗震规范要求下高拱坝抗震安全研究

白鹤滩水电站区域构造稳定性较差,2016年的设计地震动参数复核结果表明,场址100年超越概率2％相应基岩水平地震动峰值加速度为451 gal.根据NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》、GB18306-2015《中国地震动参数区划图》以及地震安全评价结果,基于复核后的地震动参数,对高289 m的白鹤滩拱坝抗震安全进行研究,主要内容包括工程场地地震安全性分析、拱坝动力特性和地震反应、坝肩关键块体的整体抗滑稳定性、超载地震作用下拱坝动力反应等.     

紧水滩拱坝动力特性及地震响应研究

通过在大型模拟地震振动台上的结构试验,探讨了紧水滩拱坝空、满库时坝体的动力特性和在7度水平地震作用下坝体的动力响应;同时,进行了有限元计算分析,以便相互验证。另外,对顺河水平与垂直双向地震耦合作用下坝体的动应力变化也进行了探讨。结果表明:该坝的最大动应力是拱向应力,发生在顶拱中间部位;在拱冠坝踵处和下游面2/3～3/4坝高范围内产生较大的梁应力;考虑垂直地震影响后,坝体的动应力与相应水平单向地震时相比,增大率为10%左右。