土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

基于地震变形易损性的高土石坝抗震安全分析

基于性能的地震易损性分析可有效估计地震作用下结构损害,是抗震安全评估的重要方法之一。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值为性能参数,通过考虑坝址区域地震情况确定输入地震动数量,并提出采用性能参数突变点确定性能水平。首先,根据糯扎渡高土石坝坝址区域地震情况合理确定输入地震动数量,并采用改进PZC弹塑性模型和动力固结有限元程序SWANDYNE II进行高土石坝动力分析。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值作为性能参数,通过对60条地震动的动力分析,确定性能水平。然后采用弹塑性模型-非线性方法进行动力分析,结合MSA方法得到各性能参数地震易损性曲线。通过分析性能参数平均值和标准差的变异系数与地震动数量的关系,确定地震动数量超过30条时,性能参数的平均值和标准差的变异系数基本不发生波动。最后,以地震易损性和地震危险性曲线确定糯扎渡高土石坝的抗震安全性,成果可为高土石坝抗震性能研究提供依据。     

高土石坝变形破坏过程预测理论和防控技术创新

中国是世界上高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和恶劣服役环境下高土石坝建设和长期安全保障面临严峻技术挑战。介绍了“十三五”国家重点研发计划项目“复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术”的主要成果：揭示了粗粒土颗粒破碎对高土石坝变形的影响机制、粗粒土加载变形和流变变形服从不同流动准则的规律,以及坝基深厚覆盖层原位结构损伤演化规律,建立了精准预测高土石坝坝体和坝基变形发展过程和分布规律的本构理论;基于计算接触力学理论建立了模拟高土石坝不同材料界面复杂接触问题的非线性数值计算方法和模拟高土石坝三维裂缝萌生—扩展全过程的数值计算方法;发展了实用的非饱和土固结理论,实现了高心墙坝全生命期变形与渗流耦合过程的精细模拟;建立了高面板坝面板太阳热辐射温度应力场和结构破损过程模拟计算方法;研发了适用于高土石坝填筑、蓄水、运行等全过程模拟的高性能软件平台;针对特高土石坝建设和运行过程中常见病害,提出了相应的特高土石坝变形破坏防控技术。     

反应谱衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响

标准反应谱曲线下降段系数γ是水工建筑物地震响应至关重要的参数。针对高土石坝的标准反应谱衰减系数γ的取值问题,采用三维有限元分析方法,以美国开展的"下一代的地震衰减关系(NGA)"研究中Abrahamson-Silva 2007衰减关系为参考依据,定量分析标准反应谱下降段衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响,并探讨适合高土石坝的衰减系数取值。结果表明:对于高度超过200 m土石坝,其规范化的标准反应谱下降段的衰减系数γ取0.7比0.9更为合适。     

基于地震变形易损性的高土石坝抗震安全分析

基于性能的地震易损性分析可有效估计地震作用下结构损害,是抗震安全评估的重要方法之一。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值为性能参数,通过考虑坝址区域地震情况确定输入地震动数量,并提出采用性能参数突变点确定性能水平。首先,根据糯扎渡高土石坝坝址区域地震情况合理确定输入地震动数量,并采用改进PZC弹塑性模型和动力固结有限元程序SWANDYNE Ⅱ进行高土石坝动力分析。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值作为性能参数,通过对60条地震动的动力分析,确定性能水平。然后采用弹塑性模型–非线性方法进行动力分析,结合MSA方法得到各性能参数地震易损性曲线。通过分析性能参数平均值和标准差的变异系数与地震动数量的关系,确定地震动数量超过30条时,性能参数的平均值和标准差的变异系数基本不发生波动。最后,以地震易损性和地震危险性曲线确定糯扎渡高土石坝的抗震安全性,成果可为高土石坝抗震性能研究提供依据。     

高土石坝地震安全控制标准与极限抗震能力研究

基于土石坝震害调查和原型观测资料分析，针对高土石坝的坝坡稳定、坝体地震永久变形以及混凝土面板接缝位移3个影响高土石坝安全的主要因素，初步建议了相应的地震安全控制标准，并应用于高心墙堆石坝和面板堆石坝的极限抗震能力计算分析。结果表明：按规范设计的高土石坝具有较强的抗震能力，其极限抗震能力在0.50g以上，可抵抗9度以上地震而不致于出现灾难性后果；高土石坝的极限抗震能力与相应的地震安全控制标准密切相关，按照本文建议的标准，高心墙堆石坝坝坡稳定是其极限抗震能力的控制因素，高面板堆石坝面板周边缝安全是其极限抗震能力的控制因素。     

基于变形控制标准的高土石坝地震可靠度分析

基于可靠度分析的设计方法是科学定量地研究和保证岩土工程安全性的重要手段之一。通过定量考察土石坝工程中的不确定性因素,综合评估地震失效概率,可为高土石坝抗震设计和风险评估提供参考。以坝顶震陷率作为地震安全控制指标,提出了同时考虑地震和筑坝料参数不确定性的高土石坝地震可靠度分析方法。首先,采用地震烈度作为地震危险性的宏观衡量尺度,通过引入地震烈度概率模型,将基于概率烈度的地震动峰值作为地震强度因子,调整规范谱人工地震波的幅值进行动力有限元计算。然后,采用适用于处理小样本和非线性问题的高斯过程响应面法,建立筑坝料参数与坝顶震陷率之间的非线性映射关系,结合蒙特卡罗法计算高土石坝地震失效概率。最后,以紫坪铺面板堆石坝为例,应用该方法考察了设计基准期内的地震失效概率。     

高土石坝地震反应和破坏机理分析

应用动力弹塑性分析方法对高土石坝的地震反应特性和破坏机理进行了系统研究。通过研究地震动作用下坝体的剪应变、永久位移以及网格变形的变化规律,并与振动台模型试验的结果进行对比,说明了坝体上部1/5范围内变形较大,竖向地震动对坝坡稳定性影响明显,验证了FLAC程序模拟高土石坝地震反应的合理性;同时分析了坝高、坝坡和地震动峰值参数变化对大坝破坏形态的影响,研究结果为大坝的设计、安全评价和抗震措施研究提供理论基础。     

基于汶川地震震害经验的土石坝抗震设计规范修编

基于汶川等地震震害、地震响应、震害机理、安全评价等方面的研究成果,主要从4个方面论述了《水工建筑物抗震设计规范》修编中有关地基和土石坝抗震设计的进展。1抗震设防标准及基本原则:调整了抗震设计标准和设计地震的确定方法;对特别重要工程按最大可信地震校核不发生库水失控下泄灾变安全裕度;一定情况下设计地震反应谱的确定需要考虑地震近场效应、上盘效应及频谱不平稳性等;对抗震甲类工程抗震设计需制定防震减灾应急预案;规定了土石坝地震反应谱,取加速度最大反应谱值max?=1.60,对应的阻尼比为20%。2场地与地基:调整了工程建设场地分类方法,场地土类型由4类调整为5类,场地类别划分更为详细;对标贯击数判别液化方法中的液化临界标贯击数计算公式进行了调整,并修订了考虑上覆有效应力影响的标贯击数校正公式。3土石坝抗震计算与安全评价:扩充了抗震计算的内容要求,规定抗震计算包括抗震稳定计算、永久变形计算、防渗体安全评价和液化可能性判别等内容;扩大了要求采用动力法进行地震作用效应分析和安全性评价的范围,规定对设计烈度Ⅶ度且坝高150 m以上,设计烈度Ⅷ、Ⅸ度且坝高70 m以上,地基中存在可液化土层等3种情况,应同时进行基于有限元法的动力分析,对覆盖层厚度超过40 m的土石坝宜进行动力分析;补充了对土石坝地震作用效应进行动力分析的原则要求,包括本构模型选取、计算参数确定、残余变形计算、稳定分析要求等;补充规定了根据动力法成果对土石坝的抗震安全性进行综合评价的原则要求。4面板堆石坝抗震工程措施:主要根据紫坪铺大坝设计、建设及震害经验,增加了针对面板堆石坝的抗震工程措施,包括坝体地震变形控制、坝顶及其附近坝坡防护、面板及垂直缝抗挤压、水平施工缝抗错台及接缝细部构造设计等。     

基于设定地震场地相关反应谱的高土石坝抗震安全评价

结合最新颁布的《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047—2015)中关于甲类设防重大土石坝工程设计反应谱的规定,重点研究了基于设定地震的场地相关反应谱和一致概率反应谱确定的动参数下高土石坝的动力反应特征。通过240m高长河坝高心墙堆石坝在两种不同反应谱下设计和校核地震动下的计算分析发现一致概率谱得到的坝顶动力响应加速度、动位移、永久变形、坝坡安全系数和塑性滑移等关键安全评价指标均高于场地相关反应谱的结果,进而探讨了两种反应谱对长河坝高土石坝工程极限抗震能力的影响,计算结果表明采用基于设定地震的场地相关反应谱得到的坝体的极限抗震能力明显高于一致概率谱,采用一致概率谱得到的地震动参数进行长河坝抗震设计和抗震加固措施研究易得到较保守的结果。