紫坪铺大坝汶川地震震害分析及高土石坝抗震减灾研究设想

紫坪铺面板堆石坝作为"5.12"汶川大地震强震区高土石坝的典型,重点总结了其主要震害,包括坝体地震永久变形,面板的脱空与垂直缝挤压破坏和施工缝错台,下游坝坡局部震损,防浪墙等坝顶结构震损,渗漏量变化等;并针对本次汶川地震土石坝震害的特点,提出进一步开展有关高土石坝抗震减灾设计研究的一些设想,包括土石坝震害及地震资料的调研与获取,高土石坝动力破损特征与地震灾害机理研究,高土石坝地震安全评价与震害评估方法研究,以及高土石坝抗震加固及应急处置措施研究等.     

复杂地震背景下新疆高土石坝抗震设计与应用实践

汶川地震后,国家颁布了新的地震动参数区划图和水电工程抗震设计相关规范。因此,针对新疆山区水库坝址区抗震设计烈度高、地质条件复杂的问题,为了更好的进行新的地震动参数区划、水电相关规范规定下高震区高土石坝的抗震设计和适应新颁地震区划条件下水电规范对老坝抗震复核的要求,结合近年来新疆高土石坝工程实践及国内外土石坝筑坝先进技术和经验,从高地震区动参数选取、坝体结构型式与坝料分区、防渗体结构、坝体压实与沉降变形控制、大坝抗震措施等方面对新疆高土石坝抗震设计和应用实践现状进行了系统总结,提出复杂地震背景下新疆高土石坝建设应遵循"稳、控、防、排"4字抗震设计理念进行抗震措施设计,并对新的地震动参数区划条件、新规程和规范要求下新疆高土石坝抗震安全评价及老坝抗震复核等工作中存在的问题进行了探讨,给出了相应的建议。对新疆土石坝抗震设计和应用实践的总结以及对新的条件和要求下新疆高土石坝抗震安全面临的问题的探讨和建议可为类似环境条件下的坝工建设提供技术借鉴。     

复合土工膜心墙与斜墙高土石坝应力应变研究

高土石坝在静力情况下的应力、变形特性和抗水力劈裂性能一直是高土石坝设计和施工的关键问题。为了研究复合土工膜高土石坝的应力应变特性,以一座坝高127.5 m的复合土工膜高土石坝为例,基于有限元计算方法,采用邓肯张E-B模型,分析和计算竣工期及渗流稳定期复合土工膜高土石坝坝壳料堆石体应力和应变、坝壳料堆石体变形以及大坝渗流量,得出复合土工膜心墙式和斜墙式高土石坝的应力变形特性,并对是否发生水力劈裂进行判断。算例表明复合土工膜对降低坝体浸润线,减小坝体孔隙水压力均有显著作用,堆石体的应力应变有了一定的改善,且不会发生水力劈裂等不利问题。     

高土石坝粘土心墙和复合土工膜防渗性能研究

高土石坝在静力情况下的应力、变形特性和防渗性能一直是高土石坝设计和施工的关键问题。以一座高为127.5 m的高土石坝为例,通过室内试验和三轴试验测得坝体材料的物理性质指标和邓肯张E-B模型参数,采用有限元计算方法,计算竣工期和渗流稳定期复合土工膜高土石坝坝体应力、应变和变形以及大坝渗流量,并和粘土心墙防渗计算结构进行对比,并对复合土工膜心墙是否发生水力劈裂进行判断。结果表明:由于堆石体材料的流变性,引起了坝体的竖向位移和水平位移。复合土工膜心墙与粘土心墙相比,复合土工膜对降低坝体浸润线、减小坝体孔隙水压力均有显著作用,减小幅度在50%左右,且复合土工膜不会发生水力劈裂等不利问题。     

高土石坝试验技术与安全评价理论及应用

我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着严峻的技术挑战。简要介绍了近年来有关坝体粗颗粒料试验技术、坝基覆盖层原位测试技术、高土石坝离心机振动台模型试验技术、高土石坝溃坝离心模型试验技术、高土石坝安全评价以及灾害预测理论等领域的研究成果及推广应用情况。研发了高土石坝粗粒料力学性质试验设备,在深入揭示复杂荷载和变化环境下粗粒料力学性质演化规律及其对高土石坝变形影响机制的基础上,构建了粗粒料本构理论体系;研发了深厚覆盖层力学性质测试技术与分析方法,破解了多年来无法准确测定具有显著结构性深厚砂砾石覆盖层力学性质的技术难题;创建了高土石坝地震破坏灾变与溃坝试验技术与分析方法,用物理模型试验定量预测高土石坝地震残余变形及其发展规律;提出了高土石坝地震安全评价标准和极限抗震能力计算方法。研究成果已成功应用于紫坪铺、水布垭、吉林台、长河坝、糯扎渡、如美、大石峡、阿尔塔什以及马来西亚巴贡水电站等一批高土石坝工程,部分成果纳入相关设计规范与国家和行业标准。     

土工抗震60年研究进展与展望

本文论述了土工抗震学科的创立、发展和创新历程,并对汶川地震后土工抗震研究的新进展和主要成果进行了论述和总结,在此基础上对土工抗震学科今后的研究重点进行了展望。自汪闻韶院士1958年在中国水利水电科学研究院创立我国第一个土动力学试验室、开创我国土动力学和土工抗震学科以来,土工抗震学科在土体动力特性测试技术、土的液化机理及判别方法、土工振动台动力模型试验、土体真非线性动力本构模型、土石坝及地基抗震安全评价方法、室内外试验联合确定土体动力特性参数、土石坝及地基抗震设计理论(思想)和原则等方面取得了创新性和开创性的进展,奠定了我国土动力学和土工抗震研究的理论基础和领先地位。2008年汶川地震后,围绕高土石坝抗震的新需求,在高土石坝极限抗震能力分析方法、高土石坝地震破坏模式、高土石坝抗震减灾工程措施等方面取得了一系列新进展,逐步建立了室内试验和现场试验相结合、原型震害-数值模拟-物理模拟相结合、变形分析和稳定分析相结合、整体稳定分析和局部稳定分析相结合的高土石坝抗震安全评价体系。未来迫切需要开展复杂深厚覆盖层上高土石坝抗震关键技术,特高土石坝地震灾变行为与安全控制,基于性能的高土石坝抗震安全评价及灾害控制,水库大坝抗震监测预警、应急处置等方面的研究。     

“5.12”地震中小型水库震损机理分析研究

5.12汶川地震造成主震区江油市境内187座水库的坝体、溢洪道、输水管、管理房等水利设施不同程度的损毁,不仅无法实现水利功能,而且面临洪水威胁。在分析主震区水利工程地震损毁特点的基础上,结合小型水库土石坝的设计原理和工程特点,阐述了土石坝震害产生的原因,并提出了地震灾区主要水利设施安全度汛的应急措施和除险加固对策。     

高土石坝地震永久变形研究评述

在强震荷载作用下,土体将产生不可恢复的瞬时滑移变形或整体永久变形。永久变形的发展严重危及高土石坝的安全和正常使用,如何预测土体地震后的永久变形成为高土石坝抗震性能安全评价中一个重要的方面。围绕西部大开发和南水北调战略的需要,对高土石坝抗震性能安全评价研究的现实意义和研究现状进行了论述,综述了目前国内外有关高土石坝地震永久变形的分析方法,对今后高土石坝抗震性能安全评价的研究方向提出了一些建议。     

基于实际震害的土石坝永久变形估算

土石坝地震震害主要表现为震后永久变形,利用永久变形来评价大坝的抗震稳定与安全更为合理可行。本文结合30余座土石坝的震害资料,研究了土石坝的自振周期等基本自振特性,同时对场地地震卓越周期、滑块屈服加速度与大坝最大加速度反应等主要影响因素进行了深入分析,提出了基于土石坝实际震害的永久变形计算公式,并与Makdisi、Sarma等方法的计算值进行比较,该方法具有较好的计算精度。     

高面板坝土工格栅加固机制及抗震加固效果分析

现有土石坝震害调查、模型试验以及动力反应分析等研究结果表明,靠近坝顶区的上部坝坡是土石坝抗震的薄弱部位。目前强震区高土石坝抗震设计多采用土工格栅来加固上部坝坡,以提高坝顶区抗震稳定性,如何合理评价土工格栅的加固效果是国内外学者关注的焦点。本文在系统总结土工格栅加固机理的基础上,基于准黏聚力加固机理和等效复合体计算模型模拟土工格栅加固作用,从坝坡抗震稳定、坝体地震永久变形和面板防渗体系安全等方面对土工格栅加固高面板坝的加固机制及抗震加固效果进行了综合分析评价。结果表明：(1)格栅和堆石料的相互作用使得堆石料具有了一定的整体性,其刚度和强度均有一定程度的提高;(2)格栅加固可以限制堆石体侧向移动,提高坝坡整体性和稳定性,减少坝体地震永久变形,从而改善面板应力分布和减少面板接缝位移,提高防渗系统的安全性;(3)土工格栅对高面板坝具有综合的加固效果,需要采用综合性评价方法进行总体评价。     

土石坝地震变形和滑坡及液化非线性分析

本文提出了土石坝地震响应新算法和地震破坏新指数，它能直接计算地震永久变形，并采用有效应力强度指标和地震永久变形估计地震滑坡．最后计算了土层和土石坝的地震响应和地震破坏．     

沥青混凝土心墙堆石坝地震变形评价方法及其可靠度分析

沥青混凝土心墙堆石坝可就地取材,工程造价低,在我国西部强震区被广泛应用。因其工作条件复杂,且筑坝材料具有非线性特性,故其地震安全评价问题一直受到工程界的关注。因此开展地震作用下沥青混凝土心墙堆石坝的可靠度分析具有理论意义和工程应用价值。本文以坝体裂缝作为坝体地震变形破坏的判断依据,将坝体地震变形倾度作为地震安全的控制指标,建立了基于倾度法和中心点法的沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法。以某98 m高的沥青混凝土心墙堆石坝为例,进行了地震变形的可靠度分析。结果表明:基于本文沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法,获得的大坝设计基准期内的年计地震变形失效概率py=2.156×10~(-6),对应的可靠指标β=4.6,满足规范要求;采用倾度法和中心点法相结合,可以考虑坝体材料分区的影响,获得较为准确的土石坝地震变形失效概率结果,对土石坝具有普遍适用性。本文提出的土石坝坝体地震变形可靠度分析方法,可为沥青混凝土心墙堆石坝抗震设计、地震风险分析以及风险等级的建立提供依据。     

土石坝非线性动力反应分析

本文介绍一种新的土石坝非线性动力反应分析法，有限元计算程序和土层以及散料体地基混凝土防渗墙上土石坝地震响应的计算结果。     

东圳水库大坝三维动力反应分析

针对东圳水库过去设计时没有进行过具体的抗震验算。在土石坝除险加固设计时,利用FLAC3D计算机数值模拟手段对坝体动剪应力、坝体永久变形、坝顶加速度、液化敏感性等进行三维动力反应分析,评价大坝的地震安全性和抗震性能。结果：东圳水库大坝在抗震设防烈度7度情况下其抗震稳定性良好。     

纳子峡面板砂砾石坝地震永久变形有限元分析

针对纳子峡面板砂砾石坝实际情况,采用三维非线性动力有限元法,建立了大坝的三维有限元模型,计算了大坝在设计地震作用下的地震响应。根据面板坝土石料的三轴试验结果,选用坝料的残余应变模式,建立了同时计入残余体应变和残余剪应变的面板砂砾石坝地震永久变形计算模式,应用应变势概念及其相应的整体变形计算方法,计算预测了纳子峡面板坝的地震永久变形,分析了坝体地震永久变形的量值和分布规律。结果表明,大坝在7.5度地震作用下具有较好的抗震能力,其永久变形能够满足工程需要。     

考虑坝体-地基接触效应的特高心墙堆石坝结构安全性研究

传统的土石坝结构计算分析中通常忽略坝体与基岩之间的摩擦滑动变形, 这与实际情况不符,坝体-地基接触摩擦效应对于修建在狭窄陡峻河谷区的特高坝表现尤为明显。采用三维有限元方法对修建在狭窄河谷区特高心墙堆石坝结构安全性进行了研究,研究中考虑了坝体-地基摩擦接触效应,模拟了水库蓄水、坝料湿化、流变等多因素共同作用下坝体结构力学行为以及坝体-地基接触位移演化过程。基于倾度法对坝体运行过程中可能的裂缝扩展区域进行了预测。研究得出:对于狭窄河谷上特高土石坝,坝体与地基的相对滑移较大,计算中应予以考虑。研究结论可为峡谷区特高心墙堆石坝设计提供技术依据。     

阻尼矩阵建模方式对高土坝地震反应计算的影响

为研究阻尼矩阵对地震反应的影响,通过理论分析讨论高土石坝地震反应中常用阻尼模型的特点和适用范围。建立有限元模型,基于不同阻尼矩阵建模方式计算高土坝在不同地震波激励下的地震反应,并和频域内计算结果进行比较分析。结果表明：以坝体基频构建的阻尼模型,将低估坝体加速度反应,而且随着坝高增加,误差明显增大,对位移反应影响较小;综合考虑地震波频谱特性构建阻尼矩阵进行地震反应分析计算可能会达到更好的计算精度。     

单元类型选择对土石坝应力变形计算结果的影响

为准确对比分析土石坝有限元计算时不同单元类型的选择对土石坝应力变形计算结果的影响,利用UMAT子程序,在ABAQUS中开发了邓肯-张E-ν模型。对某心墙堆石坝分别采用8结点等参单元和20结点等参单元进行了有限元计算,并分析两种单元类型的计算结果。结果表明,采用8结点等参单元和20结点等参单元计算得到的坝体沉降和防渗墙应力差异较小。8结点等参单元可有效地用于类似工程的应力变形的有限元分析中。     

土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究

我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50%以上,因此,开展土石坝漫顶溃决机理和溃口发展过程研究,正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要.本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃坝试验结果,研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程,在此基础上提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃口发展过程的数值模型.该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃口纵横向的连续冲蚀;采用溃口边坡稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的间歇性横向扩展;通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌所引起的溃口增大现象;通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响.最后利用该模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线,模拟结果与实测资料基本一致,从而证实了该模型的合理性.     

基于模糊理论的土石坝风险综合评价方法研究

开展土石坝风险研究不仅能为大坝除险加固前期工作提供决策依据,而且可以通过比较加固前后大坝风险值,达到检验除险加固效果的目的.选取了与土石坝风险相关的八个指标:防洪能力、变形性状、渗流态势、生命损失、经济损失、社会环境影响、基础设施水平、管理水平,来构建土石坝风险综合评价指标体系;借鉴模糊数学的理论,建立了综合评价模型;...