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.     

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。     

拱坝—可压缩库水—地基地震波动反应分析方法

本文采用理论数值模型严格模拟可压缩库水与拱坝、地基间的动力相互作用，提出了一种拱坝—可压缩库水—地基系统地震波动反应的时域显式分析方法.针对位于Ⅸ度地震设防区、坝高292m的小湾高拱坝，用本文方法进行了地震动力反应分析，得到如下结论：考虑库水可压缩性将显著降低对小湾拱坝抗震起关键控制作用的部位的动拉应力，降低幅值可达45%，表明附加质量模型过分夸大了小湾拱坝的地震动应力反应，对小湾拱坝的抗震安全评估是不合理的.     

高拱坝地震反应与抗震安全性评价

目前，抗震设计已成为高地震烈度区修建特高拱坝的控制性技术难点。“八五”期间结合我国近期将开发的重点工程──高２９２ｍ的小湾拱坝对抗震设防概率标准及抗震可靠度设计；拱坝坝体－地基－库水动力相互作用分析的现场试验验证；伸缩横缝对高拱坝强震反应的影响；及小湾坝址场地对地震动的影响等问题进行了抗震技术攻关研究。在完成上述基本理论和试验研究的基础上，对小湾拱坝进行了分析，得到了在考虑上述因素后的地震反应，并对小湾拱坝的抗震安全性作出评估。     

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。     

高拱坝抗震性能评价指标研究

随着高海拔、高寒、高烈度地震区水电工程的建设,基于强度的拱坝抗震安全评价标准已无法满足工程实践的需要。本文采用非线性数值分析模型对拱坝进行了地震动IDA(逐步动力增量分析)研究,提出了评价大坝抗震安全性新指标,即:坝体损伤体积比和坝面损伤面积比;结合实际工程分析了地震峰值加速度与坝体位移、坝体损伤体积比和坝面损伤面积比之间的关系。结果表明,相比于已有的拱坝抗震性能评价指标,所提出的坝体损伤体积比和坝面损伤面积比指标,可以更清晰地反映出不同强度地震动作用下的拱坝损伤变化趋势和抗震承载能力,更适合作为评价拱坝抗震性能的指标。     

水工抗震学科国际科学技术发展动态跟踪

结合国内水工结构抗震研究的发展,对近年发表于相关领域的国际期刊杂志的工程抗震研究最新发展进行调研。伴随实际强震、近震地震动记录及震害资料的不断丰富,工程抗震研究也得到了不断深入,近期国内外在工程抗震的关注点主要包括基于性能的抗震设计、设计地震动参数的确定、近断层地震动的脉冲特征、地震动持时对结构地震损伤的影响、增量动力分析、混凝土大坝开裂后的动力稳定、地震动时空非均匀性对拱坝地震响应的影响等方面,本文对上述关注点进行了概括总结。     

强震作用下特高拱坝非线性地震反应分析

研究采用等效一致黏弹性边界单元模拟拱坝无限地基辐射阻尼效应,给出了人工边界节点上等效地震荷载的计算公式,实现了拱坝-地基系统的地震动输入。以我国某特高拱坝为例,建立了拱坝-地基三维有限元分析模型,精细模拟了坝体体型、横缝、河谷形状、各类岩体以及主要地质构造。采用时程分析方法,综合考虑无限地基辐射阻尼效应、拱坝-库水动力相互作用、拱坝横缝动力接触非线性效应等因素,分析了拱坝-地基系统在强震作用下的动力响应,对拱坝抗震安全性进行了评价。研究成果为高拱坝设计提供了参考。     

高拱坝地震应力控制标准和抗震工程措施研究

高拱坝地震应力控制标准和抗震工程措施研究专题,在国内外首次成功地开展了全级配仿真混凝土的动态抗压,弯拉试验研究;提出了地震作用,作用交应分析方法,坝体抗震到评价准则一整套综合配套的地震应力控制标准,指出高拱坝调协底缝并非是一种有效的工程抗震措施,对高拱坝抗震的主要工程措施做了较深入系统的分析研究,特别是坝体上部布设钢筋和阻尼器等工程措施。     

高拱坝研究新进展

以西部水电能源开发为背景讨论高拱坝研究的意义和重要性 ;综述高拱坝的体形与优化设计、场仿真分析与应力控制标准、破损机理与安全度分析、抗震分析与抗震工程措施等方面的最新研究进展 .认为今后高拱坝研究的发展方向是 :努力使高拱坝体形优化设计进入实用阶段 ;结合仿真应力分析 ,提出更接近实际的高拱坝应力控制标准 ;总结已建工程的经验 ,进行高拱坝安全度分析 ;开展广泛的高拱坝抗震分析与抗震工程措施研究 .     

强震区高拱坝抗震安全研究

从2008年"5.12"汶川大地震到今年"4.14"玉树地震,西部强震区高拱坝的抗震安全问题成为坝工界密切关注的问题。从我国强震区高拱坝抗震研究与工程建设中现存的问题出发,分析并总结了高拱坝地震破坏机理和高拱坝抗震设计理念(包括抗震评价准则、混凝土材料动力特性研究、高拱坝抗震设计分析等)的研究与发展,指出了当前高拱坝抗震较为适用的抗震措施,为今后的研究提供参考。     

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。     

混凝土大坝的抗震安全评价

本文论证了混凝土大坝重点是高拱坝的抗震安全评价的实践与发展现状。现有的评价准则主要依据混凝土的强度，特别是抗拉强度来判断大坝的安全性。大坝的应力计算则以弹性动力分析为基础。各国规范关于地震设防水平和大坝的容许拉应力数值有很大差别，表明认识上的不一致。事实上，由于各坝坝高、坝型、地形、地质条件不同，地震时坝身中某一部分产生的最大拉应力不足以全面反映大坝的抗震安全性。混凝土的动态强度是大坝抗震安全评价中的一个薄弱环节。大坝抗震设计中目前只依据Raphael进行的局部加载速率的试验结果选取混凝土的动强度。实际上，地震作用下，不同的坝不同部位的应变速率是不相同的，而且混凝土的动强度还和应变历史、初始静抗压强度、含水量以及尺寸效应等许多因素有关，有待作深入研究。在以上分析基础上，文中建议了混凝土大坝抗震安全评价的合理方法以及进一步的研究方向。     

高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析

为了进行高拱坝的地震风险分析,引入幂指数函数的形式来描述地震危险性曲线,结合概率地震需求模型和地震易损性曲线函数,推求了概率地震风险分析解析函数。基于此,以实际工程为例,开展了高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析。在概率统计框架下,以高拱坝-地基系统整体抗震稳定安全评价为研究目标,在考虑坝基岩体内控制性滑动块体滑裂面力学参数不确定性基础上,构建了概率地震风险分析模型,得到了基于残余滑动位移的高拱坝-地基体系年超越概率曲线。从而给出了设计基准期限内,高拱坝-地基体系整体地震稳定达到不同性能水平的概率,为其在极限地震下的抗震安全评价提供依据,同时为现有基于准则的混凝土坝抗震安全决策转向基于风险概率的安全决策提供科学依据。     

高拱坝抗震安全研究

我国是多地震国家,高坝大库多建于西部强震区,其中坝高超过200 m的大坝多为混凝土拱坝,其抗震安全至关重要。结合2018年11月颁布实施的《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)的编制工作,在高拱坝抗震方面取得的主要研究成果,包括大坝抗震设防水准框架、大坝地震动参数的合理确定、大坝地震动输入机制、大坝—地基系统整体抗震稳定分析和大坝坝体强震损伤破坏机理分析,据此提出了最大可信地震下高拱坝抗震安全定量评价指标。     

杨房沟高拱坝防震抗震设计研究

杨房沟混凝土双曲拱坝最大坝高155 m,坝址所处地区地震烈度相对较大,为此,除了按DL5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》的原则、方法和要求进行常规抗震分析外,同时还考虑坝址地形地质条件、计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的三维非线性有限元法对大坝及基础进行动力分析,综合分析评价了大坝的抗震性能与抗震安全性。研究结果表明,杨房沟高拱坝在设计地震和校核地震作用下,坝体应力状况较好,坝体横缝最大张开度不会破坏横缝止水设施,满足设计要求。采取的抗震措施能够进一步提高拱坝的整体性和抗震性,杨房沟高拱坝的抗震安全是可以保证的。     

汶川地震中沙牌拱坝震情验证研究

本文针对汶川地震中沙牌拱坝的抗震表现,从推求坝址地震复原波、测定坝体混凝土材料实际强度两个方面力求使地震反应分析中的计算条件接近汶川地震中沙牌拱坝的实际情况,并在计算分析中通过调整拱坝接缝的初始强度取值,比对沙牌拱坝在汶川地震震后调查所体现的震损情况以推断震时实际的缝面强度。计算分析与实际抗震表现均验证了沙牌拱坝-地基体系具有较高的实际抗震能力,依据沙牌拱坝抗震表现分析了高拱坝体系较高抗震潜能的主要来源,说明遵照我国抗震规范精心设计施工的高拱坝—地基体系具有较大的抗震潜能。     

基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析

基于性能的抗震设计理念, 利用增量动力分析法(IDA)结合所建立的混凝土重力坝模型, 根据分位分析结果评估重力坝抗震性能。以Koyna重力坝为例, 分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹性边界法和流固耦合法建立的坝体-地基-库水相互作用抗震分析模型。选取16条地震记录作为输入, 选取地面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标, 以此为基础作IDA曲线。将两种模型分位分析结果进行对比, 结果表明:针对不同保证率的地面峰值加速度(PGA), 新模型总体安全冗余度高于传统模型10%~20%, 以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守, Koyna大坝的极限抗震能力约为0.45g, 其功能保障水平约为0.34g; IDA方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。     

动态弹性模量变化对拱坝动力反应的影响

现行水工抗震设计规范规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30％,对岩体动态变形模量的取值并无规定,现行工程实践中岩体动态变形模量通常在静态变形模量基础上提高30％。根据国内外最新研究成果修编中的新规范拟规定：大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高50％,岩体动态变形模量取为静态变形模量。本文针对新规范的这一变化,结合不同高度的拱坝,从大坝白振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证混凝土两种动弹性模量以及基岩两种动变形模量取值的影响。结果表明,坝体动弹模从30％提高到50％以及基岩动变模是否提高30％对坝体动力特性和地震反应影响不大。