基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析

以龙冈的在不规则荷载作用下土体应变的累积损伤理论为基础,提出了基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析方法。采用大型静力和动力三轴仪,对某土石坝筑坝材料的静动变形特性进行了试验研究,确定了筑坝材料的静力和动力应力应变关系、累积应变模型和相应的材料参数。利用该方法,分别对在日本2008年6月14日岩手—宫城内陆M7.2级地震作用下该土石坝的在建坝体和竣工后坝体的地震永久变形特性进行了研究。结果表明：在建坝体的坝内沉降计算值与现场实测值基本吻合,并且通过与其它土石坝实测值的比较,说明竣工后坝体的坝顶沉降预测值在合理范围之内。     

高面板砂砾石坝堆石料力学变形特性及坝体分区研究

随着高混凝土面板砂砾石坝坝高的突破，坝体内部高应力区和坝坡、坝顶低应力区的应力差别增大，而不同应力条件下砂砾石料和块石料的力学特性存在较大差异，将影响着坝体分区及变形安全。开展砂砾石料和块石料三轴力学试验，研究不同应力条件对其力学变形特性的影响；在此基础上根据坝体应力分布特征，研究高混凝土面板砂砾石坝坝体分区。研究表明，在低围压条件下，块石料的模量系数大于砂砾石料；随着围压增加到一定程度，块石料颗粒破碎导致模量系数大幅降低，远小于砂砾石料的模量系数；为充分利用两种堆石料的力学变形特性，加强高面板砂砾石坝坝体变形控制，坝体内高、低应力区应分别采用砂砾石料和块石料填筑，提出一种基于坝体应力分布特征的坝体分区准则和优化调整方法；最终推荐一种块石料半包砂砾石料的坝体分区型式，提高了高混凝土面板砂砾石坝的综合安全性。     

强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则

中国西部拟建多座坝高250～300m级别的特高土石坝工程,但西部地区地震频度高、强度大,地震的突发性和不确定性对这些特高土石坝的抗震安全构成了巨大威胁。高土石坝抗震安全评价是多系统、真三维、非线性、非连续的复杂问题。然而,传统高土石坝动力分析方法仍在弱非线性范围内,各种相互作用的影响大多被简化并孤立进行,难以对强震作用下特高土石坝动力破坏过程、耦合效应及其影响进行深入研究和科学认识。面向中国300 m级特高土石坝建设需求,依托RM、拉哇等特高土石坝,重点突破了筑坝材料强非线性、大坝-地基-库水动力相互作用、精细化建模和分析方法、自主高性能计算软件以及极限抗震能力评价方法和标准等方面的一系列科学问题和技术难题。研究成果为特高土石坝抗震安全设计提供了先进的评价方法和标准。     

中国高混凝土面板堆石坝性状监测及启示

阐述了中国高混凝土面板堆石坝(坝高129 m以上)安全监测布置、监测仪器选型和数量以及监测主要成果,在分析了高混凝土面板堆石坝监测资料的基础上指出筑坝材料的变形特性、坝高和河谷形状是影响混凝土面板堆石坝工作形状的主要因素,提出了坝体沉降特征值Cs、坝体水平位移特征值CDu和CDd、周边缝位移特征值CDS、面板垂直缝位移...     

高面板堆石坝抗震安全评价标准与极限抗震能力研究

针对强震区高面板堆石坝的特点,提出了基于稳定、变形、面板防渗体系安全的高面板坝抗震安全评价和极限抗震能力分析方法,并建议了坝坡抗震稳定、坝体局部动力稳定、坝体地震残余变形、面板防渗体系的抗震安全评价标准。对坝高超过250 m的某高面板堆石坝进行了极限抗震能力分析,根据坝坡稳定性、地震残余变形、单元抗震安全性、面板防渗体系抗震安全性等多角度的评价结果,初步认为,该高面板堆石坝的极限抗震能力为0.50g~0.55g。     

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。     

汶川大地震紫坪铺混凝土面板堆石坝震害现象与变形监测分析

 2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震,震中烈度XI度,造成地面建筑物严重破坏。紫坪铺面板堆石坝坝高156 m,距汶川地震震中17 km,是地震灾区距地震震中最近、工程规模最大的一个高坝水库工程。紫坪铺大坝受地震影响,产生了一定的变形破坏,引起学术界和工程界广泛关注。依据大坝地震后宏观变形现象和变形监测资料,对大坝堆筑体和混凝土面板的变形破坏现象进行详尽的描述和分析;在此基础上综合分析认为,大坝变形特征以沉降为主,水平位移相对较小,大坝整体处于收缩压密状态,最大沉降发生在大坝顶部,量值为900～1 000 mm,沉降与坝高之比约为0.6%,大坝坝体和下游坝坡没有产生显著破坏,大坝结构功能受地震影响较小。     

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。     

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。     

河口村水库面板堆石坝沉降时效特性研究

通过对河口村水库面板堆石坝沉降时效特性分析,探讨了坝基、坝体、大坝整体沉降变形特性,指出三者的沉降变形与坝基地质条件、填筑高程及时间密切相关,随着堆石坝坝高逐渐增加,最大沉降量约占坝高的0.72%,整体沉降变形量符合一般土石坝沉降变形规律。     

大石峡砂砾石坝料渗透特性及其影响因素研究

利用试样截面尺寸为1000 mm×1000 mm的超大型渗透仪和Φ300 mm的常规大型渗透仪,针对大石峡面板坝筑坝砂砾石料的渗透特性开展了较为系统的试验研究。结果表明:砂砾石料小于5 mm细粒含量对其渗透系数、抗渗透破坏能力及其破坏模式均具有重要影响;经过缩尺的砂砾石料渗透特性试验结果将高估原型料的排水性能和抗渗透破坏能力;试样尺寸越大,在振动压实制样过程中,砂砾石料中细颗粒离析至试样表面的现象越严重,为提高试验结果的可靠性,利用超大尺寸渗透仪开展试验时,应模拟现场砂砾石料实际振动碾压过程进行制样;大石峡高面板坝筑坝砂砾石料小于5 mm细颗粒含量较高,渗透系数偏小,有必要在垫层区和主堆砂砾料区之间设置过渡反滤区,以提高垫层区料的抗渗透破坏能力。     

严寒、高震、深覆盖层混凝土面板坝关键技术研究综述

自 20 世纪 90 年代以来,新疆的水库建设已从平原水库转入山区水库建设,以混凝土面板砂砾石坝为主要的当地材料坝,得到了迅速发展。新疆于 20 世纪 70 年代末,开始引进混凝土面板坝筑坝技术,采用天然砂砾石填筑百米级高坝,是区别于一般面板堆石坝的主要特点。针对严寒地区、深覆盖层、高地震区等不良环境地质条件,全面总结基础上系统地建立了混凝土面板砂砾石坝筑坝关键技术体系,阐述了在抗震结构设计、坝体变形控制、坝体渗流控制等方面取得的创新突破,研究指出施工工艺的不断改进,大型机械压实功能的不断增强,为该坝型推广应用和安全性能提高,提供了重要的技术保障。对于提高混凝土面板砂砾石坝建设和运行管理水平具有重要意义。     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

高混凝土面板堆石坝变形安全内涵及其工程应用

在分析国内外高混凝土面板堆石坝出现的严重问题的原由的基础上,摒弃几十年来面板堆石坝经验设计的概念,指出高混凝土面板堆石坝除了通常土石坝要求的抗滑稳定安全和渗流稳定安全以外还必须满足变形安全的要求。建立了高混凝土面板堆石坝设计的变形协调新理念,包括坝体沉降协调、坝体水平位移协调、面板法线方向和坝轴线方向的坝体变形和面板变形同步协调,提出了高混凝土面板堆石坝变形安全设计的内涵包括变形协调准则、判别标准、计算方法和对策,以 203.5 m 高的 Bakun 坝为例,阐明变形协调设计新理念替代经验设计概念的必要性。     

水布垭面板堆石坝应力变形监测资料分析

土的本构关系、土与结构物相互作用机理、土工数值分析方法始终是土力学研究的核心问题,高面板堆石坝作为一个典型的土工构筑物,其应力变形实测成果对于研究上述问题是非常有意义的。依据水布垭面板堆石坝的监测资料,对高面板堆石坝的坝体变形、面板应力及面板缝的变形进行了系统分析,为堆石料本构模型的研究、堆石坝的应力变形数值分析及设计提供参考。     

面板堆石坝新型结构离心模型试验研究

采用离心模型试验技术探讨在覆盖层上增加盖板后坝体的变形特征。共进行三组离心模型试验,分别研究增加盖板及不同覆盖层类型对坝体变形的影响,以及防渗墙在坝体蓄水前后的变形规律。研究表明:在覆盖层上设置盖板可以减小坝体沉降,同时减小坝体不均匀沉降;不同覆盖层类型增加盖板后盖板弯矩分布规律一致,但软弱覆盖层上盖板弯矩变化幅度较大;增加盖板后优化了防渗墙的弯矩,离心模型试验揭示了面板堆石坝新型结构的变形和应力分布规律,为深厚覆盖层上面板堆石坝新型结构的研究与设计提供依据。