随机地震作用下地基及土石坝永久变形分析

地基及土石坝在地震作用下的永久变形分析方法可分为确定性分析和随机性分析两大类。本文基于等价结点力模型，将地震地面运动模拟为平稳高斯过滤白噪声过程，通过随机地震反应分析，建立了一种地基及土石坝在随机地震作用下的永久变形分析和永久变形危险性分析方法。该法不仅能预测永久变形的平均幅值，而且能给出不同控制变形的破坏概率。本文最后对瀑布沟土石坝进行了数值分析，并给出相关结论。     

土石坝地震永久变形的危险性分析

本文将地震地面运动模拟为零均值平稳高斯随机过程,以Newmark滑块模型为基础,建立了土石坝地震永久变形的概率分析模型,利用Monte-Carlo数值模拟检验,证明了在随机地震作用下土石坝永久位移服从正态或对数正态分布,通过大量综合计算,给出了永久位移概率分布参数与可能滑动体平均地震加速度功率谱参数之间的经验关系,针对一个算例,对土石坝地震永久位移进行了危险性分析。     

基于变形的土石坝地震易损性分析

地震易损性分析是地震风险分析的重要组成部分,可以预测结构在遭受不同等级地震荷载作用下发生各级破损的概率。土石坝在地震作用下易发生不同程度的破坏,对其进行易损性分析可以为土石坝地震风险分析及评价提供有效途径。考虑土石坝材料参数及地震动输入不确定性因素的影响,提出了基于变形的土石坝地震易损性分析方法。采用正交设计法选取材料参数样本组合,分别施加不同地震峰值加速度进行地震反应分析,基于坝顶相对沉陷破损评价指标,给出了大坝的易损性曲线。以云鹏心墙土石坝为例进行了地震易损性分析,得到大坝不同震损等级的风险概率,对土石坝地震风险评估和抗震设计优化、维修加固决策等具有重要意义和应用价值。     

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。     

考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析

在土石坝施工、蓄水和遭遇地震时,流固耦合作用对土石坝的静动力响应有重要影响,应在计算分析中有所考虑。以糯扎渡高心墙堆石坝为例,选用莫尔–库仑弹塑性模型来描述坝料的力学性质,并采用流固耦合的方法对该坝进行了静动力分析。静力分析中模拟了大坝施工和蓄水过程,然后基于静力分析得到的初始应力场,采用完全耦合的非线性方法研究了大坝的地震动力响应。该分析方法能够更为合理准确地描述土石坝在地震动作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。计算结果表明:超静孔隙水压力随地震过程逐渐累积,最大值出现在心墙的底部;由于鞭梢效应,加速度放大系数在坝顶处达到最大;水平和竖直方向的永久变形同样都是在坝顶处达到最大值。     

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。     

考虑堆石料空间变异性的土石坝地震反应随机有限元分析

探讨了一种将随机场模拟技术与有限元方法相结合的随机有限元法在土石坝地震反应分析中的应用途径。采用局部平均细分法模拟堆石料物理力学性质随机场,使得能够考虑堆石料的空间变异性。提出尽量利用建立材料物理性质与力学性质关系的计算模型,以降低获取材料力学性质统计特性信息的成本。以一实际工程为例,采用该随机有限元法计算了堆石料的干密度、孔隙比、不均匀系数、平均粒径、Duncan–Chang E–B模型模量系数以及初始摩擦角具有不确定性时土石坝的随机地震响应及永久变形。结果表明:筑坝堆石料的不确定性会使大坝响应及永久变形发生一定程度的离散;忽略材料的不确定性可能导致低估大坝的地震反应;表征大坝地震反应的各性能指标并不一定都符合正态或对数正态分布。     

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。     

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。     

地震动力作用下有限元土石坝边坡稳定性分析

基于地震动力时程反应和随机地震反应，用有限元边坡稳定性分析方法，分析了正弦波作用下模型坝边坡的稳定性，以此作为该方法的数值验证；而后，通过对地震动力作用下土石坝边坡稳定性的分析，对地震动力作用下影响坝体边坡最危险滑裂面位置及稳定性的动力影响因素进行了有益的探讨，并指出，地震动力作用下土石坝边坡与正弦波作用下模型坝边坡的最危险滑动面位置有所不同。     

基于随机有限断层法的坝址地震动参数#br# 综合评价方法

对于受多条发震构造影响的大坝场址,合理估计坝址地震动输入是实现近场地震作用下不溃坝目标的前提条件。文章主要目标是对地震地质环境复杂的场址建立适合于工程应用的地震动参数评价方法。首先对随机有限断层法模拟近场大震的适用性进行分析,结果表明该方法不仅可以描述断层破裂源,考虑地震波路径、场地衰减等因素,而且计算效率高,能够解决地震动模拟中复杂震源设置与计算效率的问题,可用于大坝场址地震动参数估计;然后基于对随机有限断层法参数的不确定性分析,建立一套能够考虑多个发震构造对坝址影响的地震动参数综合评价体系,包括设置震源、路径及场地条件参数的取值范围及水平、设计多方案(多权重)地震动模拟方案、各参数取值的权重系数计算原则与方法;最后获得能够表征不同地震危险性的参数估计方法。该文建立的方法能够考虑坝址发震构造的复杂性,给出多层次、多风险水平的评价结果,为近场大震作用下大坝抗震安全评价提供合理的地震动参数。     

高烈度地震区细粒尾矿上游法筑坝动力反应与稳定性分析

 核桃箐尾矿库位于中甸-大理地震带,其抗震设防烈度为8度,且入库尾矿为细粒尾矿。为论证其采用上游式工艺进行筑坝的可行性,综合运用堆坝模型试验、土工测试、理论分析和数值模拟等多种方法,对其动力反应与静、动力稳定性进行了系统研究。结果表明,通过高筑初期坝、合理设置排渗设施并增设块石贴坡,可以使核桃箐尾矿库尾矿坝的静、动力稳定性达到规范要求,从理论上证明了通过采取合适的抗震措施,在8度地震区的细粒尾矿库采用上游法筑坝是可行的。研究中还发现,由于动孔隙水压力的产生和增长,尾矿坝的动力安全系数在地震过程中呈波动下降的趋势。较大的永久变形是细粒尾矿堆坝的主要震害形式之一,当干滩面长度和安全超高不足时,震后容易发生漫坝事故。并从细观角度,对细粒尾矿堆坝颗粒分级不明显、浸润线埋深浅、滩面坡度缓等特点的成因进行了分析。     

考虑堆石料软化的坝坡随机地震动力稳定分析

地震尤其强震作用下,土石坝筑坝堆石料会逐渐呈现出软化特性,影响坝坡安全。为有效评估堆石料软化对坝坡稳定性的影响,结合地震动随机性,考虑不同地震强度水平,提出了基于等价极值分布和广义概率密度演化方法的坝坡安全概率分析方法,并基于坝坡稳定最小安全系数、安全系数超限累积时间、累积滑移量3个物理量,对242 m高的面板堆石坝进行随机动力响应分析和概率可靠度分析。结果表明:地震作用过程中,随着地震强度的增加,考虑软化与不考虑软化的计算结果差别逐渐增大,因为地震作用下,堆石料软化特性逐渐显现;同时,在地震激励下,堆石料软化是一个渐进过程。因此,考虑坝坡堆石料软化,对高土石坝抗震性能分析具有重要的意义。此外,单纯从最小安全系数角度考察土石坝坡稳定性,是不合理的,需要结合安全系数超限累积时间和累积滑移量,全面评估坝坡的安全性。提出的随机概率分析方法,可以对土石坝坡的可靠度给出较为准确的评价。     

Seismic Analysis of the Garmrood Embankment Dam with Asphaltic Concrete Core

The seismic behaviour of asphaltic concrete core dam under earthquake loads has been studied. The study consists of three parts; element tests on asphalt concrete, numerical analysis and some model tests. In the first part, a series of triaxial monotonic and cyclic tests were performed at the Norwegian Geotechnical Institute (NGI)'s laboratory to determine the geotechnical parameters of asphalt concrete. Then, numerical analyses were carried out for Garmrood dam in Iran with a height of 110 m. The different stages of construction and impounding were analyzed using a hyperbolic stress-strain model. The dynamic analysis was then performed using two different models; nonlinear elasto-plastic material model and an equivalent linear method followed by the Newmark approach to estimate the permanent displacements. Finally, some 1-g model shaking table tests were performed on a typical rockfill dam to have a qualitative picture of the modes of seismic behaviour of an asphaltic concrete core rockfill dam. Element tests result shows that the asphaltic concrete is resistant to earthquake excitations and the earthquake has to be very strong to cause any detrimental cracking or material degradation of the properties of a ductile asphaltic concrete. In addition, the obtained results from numerical analysis and model tests show the appropriate response of the dam during and after earthquake caused shaking.     

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。     

Three-dimensional seismic response analysis of a concrete-faced rockfill dam on overburden layers

Reasonable seismic response analysis of a high rockfill dam is of great engineering significance in guiding its design and ensuring its seismic safety during operation, especially of a concrete-faced rockfill dam (CFRD) on overburden layers. The three-dimensional seismic behavior of the Miaojiaba CFRD is simulated and analyzed by the finite element method (FEM). The results indicate that: 1) the amplification coefficient along the dam axis gradually increases with the altitude, and reaches maximum at the dam crest; 2) the vertical residual deformation mainly exhibits downwards and reaches maximum near the dam crest; 3) the earthquake significantly aggravates the deformation of peripheral joints; 4) the impounding condition and overburden characteristics have great effects on the dam’s seismic response.     

Three-dimensional seismic response analysis of a concrete-faced rockfill dam on overburden layers

Reasonable seismic response analysis of a high rockfill dam is of great engineering significance in guiding its design and ensuring its seismic safety during operation, especially of a concrete-faced rockfill dam (CFRD) on overburden layers. The three-dimensional seismic behavior of the Miaojiaba CFRD is simulated and analyzed by the finite element method (FEM). The results indicate that: 1) the amplification coefficient along the dam axis gradually increases with the altitude, and reaches maximum at the dam crest; 2) the vertical residual deformation mainly exhibits downwards and reaches maximum near the dam crest; 3) the earthquake significantly aggravates the deformation of peripheral joints; 4) the impounding condition and overburden characteristics have great effects on the dam’s seismic response.     

土石坝坝坡模型振动台破坏试验的数值验证

 在土石坝坝坡模型振动台破坏试验基础上,采用数值分析方法,对坝坡的动力特性、稳定性以及加筋抗震措施的性能进行研究。采用动力弹塑性分析方法,对坝坡模型振动台试验进行数值仿真,通过类比计算工况,比较、分析坝坡的破坏过程及其破坏性态以及永久位移的变化规律;同时,采用拟静力方法对坝坡的稳定性进行分析,通过设定滑裂面参数,比较滑裂面的深浅,分析加筋对坝坡稳定性的影响,并与试验结果进行对比验证。结果表明：对模型进行的数值模拟和模型试验所得到的结果较为一致,表明坝顶是薄弱部分,破坏首先从坝顶附近开始,减缓坝坡或坝坡加筋均可减小坝坡的永久位移,但加筋能提高坝坡的整体稳定性,能有效控制坝坡的浅层滑动,且不增加大坝填筑量,与缓坡比较有较强的优势。该研究结果可为大坝的加筋抗震措施设计提供依据。