丹江口水利枢纽右岸土石坝抗震安全复核研究

针对丹江口水利枢纽右岸土石坝的抗震安全问题，依据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》对右岸土石坝抗震安全进行复核。通过构建精细化的三维有限元模型，参考同类工程坝料动力试验成果拟定计算参数，分析研究了大坝在正常蓄水期遭遇地震工况下大坝的加速度分布、动位移、地震永久变形等性状和坝坡稳定性，重点分析防渗体心墙安全性以及土石坝与混凝土坝接头部位的变形协调性。结果表明：右岸土石坝抗震安全性能良好，满足相关规范要求。     

紫坪铺面板堆后坝汶川地震永久变形实测结果分析

分析了汶川大地震紫坪铺面板堆石坝永久变形实测结果.研究表明,大坝顶部区产生的永久沉降最大,而且在永久沉降变形构成中占主要的部分.地震后紫坪铺大坝外形轮廓均在地震前外形轮廓之内,坝坡地震永久变形矢量均指向坝内,表明大坝地震后整体是收缩的,有利于大坝的整体稳定.建议了土石坝地震分区震陷率的概念与方法,论证了坝顶加固的土石坝抗震加固技术的科学性与合理性.     

紫坪铺面板堆石坝汶川地震永久变形实测结果分析

分析了汶川大地震紫坪铺面板堆石坝永久变形实测结果。研究表明,大坝顶部区产生的永久沉降最大,而且在永久沉降变形构成中占主要的部分。地震后紫坪铺大坝外形轮廓均在地震前外形轮廓之内,坝坡地震永久变形矢量均指向坝内,表明大坝地震后整体是收缩的,有利于大坝的整体稳定。建议了土石坝地震分区震陷率的概念与方法,论证了坝顶加固的土石坝抗震加固技术的科学性与合理性。     

土石坝坝顶加固的永久变形机理及其离心模型试验验证

首先介绍了汶川特大地震中紫坪铺大坝永久变形原型观测的研究结果,根据紫坪铺大坝汶川地震实测结果,发现地震永久变形主要产生于大坝的上部,从地震永久变形的发生机理论证了坝顶加固技术的合理性与科学性.然后介绍了土石坝离心模型动力试验的研究成果,通过离心模型试验验证了坝顶加固的有效性与合理性.通过比较,表明离心模型试验得到的大坝变形分布形态、大坝外形轮廓变化、变形矢量等关键技术特性与墨西哥El Infiernillo土石坝及紫坪铺汶川地震实测结果吻合很好,证实了离心模型试验的技术优势.     

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.     

高土石坝地震安全评价及抗震设计思考

介绍了国内外几座典型土石坝的震害表现,并对这些土石坝,特别是紫坪铺混凝土面板堆石坝的震害原因进行了详细分析.结果表明,地震导致的坝体附加变形以及坝体不同部位变形的不均匀和不协调是土石坝发生震害的主要原因,土石坝的各类不同材料的接触带以及河谷地形突变处是发生震害的主要部位,在大坝设计施工时需特别予以关注.最后,对高土石坝安全评价和抗震设计方法提出了若干建议,并特别指出,考虑到地震的随机性和高土石坝安全的绝对重要性,有必要研究高土石坝的极限抗震能力.     

高土石坝的抗震性能研究

采用剪切楔法和反应谱法,分别在不考虑土石坝材料的非线性和考虑土石坝材料的非线性的情况下,计算了土石坝的各阶自振频率。研究表明,考虑材料的非线性,将会降低高土石坝的自振周期;两种情况下计算的土石坝在地震作用下的沿坝高方向的加速度分布规律,除坝顶位置外基本相同。     

高土石坝在多点输入下的地震反应分析

本文对双江口土石坝在多点地震动输入下的地震反应展开分析研究,分析的主要内容包括大坝的损伤值、加速度反应、动剪应力及永久位移反应.分析表明:坝顶处的加速度反应比坝基处的加速度反应明显增大,说明在地震波作用下土石坝坝顶处地震反应有放大效应;多点地震动输入下坝体的永久位移在靠近坝顶的地方均呈增大趋势,用最大剪应力面法计算的永久位移结果要小于水平剪应力面方法计算所得.     

土石坝抗震稳定的极限能力与评价标准研究

目前土石坝极限抗震能力的评判指标尚不统一,评价标准仍不明确,且缺乏合理的依据。本文基于地震反应分析,从坝坡抗震稳定性和地震滑移变形对土石坝的极限抗震能力进行了研究,提出以地震滑移变形发生突变作为土石坝抗震稳定极限能力的判定标准。以某沥青混凝土心墙堆石坝为例进行了计算分析,当地震峰值加速度为0.55g时,上、下游坝坡F_s1.0的累积时间分别为2.5 s和2.8 s,地震滑移变形分别为0.46 m和0.55 m,并产生了明显的突变。由此,可判定大坝的极限抗震能力为0.55 g。结果表明,土石坝的抗震薄弱部位位于坝顶1/5坝高范围内,符合实际震害的一般规律,建议该区域应采取合理的抗震措施。     

两河口水电站高土石坝地震反应地震模拟振动台模型试验研究

在大型地震模拟振动台上,进行了两河口水电站高土石坝地震模拟振动台模型试验。通过对模型坝在振动过程中的加速度反应的量测和分析、观察坝体在振动过程中的直接反应、量测坝体在振动后的永久位移和竖向沉降,得到了两河口高土石坝模型坝在地震中的加速度反应规律,地震残余变形及分布规律和坝体破坏过程及模式等。研究表明:空间位置、输入地震波强度和类型、先期振动和蓄水等因素对坝体各测点的加速度反应规律有重要影响。大坝在地震作用下的永久水平位移和竖向沉降很小;坝体的破坏形式主要是河谷段、靠近坝顶坝坡土体的颗粒松动,发生滚石而引起的浅层滑动。     

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。     

潘口面板堆石坝地震反应与动力稳定分析

为了研究面板堆石坝在地震作用下的动力、变形特性及安全性,以潘口面板堆石坝工程为研究对象,用有限元法对其进行地震反应分析,重点研究加速度反应特性、震后残余变形及面板变形、坝体单元抗震安全性及下游坝坡的抗震安全性.分析结果表明,大坝整体抗震性能较好,满足给定地震下的抗震稳定性要求;坝顶及坝顶附近下游坡部分区域的加速度反应较大,并发生相对较大的永久变形,为该面板堆石坝工程抗震中的薄弱部位.     

近断层地震动作用下面板堆石坝的加速度分布系数

我国西部地区有很多已建、在建及拟建的高土石坝工程,坝高已达200 m以上,这些高坝有的位于地震断裂带附近。规范中关于地震加速度动态分布系数的规定仅适用于高度70 m(8、9度烈度)和150 m(7度烈度)以下的大坝,且没有考虑近断层地震动的特点。本文分别对高度为40、70、150和200 m面板坝进行动力反应分析,将规范谱人工波与近断层地震动作用下面板堆石坝的加速度反应进行对比。结果表明,近断层地震动作用下的大坝最大加速度明显大于规范谱人工波。通过总结近断层区域大坝的加速度分布规律,建议了适用于近断层区域面板堆石坝的加速度分布系数,可为大坝的抗震设计提供参考。     

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。     

考虑堆石料空间变异性的心墙坝地震安全性随机有限元分析

土石坝堆石料物理力学性质具有一定的不确定性,探讨了堆石料的空间变异性对心墙坝地震安全性的影响。以某高心墙堆石坝为例,采用基于局部平均细分法的随机有限元法,模拟了考虑筑坝堆石料空间变异性时心墙坝的地震响应以及永久变形情况,对比分析了随机有限元法和常规确定性有限元法的计算结果,并对随机物理参数的敏感性进行了分析。研究结果表明,考虑筑坝材料空间变异性时,(1)大坝峰值加速度响应的取值和频谱特性都发生一定程度的离散,为使设计方案的保证率达到90%以上,需将确定性分析得到的峰值加速度放大1.1倍～1.2倍;(2)大坝震后最大沉降的离散程度相比更大,为使设计方案的保证率达到90%以上,需将确定性分析结果放大1.4倍～1.6倍;(3)心墙坝动力响应对堆石料的干密度和孔隙率的敏感性强于对平均粒径和不均匀系数的敏感性,但当平均粒径和不均匀系数的变异性较大时,大坝响应仍表现出明显的离散性。     

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。     

基于点面接触的三维结构地震接触模拟

工程结构包括拱坝、岩质边坡等在强地震作用下可能沿结构面、节理面等产生滑移,对接触面的模拟关乎结构抗震安全评价的可靠性。本文针对结构在地震作用下接触面产生较大滑移的情况,提出采用点面接触模型和动接触力模型进行模拟。推导了适于点面接触的动接触力模型公式;采用主从接触算法,通过全局搜索缩小搜索范围,在局部搜索层次基于内外算法确定接触点对,避免经典点面算法中存在的盲区问题,提高搜索判断的精度和效率。采用经典楔形体稳定问题对本文模型进行了验证,通过施加地震激励研究其动力稳定性,并将点面接触和点点接触的计算结果进行比较,发现前者获得的结构响应大于后者,且其差异随着地震加速度幅值的增大而增大。进一步将该模型应用于拱坝的地震响应分析,结果表明对于相对较小的地震,两种接触模型计算结果基本一致;但对于超强地震,横缝发生较大相对位移,点点接触模型的计算结果偏小,对应力值的低估更为明显。总的来说,对于结构在强地震作用下产生较大滑移的情况,采用点面接触模型可更好地反映实际情况。     

尼雅水库坝料动力特性研究及三维地震反应分析

为研究沥青混凝土心墙坝抗震能力,以新疆尼雅水库为例,利用大型三轴仪进行动模量阻尼比和永久变形试验,分析筑坝材料的动力特性,并采用等效线性黏-弹性模型和大工双曲线残余变形模型对坝体进行地震反应分析.结果表明:砂砾料和过渡料的最大动剪切模量比堆石料高4％ ～11％,而堆石料的最大阻尼比比砂砾料和过渡料高4％ ～14％;心墙...     

土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用研究

在我国西部强震区拟建的土石坝多坐落于覆盖层上,覆盖层土体具有动力非线性和饱和特性,土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用复杂。为研究土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用特性,分别采用地震动一致输入方法(联合地震惯性力和约束边界)和非线性波动输入方法(联合自由场非线性动力响应和非线性人工边界),对覆盖层上土石坝进行有限元动力反应分析,考虑了覆盖层厚度、土体动力特性、地震强度及地震波频谱特性的影响效应,着重讨论了大坝的加速度反应峰值。结果表明:在覆盖层土体饱和特性的影响下,一致输入方法不能合理模拟大坝体系动力的相互作用,所获得的坝体竖向加速度反应误差显著。非线性波动输入方法理论上更为严密,其所获得的坝顶竖向加速度峰值较一致输入方法降低明显,降低率为20%～62%,且当输入地震动以高频成分为主时一致输入方法的误差较大。对于坝顶水平向加速度峰值,非线性波动输入方法较一致输入方法的降低率为5%～32%。当土体材料阻尼效应明显时一致输入方法的误差较小,当输入地震动以低频成分为主时其误差较大。一致输入方法会明显低估覆盖层上土石坝的极限抗震能力。当土石坝可能遭受竖向分量较大的近场地震时,有必要采用非线性波动输入方法评价大坝抗震性能。