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。     

反应谱衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响

标准反应谱曲线下降段系数γ是水工建筑物地震响应至关重要的参数。针对高土石坝的标准反应谱衰减系数γ的取值问题,采用三维有限元分析方法,以美国开展的下一代的地震衰减关系(NGA)研究中Abrahamson-Silva 2007衰减关系为参考依据,定量分析标准反应谱下降段衰减系数变化对高土石坝地震响应的影响,并探讨适合高土石坝的衰减系数取值。结果表明:对于高度超过200 m土石坝,其规范化的标准反应谱下降段的衰减系数γ取0.7比0.9更为合适。     

软土场地概率地震反应谱的研究

目前反应谱都是以平均谱值作为设防水准,无法明确设防水准上的概率水平．选取软土场地上的368条地震记录进行分析,建立了关于周期、变化区间和分布概率的三维分布概率图,发现各条地震反应谱值与平均谱值的比值难以集中在1附近．．说明平均谱值反应谱不能体现统一的设防水准．因此建立了三维的累积概率分布图,求得不同概率保证率下的反应谱．最后还拟合出规定设防水准的反应谱和周期之间的关系表达式．     

场地类别划分与抗震设计反应谱的研究

介绍了新的建筑物抗震设计规范(2002-01-01实施)中场地类别划分和地震影响系数的有关内容,针对当前规范中存在的实际问题,通过对285组美国西部强震记录进行的分析整理,提出了初步的修改意见和方案,为其更深入的研究提供了基础。     

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。     

浅谈场地类别划分与抗震设计反应谱的关系

绍了新的建筑物抗震设计规范（2002-01-01实施）中场地类别划分和地震影响系数的有关内容,针对当前规范中存在的实际问题,通过对285组美国西部强震记录进行分析整理,提出了初步的修改意见和方案。     

某超高层建筑场地地震设计反应谱研究

场地地震设计反应谱是超高层结构抗震设计的重要依据,关系着结构设计的安全性和成本。结合某超高层设计案例,分析了不同超越概率对场地地震设计反应谱和水平加速度峰值的地震危险性概率贡献分布的影响,比较了场地地震设计反应谱与天然波平均反应谱的取值,验证了场地地震设计反应谱的可靠性。结果表明,对于超高层结构的抗震设计除考虑近场地震影响外,还应考虑远场大震影响,利用本文所述方法获得的天然波反应谱可用于结构抗震设计验算并能提高结构设计安全性。     

多年冻土场地路基地震加速度反应谱特性研究

多年冻土场地路基及与之相关土工构筑物的抗震己成为以往研究不足、而目前道路建设中又必须尽快解决的重要工程问题之一。以在建的青藏铁路工程的抗震设计与地震加固为应用背景，基于若干种较为典型的冻土场地路基工况，采用非水平场地土体(土工结构物)地震反应分析的二维动力有限元法，分别输入E1 Centro波及天津波，开展多年冻土场地路基地震加速度反应谱的研究工作。研究表明，在高频E1 Centro波和低频天津波输入下，无论冻土层存在与否，路基地震加速度反应谱均主要表现为高频脉冲型，反映了路基的地震冲击型破坏作用；当输入高频E1 Centro波时，在中、低频段，含冻土层路基的地震加速度反应谱较不含冻土层路基的地震加速度反应谱大；而在低频天津波输入下，冻土层存在与否，对路基地震加速度反应谱的影响较小。与不同的场地地形条件相比，输入地震波频率的不同，对冻土路基地震加速度反应的影响更大，尤其是当存在融沉盆时更加剧了路基的地震加速度反应。     

冻土场地地震加速度反应谱研究

根据波动理论考虑土体的非线性,得到地震反应谱的解答,应用求解水平层状场地地震反应谱的等效线性化程序,数值求解不同负温、不同覆盖层厚度多年冻土场地的地震加速度反应谱,季节冻土场地冬夏季地震加速度反应谱。计算结果表明:负温对多年冻土场地加速度反应谱的影响显著,随着冻结温度的降低,加速度反应谱的加速度峰值逐渐降低,并且其峰值前移,场地卓越周期减小;随着冻土覆盖层厚度的增加,反应谱峰值先增大后减小;季节冻土场地夏季的地震反应高于冬季,但在短周期阶段也出现了反超的现象。     

场地地震反应分析方法

通过对场地地震反应分析方法的介绍,从土体非线性本构模型和土体地震反应分析方法等两个方面,对场地地震反应分析的发展和现状进行了探讨,综合介绍了几种常用的土体非线性本构模型以及相关准则,并对土体地震反应分析的间接性估计方法和直接性确定方法进行了阐述,对工程师提供参考依据。     

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。     

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。     

高面板坝全寿命周期变形控制方法及应用

高面板坝的变形对面板的安全运行有着特别重要的影响,国内外已建的高面板坝工程中,因坝体变形大导致防渗面板挤压破损,坝体渗漏量大的实例较多,不得不降低水库水位进行修复处理,造成较大的经济损失乃至给大坝的长期运行留下安全隐患。通过发生挤压破损的实例分析,发现变形控制缺乏系统性是发生面板挤压破损的主要因素,为预防面板破损,系统提出了“控制坝体总变形,转化有害变形,适应纵向变形”的坝体变形控制方法,并在使用软硬岩混合料筑坝的董箐面板堆石坝中得到的应用,取得了良好效果,该工程运行至今达十余年,未见面板有挤压破损迹象,该方法对建设200 m以上乃至300 m级超高面板坝具有重要借鉴意义。     

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。     

高土石坝坝坡地震稳定分析研究

采用有限元动力时程稳定和变形分析方法,对不同高度大坝坝坡稳定进行分析,开展了最危险滑弧确定方法 、地震动持时对稳定和变形的影响、滑弧位置和深度以及坝坡加固范围的研究 。结果表明：拟静力法采用规范建议的加速度分布系数不能反映高土石坝实际地震反应规律,计算得到的最危险滑弧较深且滑动范围偏大,不利于确定坝坡的加固范围;坝坡在地震过程中,最小安全系数与最大滑动量对应的滑弧并不一致且是不断变化的,有限元动力法计算坝坡稳定时,应在每一时刻任意搜索最危险滑弧;地震持时对坝坡安全系数影响不大,但对滑动量有较大影响;不同滑弧深度对坝坡安全系数有较大影响,存在一个临界深度,当滑弧超过临界深度时,坝坡安全系数大于 1.0 ;坝坡稳定安全性评价需要综合考虑安全系数与变形的计算结果。根据计算结果,建议了坝坡加固的范围。     

高堆石坝流变机理的组构理论分析方法

提出了采用颗粒材料的组构理论分析高堆石坝流变变形机理的方法,从堆石体材料的细观角度探讨堆石集合体的宏观力学和变形响应。现有研究成果表明:仅仅采用孔隙率和干密度不足以完全表达堆石体材料的离散特征,组构分析的张量不仅包含上述宏观指标所表达的力学意义,而且还包含堆石体在空间的分布情况。组构张量包含以下具体涵义:堆石体颗粒本身的几何特征、堆石体在空间的分布、堆石体颗粒间的相互作用等。堆石体组构张量与应力张量和应变张量有密切的关系,从组构张量的变化可以导出堆石体的变形机理和规律,从而揭示堆石体材料流变变形的细观机理。     

强震区高面板堆石坝静力和动力应力变形性状

采用三维有限单元法对强震区高面板堆石坝在施工填筑、蓄水运行和地震情况下的应力变形性状进行了仿真计算,指出在地震时高面板堆石坝的静力和动力应力变形性状的一般规律,并提出了相应的抗震工程措施。