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。     

Earthquake performance assessment of concrete gravity dams subjected to spatially varying seismic ground motions

This paper investigates the earthquake performance of concrete gravity dams under spatially variable seismic excitations. A nonlinear finite element model is developed and validated using shake table experimental results. The model is then subjected to spatially varying earthquake ground motions incorporating the wave passage effect, with values for apparent propagation velocities consistent with the source-site geometry and the shear wave velocity in the foundation rock. The evaluation reveals that different response patterns occur when spatially non-uniform and uniform seismic ground motions are applied as input excitations to the model, because spatially non-uniform excitations induce the quasi-static response, whereas uniform excitations do not, and, in addition, the dynamic response caused by different input motions varies. Notably, spatially non-uniform excitations produce larger opening at the heel of the dam and severer slipping at its toe; this latter observation can have a significant effect on the global equilibrium and stability of the dam during an earthquake.     

某铜矿尾矿坝稳定性分析研究

以某铜矿尾矿坝为例,进行了调洪演算分析和稳定性分析。鉴于尾矿坝在堆积过程中形成的材料变异性较大,以极限平衡理论和传统的安全系数法为基础,将可靠度理论引入尾矿坝稳定性分析中并进行了初步的分析。分析结果表明,目前尾矿坝处于稳定状态,尾矿材料的重度与粘聚力对稳定性的影响较大,内摩擦角的影响则很微小。     

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。     

基于地震变形易损性的高土石坝抗震安全分析

基于性能的地震易损性分析可有效估计地震作用下结构损害,是抗震安全评估的重要方法之一。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值为性能参数,通过考虑坝址区域地震情况确定输入地震动数量,并提出采用性能参数突变点确定性能水平。首先,根据糯扎渡高土石坝坝址区域地震情况合理确定输入地震动数量,并采用改进PZC弹塑性模型和动力固结有限元程序SWANDYNE II进行高土石坝动力分析。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值作为性能参数,通过对60条地震动的动力分析,确定性能水平。然后采用弹塑性模型-非线性方法进行动力分析,结合MSA方法得到各性能参数地震易损性曲线。通过分析性能参数平均值和标准差的变异系数与地震动数量的关系,确定地震动数量超过30条时,性能参数的平均值和标准差的变异系数基本不发生波动。最后,以地震易损性和地震危险性曲线确定糯扎渡高土石坝的抗震安全性,成果可为高土石坝抗震性能研究提供依据。     

金沙江鲁地拉水电站混凝土重力坝地震抗滑稳定性的时程法分析

通过动力有限元时程法分析了金沙江鲁地拉水电站碾压混凝土重力坝在设计地震动作用下的动态响应,计算模型考虑了大坝–库水相互作用、大坝–岩基相互作用,用黏弹性吸波边界模拟了地震动能量向无限远域逸散的地基"辐射阻尼"效应。利用质点系"达朗贝尔原理"计算得到了坝体地震惯性力时程,通过将坝体惯性力时程极大值与振型分解反应谱法的惯性力计算值对比,验证了复杂地震动力数值计算结果的正确性。在坝体惯性力时程基础上叠加其它静力荷载,计算得到了大坝沿建基面的瞬态抗滑安全系数时程。计算结果表明:鲁地拉重力坝在设计地震动(0.36g)作用下的安全系数时程的极小值大于规范规定值,大坝整体抗震稳定性良好,不必采取提高整体抗滑稳定性的工程加固措施。作为典型重大工程实例研究,采用的动力计算方法对类似大坝工程的抗震计算具有参考意义。     

中国尾矿坝地震安全度（3）──经受唐山地震的大石河尾矿坝历史和现状剖析

本文通过经受唐山大地震考验的大石河尾矿坝实例剖析，揭示了细砂类尾矿沉积规律及其沉积密度随尾砂堆积坝增高和有效应力增加而显著增长的特点；并反映了该坝尾砂充填形成长滩面，控制低水位，降低浸润线等因素是坝体获得地震安全和稳定的重要特征．其目的旨在为我国地震区建造上游法尾矿高堆坝提供实践依据和筑坝经验．     

确定岩质边坡地震安全系数的简化方法

 作为岩质边坡地震稳定性评价的规范方法,拟静力法忽略岩体的动力特性和地震动大部分特性的影响,而地震时程分析法考虑的因素较全面,却相对费时费力。目前岩质边坡地震稳定性评价缺乏较好地考虑岩体的动力特性和地震动特性的简化方法。为此,综合利用时程分析法和拟静力法的各自优点,建立地震安全系数与拟静力安全系数间的关系,提出2种岩质边坡地震稳定性评价的简化方法：(1) 对于重要边坡,建立边坡地震安全系数与地震动峰值、边坡拟静力安全系数的统计经验公式;(2) 对于一般边坡,统计边坡地震安全系数与拟静力安全系数的修正系数,建议相应的修正方案。以典型岩质边坡为例,采用显式波动有限元–极限平衡法,阐述所提出的简化方法的详细实施步骤,初步证明所提出方法的可行性和合理性。所建议的简化方法为重要工程岩质边坡震后快速评估和一般工程岩质边坡抗震稳定性评价提供有益的思路和重要参考。     

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。     

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。     

基于强度折减法的重力坝深层抗滑加固措施研究

对于重力坝坝基存在软弱结构面的抗滑稳定处理,工程实践中常采用混凝土硐塞置换或预应力锚索方案。为分析比较两种方案的处理效果,采用有限元方法,建立包含基岩内软弱结构面的三维模型,采用Drucker-Prager强度准则,考虑自重荷载、水荷载、扬压力、坝前淤沙压力,研究某水电站工程溢流坝段坝基深层抗滑稳定问题。在采用重力坝设计规范计算抗滑处理后安全系数相同的条件下,采用有限元通过强度折减的方法可计算得到不处理、硐塞置换方案与锚索方案3种不同工况下的破坏形态,采用等效塑性应变超过某一幅值作为判断材料是否进入塑性状态的指标,结合坝体位移随强度折减系数的变化曲线,判断坝基是否出现滑动,分析结果表明硐塞置换方案较锚索方案的安全裕度更大。     

中国尾矿坝地震安全度（2）──大石河尾矿坝基岩输入地震动的确定

在回顾已有确定输入地震动方法的基础上，通过对地震动参数衰减规律的研究分析，结合场地特点，本文提出了三种可用于大石河尾矿坝动力分析的基岩输入地震动时程曲线．     

混凝土坝-基岩地震动力相互作用时域有限元分析

混凝土坝地震响应分析是坝工安全评估的关键一步。坝与基岩动力相互作用对混凝土坝地震响应具有重要影响。因此,建立一个可考虑坝与基岩动力相互作用影响的数值分析方法是十分必要的。给出了分析混凝土坝–基岩系统地震响应的时域有限元法。在时域有限元分析中,地震波的输入以及地基辐射阻尼的模拟常常是2个十分重要的课题。基于柱面波动方程提出了能同时实现地震动输入和模拟地基辐射阻尼的方法,这种方法非常简单有效,几个数值算例验证了方法的精度和有效性。最后,对混凝土重力坝地震响应进行了数值分析,结果表明无限地基辐射阻尼的影响是显著的。     

场地地震反应的比较研究

用数值分析方法计算分析了场地地震反应。针对几种典型场地,分别采用频域等效线性化波动法（以下简称波动法）和有限元法,分析比较了在6种地震波作用下场地土的地震反应特性、有限元法和波动法间的数值差异、盆地模型和水平分层模型的地表地震反应特性及差异,并用Drucker—Prager模型模拟盆地沉积物介质的非线性。结果显示,有限元法求得的土层表面加速度峰值大于波动法;盆地的松散沉积物对地震波有明显的放大作用,盆地中部区域的最大地震反应与水平分层模型相应结果接近;在El-Centro波作用下,盆地表面的非线性位移反应较线性情形增大明显。     

Earthquake analysis of arch and gravity dams including the effects of foundation inhomogeneity

Dam-foundation interaction plays an important role in the design of earthquake-resistant concrete arch and gravity dams. Geological conditions of the dam canyon are usually very complicated; however, in the literature, the damfoundation interaction analysis is often carried out based on the premise of a homogeneous unbounded foundation. In this paper, the effect of foundation inhomogeneity on the seismic response of arch and gravity dams was studied by means of scaled boundary finite element method (SBFEM). In order to satisfy the similarity requirement of SBFEM and simplify the computational effort, a subdomain approach and a conical representation of an unbounded foundation were proposed. The way of partitioning the domain and the selection of open angle and bottom radius of the cone model on the accuracy of the result were examined. Numerical examples show that the proposed approach is rational and efficient. Cases of foundation inhomogeneity with stiffness varying in accordance with an exponential function along the radial direction, and cases of foundation inhomogeneity with stiffness discontinuity and with weak interlayer strata on the earthquake response of concrete arch dams as well as gravity dams were analyzed. It was found that a homogeneous idealization of the unbounded foundation may sometimes greatly underestimate the maximum earthquake stress response of the dam. Therefore, taking into account the effect of foundation inhomogeneity for the earthquake safety assessment of concrete arch and gravity dams has great significance.     

多层土粘弹性边界的二维斜入射SH波时域输入

采用不同人工边界区分区确定人工边界非外行波场,然后根据波动传播特点、应力状态及其自由地表反射规律和应力状态变换在时域下解析计算边界荷载,算例表明,斜入射输入技术简单、高效且模拟精度高。     

基于增量动力分析的大型地下洞室群性能化地震动力稳定性评估

 基于现有研究成果,将增量动力分析引入大型地下洞室群地震动力稳定性评价领域,形成大型地下洞室群的性能化地震动力稳定性评价方法。首先讨论基于PEER-NGA数据库的强震记录选取方法,根据具体工程的地震地质特性针对性地搜索合适的强震记录,为开展增量动力分析提供最优的输入地震动。然后讨论适用于大型地下洞室群的结构损伤性能参数、地震强度因子的选取,为增量动力分析提供合适的地震强度指标和抗震性能表征。继而立足于现有规范,形成了适用于大型地下洞室群性能化地震动力稳定性评估的2级地震动水平和2级抗震性能水平。最后采用本文的方法及步骤对大岗山水电工程地下洞室群进行地震动力稳定性评估。结果表明,该方法较好地考虑了地震动的随机性,给出洞室群的抗震性能,并可进一步对地震动力稳定性进行概率分析,为大型地下洞室群地震动力灾变失稳提供准则。     

Seismic ground motion analysis of Shanghai Pudong Airport site considering the effects of spatial correlation and irregular topography

The terminal No. II of Shanghai Pudong International Airport is located at Pudong District of Shanghai City near shore of East China Sea, and the area of the long-span terminal is 400 m × 200 m. The construction site of the terminal locates on the irregular topography, and its alluvium achieves about 300 m in thickness. The spatial correlation of seismic ground motion, as well as the amplification of soft alluvium and the effect of irregular topography, should be considered. This paper uses a simplified method to obtain the response spectrum of the engineering bedrock under the irregular topography. The spectrum is used to generate the sets of spatially correlative horizontal and vertical seismic motions. The surface ground motion was calculated under incidence of the spatially correlative seismic motion by 2D finite element method (FEM) model considering nonlinear properties of the soil by means of the equivalent linear method. In order to compare the effect of 2D irregular topography, the seismic response analysis of 1D model is carried out by using the equivalent linear method. For indicating the effect of the spatial correlation of input motions, the horizontal uniform inputs, as well as the horizontal and vertical uniform input are carried out for the seismic response analysis of the site. Finally, some characteristics of seismic ground motion calculated for previously mentioned cases are compared.     

综合考虑水平和竖向地震作用的边坡稳定数方法

基于泰勒稳定数方法的拟静力分析是土坡地震稳定分析方法之一,该方法可以考虑水平地震作用得出地震作用下土坡的安全系数,但忽略了竖向地震作用的影响。为同时考虑水平和竖向地震作用,在前人工作的基础上,通过理论分析和公式推导,本文建立了一个能够同时考虑水平地震作用和竖向地震作用的解析公式,形成了改进的泰勒稳定图方法和计算流程。本文采用一个简单算例,通过与有限元计算结果的对比,验证了改进边坡稳定图方法的有效性。该方法能够方便地估算简单均质黏性土坡的稳定安全系数,为边坡工程抗震设计验算提供了参考。     

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。