基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析

基于性能的抗震设计理念, 利用增量动力分析法(IDA)结合所建立的混凝土重力坝模型, 根据分位分析结果评估重力坝抗震性能。以Koyna重力坝为例, 分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹性边界法和流固耦合法建立的坝体-地基-库水相互作用抗震分析模型。选取16条地震记录作为输入, 选取地面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标, 以此为基础作IDA曲线。将两种模型分位分析结果进行对比, 结果表明:针对不同保证率的地面峰值加速度(PGA), 新模型总体安全冗余度高于传统模型10%~20%, 以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守, Koyna大坝的极限抗震能力约为0.45g, 其功能保障水平约为0.34g; IDA方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。     

重力坝动态断裂分析

地震作用下重力坝的坝踵裂纹及其稳定性是工程界普遍关心的问题。本文基于比例边界有限元法（the scaled boundary finite element method-SBFEM）研究重力坝坝踵裂纹的动态应力强度因子（stress intensity factor -SIF）的变化规律。SBFEM的优点是可以给出位移场沿径向的解析解，直接按定义求出SIF，而不必对裂尖进行特殊处理。以柯依那重力坝作为算例，进行了频域法和时域法的分析，比较了不同坝踵裂纹长度的应力强度因子，计算了地震应力沿坝基交界面的变化。同时计算了裂纹内水压分布对应力强度因子的影响。计算结果表明随着裂纹长度的延伸， 的峰值逐渐增大；裂纹内水压力越大，对应力强度因子的影响越大。研究成果对重力坝抗震安全性评价具有重要意义。     

基于双滑面模型的混凝土重力坝深层抗滑动力稳定分析方法

地震作用下混凝土重力坝的深层抗滑稳定是设计关心的问题。应用刚体极限平衡方法,并与有限元相结合进行重力坝深层抗滑稳定动力分析,制定了相关的计算流程:①通过黏弹性地基模型考虑地基岩体的辐射阻尼效应;②通过不同岩体中地震波速的分段处理确定入射波在不同岩体中的传播时间,从而考虑岩层的不均匀性;③应用直接计算截面内力的方法提取有限元结果中的滑动力和阻滑力,并采用规范给出的抗滑模型进行深层抗滑稳定分析;④通过敏感性分析确定了双滑面模型的2个关键参数,并比较了地基均匀性对结构变形和稳定的影响。基于上述计算流程,结合小南海重力坝工程实例,计算了地震作用下重力坝深层抗滑稳定安全系数,计算结果验证了方法的有效性,并与常规方法作了对比,其一致性较好。     

青天河浆砌石重力坝溢流坝段抗震安全评价

根据青天河浆砌石重力坝的工程地质条件,选择溢流坝段建立了坝体和坝基的三维有限元模型,采用三维有限元法和振型分解反应谱法对坝体进行了地震响应分析和安全评价。考虑水工结构物受地震荷载作用的荷载组合,按受拉最不利组合原则组合静态响应和动态响应,从而得到综合的静动力响应,并在此基础上对大坝进行强度和抗滑稳定性分析和评价。结果表明:在地震基本烈度为Ⅶ度时,在静动荷载共同作用下,坝体强度满足规范要求;坝基面抗滑稳定安全系数3.47,大于规范允许最小安全系数,抗滑稳定性满足规范要求,但是坝基承载能力不足,需进行相应的加固处理。     

重力坝随机地震动力分析方法研究

本文用随机过程模拟坝基地震动输入及结构动力响应，运用随机振动理论进行二维重力坝结构地震动力分析。提出了二维随机地震动输入实用模型，详细论述了重力坝结构随机地震动力响应的分析方法。     

胶凝砂砾石坝抗震特性及其地震作用计算方法

胶凝砂砾石坝具有独特的结构型式,且由低强度材料填筑而成,因此其动力特性和抗震性能具有独自的特征。采用时程动力法,计算分析了胶凝砂砾石坝的动力特性及地震响应规律,探讨了坝体材料、基岩刚度以及坝高变化对该类大坝地震动力响应的影响规律。研究结果表明,与同等高度混凝土重力坝相比这种坝的地震动力响应明显较小,即使在强震作用下,坝体地震动应力仍处于较低水平;胶凝砂砾石坝具有明显不同于重力坝的动力特性和地震响应规律,按现有重力坝拟静力法不能正确计算胶凝砂砾石坝的地震作用效应。在大量分析成果的基础上,研究提出适用于该坝的地震动态分布系数和动水压力分布系数计算方法,可方便用于坝体地震惯性力和坝面动水压力的计算,为采用拟静力法进行该坝抗震设计工作提供了参考依据。     

阶梯地形下坝-库水-地基非线性相互作用的动力模型与多因素耦合模拟

为了更精细模拟阶梯地形坝址的混凝土坝在考虑材料非线性、库底吸收等多因素耦合下的地震响应,需要发展适用的坝-库水-地基非线性相互作用动力模型,其中合理的地震动输入是面临的首要问题之一。本文根据波场分离原理和坡面应力自由条件,提出了求解阶梯地形地基自由场的计算方法和该场地条件下坝-基体系的地震动输入方法,可较为准确地反映阶梯地形对坝体动力响应的影响。通过构建坝-库水-阶梯地形地基全域分析模型,可全面考虑坝-库水、坝-复杂场址动力相互作用以及坝体混凝土、近场基岩的非线性力学特性,从而提高了重力坝整体抗震安全评价的合理性。通过场地反应分析和波动散射分析的数值算例,验证了输入方法的有效性。并以阶梯地形下某重力坝挡水坝段为例,研究了场址条件对静-动力组合作用下坝体损伤演化的影响规律,结果表明:距坝踵约一倍坝高以外淤泥覆盖层的吸能作用对坝体损伤影响轻微;岩基的塑性主要从坝踵开始,导致坝踵损伤减轻,坝体位移响应改变,对水平方向的影响更大。     

高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析

为了进行高拱坝的地震风险分析,引入幂指数函数的形式来描述地震危险性曲线,结合概率地震需求模型和地震易损性曲线函数,推求了概率地震风险分析解析函数。基于此,以实际工程为例,开展了高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析。在概率统计框架下,以高拱坝-地基系统整体抗震稳定安全评价为研究目标,在考虑坝基岩体内控制性滑动块体滑裂面力学参数不确定性基础上,构建了概率地震风险分析模型,得到了基于残余滑动位移的高拱坝-地基体系年超越概率曲线。从而给出了设计基准期限内,高拱坝-地基体系整体地震稳定达到不同性能水平的概率,为其在极限地震下的抗震安全评价提供依据,同时为现有基于准则的混凝土坝抗震安全决策转向基于风险概率的安全决策提供科学依据。     

基于扩展有限元法的重力坝强震潜在失效模式

扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式，使得对非连续位移场的表征独立于单元边界，可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。以Koyna重力坝为例，采用XFEM方法对大坝的动力渐进破坏过程进行计算分析，数值模拟结果与文献中的模型试验结果基本一致，验证了计算模型的有效性。考虑地震动频谱特性的影响，应用黏弹性人工边界，采用合理的地震波动模型对国内某混凝土重力坝强震下的动力破坏过程进行了数值仿真分析，得到不同地震波在不同强震等级作用下的大坝潜在失效模式，并概化出地震作用下坝体的潜在失效模式，为大坝抗震设计、特定失事模式下的工程安全风险率分析及洪水演进提供计算基础。     

地震动和结构参数双重随机的重力坝抗滑稳定可靠度分析

地震动和坝体结构参数的随机性均对重力坝抗滑稳定可靠度有重要影响。首先建立了重力坝建基面抗滑稳定极限状态方程,将坝体水平和竖向惯性力随机过程的最大值作为随机变量,根据随机过程参数获得此随机变量的均值和方差,实现了将地震荷载和结构参数双重随机性问题统一到随机变量模式下;然后采用JC法分析了某实际工程重力坝建基面抗滑稳定可靠度,并结合地震发生的概率分析了该重力坝抗滑稳定的失效概率;最后采用正交试验法分析了各结构随机参数对可靠度和失效概率的敏感性。结果表明：本文提出将随机过程最大值作为随机变量的方法可以用于地震动和结构参数双重随机情况下的重力坝抗滑稳定可靠度分析;实例工程混凝土重力坝沿建基面抗滑稳定可靠指标为4.23,失效概率为0.001 17%;坝体材料密度、地基泊松比以及建基面黏聚力系数和摩擦系数对可靠度计算结果影响较为显著。     

基于损伤理论的重力坝坝基岩体渐进破坏数值模拟研究

目前，有关重力坝深浅层抗滑稳定问题的研究主要集中在分析方法和失稳判据上，而对于荷载作用下坝基岩体与软弱结构面不断弱化，进而导致大坝失稳的过程则鲜有成果。本文基于损伤力学的相关理论，考虑岩体材料的非均匀性，建立了坝基岩体损伤破坏的数值分析模型。以三峡大坝左岸3号非溢流坝段为研究对象，动态模拟了其坝基岩体的损伤破坏过程，给出损伤区的发展和不同损伤程度的分布，并对其整体稳定性进行了安全分析。结果表明与室内模型试验的结果相当接近，证明了本文建立的损伤数值模型的可靠性，可以用于岩体破坏机理的研究和抗滑稳定安全性分析。     

东圳水库大坝三维动力反应分析

针对东圳水库过去设计时没有进行过具体的抗震验算。在土石坝除险加固设计时,利用FLAC3D计算机数值模拟手段对坝体动剪应力、坝体永久变形、坝顶加速度、液化敏感性等进行三维动力反应分析,评价大坝的地震安全性和抗震性能。结果：东圳水库大坝在抗震设防烈度7度情况下其抗震稳定性良好。     

Application of strength reduction method to dynamic anti-sliding stability analysis of high gravity dam with complex dam foundation

Considering that there are some limitations in analyzing the anti-sliding seismic stability of dam-foundation systems with the traditional pseudo-static method and response spectrum method,the dynamic strength reduction method was used to study the deep anti-sliding stability of a high gravity dam with a complex dam foundation in response to strong earthquake-induced ground action.Based on static anti-sliding stability analysis of the dam foundation undertaken by decreasing the shear strength parameters of ...     

重力坝动力深层抗滑稳定性研究

基于我国西南某待建高碾压混凝土重力坝,建立了典型坝段三维有限元接触分析模型,分别采用强度折减动力分析法和时程安全系数分析法,综合研究了坝基动力深层抗滑稳定性。同时针对传统时程安全系数分析存在的局限性,基于概率统计深入探讨并改进了可靠度动力安全系数评价指标。研究结果表明,大坝满足动力深层抗滑稳定设计要求,本文所采用的理论方法能够考虑地震作用的往复性和随机性,评价结果更为科学合理,为重力坝动力抗滑稳定的定量判别进行了有益探索。     

四寨水库高重力墩-拱坝整体非线性分析 和安全评价

为评价高重力墩对四寨拱坝的应力变形和抗滑安全的影响,建立了拱坝重力墩地基系统的有限元数值模型,其中考虑重力墩基础、右岸夹层和拱坝重力墩等交界面的非线性相互作用,以及基岩材料的弹塑性变形行为。分别采用水压超载法和折减强度参数法对重力墩拱坝系统进行数值模拟,并基于建议的重力墩安全评价指标对系统整体稳定性进行判定。分析表明,采用水压超载法计算的整体安全超载系数为2.5～3.0,折减强度参数法计算的整体稳定强度储备系数为2.0～3.0。参考已有的拱坝整体稳定分析统计数据,该工程的整体稳定安全系数相对较低。     

基于坝基塑性损伤的重力坝极限抗震能力研究

目前关于重力坝的研究大多仅考虑坝体的损伤破坏,而将坝基设为线弹性材料,这可能导致大坝震害情况与实际不符,而考虑坝基塑性损伤能明显减轻重力坝坝体损伤程度,可以更加真实的模拟出大坝的抗震承载能力。本文基于塑性损伤力学理论,以我国西南某拟建重力坝为研究对象,建立了考虑坝体-坝基整体塑性损伤的三维有限元动力计算模型,并对模型的正确性进行了验证。采用时程分析法分析了该重力坝在不同地震强度下的震损情况,并以坝体裂缝贯通上下游为失稳判别标准对该坝的极限抗震能力进行了评价。结果表明：当地震动强度为0.5g时,下游折坡处损伤区域贯通上游,此时重力坝上部坝体可视为脱离块体,重力坝产生失稳,因此可以判定该重力坝的极限抗震能力为0.5g。     

考虑坝基岩体抗剪强度各向异性的重力坝抗滑稳定分析方法

为研究节理岩体抗剪强度各向异性特征对重力坝抗滑稳定性的影响,利用结构面网络模拟技术,计算节理岩体在主滑动方向上沿不同角度剪切的连通率与相应的抗剪强度参数,对Mohr-Coulomb强度准则进行各向异性修正。在此基础上,结合极限分析法,提出了一种考虑岩体抗剪强度各向异性特征的重力坝抗滑稳定分析方法。将该方法应用于向家坝泄12坝段的深层抗滑稳定分析,并与传统方法的计算结果进行对比。结果表明:该方法与传统方法获得的临界滑裂面位置比较接近,但其抗滑稳定安全系数明显小于传统方法,且临界滑裂面的剪出段倾角与坝基岩体连通率的最大值方向基本一致,和实际情况相符。该方法充分考虑了岩体抗剪强度各向异性的影响,对合理评价重力坝的抗滑稳定性具有重要的工程和现实意义。     

多目标约束下的土石坝抗液化措施数值建模与优化分析方法

土石坝坝基地震液化问题严重威胁工程安全。现阶段的液化研究主要集中于液化机理分析,而在抗液化措施的设计优化方面,现有土石坝工程主要依靠以往的工程经验来处理坝址的液化土层。本文构建了以土石坝坝体坡面水平位移梯度、坝顶震陷和抗液化措施成本最小化为优化目标的数学模型,提出了以静动力抗滑稳定安全系数、地基最大液化范围、液化深度、典型点地震过程中平均液化度和震后永久水平位移为约束条件的土石坝压重平台和坝基置换参数优化设计方法;采用完全非线性动力算法和多目标遗传算法,通过VC++集成FLAC3D进行开发,实现了综合考虑土石坝抗液化措施的安全性能与经济效益的多目标优化设计。该方法应用于工程实例中,采用存档微遗传算法对压重平台及地基开挖置换的9个控制性设计参数进行优化。结果表明,优化后的方案相较初始方案使上下游坝体坡面水平位移梯度指标降低了16.59%和24.33%,坝顶震陷减少了21.03%,工程造价节约了18.53%。所提出的模型与方法为改善土石坝坝基液化问题提供了新的思路。     

混凝土重力坝深层抗震抗滑稳定分析研究

凝土重力坝沿坝基深层缓倾角软弱结构面的抗滑稳定是工程设计的一个关键技术问题,深层抗滑稳定分析主要采用刚体极限平衡的等安全系数法。在深层抗滑稳定分析中发现,抗力角的合理选取及抗力体底滑面角的确定对计算成果的可靠性至关重要。通过对亭子口重力坝深层抗震抗滑稳定性的分析研究,提出了抗力角的取值原则,即其最大值不能超过坝趾基岩竖直面上主应力方向与水平面的夹角,以及以抗力最小为原则确定抗力体底滑面与水平面的夹角;并依此原则用刚体极限平衡等安全系数法分析论证了该重力坝表孔坝段初步设计方案深层抗震抗滑的稳定性。     

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。