Features of seismic hazard in large dam projects and strong motion monitoring of large dams

Earthquakes can affect large dam projects in many different ways. Usually, design engineers are focussing on ground shaking and neglect the other aspects. The May 12, 2008 Wenchuan earthquake has damaged 1803 dams and reservoirs, and 403 hydropower plants with an installed capacity of 3.3GW. Among these dams were the 132-m-high Shapai RCC arch dam and the 156-m-high Zipingpu concrete face rockfill dam. These recently completed dams are dam types which, up to now, have not experienced strong ground shaking. The widespread mass movements have caused substantial damage to dams and surface powerhouses in Sichuan. The different features of earthquake hazard are presented, i.e., ground shaking, faulting and mass movements. It is proposed to prepare project-specific safety plans for all dams, which consist of a matrix where the possible hazards and the corresponding countermeasures are listed. The earthquake behaviors of the Sefid Rud, Zipingpu and Shapai dams, which, in the past, have experienced strong ground shaking from nearby earthquakes, are discussed. Finally, the need for strong motion instrumentation of large dams is discussed. It is proposed that major dams with large damage potential, dams located in areas of high seismicity, and dams showing signs of abnormal behavior be equipped with strong motion instruments.     

汶川8.0级地震对典型高坝结构安全的影响分析

 汶川8.0级地震具有震级高、震源浅、破坏性强和次生地质灾害严重等特点。在对震区高坝灾情归类分析的基础上,选择典型的不同坝型高坝,包括宝珠寺重力坝、沙牌碾压混凝土拱坝、紫坪铺面板堆石坝等工程,从大坝距发震断裂距离、大坝基础处理及大坝结构类型的抗震性等因素对大坝结构安全的影响展开分析研究。结合在建的一批300 m级高坝,对抗震设防标准、水库诱发地震等问题进行讨论。结果表明：(1) 现行大坝抗震设计是可行的,300 m级高坝工程抗震能力仍需深化研究;(2) 大坝工程基础、抗力体经合理加固后,增强了岩体结构的整体性,可有效提高大坝及基础的抗震能力;(3) 高坝应急预案的设计与管理,流域性统一公共水电工程灾害应急平台建设有待加强;(4) 对水库诱发地震的研究需加强。     

水库大坝地震后特别检查(英文)

地震可以不同方式对水库大坝造成破坏:①强烈的地振动;②坝基沿断层或其他间断面的位移;③水库内断层活动引起波浪使大坝失去超高;④岩体向水库运动形成冲击波。大地震影响的范围较广,可能影响的水库大坝数量也较多,如2001年发生的印度Bhuj地震,有240多座水库大坝(主要为小型的土石坝)因遭受破坏而需要除险加固。另外,2008年5月12日发生在四川汶川的8级地震,有1580多座水库大坝遭受到不同程度的破坏。2008年6月14日日本Iwate-Miyagi Nairiku7.2级地震发生后,对其涉及的134座水库大坝进行了地震后特别检查。通常,负责大坝安全的部门需要通过调查对震损水库的安全状况进行评估,进行调查时最好使用检查表。2008年国际大坝委员会对使用了20a的地震后水坝检查导则进行了全面修订,其中包括土石坝及混凝土坝的震后检查表。介绍了导则修改后的特点,并希望提供的检查表不仅应用于水库大坝的震后检查,也可应用于水库大坝一般检查。     

紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固措施大型振动台模型试验研究

紫坪铺水库面板堆石坝坝顶区下游干砌石护坡在汶川地震中遭到了较严重的震损破坏,是大坝震后抗震加固处理的重点环节。综合考虑已有高土石坝坝坡抗震加固措施在大坝震后加固中的适用性,并参考浆砌石护坡在强震中表现出的良好抗震性能,浆砌石护坡成为了紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固的重要选择。针对紫坪铺大坝坝坡震后抗震加固工程,进行堆石坝坝顶区坝坡抗震加固措施(干砌石护坡和浆砌石护坡)大型振动台模型试验,研究砌石护坡的抗震加固机理并验证其抗震加固效果;同时,结合大坝地震动力反应计算和大坝振动台模型试验的研究成果,确定了大坝坝顶区浆砌石护坡的加固范围。研究表明:浆砌石护坡在强震中具有良好的整体性,干砌石护坡在强震中的局部碎、块石滑移导致护坡整体渐进破坏,浆砌石护坡对堆石坝坡的保护作用明显优于干砌石护坡;紫坪铺大坝下游坝坡震后浆砌石护坡加固范围取为3/4坝高以上坝顶区坝坡较为合理。     

堰塞湖坝体动力特性及加速度分布规律大型振动台模型试验研究

 2008年汶川八级地震形成了至少257个堰塞坝,主震后发生的大量余震可能会影响堰塞坝的动力安全状态。堰塞坝体的动力特性参数(包括自振频率和阻尼比等)和加速度分布规律是堰塞坝地震安全研究的基础内容。通过大型振动台模型试验,研究在余震作用下模型堰塞坝体的动力特性参数、加速度分布规律及二者的影响因素,并根据动力相似律,计算原型坝体的动力特性参数。共进行2组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小(坝体I)和基本不含黏粒且颗粒较大(坝体II)的2种坝体。在不同地震波形输入、不同加速度峰值和不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明：(1) 模型坝体具有较稳定的X向和Z向自振频率和阻尼比。(2) 先期振动使坝体自振频率降低,阻尼比有增大趋势;坝体I的自振频率小于坝体II。水位变化对2种坝体自振频率的影响规律不一致。(3) 加速度放大倍数随高程增大而增大,最大加速度发生在坝顶处;相同高程测点加速度放大倍数最大值出现在上游或下游靠近坝坡表面处,即“表面放大”效应明显,说明坝坡表面容易受地震作用破坏。(4) 所含频谱成分与坝体自振频率接近的地震波会引起最大的加速度反应。Z向振动使坝体测点X向加速度放大倍数增大。加速度放大倍数一般随输入加速度峰值的增大而减小。     

土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

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。     

复杂地基上高拱坝开裂与稳定研究

研究复杂地基上高拱坝坝面开裂与稳定的力学机制,这些机制涉及到大坝温度变化、大坝的基础弱化、渗流影响等.首先从分析大坝坝面裂纹细观开裂扩展的主轴本构力学机制、节理岩体的宏观开裂强度条件.然后提出大坝破坏的机构条件作为大坝整体稳定的判据.最后结合复杂地基的溪洛渡拱坝,运用提到的开裂与稳定模型,分析大坝在超载工况下,裂纹从细观裂纹扩展到宏观开裂,以至大坝失稳的全过程;分析建基面的点安全度随超载变化规律以及大坝的整体稳定.结果显示提到的分析方法有较好的应用价值.     

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。     

汶川大地震紫坪铺混凝土面板堆石坝震害现象与变形监测分析

 2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震,震中烈度XI度,造成地面建筑物严重破坏。紫坪铺面板堆石坝坝高156 m,距汶川地震震中17 km,是地震灾区距地震震中最近、工程规模最大的一个高坝水库工程。紫坪铺大坝受地震影响,产生了一定的变形破坏,引起学术界和工程界广泛关注。依据大坝地震后宏观变形现象和变形监测资料,对大坝堆筑体和混凝土面板的变形破坏现象进行详尽的描述和分析;在此基础上综合分析认为,大坝变形特征以沉降为主,水平位移相对较小,大坝整体处于收缩压密状态,最大沉降发生在大坝顶部,量值为900～1 000 mm,沉降与坝高之比约为0.6%,大坝坝体和下游坝坡没有产生显著破坏,大坝结构功能受地震影响较小。     

Seismic performance and numerical simulation of earth-fill dam with geosynthetic clay liner in shaking table test

In this paper, shaking table tests were carried out on both a small-scale and a full-scale earth-fill dams with geosynthetic clay liners to examine their seismic performance. The behavior of these fully instrumented earth-fill dams when subjected to seismic loading was also simulated by numerical analysis. Firstly, in the small-scale shaking table test, no failure was observed along the geosynthetic clay liner when the earth-fill dam was subjected to seismic motion. Numerical analysis confirmed that the behavior of the model earth-fill dam was unaffected by the geosynthetic clay liner. Secondly, a comparative shaking table test was carried out on full-scale earth-fill dams, one with a sloping core zone and another with a geosynthetic clay liner. Both model dams showed similar acceleration response and deformation behavior. It should be mentioned that the acceleration response increased gradually toward the top of the dam, and the deformation, after shaking, was relatively large near the foot of the slope. These observations were successfully simulated by the numerical analysis.     

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。     

基于近场发震构造最大可信地震的坝址设计参数综合评价

受近场大震影响的大坝场址,基于最大可信地震进行坝址地震动参数估计是现行水工抗震设计标准提出的要求,但工程实践中缺乏可操作性的规定.该文主要目的是基于随机有限断层法,考虑符合真实特性的震源破裂、路径及场地衰减等影响,建立坝址最大可信地震动参数评价方法,并以溪洛渡坝址为应用实例进行详细说明.首先针对地震活动和地质环境复杂的...     

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。     

Modified risk assessment tool for embankment dams: case study of three dams in Turkey

Dam failures are catastrophic accidents resulting in property damage and loss of life. Risk prioritisation systems should be used in accordance with dam safety regulations to prevent these disasters. The purpose of this paper is to develop a risk assessment software which can be used by the decision makers for ranking of dams. Risk assessment was conducted on three embankment dams from Turkey to obtain information about the dam performance based on piping, earthquake, normal stability and flood failure modes. Parameters are incorporated into the programme to develop a new model that could predict variables such as breach width, dam failure time, side slope and peak breach discharge. The proposed tool gives flexibility to choose dam elements for describing the primary features of the evaluated dam; so users can make hazard categorisation of dams according to their risk level which is based on unique project conditions.     

小流域淤地坝系的溃决洪水分析

中国黄土高原建成了数量众多的淤地坝,形成了大量的小流域坝系。当坝系的空间分布不合理时,一坝溃决往往引起下游坝连锁溃决。为了合理评价坝系的整体防洪能力,提出了一套模拟暴雨引起淤地坝坝系连锁溃决过程的方法。定义了坝系中坝的分级规则,提出了一种自动确定每座坝分级的方法。根据坝的分级从低到高的次序,依次对坝系中的每座坝进行产流分析、水库调蓄分析、溃坝判别和溃坝洪水分析,从而模拟坝系的连锁溃决过程。基于上述方法编制了计算程序,对陕西省绥德县的王茂沟小流域坝系的连锁溃决问题进行了模拟,并结合有关淤地坝水毁调查资料对模拟结果进行了分析。     

Full scale investigation of GCL damage mechanisms in small earth dam retrofit applications under earthquake loading

This paper reports results of full scale testing to further explore potential GCL damage mechanisms in earth dam retrofit applications in seismically active areas; in particular, to a) investigate whether shear displacements could reduce the magnitude of GCL panel overlap during earthquake shaking; b) explore the influence of gravel particles on GCL thickness at localised point of contact; and c) observe the consequences of an accidental exposure of an uncovered GCL to short duration rainfall in terms of moisture content and effects during subsequent compaction. The results of these experiments indicate that even under severe shaking no movements were detected at the GCL panel overlap. Whereas gravel particles were observed to locally reduce the thickness of the GCL to 2.2 mm, no plowing of the particle into the GCL occurred due to a lack of shear displacement at the interface, resulting in no localised internal erosion through the barrier. Furthermore, hydration of GCL panels during construction due to surface wetting was observed to result in a state of hydration less than its post-construction state. These results indicate that although each of the three GCL damage mechanisms cannot be ruled out to ever be relevant in practice, the performance of the GCL retrofitted earth dam tested was satisfactory under even severe Level 2 earthquake shaking, and suggests that the retrofitting of small earth dams with GCLs is a promising strategy to improve their static and seismic resistance.     

高拱坝振动台地震破坏试验研究及数值仿真

 以大岗山拱坝模型的动力破坏试验为基础,从试验和数值计算角度,对整体拱坝动力特性、薄弱部位、破坏形态以及抗震性能进行研究。采用和混凝土性能相似的脆性模型材料,通过逐级加载的方式在振动台上对整体拱坝进行从弹性到破坏整个过程的模型试验,分析坝体动态特性、加速度和应变的变化规律。并采用弹脆性损伤模型对混凝土拱坝在地震作用下损伤破坏的全过程进行数值仿真,探讨拱坝动力破坏过程、破坏形态,并与试验结果进行对比分析。结果表明：模型试验和对原型进行的数值模拟所得到的破坏过程和破坏形态都较为接近。在顺河向地震作用下,顶拱的坝中部位为地震应力最高的区域,是坝体薄弱的部位,整体拱坝首先在该位置出现裂纹,其次是顶拱距左右两岸1/4拱圈处。在强震作用下,拱向和梁向裂缝贯穿上下游,将导致拱顶中部的混凝土脱离坝体,丧失壅水功能。试验和计算结果相互印证,可呈现高拱坝在强烈地震作用下的损伤破坏过程及破坏形态,确定抗震薄弱环节,为混凝土高坝的抗震功能设计提供基础。     

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。     

拱坝振动台动力破坏试验研究

水电资源富集而高烈度地震频发的西南、西北地区的水电建设在西部大开发和全国能源合理配置中具有举足轻重的战略地位,而高拱坝抗震安全是西部水电开发建设的关键技术之一。针对拱坝在强地震动作用下的动力响应和损伤破坏过程,进行振动台模型试验研究。试验模型最大限度地模拟影响拱坝地震响应的各种主要因素,包括坝体—基础—库水间动力相互作用,坝体构造横缝,坝肩关键滑裂体,动态能量辐射等。模型坝体材料采用自然干燥粉状材料加压制成,满足模型强度相似要求。在逐级增加的输入地震作用下坝体共发生11处可确认开裂损伤,但未出现受压破坏。试验模拟呈现拱坝在地震作用下的响应及其损伤破坏过程,确定抗震薄弱部位,为全面定量评价拱坝的抗震性能提供重要依据。