黏-弹性人工边界在双江口土石坝动力分析中的应用

应用黏-弹性人工边界于双江口土石坝的动力响应分析中,考察了黏-弹性人工边界及地基辐射阻尼效应对土石坝动力响应的影响程度。计算果表明,该方法比传统的固定边界无质量地基下的大坝加速度动响应结果降低了15%~30%,在土石坝的动力响应分析中应当予以重视。     

土石坝二维地震反应有限元计算的影响因素研究

用有限元法计算土石坝地震反应时,有限元模型的网格剖分、计算边界的处理是计算精度的主要影响因素,也是有限元法分析前处理的主要工作。基于河海大学岩土工程研究所开发的二维有限元土石坝计算程序,分析了网格剖分的形式、网格的合理尺寸、简单边界的计算取值范围对土石坝地震反应的影响。研究结果表明,在土石坝地震反应计算中,网格剖分的整体形式应该水平成层,网格尺寸以最大坝高的7 %～10 %为上限;在有覆盖层的土石坝工程中,简单边界的计算区域应包括覆盖层,并与覆盖层厚度有特定的关系。上述成果可使前处理过程更严谨、更易操作,可作为研究和实际工程计算的参考。     

土石坝拟静力抗震稳定分析的强度折减有限元法

基于拟静力抗震设计概念,提出利用强度折减有限单元法分析土石坝的抗震稳定性,给出了两种确定地震惯性力的方法：（1）依据《水工建筑物抗震设计规范》[1],并结合有关土石坝动态分布系数计算了沿坝高分布的地震惯性力;（2）直接利用土石坝有限元地震动力反应分析得到的单元节点加速度反应,依据建议的方法确定坝体各单元节点的地震惯性力。将上述计算确定的地震惯性力与其他形式的外荷载共同作用到土石坝上,采用强度折减有限元法确定土石坝坝体的拟静力抗震安全系数。对于稳定渗流期,水位降落期等不同工况,或需要考虑振动孔隙水压力作用的饱和无黏性土填筑坝等不同计算条件,给出了使用折减强度有限元法分析坝体抗震稳定性的实现途径和方法。研究表明,有限元法对边界条件、复杂断面条件和材料分区及荷载组合均具有较强的适应能力,因此,使用有限元法分析土石坝抗震稳定性具有显著的优越性。     

基于动土压力影响的坝基动剪切模量反演研究

对于土石坝的坝基中土体应力-应变关系的求解,由于非自由地表以及土体所受水平正应力变化的影响,理想一维剪切梁模型方法并不适用。利用下覆饱和砂土地基的土石坝离心振动台试验,分析了不同输入地震峰值下非坝体覆盖区地基、坝中、坝趾处土体加速度的响应规律,得到了坝基中上部土层动土压力在水平向的变化特征,提出了考虑水平向动土压力影响的坝基土体剪应力-剪应变反演计算方法,并与利用理想一维剪切梁模型所绘制的应力-应变滞回圈对比,分析了动土压力对坝基土动剪切模量的影响。结果表明：由坝基底部至坝顶,加速度的放大效应基本呈线性增大;土压力在水平向的变化情况在剪应力-剪应变反演计算中不能忽略;考虑水平向动土压力的影响后,土体剪切模量的计算值减小。随着深度增加,动土压力对坝基中部土体剪切模量的影响比上部土体更大,且计算相对误差随着深度和输入地震波峰值加速度的增加而变大。     

地震加速度动态分布及对高土石坝坝坡抗震稳定的影响

《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-1997）建议的土石坝地震加速度动态分布系数适合于150 m以下的土石坝,而前许多土石坝的设计高度已远大于150 m。与低坝相比,高坝受地基刚性的约束减弱,坝体的自振周期延长。在坝体地震反应中,高阶自振周期与地震卓越周期耦合的机率增大,高阶振型的振动易被激发放大,从而导致坝体地震加速度沿坝高的分布与低坝有所不同。据此,采用有限元法研究了高土石坝的加速度分布,提出了高于150 m土石坝的地震加速度动态分布系数图示。在此基础上,利用堆石材料的非线性强度准则,对高度超过150 m的土石坝坝坡抗震稳定性作了进一步的分析,得出随着坝体地震加速度动态分布系数的降低,坝坡临界破坏的安全系数有所提高。     

固结比对黏性土动剪切模量影响的研究

采用共振柱试验方法,对固结比对黏性土最大动剪切模量和对动剪切模量比与剪应变非线性关系的影响进行了研究,并通过土层地震反应计算,初步给出了这种影响对地表反应谱作用的估计。通过对粉质黏土和粉土的系统试验,提出了计算不同固结比粉质黏土和粉土最大动剪切模量的建议公式,并与Hardin公式进行了对比。结果显示,固结比kc >1.0时的最大动剪切模量较kc=1.0时的增长程度明显比Hardin公式要大。与砂土试验结果相比,固结比对黏性土最大动剪切模量影响程度更大。同时,分析了固结比对动剪切模量比与剪应变非线性关系及对地表反应谱的影响。结果表明,固结比对黏性土动剪切模量比与剪应变非线性关系有一定影响,随固结比增加,动剪切模量比非线性关系曲线有一定提高,动剪切模量比值增大,在强地震动作用下的土层反应分析中应考虑实际固结比的影响。     

基于随机地震反应的桥墩-群桩-土相互作用研究

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明：相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关;软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5 %～30 %左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

高土石坝裂缝分析的变形倾度有限元法及其应用

土石坝张拉裂缝一般由坝体的不均匀沉降变形引起,是土石坝破坏的主要诱因和表现形式之一。将基于现场沉降监测资料的传统变形倾度法进行了扩展,通过在有限元计算程序中嵌入变形倾度计算模块,发展了基于有限元变形计算的变形倾度有限元法。该方法简洁实用,方便与常规有限元变形计算相耦合,可作为在工程设计阶段分析和估算土石坝是否会发生表面张拉裂缝的实用方法。应用所发展的变形倾度有限元法,以糯扎渡高心墙堆石坝工程为例,进行了坝体后期变形引起坝体表面发生张拉裂缝的敏感性计算分析,探讨了高土石坝变形倾度的分布规律以及与坝体后期变形的关系,发现对糯扎渡高心墙堆石坝,坝顶后期沉降最大值小于坝高0.39%,可作为防止发生坝顶横向张拉裂缝的控制工况。通过工程实例的计算,说明提出的方法可用于高土石坝的裂缝预测分析。     

土石坝变形计算中的应力路径问题

通过试验资料,说明了应力路径对砂土的应力-应变关系的影响;从实测资料及有限元法计算的结果,分析了土石坝中应力路径的特点;然后介绍了部分现有在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的方法;最后,通过砂土的等应力比及变应力比路径试验资料的分析,揭示了二者之间具有良好的相关关系,推导了变应力比路径下非线性弹性模型参数的计算方法,提出了在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的分析方法。     

基于变形的土石坝地震风险分析

土石坝抗震安全的设计一般立足于预防结构的倒塌,如何使土石坝结构地震破损控制在可接受的风险水平是一个值得研究的重要课题。应用地震风险分析理论,建立了土石坝地震风险分析方法,包括地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失评估3个方面。在场地地震危险性分析基础上,将基于性能的抗震设计思想应用于土石坝结构地震易损性分析中,以土石坝坝顶相对沉陷为评价指标,划分土石坝震损等级,最后结合地震经济损失分析,建立了土石坝地震风险计算模型,在技术和经济上对土石坝地震破损风险进行分析计算。以某高土石坝为例,用该模型对大坝的震害和经济损失进行了预测分析,其结论可为土石坝安全评价及投资决策等提供依据。     

基于土石坝动力特性的坝料动力参数反演

采用现行的室内外试验方法确定的土石料动力参数与实际坝料的动力参数有何差异是人们关心的问题之一。提出了基于土石坝动力特性的坝料动力参数反演方法,并使用该方法反演了一个假想混凝土面板堆石坝的坝料动力参数,证明该方法是可行的,计算精度基本满足实际工程要求。利用紫坪铺面板堆石坝在汶川地震中的余震加速度响应信息,反演了坝料的最大动剪切模量系数K和指数n。结果表明,由室内动三轴试验得到的坝料最大动剪切模量系数K值偏小,建议进一步研究予以修正。     

高心墙堆石坝地震变形与稳定分析

针对西部强震区一300m级高心墙堆石坝,采用三维非线性有效应力动力有限元分析方法,在地震反应分析基础上,应用所建立的分析方法,重点研究了高心墙堆石坝的地震残余变形、坝体单元抗震安全性和坝坡的抗震稳定性,得出了大坝地震残余变形和动力稳定的有关规律和结论,可供工程建设参考.     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。     

深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力分析

针对强震区深厚覆盖层上高土石坝的特点,在三维真非线性有效应力地震反应分析基础上,提出了一套深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力的研究方法。从稳定、变形、防渗体安全等方面,对建在深厚覆盖层上的长河坝高心墙堆石坝的极限抗震能力进行了研究和分析。根据坝坡稳定性、地震残余变形、液化可能性、单元抗震安全性、防渗心墙及坝基防渗墙安全等多角度的评价结果,初步认为,长河坝的极限抗震能力为0.50～0.55g。     

芦山地震冶勒大坝强震监测资料分析

冶勒沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高为124.5 m,坝址区地震烈度高,地质条件复杂,两岸坝基条件严重不对称。大坝上布设了9台强震仪组成的强震监测台阵,曾获得2008年汶川地震和攀枝花地震的大坝强震监测记录。2013年4月20日四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震,冶勒大坝距震中约212.5 km,坝址区震感较为强烈,强震监测台阵获得了此次地震较为完整的有效记录。对芦山地震主震记录进行时域分析和频谱分析,总结冶勒大坝在芦山地震中的动力反应规律,并与汶川地震时坝体动力反应进行对比分析。研究表明,芦山地震主震时冶勒大坝最大加速度记录为47.043 cm/s2,最长持续时间为76.98 s,坝顶动力放大效应明显;芦山和汶川地震时大坝动力反应规律的差异与地震波频谱特性及大坝自振特性等密切相关。总体而言,冶勒大坝在震后运行安全稳定,芦山地震未对冶勒大坝造成明显不利影响。     

堆石料残余变形特性与参数敏感性分析

基于搜集的国内多座土石坝堆石料的动力试验成果,研究了堆石料的振动残余变形特性。在整理试验数据过程中,尝试对沈珠江模型进行改进,改进模型充分考虑固结比对堆石料振动残余变形特性的影响,并能更好地拟合试验数据。通过对理想面板堆石坝进行地震动残余变形计算,对比分析了与沈珠江模型、孔宪京改进模型以及凌华改进模型的异同,阐述了本次改进模型的合理性。此外,在统计大量试验数据的基础上,给出了 - 与 - 关系曲线的平均线及上、下包络线,采用该统计曲线对理想面板堆石坝进行了地震残余变形敏感性分析。计算结果表明：参数c4、c5对坝体残余变形影响较大,参数c1、c2影响程度较小;选取均值曲线参数可应用于缺乏动力试验的中小型土石坝抗震设计。     

高混凝土面板堆石坝流变的三维有限元数值模拟

采用一种新的能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石料流变特性的应力-应变仿真分析。结果表明,考虑堆石料流变特性后的坝体变形有明显的增加,坝体应力有所松弛。堆石体的流变特性使得面板的挠度有所增加,面板顺坡向和坝轴向拉应力极值有所增大。对于分期浇筑面板、分期蓄水的高混凝土面板堆石坝,选用合适的流变本构模型正确地模拟堆石体的流变特性,其结果可以为大坝填筑进度及面板分期浇筑时间的确定提供参考,对于正确地预测大坝的应力变形也具有重要意义。     

高心墙堆石坝极限抗震能力初探

高土石坝需要进行极限抗震能力和地震破坏模式分析。通过坝体动力反应分析、动强度验算以及地震变形分析,综合研究了高心墙土石坝的破坏过程。认为处于抗震极限状态的大坝防渗体及上游反滤料的顶部存在动强度不足问题,进而引起坝顶地震裂缝及上游反滤料顶部液化,最终导致坝体上、下游坝坡的失稳破坏     

Time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction including the reservoir bottom absorption

In this paper, time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction is presented by coupling the dual reciprocity boundary element method (DRBEM) in the infinite reservoir and foundation domain and the finite element method in the finite dam domain. An efficient coupling procedure is formulated by using the sub-structuring method. The effects of the reservoir bottom absorption are included in the formulations. Sharan's boundary condition for the far-end of the infinite fluid domain is implemented. To verify the proposed scheme, numerical examples are carried out by comparing with the available exact solutions and finite–finite element coupling results for the dam–reservoir interaction. A complete dam–reservoir–foundation interaction is also studied by including the bottom absorption effects. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

各向异性对积石峡面板堆石坝渗流的影响分析

面板堆石坝的坝料在填筑过程中由于碾压等原因而表现出较强的各向异性。采用固定网格有限元全场各向异性渗流分析方法,对积石峡面板堆石坝进行了正常和面板出现裂缝等非常工况条件下的二、三维渗流分析,计算了大坝渗流量和渗流场,探讨了面板裂缝的位置对渗透的影响。计算结果表明,在正常工况条件下,大坝具有良好的渗透稳定性。面板不同的裂缝位置对大坝渗流影响不同。