边界条件对土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,需要对有限网格的边界条件进行处理,以反应实际地基在空间上的无限性。分别采用黏性边界和刚性边界,对土石坝进行了动力分析。结果表明：随着坝高增加,黏性边界对坝顶加速度反应影响逐渐增大;对于均质坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低10 %～30 %;对于实际双江口直心墙土石坝,考虑黏性边界计算的坝顶加速度反应约比刚性边界低30 %～40 %左右。     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

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。     

超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的精细化分析EI北大核心

混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基上修建土石坝的主要坝基防渗结构,是保证大坝安全的关键防线,因此,精细模拟防渗墙的受力状态,对于合理评价深厚覆盖层上土石坝工程具有重要意义。联合增量迭代法和有限元-比例边界有限元耦合方法,实现了土石坝应力变形的跨尺度精细化分析,克服了中点增量法求解局部强非线性问题时精度低的缺陷;发现了防渗墙-心墙接头附近和防渗墙底部土体剪切带的局部大应变特性,阐明了传统方法无法描述土体局部大应变而高估防渗墙应力的机制;提出了设置薄层单元来模拟应变局部效应的高效计算方法,实现了超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的三维精细化分析。本研究发展的有限元-比例边界元-增量迭代法-预设薄层单元的跨尺度非线性分析方法可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。     

深厚覆盖层上土石坝抗震分析的三维真非线性方法及应用

针对强震区深厚覆盖层上土石坝工程的特点,基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,考虑孔隙水压力消散和扩散,建立了深厚覆盖层上土石坝地震反应分析的三维真非线性有效应力动力分析方法及抗震安全评价方法。利用土石料动力特性的大型三轴试验成果,对一深厚覆盖层上的土石坝进行了地震反应分析,给出了坝体及覆盖层地基的加速度反应、应力反应,并结合单元抗震安全系数、防渗墙动应力、地震残余变形、坝坡动力稳定性等进行了抗震评价,为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据。     

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。     

基于非结构化网格的2．5D直流电阻率模拟

结合大型通用有限元软件ANSYS所提供的强大网格剖分功能,实现了2D地质模型的非结构化三角形网格剖分,并编写了2.5D直流电阻率有限元法FORTRAN语言计算程序.经计算对比表明,在节点数基本相同时,非结构化三角形网格比传统的矩形网格、矩形～三角形网格具有更高的计算精度,可以很好地拟合复杂地形和地质体边界.在此基础上,采用非结构化三角形网格,计算了起伏地形下2.5D地电模型的视电阻率异常,并利用比较法进行了地形改正.与水平地形时的结果对比表明,比较法可以较好地消除地形影响,突出局部地质体的异常.     

GIS在边坡有限元数值分析前处理中的应用

有限元数值分析是边坡稳定性研究中较为常用的定量分析方法,但有限元分析的前处理工作通常比较繁琐,从而影响了该方法的整体工作效率。利用GIS软件实现了从计算剖面确定、计算剖面自动绘制到网格自动剖分的全部前处理过程。有效提高了边坡有限元计算的前处理工作效率,同时也提高了计算剖面图的科学性和边坡评价的准确性。     

MT有限元模拟中截断边界的影响

利用有限元方法进行大地电磁正演数值模拟时,由于是在有限网格区域上的数值计算,模拟计算时的网格边界为截断边界,而有限元数值模拟时的大地电磁场边界条件需要在足够远处才能够满足,所以截断边界的存在可能会使大地电磁正演模拟的边界条件无法满足,致使对计算结果和计算精度产生影响。利用有限元二维正演程序,在网格边界处加载一维情况下的大地电磁场,然后固定研究区域的网格剖分,并对一维地电模型和二维地电模型在改变有限元网格边界大小的情况下进行计算。在对一维模型进行模拟计算时,截断边界对边界条件没有影响,边界条件自然满足。而对二维模型进行模拟计算时,截断边界的存在对计算结果有较大影响。利用趋肤深度作为有限元网格边界变化的量度,通过改变网格边界大小,对不同的二维地电模型进行计算比较,总结出适合大地电磁有限元正演模拟的参考网格边界。     

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。     

基于ANSYS二次开发的水库围堤地基液化分析

基于ANSYS有限元软件二次开发,对某水库围堤地基进行液化分析.选取具有代表性的围堤断面建立二维有限元模型,计算得到场地建围堤前后孔隙水压力与有效应力比的分布情况以及建围堤后坝体的震陷分布情况.计算结果表明,地基中心部位的孔隙水压力比比两侧的孔隙水压力比小,围堤地基中心部位可以不进行地基液化处理,堤脚压重可以有效地降低液化程度.该成果可作为其他类似工程设计的参考.     

地震作用下高堆尾矿坝永久变形与稳定性分析

综合采用时程分析法、整体变形分析法（等效节点力法和软化模量法）、极限平衡法等方法,以小打鹅尾矿库为例,分析了该高堆尾矿坝的永久变形和动力稳定性。分析了干滩面长度、尾矿堆积坝高度、设计地震加速度等影响因素对尾矿坝的安全系数和永久变形的影响,以及地震作用下尾矿坝安全系数的时程变化规律。结果表明：尾矿坝的地震永久变形与一般土石坝的存在差异,其水平方向的永久变形大于竖直方向的永久变形,且永久变形与坝高不一定呈单调递增关系;地震中尾矿坝的最小安全系数与各影响因素大体呈线性关系,而坝顶处的震陷与各影响因素之间呈非线性关系;地震过程中尾矿坝瞬时安全系数具有波动降低的特点,为此,完善了地震作用下尾矿坝最小平均安全系数的计算方法。该研究表明小打鹅尾矿库坝体的抗震性能能够满足相应抗震设防要求。     

Geologic problems related to dam sites in Jordan and their solutions

The geologic structures associated with several selected dam sites in Jordan and the tectonic effects on dam foundations and reservoir margins are reviewed. Rock defects, especially discontinuities represented by faults and closely spaced, open joints are investigated. Related problems, such as loss of water from the reservoir by seepage and leakage within the dam foundation are evaluated. The regional seismicity is analyzed and a design earthquake is established for each dam site.

Two major embankment dams are investigated, together with two large proposed dams and several small dams.

This paper discusses in some detail the regional setting and site-specific geology, and the occurrence, size and inclination of faults and joints at each dam site. Moreover, the effects of the faults on the operational performance of each dam are described and specific techniques are used or proposed for remediation are outlined.

The study shows that the combination of faults and joint features cause leakage problems at the operational dams in Jordan. Although, preventive measures such as grouting have been implemented, further leakage and/or seepage problems are anticipated and a monitoring system is needed to control and foresee such problems.

Jordan is an earthquake-prone region. Consequently, it is recommended that the design of embankment dams in the vicinity of the Dead Sea-Jordan Valley Rift should include such considerations as dynamic loading and associated hazards, including embankment acceleration zoning, foundation liquefaction risk and rockhead rupture. The magnitude of the design earthquake at each dam site can be estimated following the guidelines of ICOLD (1989), which are based on probabilistic seismic hazard analysis.     

碾压混凝土高拱坝坝肩稳定及坝体开裂静动力分析

强震区高拱坝抗震问题的研究十分重要,高拱坝静力稳定研究和极限抗震能力复核,是确保地震后不发生库水失控下泄的关键课题之一。采用物理模型试验与数值计算的方法,根据汶川震后新核定参数,并考虑降强因素的影响,对沙牌碾压混凝土拱坝进行静动力分析和复核。通过三维地质力学模型综合法静力破坏试验,研究拱坝坝肩在正常荷载作用下的稳定安全性,得到沙牌拱坝坝肩综合稳定安全系数为3.76,建议对两坝肩开裂较严重区域进行加固处理。在此基础上,基于反应谱理论进行三维有限元动力分析,将应力成果导入开发程序由Drucker-Prager（D-P）和Mohr-Coulomb（M-C）准则对加固后的沙牌拱坝进行动力复核计算,并研究大坝的开裂情况和极限抗震能力,计算结果表明,沙牌拱坝的整体抗震稳定性能良好,仅在万年一遇地震工况下发生坝肩浅表层失稳。研究成果表明,沙牌拱坝坝肩稳定性较高、坝肩加固效果良好,从而在“5.12”汶川地震中表现出超强的整体稳定性和抗震能力,其全面开展的研究工作和采取的工程措施可供国内强震区同类型拱坝工程建设及运行借鉴和参考。     

水库围堤地基液化有效应力动力分析

利用基于Biot方程耦合场分割算法的ANSYS有限元软件二次开发形成的岩土工程有效应力分析模块,对某水库围堤坝基进行了液化震陷分析。计算中选取具有代表性的堤坝断面建立二维有限元模型,并采用上海50 a超越概率10％的人造地震波加速度-时程作为基底输入地震。计算得到围堤孔隙水压力与有效应力比的分布情况以及震陷分布情况。分析结果表明,坝基中心部位的孔隙水压力比要比坝脚两侧的孔隙水压力比小,坝基中心部位可以不进行地基处理。该方法可为今后其他类似工程的设计和施工提供参考。     

在软土地基上有反压护道路堤及堤坝的稳定计算

用反压护道对软土路基进行处理,是保证路堤及堤坝稳定常用的工程措施之一。而目前较常使用的极限平衡法在对有反压护道的路堤及堤坝稳定性进行分析计算时,其结果及搜索到的滑动面位置和形状与实际差别较大。通过强度折减分析了不同工况下有反压护道的路堤的稳定性,并与极限平衡法进行了对比,结果表明,强度折减法的分析结果更接近工程实际情况。利用早期得出的复杂荷载作用下路堤的填土极限高度计算公式,实现用填土极限高度控制路堤的稳定性。最后,以工程实例验证了强度折减和填土极限高度判断有反压护道路堤稳定性是切实可行的。     

路堤震害模式及路堤动力特性研究

为研究强震区路堤的震害模式及动力特性,对汶川地震近场区路堤震害进行了调查,发现路堤震害以边坡上部拉裂、下部鼓张变形破坏模式为主,路堤震害严重程度与地震烈度、护坡措施和路堤本体加固措施关系密切,与路堤高度和地面横坡坡度关系不明显。利用振动台模型试验及数值模拟发现：加速度和动剪应力在路堤中上部增量最大、数值最大,且其最大值所在部位与拉裂缝出现部位基本一致;动土压力和位移在护坡道上方达到最大值,最大值部位与鼓张裂缝出现部位基本一致;张拉裂缝、鼓张裂缝均出现在距坡面3 m深度范围内,表明路堤损害是一种浅表层震害模式。通过动力数值计算,发现不同高度的路堤地面峰值加速度（PGA）放大系数形态呈现3种类型：沿程单调递增形态（h <10 m）、随高程增加而增加→衰减→增加的“三段形态”（h >20 m）以及介于前二者之间的过渡形态（10 m< h <20 m）。利用地震波传播理论对高路堤加速度反应机制进行了解释。     

不同压实度铁路路堤边坡地震响应振动台试验研究

为研究和对比不同压实度铁路路堤边坡的地震响应,设计了路堤本体压实度分别为95%、91%、87%和83%的4组路堤边坡模型,开展了不同压实度路堤边坡的振动台试验研究。通过穿插进行白噪声激励得到不同压实度路堤边坡的动力特性参数;通过施加不同类型和不同强度的地震动激励,研究不同压实度路堤边坡加速度放大倍数分布规律及其影响因素。结果表明,随着地震动激励次数的增多,路堤边坡自振频率下降,阻尼比增大,压实度对路堤边坡动力特性变化影响显著;加速度放大倍数沿路堤边坡高度呈非线性增大,加速度放大倍数随地震动激励强度增大而减小;台面输入的地震波经路堤边坡传播后,其频谱特性发生了明显的变化,不同压实度路堤边坡对地震波频谱特性的影响不同;不同地震动激励下不同压实度路堤边坡的加速度放大倍数分布情况有所差异,这与地震动频谱特性和路堤边坡动力特性参数有关     

某土石坝心墙料和坝基料动模量阻尼特性的试验研究

土石坝震害将导致严重后果,目前国内外修筑于地震区的土石坝在抗震设计时都进行了动力分析。室内动力试验提供土石料可靠的动强度和动力参数是土石坝地震动力分析准确性的关键。水牛家心墙土石坝坝高100多米,大坝设防烈度9度,采用动三轴仪,对其坝基②层细砂砾料和心墙防渗土料进行大量的动力特性试验研究,分析两种土料的动模量阻尼特性,并简述其影响因素。分析试验结果有：使用一个试样完成三个不同的围压力?3c或固结比Kc,与《土工试验规程》推荐方法相比,大大减小了试验和分析工作量, 且有相当的规律性和准确程度;动模量阻尼比的主要影响因素是动应变幅、围压力、固结主应力比、孔隙比等。动应变水平影响动模量阻尼成倍增减,动模量随围压力?3c增减而增减,阻尼比D随?3c的升高而略有减小,动模量和阻尼比随固结比Kc增减而增减,Kc从1到2可使心墙土料的Edmax增加60％左右;土类不同,模量阻尼也不尽相同。水牛家心墙料的动模量较高,阻尼比较小,不易产生动力破坏。