高土石坝地震工况坝坡稳定安全系数研究

现行碾压土石坝设计规范（DL/T5395-2007）明确规定只适用于低于200 m土石坝,随着设计施工技术的发展对于超过200 m的高土石坝坝坡设计安全标准问题亟待解决。相对安全率理论把可靠指标和安全系数置于同一平台进行关联和映射。现行碾压土石坝设计规范规定的低于200 m的土石坝坝坡稳定允许可靠指标4.2。基于风险控制原则提出200~250 m高土石坝坝坡允许可靠指标取4.45,250~300 m高土石坝坝坡允许可靠指标取4.7,相应的地震工况高土石坝坝坡稳定安全系数1.35和1.4,高土石坝工程实例地震工况下坝坡稳定安全系数均满足所提安全系数标准值。     

基于改进的地震动态分布系数及修正D-P模型的高土石坝坝坡抗震稳定分析

采用有限元法研究高土石坝的地震加速度分布,提出高度为250m级的土石坝建议地震加速度动态分布系数图示。在此基础上,基于修正的Drucker-Prager弹塑性模型,利用强度折减法对高度为250m级的土石坝坝坡抗震稳定性作进一步分析,结果表明随着坝体地震加速度动态分布系数的降低,坝坡的临界安全系数有所提高。     

高土石坝地震动力响应特征弹塑性有限元分析

我国的高土石坝主要分布在水利水电资源最为丰富的西南地区,而这些地区多位于强震带,研究高土石坝地震作用下的动力响应特征对于大坝的设计和安全评价有着重要的意义。本文采用数值计算的方法来研究高心墙土石坝地震作用下的动力响应特征,采用理论构架更为完善的弹塑性模型-非线性方法进行高心墙土石坝二维和三维地震动力响应计算分析。通过和实际工程及传统粘弹性等效线性方法的对比分析,认为弹塑性分析方法能较好地反映土石坝在地震过程中的实时动力响应,在分布规律上比传统方法更为合理。     

加强高土石坝抗震研究的现实意义及工作展望

围绕西部大开发和南水北调战略的需要,对高土石坝抗震研究的现实意义和若干关键问题及研究现状进行了论述。并针对高土石坝震害资料获取与整理、坝料动力特性研究、多耦合非线性动力分析理论和方法、动力破损特征与地震灾害机理、地震安全评价与震害预测的基本理论、抗震设计及抗震措施、震灾机理和抗震理论的动力模型试验等研究提出了工作设想和展望,并提出了建立土石坝地震安全评价及防灾对策专家系统的基本思路。     

高土石坝振动台模型试验理论、技术与应用

对土石坝振动台模型试验理论和技术进行系统阐述,提出基于原型和模型坝料静、动力特性试验的模型相似设计方法和不同强度地震动递进输入(白噪声微振-设计地震-校核地震-破坏试验)的振动试验方法。基于1g大型振动台和ng超重力离心机振动台设备性能现状,结合高土石坝的结构特点和动力试验相似模拟要求,对土石坝振动台模型试验的优势及局限进行深入讨论。结合已有的工程实践,对土石坝振动台模型试验在工程中的应用进行总结,并以某实际高面板堆石坝为例研究面板坝生命周期内经历多次地震情况下结构动力特性的演化规律。     

基于有限元法的土石坝除险加固渗流问题分析

土石坝坝体在坝前水位作用下极易产生渗流,为研究坝体加固对渗透水压的影响,针对具体水库实例,采用有限元法对除险加固前/后的坝体进行渗透坡降、单宽渗流量、准流网等计算,分析3种工况下的渗流过程,为土石坝的除险加固设计提供参考。结果表明:加固后上游坡各工况下的安全系数明显提高,其中单宽渗流量最大,可达0.636m~3/d,远大于规范允许值。     

高土石坝极限抗震能力的评判角度及标准述评

汶川地震后,我国对设计高土石坝提出了分析评价其极限抗震能力的要求。目前全面深入的评价方法,是从坝坡稳定、地震残余变形、液化安全性和防渗混凝土结构应力状态等方面,运用数值分析和动力离心模型试验的方法,综合判定高土石坝的极限抗震能力,长河坝心墙堆石坝工程首次采用了此综合评价方法。然而此类评判目前没有统一的判定标准,探求其原因,认为是数值或物理模拟方法不能十分真实地模拟实际情况、分析方法细节和验证实例资料的局限性、研究者的经验认识不同等。从这些原因的位置探求一些减少标准差异的评价方法,如边坡稳定分析时,取滑块的最大厚度不小于5m;混凝土防渗墙的应力评判应细化到抗压强度和抗拉强度,并研究提出相应评判标准,依据新的评价方法建议了评价标准。     

高土石坝震害与抗震措施评述

目前,我国西部地区正建或拟建一大批高土石坝,这些高坝都位于地震高烈度区,做好抗震设计非常重要。本文总结了地震荷载作用下土石坝常见的几种破坏形式,包括地震永久变形、滑坡失稳、液化、防渗体破坏、次生破坏;针对这些破坏形式,总结了地震高烈度区高土石坝的抗震措施,包括预留超高、坡脚压重、坝顶加固、抗液化措施、防渗体处理等;提出了现阶段高土石坝抗震的计算方法和抗震措施存在的缺点和不足,并对我国今后的高土石坝抗震稳定研究提出了建议。     

考虑堆石料空间变异性的土石坝坝坡地震稳定性随机有限元分析

本文探讨了筑坝堆石料的空间变异性对土石坝坝坡动力稳定性的影响。以新疆某在建高面板堆石坝为例,在蒙特卡洛法的框架下,采用基于局部平均细分法的随机有限元法模拟考虑筑坝堆石料空间变异性时土石坝的地震响应及坝坡滑移情况,通过对比随机有限元法和常规确定性有限元法的计算结果,提出:在地震动作用下,考虑筑坝材料空间变异性时,坝坡滑动体的数量、规模以及滑移量和滑动历时都有不同程度的增大,因而坝坡整体危险程度显著高于不考虑材料空间变异性的情况。坝坡各项动力安全性指标对筑坝材料空间变异性非常敏感;因而,考虑筑坝材料空间变异性时,各项安全性指标的离散性较大。     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明：①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

西板岔沟尾矿坝静力和动力稳定性分析

采用西安理工大学研发的EFES3D程序,运用等价粘弹性模型的三维有效应力有限元法,对河南洛南西板岔沟尾矿坝进行了地震永久残余变形、液化分析和边坡稳定分析,求得残余变形、孔压水平分布场和边坡安全系数。计算得到的坝坡的静力稳定最小的安全系数Fs为1.9,地震反应结束时的动力边坡稳定安全系数为1.19。计算结果表明西板岔沟尾矿坝在静力状态及动力作用下都是稳定的。     

温控参数折减有限元法在拟静力土石坝坝坡稳定分析中的应用

土石坝的拟静力计算与温控参数折减有限元法相结合,对土石坝边坡稳定性进行有限元计算与分析。按《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)的规定,依据坝高动态分布系数施加水平等效地震惯性力,然后用温控参数折减有限元法确定土石坝边坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。结果表明:采用此法进行拟静力土石坝边坡稳定分析与传统的Bishop法相比,计算结果相一致,且可以反映土石坝的应力、应变和整个边坡破坏发展过程。     

汶川地震土石坝震损方向性问题研究

文章选取汶川地震中德阳、绵阳两市5个地区内165座水库大坝,对水坝走向、震损数量和震损率进行了统计分析。统计数据表明,汶川地震中多数危重震损的土石坝走向在280°~290,°这与该范围走向的土石坝总数有关,土石坝走向和平均震损率关系并不显著。而土石坝震损率大于50%地震灾区,土石坝走向多垂直或者平行于发震断层走向,土石坝震损率与大坝走向存在一定相关性。文中从汶川地震的震源机制,地震波加速度方向与坝轴夹角等方面分析了产生土石坝震损方向性的原因。     

基于Bishop条分法的多点多向地震动作用下边坡稳定性分析

以人工合成的多点、多向地震加速度时程作为地震动输入,基于Bishop条分法推导了地震边坡稳定安全系数的表达公式。在此基础上,针对某一具体算例,分析了不同地震峰值加速度下的不同坡高边坡稳定安全系数的变化规律,并与单点、单向地震动输入的结果进行了对比。结果表明,对于本文给出的算例,在坡高与地震峰值加速度都相同的条件下,多点、多向地震作用下的边坡安全系数要大于单点、单向作用下的安全系数;当坡高小于30 m、地震峰值加速度小于0.1 g时,多点、多向地震动作用下的边坡安全系数与单点、单向相差不大;当坡高大于30 m、地震峰值加速度大于0.1 g时,多点、多向地震动作用下的边坡安全系数相对单点、单向要小36%以上,此时边坡稳定性评价必须考虑地震动的多点、多向特性。     

土质场地重力式挡土墙地震土压力振动台实验研究

汶川震区路基挡土墙震害表明,地震动荷载作用下重力式挡墙的位移、破坏与基础场地形式有关,除岩质场地和土质场地挡墙所共有的外倾形式,土质地基挡土墙还表现有整体推移及下部向外推移的倾转变形等复杂模式,因此地震土压力大小及分布也将受到这种复杂土-结相互作用的影响。基于碎石土及风化花岗岩填料的土质场地重力式挡土墙大型振动台模型实验,对挡土墙地震土压力及变形模式开展了对比研究,发现在强震作用下,土质地基挡墙因基础约束较弱而产生位移,并伴随明显的墙—土分离现象,致使实测地震土压力较之抗震设计规范计算值偏小（0.4g峰值加速度下约小6%～15%）,但作用点高度变化不大。由实验结果与现行抗震规范计算值的安全系数对比,认为对土质场地挡墙的地震土压力计算,按现行国内抗震设计规范基本能满足实际工程抗震设计需要;对于地震区挡墙设计,在允许挡墙发生少量容许位移的前提下可采用内摩擦角较大、自稳能力更好的墙背填料以减少地震土压力。     

岩石场地重力式挡土墙地震土压力振动台实验研究

结合汶川震区调查资料,利用大型振动台模型试验,分析了碎石土填料的岩石场地重力式挡土墙的地震土压力及其分布规律,并以此对我国现行铁路、公路抗震规范做合理性讨论和细化。研究发现,地震作用下,挡土墙的动土压力沿墙高呈单峰曲线状分布,且60%～80%集中作用于挡墙中部;随着地震峰值加速度的增加,地震土压力分布逐渐偏离现行振震设计规范所认为的三角形线性状,而呈现非线性状;合力作用点高于1/3墙高,0.4g地震加速度作用下,接近0.4倍墙高,对岩石场地下粗粒径墙背填料的地震土压力作用点高度,建议取0.35倍墙高。对比计算表明,现行规范能基本满足工程抗震设计需要,但建议对柔性挡土墙的抗震设计作出必要规定。     

瀑布沟心墙堆石坝地震响应分析

在高地震烈度区修建深厚覆盖层上的高土石坝面临许多问题,如大坝的动力稳定、坝基液化问题等,非常有必要对大坝的地震动力响应进行力学分析,以便为设计和施工提供指导。对瀑布沟大坝进行了三维地震动力响应有限元分析,就动力工况下芯墙、防渗墙的抗震能力及基础砂层的液化可能性等进行了研究,并提出了一系列针对坝体结构、材料等的优化措施。通过地震三维有限元分析,并采取一系列针对措施,坝体综合抗震能力得到了提高,可以满足有关规程规范要求,所得结论可以为类似工程提供参考和借鉴。     

云南鲁甸M_S6.5地震红石岩滑坡稳定性的数值模拟

2014年8月3日鲁甸MS6.5地震触发了大量的滑坡崩塌,其中,位于鲁甸县李家山村和巧家县红石岩村交界处的牛栏江干流北岸的红石岩滑坡规模巨大,与此处位于左岸的红石岩古滑坡体的前缘部分一起堵塞了牛栏江而形成高达120m、体积达1 200×104m3的大型堰塞体。通过震后开展的野外实地调查,获得了红石岩滑坡发生处的地形地貌、地质构造、岩体结构及物质组成等资料。以这些第一手资料为基础,构建了红石岩滑坡的边坡模型,并应用边坡稳定性分析软件Geo Studio中Slope/W模块分别计算了红石岩滑坡体震前坡体安全系数和地震作用下的坡体安全系数。结果表明,红石岩滑坡体发生处的坡体安全系数在地震前为1.450,处于相对稳定状态,而鲁甸地震的地震动作用则使坡体的安全系数降低至0.962,直接导致红石岩坡体的失稳。文中进一步讨论了坡体滑动面的存在与否对坡体稳定性的影响:安全系数计算的结果表明,在中强地震作用下,先存滑动面的存在是导致大型滑坡形成的重要条件;对于高陡岩质边坡,如果没有先存滑动面,只可能形成浅表性滑坡。     

已建成土坝的抗震能力复核

为了开发水利资源,全世界特别是我国已修建了大量土石坝。今后,包括在地震区仍会大量兴建此类工程。 随着地震科学的发展,对于已建土坝所在地区可能遭受的地震强度的现今认识,往往与建坝当时的估计有所差异;不少早年所建土坝甚至当年就该对地震设防的也没统防;近二十年来土石坝地震动力分析方法也有很多改进。因此,对已有土石坝的抗震能力进行复核,是保证水库合理、有效运营以及保证水库下游人民生命财产安全的一项非常重要的工程问题。     

堆石坝坝坡的抗震稳定分析

目前分析堆石坝下游坡的抗震稳定性仍采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法，土体的抗剪强度多用莫尔－库仑准则。试验表明堆石材料的抗剪强度更符合非线性表达式。已有文献采用非线性抗剪强度分析堆石坝的抗震稳定性，但该方法的安全标准少见论证。本文对采用线性与非线性抗剪强度的有限元法和极限平衡法分析堆石坝坝坡稳定性进行了比较。结果显示，毕肖普法安全系数比瑞典法高2％－10％，采用非线性抗剪强度计算的安全系数比采用线性抗剪强度高15％－25％。与毕肖普法容许安全系数比瑞典法高同理，用非线性抗剪强度准则进行堆石坝坝坡稳定计算，其容许安全系数也应在线性准则的基础上提高。提高的幅度有待进一步积累经验。