地震强度对堆石坝变形的影响

采用基于状态相关的剪胀理论的临界状态砂土模型,以SUMDES2D为有限元平台,对直接建造在基岩上的心墙堆石坝进行了1组抗震性能计算,分析了坝体在不同的地震强度下的动力响应,以研究地震强度对土石坝变形机理的影响。计算结果表明,地震强度越大,地震所引发永久变形和局部变形就越大; 文中除了给出土石坝的总体位移及变形状况外,还提供了堆石坝在某些局部位置的应力路径和应力应变关系,探讨了不同地震强度下坝体破坏的内在机理。局部土单元的动力响应,揭示位于坝体上游坝坡马道附近单元由于密实度小,在应力不大的情况下就达到材料的临界状态,随着地震强度的增加,该部位由稳定逐步过渡到临界状态,而后沿着临界状态线发展,土单元由稳定逐步过渡到流动变形。     

基于统一强度理论的土石坝边坡稳定分析遗传算法

将非线性统一强度理论应用于土石坝边坡稳定分析中,考虑坝体各应力分量包括中间主应力对土质材料强度的影响,以区别于传统土石坝稳定分析中仅考虑剪切和拉伸极限强度的极限平衡法。提出了一个土石坝边坡稳定优化分析模型,并采用最优化遗传算法对土石坝边坡进行断裂面优化搜索。研究表明,统一强度理论中反映中间主应力效应系数值变化对坝体稳定安全系数有显著影响。利用遗传算法对土石坝边坡稳定进行分析时,不必事先假定滑裂面的形状,根据土石坝非线性统一强度理论的剪裂破坏准则进行滑裂面搜索。针对常规最优化方法容易陷入局部最优解的缺陷,基于MATLAB遗传算法工具箱对土石坝边坡稳定性进行分析,分析结果表明,统一强度理论结合遗传算法能克服常规最优化方法在寻优过程中一些缺陷,计算结果更自然合理。     

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。     

鲤鱼潭大坝在集集地震中的变形分析

鲤鱼潭黏土心墙堆石坝在台湾“9•21”集集地震中有一定的变形损伤。为了研究大坝的地震破坏机制,分析了大坝的永久位移分布规律,同时采用有限元数据平滑方法,对大坝位移监测数据进行处理,得到了大坝的永久应变场。结果表明,大坝在强震作用下永久变形指向坝内,坝体体积整体收缩;由于反滤料孔隙水压力上升,有效应力降低,在上游坝体在反滤层附近出现拉应变;在两岸坝肩与基岩交界部位存在拉应变,易造成拉伸裂缝。     

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。     

正反粒序结构条件下滑坡堰塞坝破坏模式研究

滑坡堰塞坝是大型滑坡堆积体堵塞河道形成的土石坝。正、反粒序结构作为大型远程滑坡所特有的2种具有显著差异的地质结构特征,2种情况下坝体的破坏模式差异及稳定性影响因素亟需试验研究。文章通过室内水槽物理模型实验,对比不同粒径、不同结构的滑坡堰塞坝坝体的破坏过程差异,探究了正、反粒序结构条件下堰塞坝的稳定性差异、破坏模式及影响因素。研究结果表明:（1）堰塞坝破坏模式的变化取决于浸润线在下游坡面的出露位置,相比上游水位有一定的延迟性;（2）正、反粒序堰塞坝的破坏模式取决于坡体渗流与下游坡面临界起动坡降的关系;（3）细砂层的位置分布,不同埋深细砂层的起动临界坡降差异和细砂与中粗砂的孔隙率差异是造成正、反粒序坝体破坏差异的主要原因。该研究成果可为大型滑坡堰塞坝的防灾减灾提供理论指导。     

乌东德高拱坝极限抗震能力研究

乌东德水电站是金沙江下游河段上4个水电梯级的最上游梯级,大坝为265 m高的双曲拱坝。采用非线性有限元法,将拱坝坝体-坝基作为一个整体系统,在考虑坝体横缝影响及无限地基辐射阻尼影响基础上,模拟坝肩控制性滑块各滑裂面在地震作用下张开、滑移的非线性力学行为,研究设计与校核地震作用下大坝的抗震性能,探讨大坝-坝基整体系统在强震作用下的抗震潜力。研究结果表明：设计地震条件下,坝体仅在拱端应力集中区域拉应力超过抗拉强度,压应力则均满足强度要求,坝肩块体稳定,大坝-坝基体系的整体安全性可以保证;校核地震条件下,坝体应力值略有增加,能够满足不溃坝的设防要求;以大坝-坝基代表性的位移、变形量变化曲线的拐点作为评价极限抗震能力的标准,可知拱坝-坝基体系的抗震超载安全系数为2.7,相应的基岩水平向峰值加速度0.729g,拱坝-坝基体系抗剪参数强度储备安全系数为2.0,乌东德高拱坝具备较强的极限抗震能力。     

土石坝二维多点输入地震反应分析

剖析了多点输入反应机理，指出差动力只作用在与外部节点共单元的内部节点上。以人工合成进行了速度归零化处理的外部节点的水平和竖向地震加速度时程作为输入，考察大坝的损伤值、动剪应力、永久位移反应。分析表明，对于高约200 m的大型土石坝，多点与单点输入反应相比，坝体底部有的部位累积损伤值及动剪应力有所加大，而其他部位特别是极易破坏的斜坡部位损伤值及动剪应力明显减弱，永久位移特别是坝顶竖向永久位移减弱明显；而对于扁平的高约80 m的土石坝，多点输入比单点输入反应强烈。因此，在土石坝设计中有进行多点输入地震反应分析的必要。     

土石坝地震永久变形参数反演方法研究

提出了一种基于径向基网络的土石坝永久变形参数反演分析模型。该模型充分利用了径向基神经网络的非线性映射能力,只需要进行少量的样本设计,即可反演坝体永久变形参数,可以解决土石坝动力参数反演计算耗时长的问题。同时在对永久变形参数进行灵敏度分析的基础上,建立考虑参数灵敏度的网络训练目标函数,进一步提高了反演精度。将所建立的模型用于紫平铺面板堆石坝地震永久变形参数反演,采用三维有限元法进行静动力分析,并采用改进的沈珠江模型计算坝体地震永久变形。结果表明,反演参数计算的大坝地震永久变形和坝体实测永久变形数值接近,趋势一致,因而所建立的模型能够有效地反演坝体地震永久变形参数,为土石坝的动力参数反演提供了一种简便、有效的方法。     

高混凝土重力坝复杂坝基稳定安全度及极限承载能力研究

采用各向异性强化-软化的有厚度薄层单元模拟了坝基软弱夹层的力学变形特性,采用无厚度接触摩擦单元模拟坝基岩体节理裂隙,对高混凝土重力坝复杂坝基抗滑稳定采用三维非线性有限元分析,利用强度储备系数法模拟坝体坝基系统的渐进破坏过程、可能失稳模式,提出了塑性屈服区贯通的强度分析方法、典型特征点位移突变的变形体分析方法以及能量法联合判定坝体坝基系统极限承载力的研究方案,得出了坝体坝基系统的极限承载力。最后针对建设中的向家坝水电站高重力坝的深层抗滑问题进行了三维非线性有限元分析,计算结果表明,系统的极限承载能力由夹泥层的强度控制,极限状态的强度储备系数为2.7。     

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.     

超高沥青混凝土心墙高应力水平的降低措施研究

随着沥青混凝土心墙堆石坝的快速发展,超高沥青混凝土心墙堆石坝建设迎来了前所未有的机遇,但随着坝高的增加,心墙的安全挑战也变得异常突出。基于应力水平的定义,提出降低超高沥青混凝土心墙高应力水平的措施,依托心墙应力水平的敏感性研究,推算了独立满足和综合满足心墙屈服剪切破坏控制标准的心墙材料强度参数（最敏感材料参数）取值范围。研究表明,心墙应力水平随坝高和河谷岸坡坡比的增加而显著增大;心墙破坏比 、黏聚力 和内摩擦角 属于高敏感性参数;增大心墙破坏比 、黏聚力 和内摩擦角 能够显著地降低心墙应力水平;推荐适宜建设超高沥青混凝土心墙堆石坝的心墙破坏比 、黏聚力 和内摩擦角 取值范围： 0.8、 0.4 MPa和 31.5°（坝高 200 m）,且随坝高的增长梯度按5%/25 m、15%/25 m和5%/25 m进行调整。     

Upper bound finite element analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion

In this study, upper bound finite element (FE) limit analysis is applied to stability problems of slopes using a nonlinear criterion. After formulating the upper bound analysis as the dual form of a second-order cone programming (SOCP) problem, the stress field and corresponding shear strength parameters can be determined iteratively. Thus, the nonlinear failure criterion is represented by the shear strength parameters associated with stress so that the analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion can be transformed into the traditional upper bound method with a linear Mohr–Coulomb failure criterion. Comparison with published solutions illustrates the accuracy and feasibility of the proposed method for a simple homogeneous slope stability problem. The proposed approach is also applied to a seismic stability problem for a rockfill dam to study the influence of different failure criterions on the upper bound solutions. The results show that the seismic stability coefficients obtained using two different nonlinear failure criteria are similar but that the convergence differs significantly.     

沥青混凝土心墙堆石坝三维地震反应分析

基于沥青混凝土的动力三轴试验资料,建立了相应的动力计算模型。采用三维有效应力动力分析方法,结合即将开工的某沥青混凝土心墙堆石坝,利用TSDA程序计算分析了坝体的加速度、动应力反应和大坝的地震永久变形,并对坝基细砂层在地震过程中的液化问题进行了研究,认为沥青混凝土心墙具有良好的抗震性能,大坝在地震过程中是安全的;坝基砂Ⅲ层可能发生液化,需要进行加固处理,分析结论可供同类工程建设参考。     

堆石非线性强度特性对高土石坝稳定性的影响

抗剪强度指标的选择对大坝坝坡稳定性评价有着十分重要的影响。堆石料抗剪强度具有明显的非线性,在高坝中这一特点更为显著。因此,计算堆石坝坝坡稳定安全系数时应采用非线性指标,而不是传统的线性指标。讨论了不同的堆石料抗剪强度模型、计算参数取值标准、非线性指标的稳定分析方法以及允许安全标准问题。统计分析了171组822个三轴试验结果发现,邓肯非线性指标对堆石料抗剪强度的模拟误差要小于线性指标和德迈洛非线性指标。采用不同的抗剪强度指标计算261.5 m高的云南糯扎渡大坝坝坡的稳定性。结果表明：各种工况下线性有咬合力、邓肯非线性指标与德迈洛非线性指标3种方法得到的安全系数和滑裂面位置都十分接近,非线性指标计算的结果并不比线性指标高。因此,进行非线性分析时,现有规范规定的基于线性指标的允许安全系数标准无需改变。     

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。     

A reliability-based approach to evaluating the stability of high rockfill dams using a nonlinear shear strength criterion

In recent years, many high rockfill dams have been constructed in China for the purpose of hydropower generation. One of the critical aspects of rockfill dam design is the analysis of slope stability. Triaxial compression tests show that the failure envelopes of rockfills are curved and that nonlinear shear strength criteria yield better predictions of the shear strengths of rockfills than the Mohr–Coulomb criterion. Because the determination of shear strength parameters involves uncertainties, a reliability-based methodology was developed for use in evaluating the failure probability of rockfill dam slopes by integrating Bishop’s simplified method, Duncan’s nonlinear strength criterion and the first-order second-moment reliability method presented in this paper. A computer program, SCU-SLIDE, was developed and its outputs validated by comparison with Monte Carlo simulation results. The approach developed was used to study the stability of the Shuang Jiang Kou rockfill embankment dam, which when completed will be the tallest dam in the world. The results of the stability analysis are discussed and conclusions are presented in this paper.     

土石坝坡抗震极限分析上限法

基于极限分析的上限定理,提出一种土石坝极限抗震分析的新方法。该方法假定土体为理想刚塑性材料且满足相关联流动准则,将土石坝坡滑动体划分为若干水平土条,计算各滑动土条的外功率与内能耗散,然后通过能量平衡条件,利用优化算法确定土石坝的极限抗震能力。运用所提方法,对一典型心墙土石坝进行极限抗震能力分析,研究了水平条分数以及抗剪强度参数对极限抗震能力影响。计算结果表明,水平条分数对滑裂面形状影响较大而对大坝极限抗震能力影响较小。当水平条分数增加到一定数目时大坝极限抗震能力最终趋于一个稳定值。同时,堆石料的抗剪强度对大坝极限抗震能力影响较大。通过与传统的极限平衡法对比,验证了所提方法的正确性与可行性。