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。     

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。     

ABAQUS的二次开发及在土石坝静、动力分析中的应用

利用UMAT子程序,在ABAQUS中开发了用于静力分析的邓肯非线性弹性模型和用于动力分析的等效线性模型,丰富了ABAQUS软件的材料库;针对土石坝的分级填土施工、新填土层的位移修正、土石坝蓄水后的浸水湿化效应、坝体材料的液化判别和地震永久变形计算等土石坝分析中的特定问题在ABAQUS中的实现提出了相应的解决方案。算例的计算结果合理可靠,表明经二次开发后ABAQUS可用于土石坝的静、动力分析,从而可利用ABAQUS前后处理方便、计算精度高和模拟复杂问题能力强的优点,为土石坝分析提供一种可供选择的手段。     

土石坝拟静力抗震稳定性分析与坝坡地震滑移量估算

单独采用拟静力抗震稳定性安全系数,并不能准确地评价土石坝的动力稳定性, Newmark等采用刚塑体滑移量或永久变形评价土石坝地震稳定性的建议得到了逐步认同,但土石坝地震永久变形或滑移量的估算尚缺乏合理方法。为此,将土石坝地震动力响应分析和拟静力极限平衡分析相结合,提出了合理地估算坝坡上潜在滑坡体地震滑移量的数值计算方法。首先,根据土石坝地震动力响应分析,针对圆弧滑动面和非圆弧光滑渐变曲面形式滑动面,分别采用简化Bishop法及改进的简化Bishop法计算坝坡上潜在滑动体的各个时刻拟静力安全系数。随后,对其中安全系数小于1的瞬时超载阶段,通过时间积分确定潜在滑动体的滑移量。最后,结合算例并通过具体数值计算与分析探讨了竖向地震动分量、滑坡体竖向地震响应、振动孔隙水压力等各种因素对土石坝地震位移及抗震性能的影响。     

考虑残余体应变的土石坝地震永久变形分析

地震永久变形是评价土石坝抗震稳定性的一个重要依据,其合理计算需要同时考虑材料的残余体积应变和残余剪切应变的影响。因此,在过去提出的永久变形等效节点力计算方法的基础上,通过考虑剪切压缩耦合作用来反映残余体积应变对地震永久变形的影响,并推导了相应的模量矩阵,明确了参数选择和计算步骤。对典型单元体的残余变形模式进行了分析,计算得到的剪切应变和体积应变大小均与理论值相符,验证了模量矩阵的可靠性。在此基础上,对心墙堆石坝和面板堆石坝的算例进行了计算,重点分析了竖直向、顺河向和横河向3个方向永久变形分布,并与实测规律进行比较。计算结果表明,考虑残余体应变之后,所提方法能够反映土石坝地震永久变形以沉降为主、水平变形相对较小的特点,可更为合理地反映地震永久变形的规律。     

高堆石坝瞬变-流变参数三维全过程联合反演方法及变形预测

利用反演分析得到的参数进行高面板坝的应力、变形分析来预测长期变形。由于堆石坝的施工过程和变形机制比较复杂,很难将瞬时变形和流变变形分开,因此,有必要对静力本构模型参数和流变模型参数进行综合反演。利用实测位移资料,以对堆石坝变形较敏感的静力本构模型和流变模型参数为待反演参数,采用基于粒子迁徙的粒子群算法和径向基函数神经网络构建参数反演平台,该方法克服了粒子群算法易陷入局部最优和早熟收敛的缺点,采用经过训练的神经网络来描述模型参数和位移之间的映射关系,节省了参数反演的计算时间。对水布垭高面板坝的反演结果表明,基于反演参数的沉降计算值与实测值吻合得很好,坝体变形在合理范围以内并趋于稳定。     

深厚砂质覆盖层土坝的弹塑性地震反应分析

由于可液化砂质土应力-应变特性模拟的复杂性及数值计算的不稳定性,深厚砂质覆盖层土坝的弹塑性地震反应分析是土坝抗震研究中的一个尚未完全解决的课题。采用u-p完全耦合的饱和多孔介质有限元分析方法和砂土多重机构弹塑性模型,对遭受M6.7级地震的国外某深厚砂质覆盖层土坝进行弹塑性地震反应分析,研究了坝体和地基的动力反应特性及其超静孔隙水压力产生、扩散和消散的变化规律。结果表明：计算得到的坝体加速度和永久变形与实测值存在一定的差异,但基本上反映了坝体加速度与永久变形的实际分布情况,从而说明采用的本构模型和计算方法具有一定的精度;由于坝体和坝基的超静孔隙水压力较小,且坝体永久变形不大,可以不对坝体和坝基进行加固处理;坝趾附近浅层地基的超静孔隙水压力较大,有可能发生液化,因此,须采取相应的抗液化加固措施。     

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。     

堆石坝地震响应和地基液化分析

利用冶勒大坝已经获得的强震监测资料进行大坝坝体及覆盖层动力参数反演,采用三维非线性有限元动力分析方法,分析冶勒大坝在其已经遭遇的最大地震,即4级地震作用下的坝体动力加速度状况,并根据计算结果判别坝基覆盖层的液化情况,进而对冶勒大坝在所遭受的4级地震下的抗震安全性作出评价。其中坝体堆石料及覆盖层砂粒料静力计算时采用邓肯E-B模型,动力计算是采用Hardin模型,地震响应分析采用等价线性法。     

土石坝边坡稳定性分析的温控参数折减有限元法

将土石坝渗流的有限元计算和坝坡稳定分析的强度折减有限元法相结合,对土石坝坝坡的稳定性进行分析。考虑渗流作用时,首先采用有限元法计算坝体渗流场,通过迭代计算出稳定渗流的逸出点和浸润线位置,并根据水力梯度计算坝体所受的渗透力;然后将渗流分析所确定的渗流力与土体自重、浮力、地震力等荷载共同施加在坝体上,采用温控参数折减有限元法计算土石坝坝坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。分析结果表明,采用此方法进行土石坝坝坡稳定分析是合理的,且大大提高了计算效率     

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。     

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。     

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。     

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。     

A correlation for permanent earthquake-induced deformation of earth embankments

Seismic design of earth dams and embankments is mainly controlled by the permanent deformation that may be induced directly or indirectly because of the design earthquake. Simple design charts, such as those developed by Yegian et al. [Yegian, M.K., Marciano, E.A., and Ghahraman, V.G. 1991. Earthquake-induced permanent deformations: Probabilistic approach. J. Geotech. Eng., 117, 35–50.], Hynes-Griffin and Franklin [Hynes-Griffin, M.E., and Franklin, A.G. 1984. Rationalizing the Seismic Coefficient Method. Miscellaneous Paper GL-84-13, US Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississippi.], Makdisi and Seed [Makdisi, F.I., and Seed, H.B. 1978. Simplified procedure for estimating dam and embankment earthquake-induced deformations. J. Geotech. Eng., 104, 849–867.], and Sarma [Sarma, S.K. 1975. Seismic stability of earth dams and embankments. Géotechnique, 25, 743–761.], are often used to obtain a preliminary estimate of the permanent, earthquake-induced deformation of earth dams and embankments. Comparison of permanent deformations estimated from these procedures with observations from 122 published case histories on performance of earth dams and embankments during past earthquakes indicate that the estimated permanent earthquake-induced deformations were, in general, smaller than the observed deformations. However, the observed permanent deformation, D_avg, was found to relate to the ratio of yield acceleration, a_y, and the peak horizontal ground acceleration, a_max. The scatter in the observational data, upon which the D_avg–a_y/a_max relationship is based, can be partly explained by the variations in the ratio of the fundamental (elastic) period of the earth structure, T_D, and the predominant period of the earthquake ground motion, T_p, and the magnitude of the earthquake, M_W.     

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。     

三峡工程二期围堰运行期变形特性研究

基于土石坝分析的DuncanE-μ本构模型，研究了土石坝分析的3参量流变模型，并编制了围堰流变分析程序。根据三峡工程二期围堰运行前期的部分实测变形数据，反演分析了流变分析所需的计算参数。流变分析表明，三峡工程二期围堰结构的水平和垂直流变变形存在时间上的不同步性，垂直流变位移的稳定时间在堰体结构施工完成后的6个月左右，而水平流变位移的稳定时间只需要3个月。围堰结构的后期流变位移平均值是流变初期时位移的2～3倍。     

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.