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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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     

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     

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。     

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。     

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。     

线性与非线性强度的土石坝坝坡稳定分析下限法

土石坝的坝坡稳定是影响土石坝安全的重要因素,传统的土石坝坝坡稳定采用的是瑞典圆弧法或者毕肖普法,其计算结果既不是下限解也不是上限解。在Sloan的工作基础上,基于有效应力的方式, 用有限单元思想离散结构物,建立满足平衡条件、间断条件、应力边界条件以及屈服条件的极限分析下限法的非线性规划模型,并且编制了相应的程序,应用到土石坝坝坡稳定性的计算中。考虑了地震荷载和渗流作用,采用迭代算法对土石坝进行非线性强度指标的坝坡稳定计算。最后,以几个典型土坡和具体的土石坝工程为算例,与多种方法的分析结果比较,表明了该方法的可行性。     

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。     

土石坝筑坝材料动态设计思路及其工程应用——以毛尔盖水电站砾石土心墙坝防渗料为例

由于土石坝材料的多样性、地质成因的复杂性以及施工前期勘探试验数量与条件的局限性,初始设计方案往往不能很好地切合实际,土石坝材料的设计坚持动态设计的设计思想就显得十分重要.只有动态的跟踪检测而进行的设计,才能保证土石坝材料的填筑质量,以确保坝体安全.文中以毛尔盖大坝砾石土防渗料为例,介绍了土石坝筑坝材料动态设计的方法.充分考虑、把握材料的特性,根据施工过程中检测数据,及时论证或调整设计方案,确保坝体的安全.本文可供类似土石坝材料设计、施工质量检测与控制参考.     

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。     

瑞利阻尼系数确定方法对高土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,瑞利阻尼系数在很大程度上影响计算的精度。改进了阻尼系数的确定方法,采用不同阻尼系数对土石坝进行了时域动力分析,并与频域计算结果进行了比较。结果表明：当坝高超过100 m后,采用结构基频确定瑞利阻尼系数的方法高估了结构的阻尼,导致结构的动力反应偏小;改进后的方法能较好地反映结构的阻尼特性。通过对拟建的双江口直心墙土石坝进行动力分析,进一步验证了改进阻尼系数确定方法的合理性。     

库水升降对新疆阿勒泰地区某土石坝渗流影响的研究

库水升降会改变土石坝原本稳定的渗流场,进而影响坝体的安全和稳定,为研究库水升降速率对土石坝渗流的影响,在GeoS tudio中建立了新疆阿勒泰地区土石坝的坝体—坝基二维模型,采用非饱和渗流模型计算了坝体在不同定水位及库水升降诱导下的孔隙水压力和浸润线变化情况.结果表明:坝体稳定性随库水定水位的升高而降低,库水升降速率过...     

土石坝混凝土防渗墙的非线性分析

采用Duncan-Chang E-B模型描述土的非线性特性,接触单元模拟防渗墙和土石坝之间的相互作用,利用非线性有限元程序计算了土石坝和防渗墙的应力和变形。结果表明：坝体应力状态和变形性质主要取决于坝体断面设计形式,防渗墙在一定范围内起作用;防渗墙材料不同对坝体应力与变形的影响主要由材料的刚度决定,刚性防渗墙对垂直沉降的制约作用明显;柔性防渗墙适应变形的能力强,但对位移的影响较大。对坝体稳定,刚性防渗墙的垂直变形是主要控制因素,关键部位在墙的底部;柔性防渗墙的水平位移是主要控制因素,关键部位在坝体的中下部。     

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。     

巴郎口水电站土石坝填料工程特性试验分析

位于大渡河一级支流上的巴郎口水电站为闸坝引水式。考虑到砂卵石填筑料中粒径小于5mm的P5含量偏高而影响坝体稳定性,对厂房边坡砂卵石填筑料开展了碾压试验。根据现场密度及含水量测试、场地沉降观测等,确定合适的铺层厚度为97cm。并取坝体填筑料在室内进行了颗分、击实、渗透和大三轴剪切试验。颗分试验表明填筑料级配良好,满足土石坝设计要求;击实试验得到填筑料的最优含水量和最大干密度分别为5.32%、2.42gcm-3;渗透试验测得砂卵石平均渗透系数为2.42210-2 cms-1;大型三轴试验获得砂卵石强度参数为=37.711、c=0。结合现场碾压试验和室内试验成果,还对巴郎口水电站土石坝坝体进行了渗流稳定计算,复核了巴郎口水电站土石坝坝体的沉降、应力、渗流和稳定性等,为土石坝坝体的长期安全运行提供了重要依据。