汶川地震土石坝震害分析及三维弹塑性数值模拟

<正>汶川地震中土石坝震损数量大、分布广、险情重、险情种类多,震后土石坝的地震安全性问题受到了研究人员的普遍关注。土石坝的三维弹塑性地震反应分析一直是研究的热点和难点,本研究调查分析了汶川地震中土石坝的典型震害现象与破坏特征,选取了破坏严重的代表性土石坝,建立了计算模型,完成了土石坝的三维弹塑性地震反应分析,主要研究成果如下:(1)汶川地震中土石坝震害调查与分析。基于汶川地震水库大坝震害调查资料,建立了     

汶川大地震中广元市水库震害调查与分析

汶川8.0级特大地震对四川省广元市的水库造成了不同程度的破坏和重大的经济损失.依据广元市水库地震灾害的现场科学考察资料,对该市53座次高危以上险情的水库进行了震害调查与分析、震前病害统计与分析,可以发现:大多数水库土石坝在震前处于带病运行状态;水库的震害主要包括坝体变形、大坝渗漏、泄水建筑物和附属设施损毁等;地震烈度、震中距、修建年代、土石坝坝型与几何构型,以及水库震前的运行状态是影响水库震害程度的主要因素.该研究丰富了水库土石坝震害的基础性资料,并提出了改进水库土石坝抗震性能设计的建设性意见.     

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。     

基于大坝地震反应台阵的土石坝模态参数识别

针对土石坝上实测强震动记录识别大坝模态参数的问题,根据地震中坝体监测点记录的强震动数据和基于多项式逼近的有外部输入的非线性自回归神经网络NARX模型构建了土石坝非线性模态参数识别方法,对土石坝非线性动力反应与激励输入之间的传递函数进行研究,将其应用于新疆克孜尔土石坝主坝0+220断面的模态频率和模态阻尼比的计算,并结合计算结果和工程运行实际对克孜尔大坝运行状态进行评价。理论分析和工程实例均表明,本方法具有较高的精度,识别的传递函数能够反映土石坝的动力特性,具有重要的理论研究意义和工程实践价值。     

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。     

土石坝地震稳定性分析方法简介

土石坝地震稳定性分析方法是随着科技的进步，特别是计算机技术的快速发展以及对大量土石坝震害现象进行调查研究的不断深入而发展起来的。本文详细介绍了几种典型分析方法的原理、步骤以及优缺点，并对这些分析方法进行了评述，最后总结了近年来土石坝地层稳定性分析方法发展概况，指出了今后的发展趋势。     

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。     

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。     

汶川8.0级特大地震与紫坪铺水库蓄水关系的讨论

汶川8．0级特大地震造成了全国以四川地区为中心向外辐射的诸多水库震损,同时这次大地震也引发了对于高地震烈度区修建水库大坝一系列问题的讨论,其中包括对水库诱发地震的讨论,甚至有学者提出这次大地震与岷江上修建的紫坪铺大坝有关的论述。针对这种情况,本文分别从历史角度并结合国内外已经发生的水库诱发地震实例,明确了水库诱发地震的基本概念,论述了水库诱发地震的特点及其与天然构造地震的差别。本文最后就汶川8．0级特大地震与紫坪铺水库蓄水给出了自己的观点。     

土石坝安全监测与有限元模拟

土石坝的安全监测包括两个部分,一是关于应力的监测,主要是孔隙水压力的监测;二是变形的监测,包括地表沉降、地基深层分层沉降、坝肩水平位移等.实际工程表明,土石坝在填筑施工中出现安全问题时,超孔隙水压力与坝肩水平位移会明显偏大,结合地表沉降与坝基深层位移监测结果能够对坝体施工安全有效预警.为研究土石坝坝体与软弱地基的沉降、...     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。     

汶川大地震中德阳市水库土坝的震害特征

汶川特大地震给四川省德阳市水库土坝造成了不同程度的震损。依据德阳市境内66座高危以上险情水库土坝震害考察资料和现场震害调查结果,对震损水库土坝进行了分类统计,研究其震害特征及震损原因,结果表明：小型水库均质土坝在此次地震中震损数量最多、险情严重,且震害类型丰富;典型震害包括裂缝、滑坡、沉陷、渗漏以及泄水建筑物与其它附属设施损坏。以德阳市3座典型震损水库土坝为例,分析了水库土坝的基本情况、震前运行状况及震损情况,进而提出了有效的震后抢险措施。     

汶川地震中宝珠寺重力坝地震响应的三维有限元模拟

汶川地震中宝珠寺水电站遭受的地震烈度为8°(相当于水平峰值加速度0.2 g),远超过大坝的设计地震水平(0.1 g),震后大坝未见明显震损.为解释大坝在地震中的抗震现象,构建了坝址区三维模型.考虑坝体横缝非线性以及三个方向地震作用的不同组合方式,对汶川地震中大坝的动力响应进行有限元模拟.在此基础上,针对震后提高的抗震设防标准,进一步选取典型坝段,采用二维弹塑性方法对大坝进行抗震复核并分析可能的破坏模式.模拟结果表明:横河向地震分量起主导作用而顺河向地震作用相对较弱是宝珠寺重力坝在汶川地震中免于发生损坏的主要原因.坝顶混凝土发生挤压破碎缘于永久横缝在地震中高频渐开渐合行为引起的剧烈碰撞.宝珠寺重力坝对设计地震0.27 g的强震可以保持整体的安全性,对校核地震0.32 g的强震整体安全性降低,水库正常运行及抵抗余震的能力将受到影响.     

罗江县水库土坝汶川大地震震害调查与分析

5·12汶川8.0级大地震对德阳市罗江县的水库造成了不同程度的破坏,经济损失严重,若水库出现渍坝现象,将会带来更大的损失。对罗江县19座高危以上险情水库的土坝震害进行了调查研究.发现典型的震害现象包括裂缝、渗漏、防浪墙损坏以及泄水建筑物和附属设施的损毁等。根据水库土坝的震前病害调查资料可以看出：水库土坝在地震前多是带病运行,严重影响地震时水库运行的因素主要有土料或填筑质量差、坝基问题、坝体结构设计不当、蚁害、观测设施不全等。依据震后水库土坝的破坏形态,分析了水库大坝的震前病害对大坝震害现象的影响。为今后水库土坝的抗震设计提供基础性的资料。     

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。     

汶川地震和芦山地震的孕震机理及震前中长期地震危险性研究

运用非连续变形分析法与三维有限元法相结合的方法,以GPS资料作为位移速率和震源机制的约束条件,通过数值模拟研究了青藏高原及其东侧邻区构造地块的运动、变形、相互作用及其与近30年来发生于该区的大地震之间的关系。研究中引入了以应力与摩擦强度的比值定义的断层“失稳危险度”,通过数值模拟计算得到了研究区地壳块体边界断层的失稳危险度分布。结果表明,失稳危险度高的地段与近期该区发生的M_S≥7.0地震所在的位置基本一致,其中龙门山断裂带上包括汶川和芦山大地震的发震断层均为失稳危险度最高值地区。计算得到的应变率强度分布图显示,青藏高原东部边缘整条地带均为应变率强度的陡变带,特别是以龙门山断裂带上的陡变最为明显,其西侧应变率强度为东侧的近4倍,而且,这个带位于宽度相同、走向与龙门山断裂带走向相一致的高应变能密度带中,表明这两次大地震前,作为其发震断层的龙门山断裂带已积累了相当高的应变能,失稳危险度高,处于力学上的不稳定状态。模拟计算得到在上地壳层中,2001年昆仑山口西M_S8.1地震引起汶川、芦山地震发震断层的库仑破裂应力增加约0.016 MPa,相当于龙门山断裂带约两年的应力积累,也就是说,使汶川、芦山地震发震断层的失稳破裂提前了约两年。 此外,关于2008年汶川M_S8.0地震的模拟计算表明,汶川地震的发生也使包括芦山地震发震断层的龙门山断裂带西南段和东昆仑断裂带东南端的库仑破裂应力增大,应变能积累增强,这说明汶川M_S8.0地震的发生对已处于失稳危险度较高状态的2013年芦山地震和2017年九寨沟地震发震断层的提前失稳破裂起到了促进作用。      

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。     

汶川地震中江油市水坝震害调查与分析

"5.12"汶川地震,四川省水坝震损严重,典型震害现象包括坝体裂缝、塌陷、滑坡、渗漏、启闭设施损坏和其他附属设施的损毁等.依据绵阳江油市水坝震害科学考察资料,对江油市15座溃坝险情水坝和2座高危险情水坝的震损现象做了初步总结和分析,归纳、总结了震损水坝的特点和经验教训.     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明：地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

紫坪铺水库与汶川地震关系的讨论

利用紫坪铺水库专用地震台站和加密地震台站资料,使用双差法完成了震前930次地震、汶川8级主震和5, 789次余震的重新定位,探讨了紫坪铺水库与汶川地震之间的关系,获得了有利于证明它们之间密切关联的事实: 1)紫坪铺水库2005年蓄水之后出现了水磨、深溪沟和都江堰震群,地震应变能释放增加了200%,与库水位变化密切相关,在汶川地震前呈现出加速释放的现象; 2)野外调查表明存在1条贯穿紫坪铺水库库区、走向NE的同震地表破裂带,与中滩铺断层位置一致; 3)余震分布以中滩铺断层为界,西北上盘多,东南下盘少; 4)利用P波初始到时重新确定出的汶川主震发震时刻为27分59.5秒,初始破裂深度在6～9km左右,直接位于水磨震群之下; 5)汶川主震与发生在2008年4月5日水磨震群中的1次小震的各个台站到时差相同。