高土石坝地震变形分析与抗震安全评价

摘要

围绕着我国西部大开发、西电东送及南水北调等战略需求，我国西部地区正在或即将兴建一大批高土石坝水电项目。这些高土石坝大多坐落于我国西部地震高发地区，其抗震安全性研究具有重大现实意义。本文结合国家自然科学基金重点项目(50639060)“高土石坝变形分析与安全控制”，对高土石坝地震动力变形分析方法、抗震加固措施及安全评价等关键问题开展了系统的研究工作，发展了高土石坝地震永久变形分析方法，为高土石坝基于变形的抗震设计奠定了基础。 1.在土石坝地震动力响应分析方面，重点探讨了坝料动力特性的围压依赖性对高土石坝动力反应的影响。指出采用围压归一化的动模量比和阻尼比平均曲线会造成保守的抗震评价结果；高土石坝动力响应分析应采用精细考虑围压依赖性的动模量比及阻尼比曲线，即依据地震时程中的当前有效围压确定各土体单元的动力参数随应变幅变化曲线。计算结果表明，精细考虑动力特性围压依赖性得到的坝体顶部区域的动力响应加速度、地震引起的震陷和液化情况均明显降低，为经济合理地选择抗震设计参数和抗震加固方案提供一定的参考和依据。 2.在整体法分析土石坝地震永久变形方面，传统的等效节点力法仅考虑地震惯性力效应，软化模量法仅考虑地震引起的土料软化效应。两者均不能给出坝体地震变形发展时程。针对上述问题，论文提出了考虑模量逐步软化的拟静力变形分析法。该方法首先利用各时段残余剪应变、残余体应变和残余孔压修正静、动力模量参数，进而将不规则随机地震荷载以等价拟静力荷载形式作用在修正后的应力应变关系上，计算该时段内坝体的附加变形即地震永久变形增量，可真实模拟地震荷载的破坏机理和准确预测震害引起的坝体沉陷。 3.改进了“解耦型”Newamrk滑块位移法。考虑滑动体系对输入地震动的弹性放大效应，推导了“平均屈服加速度”的解析表达式。提出了考虑滑动体内竖向加速度不均匀时空分布、坝料动强度以及振动孔隙水压力的地震滑移变形计算方法，探讨了其对滑动体时程平均屈服加速度和累积滑移量发展时程的影响。 4.发展了“耦联型”滑块位移法。将滑动体视为弹性体，滑动体的底部满足莫尔-库仑弹塑性应力边界条件，建立滑动体底部塑性位移与滑动体加速度耦联的动力平衡方程，探讨了滑动体位移的求解方法。并利用Wartman关于可变形土柱振动台试验结果，对“耦联型”滑块位移法的有效性进行了验证。 5.发展了采用各向异性有厚度薄层单元模拟潜在滑动面滑体变形的分析方法。当坝体内潜在滑动体不发生塑性滑移时，预设的有厚度薄层单元属各向同性实体单元满足变形连续条件，反之，则根据等效接触单元的切向刚度确定各向异性薄层单元的剪切模量，形成整体刚度矩阵迭代求解薄层单元的弹性允许位移，进而依据能量守恒原理确定其塑性滑移增量。文末讨论了滑动面上累积塑性滑移量的分布，与Wartman关于均质土坡的振动台试验观测结果较为一致。 6.目前强震区高土石坝普遍采用坝顶堆石加筋技术进行抗震加固。因此，加筋堆石的计算模拟及其抗震效果评价是工程界关心的问题。论文依据加筋前后堆石体材料的应力应变关系曲线，合理确定筋材与堆石变形协调的极限应变、强度以及加筋堆石坝坡潜在的滑动面，采用考虑时程竖向加速度影响的“解耦型”Newamrk滑块位移法计算滑动体的平均屈服加速度及累积滑移量，并据此判断加筋坝体的抗震安全度。 7.以260m高的糯扎渡心墙土石坝为例，初步发展了基于地震永久变形控制标准的高土石坝抗震安全评价思想。针对给定的结构体系，逐步调整基本控制参数(强度特性参数和几何参数等)使临界滑动面的最小安全系数恰好满足规范要求，形成抗震临界坝坡。确定临界坝坡的地震永久变形量，进而依据累积滑移量与各基本控制参数的关系曲线，定量评价初始抗震设计参数的可靠性和安全性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2高土石坝抗震安全评价评述和发展现状

1.2.1拟静力极限平衡分析

1.2.2基于应变势理论的整体变形分析

1.2.3 Newmark滑体变形法

1.3高土石坝地震永久变形分析若干关键问题

1.3.1高土石坝动力响应分析

1.3.2高土石坝筑坝材料动力特性

1.3.3抗震加固措施

1.3.4高土石坝抗震安全评价标准

1.4本文主要工作

2考虑土料动力特性参数围压依赖性的高土石坝动力响应分析

2.1土料动力特性参数的围压依赖性

2.1.1动剪切模量的围压依赖性

2.1.2等效阻尼比的围压依赖性

2.2考虑动力特性参数围压依赖性的动力分析模型

2.3动力特性参数的围压依赖性对高土石坝地震响应的影响

2.3.1动剪切模量和等效阻尼比

2.3.2最大绝对加速度

2.3.3永久变形

2.3.4液化

2.4本章小结

3高土石坝地震整体变形分析

3.1概述

3.2应变势与动应力～应变关系

3.2.1紫坪铺坝料动应力和残余应变的关系

3.2.2吉林台坝料动应力和残余应变关系研究

3.2.3关门山和瀑布沟坝料动应力和残余应变关系研究

3.2.4糯扎渡坝料动应力和残余应变关系研究

3.3整体变形分析法概述

3.3.1简化分析法

3.3.2软化模量法

3.3.3等效节点力法

3.3.4等价惯性力法

3.4考虑模量逐步软化的拟静力整体变形时程分析

3.4.1残余应变计算模式

3.4.2残余振动孔压计算模式

3.5永久变形计算模型

3.6算例验证

3.6.1计算模型和参数

3.6.2计算结果与分析

3.7本章小结

4高土石坝失稳坝坡地震滑移分析

4.1潜在滑动体的位置及其“平均屈服加速度”的确定

4.1.1最危险滑裂面搜索的数学模型描述

4.1.2蚁群复合形法

4.1.3滑动体的“平均屈服加速度”

4.2“解耦型”Newmark滑块位移法

4.2.1考虑时程竖向加速度影响的Newmark滑块位移法

4.2.2考虑动强度影响的Newmark滑块位移法

4.2.3考虑振动孔隙水压力影响的Newmark滑块位移法

4.2.4算例验证与分析

4.3本章小结

5基于耦合动力分析的Newmark滑块位移法

5.1基于摩擦滑移机理的“耦合型”滑块分析

5.1.1摩擦滑移体系

5.1.2动力分析模型

5.1.3粘合阶段

5.1.4滑动阶段

5.1.5振动台模型试验验证

5.1.6算例验证和分析

5.2引入“薄层单元”的耦合滑移分析

5.2.1概述

5.2.2计算模型和原理

5.2.3算例验证与分析

5.3本章小结

6高心墙堆石坝坝坡加筋抗震稳定分析

6.1加筋土石坝坝坡抗震稳定分析

6.1.1土工格栅

6.1.2拟静力抗震稳定分析

6.1.3筋材—堆石体相互作用机理

6.1.4土工格栅的极限抗拉强度

6.1.5拟静力极限平衡分析法

6.2加筋土石坝Newmark滑块位移分析

6.2.1加筋土石坝数值计算与分析

6.2.2加筋土石坝潜在滑动体屈服加速度

6.2.3加筋坝坡永久滑动位移

6.3算例验证和分析

6.3.1加筋坝坡拟静力抗震稳定分析结果

6.3.2加筋滑动体平均屈服角加速度

6.3.3加筋滑动体滑动位移结果

6.4本章小结

7高土石坝抗震安全评价

7.1地震永久变形安全控制标准

7.2基于变形安全控制的高坝抗震设计

7.2.1标准计算剖面

7.2.2基于坝坡最小允许安全系数的高土石坝变形安全评价

7.3本章小结

8结论与展望

8.1本文主要结论

8.2本文研究方作的展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间参与的课题及发表的相关学术论文

致谢