高土石壩地震變形分析與抗震安全評(píng)價(jià).pdf

1、圍繞著我國(guó)西部大開發(fā)、西電東送及南水北調(diào)等戰(zhàn)略需求，我國(guó)西部地區(qū)正在或即將興建一大批高土石壩水電項(xiàng)目。這些高土石壩大多坐落于我國(guó)西部地震高發(fā)地區(qū)，其抗震安全性研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50639060)“高土石壩變形分析與安全控制”，對(duì)高土石壩地震動(dòng)力變形分析方法、抗震加固措施及安全評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題開展了系統(tǒng)的研究工作，發(fā)展了高土石壩地震永久變形分析方法，為高土石壩基于變形的抗震設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 1.

2、在土石壩地震動(dòng)力響應(yīng)分析方面，重點(diǎn)探討了壩料動(dòng)力特性的圍壓依賴性對(duì)高土石壩動(dòng)力反應(yīng)的影響。指出采用圍壓歸一化的動(dòng)模量比和阻尼比平均曲線會(huì)造成保守的抗震評(píng)價(jià)結(jié)果；高土石壩動(dòng)力響應(yīng)分析應(yīng)采用精細(xì)考慮圍壓依賴性的動(dòng)模量比及阻尼比曲線，即依據(jù)地震時(shí)程中的當(dāng)前有效圍壓確定各土體單元的動(dòng)力參數(shù)隨應(yīng)變幅變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明，精細(xì)考慮動(dòng)力特性圍壓依賴性得到的壩體頂部區(qū)域的動(dòng)力響應(yīng)加速度、地震引起的震陷和液化情況均明顯降低，為經(jīng)濟(jì)合理地選擇抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

3、和抗震加固方案提供一定的參考和依據(jù)。 2.在整體法分析土石壩地震永久變形方面，傳統(tǒng)的等效節(jié)點(diǎn)力法僅考慮地震慣性力效應(yīng)，軟化模量法僅考慮地震引起的土料軟化效應(yīng)。兩者均不能給出壩體地震變形發(fā)展時(shí)程。針對(duì)上述問(wèn)題，論文提出了考慮模量逐步軟化的擬靜力變形分析法。該方法首先利用各時(shí)段殘余剪應(yīng)變、殘余體應(yīng)變和殘余孔壓修正靜、動(dòng)力模量參數(shù)，進(jìn)而將不規(guī)則隨機(jī)地震荷載以等價(jià)擬靜力荷載形式作用在修正后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上，計(jì)算該時(shí)段內(nèi)壩體的附加變形即地

4、震永久變形增量，可真實(shí)模擬地震荷載的破壞機(jī)理和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)震害引起的壩體沉陷。 3.改進(jìn)了“解耦型”Newamrk滑塊位移法。考慮滑動(dòng)體系對(duì)輸入地震動(dòng)的彈性放大效應(yīng)，推導(dǎo)了“平均屈服加速度”的解析表達(dá)式。提出了考慮滑動(dòng)體內(nèi)豎向加速度不均勻時(shí)空分布、壩料動(dòng)強(qiáng)度以及振動(dòng)孔隙水壓力的地震滑移變形計(jì)算方法，探討了其對(duì)滑動(dòng)體時(shí)程平均屈服加速度和累積滑移量發(fā)展時(shí)程的影響。 4.發(fā)展了“耦聯(lián)型”滑塊位移法。將滑動(dòng)體視為彈性體，滑動(dòng)體的底部

5、滿足莫爾-庫(kù)侖彈塑性應(yīng)力邊界條件，建立滑動(dòng)體底部塑性位移與滑動(dòng)體加速度耦聯(lián)的動(dòng)力平衡方程，探討了滑動(dòng)體位移的求解方法。并利用Wartman關(guān)于可變形土柱振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)“耦聯(lián)型”滑塊位移法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。 5.發(fā)展了采用各向異性有厚度薄層單元模擬潛在滑動(dòng)面滑體變形的分析方法。當(dāng)壩體內(nèi)潛在滑動(dòng)體不發(fā)生塑性滑移時(shí)，預(yù)設(shè)的有厚度薄層單元屬各向同性實(shí)體單元滿足變形連續(xù)條件，反之，則根據(jù)等效接觸單元的切向剛度確定各向異性薄層單元的剪

6、切模量，形成整體剛度矩陣迭代求解薄層單元的彈性允許位移，進(jìn)而依據(jù)能量守恒原理確定其塑性滑移增量。文末討論了滑動(dòng)面上累積塑性滑移量的分布，與Wartman關(guān)于均質(zhì)土坡的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果較為一致。 6.目前強(qiáng)震區(qū)高土石壩普遍采用壩頂堆石加筋技術(shù)進(jìn)行抗震加固。因此，加筋堆石的計(jì)算模擬及其抗震效果評(píng)價(jià)是工程界關(guān)心的問(wèn)題。論文依據(jù)加筋前后堆石體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，合理確定筋材與堆石變形協(xié)調(diào)的極限應(yīng)變、強(qiáng)度以及加筋堆石壩坡潛在的滑動(dòng)

7、面，采用考慮時(shí)程豎向加速度影響的“解耦型”Newamrk滑塊位移法計(jì)算滑動(dòng)體的平均屈服加速度及累積滑移量，并據(jù)此判斷加筋壩體的抗震安全度。 7.以260m高的糯扎渡心墻土石壩為例，初步發(fā)展了基于地震永久變形控制標(biāo)準(zhǔn)的高土石壩抗震安全評(píng)價(jià)思想。針對(duì)給定的結(jié)構(gòu)體系，逐步調(diào)整基本控制參數(shù)(強(qiáng)度特性參數(shù)和幾何參數(shù)等)使臨界滑動(dòng)面的最小安全系數(shù)恰好滿足規(guī)范要求，形成抗震臨界壩坡。確定臨界壩坡的地震永久變形量，進(jìn)而依據(jù)累積滑移量與各基本控