基于P2PSand模型的水库土石坝坝基地震液化影响分析

为了解决水库土石坝坝基地震液化导致严重坝体变形和边坡失稳等灾害,从而对水库土石坝长效安全运行造成严重威胁的问题,以某水库土石坝为例,利用有限差分软件FLAC3D 7.0及其内置P2PSand模型(practical two-surface plastic sand model),对存在地震液化地基的水库土石坝进行地震动力响应分析。结果表明:地震强度与相对密实度对水库土石坝坝基地震液化趋势影响较大,超孔压比随着地震过程的进行而逐渐增大,增大幅度约为10.46%;随着坝基地震液化程度的提高,坝体变形更明显,并且坝基边坡稳定性劣化。

堆渣料面板堆石坝非线性动力液化分析

面板坝的建设中,部分区域因堆石料匮乏,采用堆渣料作为坝壳材料筑坝。堆渣料属于弱透水性材料,在复杂地质条件下及地震工况下存在液化风险,造成坝体裂缝、凹陷和坍塌等问题,影响大坝安全。为此,针对堆渣料面板坝开展了非线性动力分析,研究了坝体在地震条件下产生动力液化的可能性。结果表明,上游坝坡附近是超孔压比较高的主要部位,该部位堆渣料液化的可能性较大,是需要重点关注的主要区域;下游坡脚附近受水流渗出影响,液化风险较低;沿着顺河向方向,超孔压比逐渐减小,中高风险液化区域若形成连通,将增大坝体整体液化风险,为降低坝体液化风险,需设置抗液化措施,增强坝体安全性。

强夯在冲积层坝基处理中的应用

阿庆争水库是一个典型的山区小型水库。勘察发现,其河床坝基冲积层承载力低、易发生压缩变形和地震液化。对比换填法和强夯法后,选择了经济环保的强夯法处理坝基。强夯后,冲积层的干密度、承载力、密实度和剪切波速显著提高,孔隙比和渗透系数大幅降低,且不影响下游坝基排水。观测结果显示,大坝施工及封顶至今未见异常沉降变形和排水问题,有效解决了工程地质问题。此强夯处理可为类似工程提供参考。

加强高土石坝抗震研究的现实意义及工作展望

围绕西部大开发和南水北调战略的需要,对高土石坝抗震研究的现实意义和若干关键问题及研究现状进行了论述。并针对高土石坝震害资料获取与整理、坝料动力特性研究、多耦合非线性动力分析理论和方法、动力破损特征与地震灾害机理、地震安全评价与震害预测的基本理论、抗震设计及抗震措施、震灾机理和抗震理论的动力模型试验等研究提出了工作设想和展望,并提出了建立土石坝地震安全评价及防灾对策专家系统的基本思路。

糯扎渡水电站高心墙堆石坝关键技术研究

糯扎渡心墙堆石坝最大坝高261.5m,可资借鉴的筑坝经验很少,在设计中不可避免地遇到了许多技术难题,如260m级的高坝对土料性能的要求、开挖料的利用和坝料分区、右岸软弱带处理、心墙抗水力劈裂、坝体抗震等。通过开展关键技术问题研究,基本解决了以上难题,使工程得以顺利开工建设,并使我国高土石坝的筑坝水平上了一个新的台阶,所取得的成果可供类似工程借鉴和参考。

汶川地震震损水库典型土石坝除险加固分析

四川省目前已建成各类水库近7000座。＂5.12＂汶川大地震对四川的水利工程造成了很大的灾害。根据四川震损水库基本情况,以苍溪县红旗水库的典型震损土石坝为例,对其进行除险加固分析。分析表明,整治前校核、设计、正常水位降至死水位的3种工况坝坡稳定最小安全系数仅为1.098～1.145,小于规范要求值1.15～1.25,经整治后提高到1.262～1.698,满足了要求,最后对整治后的大坝进行地震工况坝坡稳定计算,其抗震稳定安全系数为1.451～1.654,满足规范的要求。研究为震损水库的整治和处理提供了借鉴。

碧口心墙堆石坝抗震复核分析

经历"5.12"汶川大地震后,碧口心墙堆石坝出现不同程度的震损现象。根据汶川地震自由场峰值加速度随断层距的衰减关系,利用距坝址较近的文县地震台站(062WIX)实测记录,推求碧口水电站坝址岩基输入加速度时程。通过类比相关工程室内大型动三轴试验资料,结合筑坝材料的工程特性,确定大坝填料的动力模型参数。基于三维动力有限元分析TSDA程序,计算得到的大坝震后永久变形、心墙动孔隙水压力与实测资料较为接近;大坝的绝对加速度反应不大,最大放大倍数仅为2.36倍,坝基防渗墙的动力反应也较小。由于坝址区位于汶川地震发震断层的上盘,虽然地震持续时间较长,但地震波的高频分量发育,大坝的动力反应小于依据《水工建筑物抗震设计规范》设计反应谱合成规范波的对应值。研究结果表明,采用现代重型振动碾压技术填筑的碧口心墙堆石坝具有良好的抗震性能,现阶段土石坝抗震计算理论与方法基本合理。

考虑堆石料软化的坝坡随机地震动力稳定分析

地震尤其强震作用下,土石坝筑坝堆石料会逐渐呈现出软化特性,影响坝坡安全。为有效评估堆石料软化对坝坡稳定性的影响,结合地震动随机性,考虑不同地震强度水平,提出了基于等价极值分布和广义概率密度演化方法的坝坡安全概率分析方法,并基于坝坡稳定最小安全系数、安全系数超限累积时间、累积滑移量3个物理量,对242 m高的面板堆石坝进行随机动力响应分析和概率可靠度分析。结果表明:地震作用过程中,随着地震强度的增加,考虑软化与不考虑软化的计算结果差别逐渐增大,因为地震作用下,堆石料软化特性逐渐显现;同时,在地震激励下,堆石料软化是一个渐进过程。因此,考虑坝坡堆石料软化,对高土石坝抗震性能分析具有重要的意义。此外,单纯从最小安全系数角度考察土石坝坡稳定性,是不合理的,需要结合安全系数超限累积时间和累积滑移量,全面评估坝坡的安全性。提出的随机概率分析方法,可以对土石坝坡的可靠度给出较为准确的评价。

土工抗震60年研究进展与展望

本文论述了土工抗震学科的创立、发展和创新历程,并对汶川地震后土工抗震研究的新进展和主要成果进行了论述和总结,在此基础上对土工抗震学科今后的研究重点进行了展望。自汪闻韶院士1958年在中国水利水电科学研究院创立我国第一个土动力学试验室、开创我国土动力学和土工抗震学科以来,土工抗震学科在土体动力特性测试技术、土的液化机理及判别方法、土工振动台动力模型试验、土体真非线性动力本构模型、土石坝及地基抗震安全评价方法、室内外试验联合确定土体动力特性参数、土石坝及地基抗震设计理论(思想)和原则等方面取得了创新性和开创性的进展,奠定了我国土动力学和土工抗震研究的理论基础和领先地位。2008年汶川地震后,围绕高土石坝抗震的新需求,在高土石坝极限抗震能力分析方法、高土石坝地震破坏模式、高土石坝抗震减灾工程措施等方面取得了一系列新进展,逐步建立了室内试验和现场试验相结合、原型震害-数值模拟-物理模拟相结合、变形分析和稳定分析相结合、整体稳定分析和局部稳定分析相结合的高土石坝抗震安全评价体系。未来迫切需要开展复杂深厚覆盖层上高土石坝抗震关键技术,特高土石坝地震灾变行为与安全控制,基于性能的高土石坝抗震安全评价及灾害控制,水库大坝抗震监测预警、应急处置等方面的研究。

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。

强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则

中国西部拟建多座坝高250~300 m级别的特高土石坝工程,但西部地区地震频度高、强度大,地震的突发性和不确定性对这些特高土石坝的抗震安全构成了巨大威胁。高土石坝抗震安全评价是多系统、真三维、非线性、非连续的复杂问题。然而,传统高土石坝动力分析方法仍在弱非线性范围内,各种相互作用的影响大多被简化并孤立进行,难以对强震作用下特高土石坝动力破坏过程、耦合效应及其影响进行深入研究和科学认识。面向中国300 m级特高土石坝建设需求,依托RM、拉哇等特高土石坝,重点突破了筑坝材料强非线性、大坝-地基-库水动力相互作用、精细化建模和分析方法、自主高性能计算软件以及极限抗震能力评价方法和标准等方面的一系列科学问题和技术难题。研究成果为特高土石坝抗震安全设计提供了先进的评价方法和标准。

深厚黄土覆盖层上土石坝地震响应特性分析

采用非线性有限单元法和笔者曾提出的动孔压试验曲线法,对某深厚黄土覆盖层上土石坝进行了有效应力法地震响应分析,重点分析大坝的绝对加速度、动位移和动应力等动力响应及动孔隙水压力分布情况。分析结果表明,在现有设计条件下,由于坝基软弱黄土覆盖层较厚,大坝在7度地震作用下地震响应不强烈,但坝基黄土覆盖层会出现液化情况,需采取相应的抗液化工程措施。

黄土动力特性试验及深厚黄土地基上土石坝抗震分析研究

对某深厚黄土地基上土石坝的坝基黄土和筑坝黄土进行动三轴和共振柱等动力试验,求得其动强度、动应力-应变关系,以及用于计算动孔压的动孔压特性曲线及其他动参数。在静力分析的基础上对大坝连同地基进行了三维有效应力动力分析。计算表明,Ⅶ度地震下黄土坝基会出现液化,危及大坝安全。为此,建议了距上下游坝脚一定范围内对坝基进行填土压重的经济便利的大坝抗震措施,并对填土压重的抗液化效果进行了优化分析,最终得到经济合理的填土压重范围和压重厚度。

边坡稳定制约下土石坝截面优化遗传算法

为了实现土石坝的截面优化,基于坝体边坡极限平衡状态提出了一种易于施加特性约束条件和进行全局优化搜索的优化遗传算法.建立了以边坡稳定为约束条件的多工况条件下的土石坝截面优化模型,并在Matlab平台上编制了基于极限平衡理论的土石坝坝坡稳定性分析程序以及优化程序,实现了均质土坝在渗流和地震作用等约束下最优截面的搜索.算例结果证明了该优化方法具有一定的有效性和可行性.

深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析

常规的拟静力方法不能反映出深厚覆盖层上高土石坝的动力特性,而应从坝体材料的动力稳定性、坝体地震后的永久变形和坝坡地震过程中稳定安全系数时程变化等方面综合评价大坝的安全性.结合一工程实例,建立了深厚覆盖层上高土石坝的三维有限元动力分析模型,对大坝的抗震稳定性进行分析及评价.研究表明:坝体中较大的加速度数值集中在坝顶向下1/3的坝高范围,而此处以下部分的加速度数值与基岩加速度数值大致相同或略小;地震过程中,坝坡最危险安全系数滑弧由静力最危险滑弧逐步向坝顶方向移动.

基于BP神经网络的土石坝地震震害预测

影响强震区土石坝震害的因素复杂,各影响因素也可能存在相互关联现象,两两之间为多模态且带噪声的非线性关系。利用人工神经网络具有高度容错、自学习、自组织分析复杂非线性问题的特点,结合40组国内外土石坝样本建立BP神经网络对其历史震害进行训练,使得土石坝震害与其影响因素之间的非线性关系得到较好的映射,进而建立基于BP神经网络的土石坝震害等级预测模型。实例验证表明,该BP网络能够对土石坝震害进行有效预测。

土质堤坝地震反应的简化有效应力计算方法

详细介绍了一种简便计算土质堤坝地震过程中动孔隙水压力增长的方法--动孔压试验曲线法的基本原理和计算过程。利用该法对一土坝进行了考虑动孔压影响的非线性有效应力动力分析,预测了抗震加固前后大坝可能液化范围和坝坡稳定安全系数,并作比较分析。分析表明,动孔压试验曲线法应用简便,计算结果合理可靠。采用堆石压坡抗震措施能有效地减小大坝的液化度和可能液化范围,同时又能明显提高坝坡抗震的动力稳定性。

强震作用下土工格栅加固高土石坝效果分析

针对用钢筋代替格栅的方法不能充分反映土工格栅与土体之间相互作用的问题,利用Flac^(3D)有限差分软件中geogrid单元模拟土工格栅及耦合界面,采用修正后的M-C模型模拟坝体材料的非线性,研究在强烈地震荷载作用下加筋土工格栅对高土石坝的加固效果,并进行了三维有限差分化分析。结果表明,随着格栅弹性模量的增加、格栅的加密等可以减小坝顶沉降和提高坝体稳定性;交错布置格栅对高土石坝加固具有明显效果。研究成果为高土石坝的抗震安全措施和加固措施提供理论依据。

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。

鲤鱼潭大坝在集集地震中的变形分析

鲤鱼潭黏土心墙堆石坝在台湾"9·21"集集地震中有一定的变形损伤。为了研究大坝的地震破坏机制,分析了大坝的永久位移分布规律,同时采用有限元数据平滑方法,对大坝位移监测数据进行处理,得到了大坝的永久应变场。结果表明,大坝在强震作用下永久变形指向坝内,坝体体积整体收缩;由于反滤料孔隙水压力上升,有效应力降低,在上游坝体在反滤层附近出现拉应变;在两岸坝肩与基岩交界部位存在拉应变,易造成拉伸裂缝。