Application of strength reduction method to dynamic anti-sliding stability analysis of high gravity dam with complex dam foundation

Considering that there are some limitations in analyzing the anti-sliding seismic stability of dam-foundation systems with the traditional pseudo-static method and response spectrum method, the dynamic strength reduction method was used to study the deep anti-sliding stability of a high gravity dam with a complex dam foundation in response to strong earthquake-induced ground action. Based on static anti-sliding stability analysis of the dam foundation undertaken by decreasing the shear strength parameters of the rock mass in equal proportion, the seismic time history analysis was carried out. The proposed instability criterion for the dynamic strength reduction method was that the peak values of dynamic displacements and plastic strain energy change suddenly with the increase of the strength reduction factor. The elasto-plastic behavior of the dam foundation was idealized using the Drucker-Prager yield criterion based on the associated flow rule assumption. The result of elasto-plastic time history analysis of an overflow dam monolith based on the dynamic strength reduction method was compared with that of the dynamic linear elastic analysis, and the reliability of elasto-plastic time history analysis was confirmed. The results also show that the safety factors of the dam-foundation system in the static and dynamic cases are 3.25 and 3.0, respectively, and that the F2 fault has a significant influence on the anti-sliding stability of the high gravity dam. It is also concluded that the proposed instability criterion for the dynamic strength reduction method is feasible.

翁结水库碾压混凝土重力坝动力特性及其抗滑稳定分析

重力坝是水利工程中最常用的主要水工建筑物之一,混凝土重力坝在地震作用下的动力稳定是坝工设计中的重要问题.本文以翁结碾压混凝土重力坝为对象,取位于河谷中的7、8号溢流坝段和9号非溢流坝段,建立三维有限元模型,通过计算分析了碾压混凝土重力坝在不同工况下的应力变形规律及抗滑稳定性.结果表明:静力荷载作用下,坝体位移符合重力坝一般规律,坝踵主拉应力范围较小;动力荷载作用下,位移等响应在坝顶达到最大,符合鞭鞘效应特征,同时坝体残余位移较小,坝体在一些部位出现瞬时拉应力超标现象,坝基塑性区未发生贯通;对7、8号坝段和9号坝段在建基面及碾压层面进行抗滑稳定验算,坝体坝基均满足稳定要求.

远场水下爆炸冲击作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法

高坝大库的抗爆与防护是国防安全的重要研究课题。该文针对远场水下爆炸冲击作用下混凝土重力坝的稳定安全评价问题,研究了远场水下爆炸冲击波的传播及其与坝体的相互作用过程;基于波动理论和平面波假设,建立了重力坝爆炸动应力场的简化理论计算模型,最终建议了一种远场水下爆炸冲击波作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法;同时结合工程实际,采用该方法对某混凝土重力坝的动力稳定性进行了分析。结果表明:在远场爆炸冲击荷载作用下,重力坝的稳定安全系数呈现出先增后减再增并最终保持恒定的变化规律;下游坝面反射形成的拉伸波与剪切波的共同作用是导致建基面稳定安全系数降低的主要原因。

有限单元法在高拱坝坝肩动力稳定分析中的应用

利用有限元法及三维实体任意截面数据处理技术,建立了高拱坝坝肩稳定安全系数计算分析方法,并编制了相应的计算和处理程序.通过对某高拱坝动力稳定性的分析计算,给出了拱坝坝肩在3个典型高程分别沿两滑移面交线方向、侧滑面及底滑面滑动的最小安全系数.

高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析

在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。

碾压混凝土高拱坝坝肩稳定及坝体开裂静动力分析

强震区高拱坝抗震问题的研究十分重要,高拱坝静力稳定研究和极限抗震能力复核,是确保地震后不发生库水失控下泄的关键课题之一。采用物理模型试验与数值计算的方法,根据汶川震后新核定参数,并考虑降强因素的影响,对沙牌碾压混凝土拱坝进行静动力分析和复核。通过三维地质力学模型综合法静力破坏试验,研究拱坝坝肩在正常荷载作用下的稳定安全性,得到沙牌拱坝坝肩综合稳定安全系数为3.76,建议对两坝肩开裂较严重区域进行加固处理。在此基础上,基于反应谱理论进行三维有限元动力分析,将应力成果导入开发程序由Drucker-Prager(D-P)和Mohr-Coulomb(M-C)准则对加固后的沙牌拱坝进行动力复核计算,并研究大坝的开裂情况和极限抗震能力,计算结果表明,沙牌拱坝的整体抗震稳定性能良好,仅在万年一遇地震工况下发生坝肩浅表层失稳。研究成果表明,沙牌拱坝坝肩稳定性较高、坝肩加固效果良好,从而在"5.12"汶川地震中表现出超强的整体稳定性和抗震能力,其全面开展的研究工作和采取的工程措施可供国内强震区同类型拱坝工程建设及运行借鉴和参考。

拱座稳定的三维极限分析

本文介绍了一个建立在塑性力学上限定理基础上的边坡稳定三维极限分析方法 ,该法将滑动体划分成一系列具有倾斜侧面的条柱 ,引入Mohr Coulumb相关联法则后可求得这些条柱的塑性速度场 ,通过功能平衡方程可算得安全系数 ,采用最优化方法计算临界滑动模式 ,并使用这一方法计算了小湾拱座的稳定安全系数 .

静动力作用下高拱坝坝肩稳定性三维分析

按照静载设计、动载复核的设计原则,基于地质勘测资料,针对坝肩抗滑稳定问题的三维特性,采用关键块体理论来识别和描述被结构面切割的岩体,确定相应的控制性滑块,进而运用程序实现三维刚体极限平衡法,选取不同高程的试算面对某水电站300m级高拱坝左、右岸坝肩的静动力抗滑稳定性进行计算分析。在动力分析中,将坝体、库水及其地基作为整个体系,充分考虑坝体、地基和库水三者的动力相互作用。静动综合计算分析的结果表明,拱坝左、右岸坝肩在静力作用下是安全的,且安全富裕较大;在地震作用下也是安全的,但安全裕度不大。这为该拱坝的设计和论证提供了重要的科学依据。

白鹤滩拱坝整体安全度的非线性分析

根据白鹤滩拱坝及其坝肩岩体的特点，建立能够反映坝体混凝土和坝基岩体相互作用的有限元模型，应用MARC软件对拱坝-地基系统的应力应变进行了非线性分析，研究了白鹤滩拱坝的整体安全度、主要结构面的屈服情况和坝肩岩体的稳定性。采用强度储备法、水头超载法、水密度超载法计算的白鹤滩拱坝的整体安全度分别为3．0～3．5，1．5～1．6和2．0～2．3。计算结果表明。坝基内的结构面有屈服现象出现，左岸结构面sh5、右岸结构面C3的稳定性应引起重视，白鹤滩拱坝的整体安全度基本满足设计要求。

基于超载法的拱坝坝肩地震动力稳定性方法研究

拱坝坝肩地震动力稳定性一直是工程界关注的一大热点,然而对坝肩动力稳定性的评判方法和标准的研究还不成熟。为完善坝肩动力稳定分析方法,将有限元法与刚体极限平衡法的优势相结合,提出了地震动力超载方法以及极限累积位移评判标准。首先,基于有限元法开展实时动力分析,对坝肩可能的滑移块体采用多重网格应力插值求任意时刻的阻滑力和下滑力,确定其主滑方向,而后采用刚体极限平衡法计算每个滑块的动安全系数;同时,对瞬时动安全系数小于1.0的时段,进行加速度积分,求出滑块累积失稳位移。结合滑块尺寸及滑动面强度参数提出极限累积位移计算公式作为失稳判据,通过比较累积位移与极限累积位移判定滑块的稳定性。基于以上思路开发了一套坝肩动力稳定分析系统SAFEDAM。以沙牌拱坝经受反映5.12地震的人工波为例,开展了沙牌拱坝坝肩动力超载稳定分析,验证了极限累积位移判据的合理性。研究表明,沙牌左岸坝肩超载稳定安全倍数K_(p_0)=3.2,右岸坝肩超载稳定安全倍数K_(p_0)=4.2。工程实例计算表明,该方法计算坝肩动力稳定性使用较为方便可靠,具有较大的工程实用价值,为坝肩动力稳定性分析和评价提供了一条新路径。

大花水拱坝的块体元法和拱梁分载法耦合分析

采用三维弹粘塑性块体元法与拱梁分载法的耦合分析方法对大花水拱坝的坝体应力和坝肩稳定性进行了分析。耦合分析时,用块体单元离散坝基,将坝体划分为拱梁系统。在拱坝和基础的接触面上,假设拱梁的基础节点固结在块体表面上,根据虚功原理,将拱梁单元刚度矩阵中关于基础节点的位移的刚度系数变换为关于块体位移的刚度系数。将刚度矩阵组装在一起并建立整体平衡方程,求解基础块体元和坝体内部节点的位移,然后计算各自的应力和稳定情况。计算结果表明,该坝坝肩边坡整体是稳定的。

坡体地震稳定性的动态分析

坡体地震稳定性研究是地震灾害分析的重要课题。本文研究了基于刚体力学原理的坡体地震稳定性的动态分析理论：（１）推导了同时考虑水平和竖直地震的坡体临界加速度的计算公式；（２）采用条块技术针对任意形态的坡体建立了根据水平和竖直地震加速度时程估计坡体换稳的加速度、速度和位移时程的方法；（３）讨论了地震动加速度时程的确定问题，地震过程中坡体抗滑强度的衰减问题和孔隙的动态响应问题以及坡体地震稳定性的评定问题。作为实用实例，分析了１９７６年７月２８日唐山地震引起的白河主坝滑坡的失稳机制。结果表明：白河主坝滑坡是由于地震过程中坡体抗剪强度的显著丧失和地震导致的坡体大幅度位移所致；竖直地震动对坡体位移计算的影响很小，在地震位移的计算中可略去竖直地震动的影响。

爆破地震波作用下尾矿坝的有限元动力分析

为了了解某钼矿进行爆破采矿是否会对近距离的尾矿坝产生破坏作用,结合实际勘探资料,在二维静力非线性有限元分析的基础上,进行爆破地震波作用下坝体的动力反应分析,综合研究了动位移、动应力和加速度时程等关键物理量变化的规律性,并在此基础上进一步结合试验资料对坝体进行了液化判断及稳定性分析。分析结果表明,该钼矿在规定的爆心距、药量范围内进行爆破采矿时,相邻的尾矿坝是安全稳定的。本文的研究结果对爆破设计、现场采矿及尾矿坝体运行维护均具有一定的指导意义。

小湾拱坝设计及基础处理

小湾拱坝动静应力水平较高,在拱坝体型优化及应力分析中采用多种数值分析方法和模型试验进行深入研究,特别是对于高拱坝坝踵可能出现的开裂问题和抗震问题开展了一系列攻关研究,并采取了相应的工程措施。坝肩稳定是高拱坝安全的关键,针对存在于坝肩抗力岩体内的地质缺陷,首先采用多种数值分析方法和模型试验对抗滑稳定性和变形稳定性进行深入研究。在此基础上,从安全可靠、经济合理以及可实施性等方面充分论证和分析比较各种加固处理措施,综合确定了实施方案。

拱坝坝肩整体稳定静力动力可靠度分析

本文以刚体极限平衡理论为基础，建立了拱坝坝肩整体稳定静力、动力可靠度分析的数学模型，导出了用全概率法分析其可靠度的计算公式，编写了相应的计算程序。通过对一拱坝实例进行较详细的静力、动力抗滑稳定可靠度计算与分析，验证了本方法的实用性和正确性。研制的通用程序ＢＲ·ＳＡＤＰ可对各类拱坝进行坝肩整体稳定静力、动力可靠度分析。

拱坝坝肩三维稳定可靠度分析

以随机块体理论为基础，建立了拱坝坝肩三维稳定可靠度分析的计算模型，推导了用全概率法分析其可靠度的基本公式，研制的电算程序用于实际工程，得到了比较合理的计算结果，验证了本方法的可行和实用性。

混凝土拱坝横缝对坝肩抗震稳定的影响

简单介绍了将刚体极限平衡法与考虑横缝的拱坝—地基系统有限元静动力分析相结合,将有限元时程分析的计算成果用于刚体极限平衡求解高拱坝坝肩块体抗滑稳定安全系数的基本思路和计算公式,并详细推导了模拟拱坝横缝动态张合效应的动接触力模型基本公式.最后又以两个实际工程为例,在考虑无限地基辐射阻尼作用的条件下,区分有、无横缝两种情况,在有限元静动力分析的基础上,用本文介绍的方法分别进行拱端推力、块体地震力,以及块体动力安全系数的分析,通过这两种工况计算结果的对比,揭示拱坝横缝对坝肩抗震稳定的影响.

基于三维非线性有限元的拱坝坝肩稳定分析

刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面也存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格。基于有限元计算的应力结果,通过插值获得滑面的受力分布情况,然后可以方便地计算得到任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和刚体极限平衡分析方法结合起来。为了改善计算的收敛性和提高非线性求解的精度,非线性有限元计算采用一种基于Drucker-Prager准则的理想弹塑性增量分析方法,无论是对于小荷载步长还是大荷载步长,弹塑性计算均具有很好的收敛性。该方法已经集成到三维非线性有限元分析程序TFINE中,在分析了插值方法和网格密度对计算结果精度的影响基础上,将该方法应用于某水电站高拱坝坝肩的稳定分析中。计算结果分析以及与刚体极限平衡法结果的对比表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,所提出方法的计算结果虽然比刚体极限平衡法偏大,但更符合实际情况。

地震危险性分析和地震动输入机制研究

结合溪洛渡、小湾等水电工程 ,研究 30 0m级高拱坝抗震设计中的基础性问题 :场址地震危险性分析中不确定性因素的影响分析、重大工程设定地震的确定、设计地震动输入机制等 ,建立了中国水利水电强震记录数据库 ,首次将地理信息系统 (GIS)高新技术用于水库诱发地震危险性预测分析。本专题成果为大型高拱坝工程的抗震设计提供了一套更合理。

拱坝坝肩稳定的可靠度分析

当拱坝坝肩岩体为断层、节理裂隙、层面等结构面所围成,有可能产生滑移时,就应进行整体抗滑稳定分析。文章在考虑滑移体的构成、滑动的形式、滑动面抗剪断强度参数等的随机性的基础上,使用可靠度理论,对拱坝坝肩抗滑稳定可靠度进行分析;以某拟建拱坝为算例,计算结果是比较理想的。