覆盖层地基上250m级土石坝抗震分析
覆盖层上高面板堆石坝的极限抗震能力
覆盖层上高面板堆石坝的极限抗震能力岑威钧;张自齐;周涛;杨宏昆;卢培灿【摘要】In consideration of the dynamic response of a concrete-face rockfill dam ( CFRD) to earthquakes, the calculation method and evaluation standards for seismic damage to CFRDs are investigated from the aspects of the seismic stability of dam slope, permanent deformation of dam body after earthquakes, liquefaction of foundation overburden, and deformation of slab joints of the CFRD. The maximum seismic capacity of a 135 m CFRD on an alluvium deposit is calculated using the three-dimensional finite element method. Result analysis shows that the dam has strong earthquake resistance, with a maximum seismic capacity of about 0. 52g to 0. 54g.%针对地震作用下面板坝的非线性动力反应,为了准确评估大坝的极限抗震能力,从坝坡抗震稳定性、坝体震后残余变形、坝基覆盖层液化和面板接缝变形等方面探讨面板坝的地震破坏计算方法和评价标准。
采用三维有限元法,对某覆盖层上高135 m的混凝土面板堆石坝进行极限抗震能力计算,结合多角度综合分析表明,大坝的极限抗震能力约为0.52g~0.54g,大坝具有较强的抗震能力。
简要分析深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力
３ ． 大 坝 极 限抗 震 能 力 的 综 合 结 论 来计算振动孔 隙水压力 的产生 ： 利用节点等价 体积和三维节点等价流 我们根据调查 走访 ． 之 后经过研究计 算 ， 暂时得 出了一个大坝 的 量 的概念 ， 结合 Ｂ ｉ ｎ ｔ 固结 理论 ， 不仅 考虑 了孔 隙水压 力的产生 增长 ， 极限抗震 能力的数据 ． 当然 ， 数据是否准确 ． 还有待 国家政府部 门进一 而且考虑 了孔 隙水压力 的消散和扩散 ． 即应用排水有效应力方法 。 步的研究 综合了高土石坝的稳定性 、 变形延展度以及防渗 体巩固度 ， ２ ． 动 力 反 应 分 析 方 法 与极 限抗 震 能 力研 究方 法 再加上地形地理 地貌等 因素 的考虑 ． 我们 初步认为 ， 大坝的极 限抗震 ２ ． １ 抗震安全性分析方法
０． ５ ０ － － － ０． ５ ５ ｇ。
【 关键词 】 高土石坝 ； 极 限抗震 能力； 深厚覆盖层 ； 坝坡稳定性 ； 地震残余 变形
随着世 界经济 的发 展 ． 水 电等 能源的重要性 日渐突 出． 建立大坝 是解决水 电能源供应 以及储备的最佳方案 。土石坝 以其 经济效益高 、 效果显著而受到世界各 国的欢迎 ． 很多大 国都是大力 建造土石坝 由 此． 却引 出了一个 问题 ， 土石坝承受 自然灾害 的效果如何 ． 如果土石坝 无法抵御 自然灾害 ． 那么 ， 由此带来 的损失将是无 可估量 的 ． 不论从建 造大坝所花费 的经济 已经大坝本身所带来的效益都是 巨大的损失 。 其 中． 地震 灾害对土石坝 的威 胁最大 ． 本 文简要分析 了深厚覆 盖层 上高 土石坝抗震能力 ． 希望对各位读者有所帮助
安全 系数 ． 是整体平 均等效 的概念 ． 不反映地 震过程 中安全 度的动态 变化 综合 两种方法分别算 出的安全系数 ． 便可对 坝坡的抗震安全性 性进 行判 断。 ２ ． ２极 限抗震能力研究方法 我国 目前没有 出台针对 高土石坝极 限抗震 能力 的相关标准 ． 世界 上也没有具体 的标准 ． 所以． 针对高土石坝极 限抗震 能力的研究 ， 我们 要从 多方面人手 ． 从 多角度分析 ． 找到决定 高土石坝极 限抗震 能力的 因素 ． 并 且针对这些 因素进行探索 ． 最终就能够得到有效结论 。 本文提 出了几个 研究的方 向 ． 从高土石 坝的稳定性 、 变形延展度 以及 防渗体 １ ． 动 力 反应 分 析 方 法 与 极 限抗 震 能 力 研 究 方 法 中国水科 院曾经开发 出了一种三维真非线性 动力本 构模 型 ． 而土 巩固度 等几个方 面进行进一步 的探讨 。 具体包括 ： 石料 的动力模型就是借鉴的该模型 该模型将土料作为一种黏弹塑性 （ １ ） 从坝坡稳定 的角度分析大坝 的极 限抗震 能力 ： 采用动力法 （ 包 变形材料在进行使用 ． 模型不复杂 ， 就是 由初始加荷 曲线 、 移动的骨干 括 动力时程 线法 和动力等效值 法 １来分析不 同等级 强震作用 下坝坡 曲线和开放 的滞 回圈组成 这种真非线性模型的特点是 ： 研究 可引发溃坝 的坝坡失稳状 态 ， 分析大 坝的极限抗 （ １ ） 与等效线性黏弹性模型相 比， 能够较好地模拟残 余应变 ， 用于 的地震稳定性 ． 动力分析可 以直接计算残余变形 ： 在动力分析 中可 以随时计算切线模 震 能 力 。 ｆ ２ ） 从地震永久 变形的角度 分析大坝 的极 限抗震能力 ： 计 算不 同 量并进行非线性计算 ． 这样得到 的动力响应过程能够更好 地接近实际 等级强震作 用下大坝的地震永 久变形 ， 研究 地震 永久变形与大坝整体 情况 。 分 析大 坝的极 限抗震能力 。 （ ２ ） 与基于 Ｍａ ｓ ｉ ｎ ｇ 准则的非线性模 型相 比， 增加 了初始加荷 曲线 ， 安全 的关 系 ， （ ３ ） 从液 化可能性 、 单元抗震安全性及 防渗体 。 对剪 应力 比超过 屈服剪应力 比时 的剪应力 一 应变关 系 的描述较 为合 安全 的角度分析 大坝 的极 限抗震能力 ： 计算 不同等级强震作用下 理： 滞 回圈是开放 的 ： 考 虑了振动次数和初始 剪应 力比等对变形规律 评判 液化可能性 、 单元动力剪 切破坏 的可 的影 响 堆石坝体及地基 主要采用三维 ８ 结点 ６面体等参 单元来模 大坝的单元抗震 安全系数 ． 分析大坝 的极 限 拟． 在边界 不规则处采用 ６节点 ５ 面体 ３ 棱柱单元来填充 。采用三维 能性及防渗 体的安全性 及其与大坝整体安全 的关系 ， 各 向异性有厚度薄单元来模拟不 同材料 间的接触面特性 。 为 了更合理 抗 震 能力 。 （ ４ ） 综合 分析大 坝的极 限抗 震能 力 ： 基 于上 述计算 结果 ， 综合稳 地进行覆盖层 上高 心墙坝 的地基及坝体 的地震反 应分析 ， 本文采用 了 变形 、 防渗体安全等分析大坝的极 限抗震 能力 。 有效应 力分析方法 计算 中直接利用动孔压 比与动剪应力 比关系 曲线 定 、
“强震区深厚覆盖层上250m级土心墙堆石坝防渗系统设计关键技术研究”科技项目通过验收
程 顾 问集 团公 司 验 收 。专 家 对 研 究 成果 进 行 了认 真 的讨 论 和 审 议 。认 为该 项 研 究 成 果进 一 步 提 升 了我 国高 土 石 坝 的研 究 水 平 。
『 Ｊ ］ ． 长 江科 学 院 院 报 ，２ ０ ０ １ ，ｌ ８ （ ３ ） ： ２ ５ — ２ ８ ．
差为 ５ ． ７ ４ １ Ｔ Ｉ ：＠ ｚ Ｋ ３钻 孔水 位 明显 低 于 位 于 坝顶 的
其 他 钻 孔 水 位 ，最 大 水 位 差 高 达 １ １ ． １ Ｏ ｍ。
学 ．２ ０ ０ ５ ．
５ ． ３ ４ ３ ｍ ；② 观 ６测 管 水 位 明 显 高 于 观 １ ０，最 大 水 位差为 ３ ． ３ １ １ ｍ； ③ 观 ７ 与 观 １ １测 管 水 位 关 系 从
２ ０ ０ ４年 开 始 出 现 本 质 变 化 ，从 原 来 的 观 ７高 于 观 １ １ 转 变 为观 １ １高 于 观 ７，且 差 值 较 大 ，最 大 水 位 差 为 ４ ． ９ ６ ６ ｍ：④ Ｚ Ｋ５孔 内 水 位 明 显 高 于 Ｚ Ｋ７，最 大 水 位
分 析 表 明 ：① 各 管 受 上 游 水 位 影 响 密 切 ，未 发
生堵 塞 ；② 封堵 的原 输水 涵 管 附 近 的测 压管 （ 或钻
孔 ） 水 位 对 涵 管 的 渗 漏 较 为 敏 感 ，表 明 涵 管 发 生 渗
『 ５ ］ 顾 冲 时 ， 吴 中如 ． 大 坝 与 坝 基 安 全 监 控 理 论 和 方 法 及 其 应 用 『 Ｍ１ ． 南 京 ：河 海 大 学 出版 社 ，２ ０ ０ ６ ． ［ ６］ 周 萍 ． 基 于 神 经 网 络 和 遗 传 算 法 的岩 体 参 数 反 分 析 研 究 ［ Ｄ］ 南
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析【摘要】深厚覆盖层地基土石坝是一种重要的水利工程设施，其防渗处理至关重要。
本文从研究背景和研究意义出发，探讨了深厚覆盖层地基土石坝的特点，防渗处理的要点，地基处理方法，土石坝防渗处理方法以及防渗处理施工技术。
深入分析了防渗处理在土石坝工程中的重要性，并提出了未来研究方向。
总结指出，深厚覆盖层地基土石坝防渗处理对水利工程的安全稳定至关重要，在未来的研究中需要加强对防渗处理方法和施工技术的研究。
本文通过对深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点的分析，为相关领域的研究提供了重要参考。
【关键词】深厚覆盖层、地基土石坝、防渗处理、要点分析、特点、地基处理方法、施工技术、重要性、未来研究方向、总结。
1. 引言1.1 研究背景深厚覆盖层地基土石坝防渗处理是土木工程领域中一个重要的研究方向。
随着城市化进程的加快和人口的增长，各种水利工程建设如水库、水坝等也随之增多，其中深厚覆盖层地基土石坝的建设已成为一种常见的工程实践。
由于该类型水利工程常常面临地基土质疏松、孔隙度大、透水性强等问题，因此防渗处理成为工程建设中不可忽视的环节。
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理不仅关系到工程的安全性和稳定性，也直接影响到水资源的合理利用和生态环境的保护。
对深厚覆盖层地基土石坝防渗处理进行深入研究，探讨其要点和施工技术，具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在系统探讨深厚覆盖层地基土石坝防渗处理的关键问题，为相关领域的研究和工程实践提供参考和借鉴。
1.2 研究意义深厚覆盖层地基土石坝是水利工程中的重要组成部分，它承担着调节水流、防洪防渍等重要功能。
如果地基土石坝的防渗处理不到位，将会导致水土流失、坝体破坏等严重问题，影响工程的正常运行。
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理的研究可以帮助我们更好地理解土石坝的结构特点和防渗处理方法，为相关工程的设计和施工提供科学依据。
通过深入研究地基土石坝防渗处理的要点，可以提高工程建设的质量和安全性，为社会和经济发展做出积极贡献。
覆盖层地基上250m级土石坝抗震分析
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） 表 １ 固结应 力比为 １５时的抗液化动剪应力 比 Ａ￣ ａｏ ． ／＇
Ｔ ｂｅ１ Ｓｉ ｉ ｓｅｒｓ ｅｓ ａ ｏＡｆ ｒｗ ｅ ｏ ｌ ａｉ ｒｓ ｒｔ ． ａ ｌ ｅ ｃ ｈａ ｔ ｓ ｔ ／ ０ ｈ ｎｅｍｏｄ ｔ ｎｓ ｅｓ ａｉ ｉ １５ ｍａ ｒ ｒｉ ｉ ｏ ｔ ｏｓ
在覆 盖层 上修 建 大 坝 ， 国 已有 不少 成 功 的经 验 ， 在 高 地震 烈 度 区覆 盖 层 上修 建 ２０ 级 高土 石 坝 ， 我 但 ５ ｍ
尚无先例 ， 需要进行认真细致 的研究工作【 Ｊ由于水位和渗流的影响 ， １． － ３ 心墙上游坝壳及反滤层 、 浸润线 以下
的心墙 、 游坝壳 料 、 滤层 以及 坝基 覆盖 层均 处 于饱 和状 态 ， 下 反 在地 震动 力荷 载 作用 下 ， 坝基砂 层 可能 发生 液 化 ， 而危 及坝 的安 全 ． 外 ， 了防 止高 心墙 坝产 生过 大 的拱 效 应 导 致心 墙 水 力 劈裂 ， 、 从 另 为 上 下游 反 滤 料 不 宜 设 计得 过度 密实 ， 动力 强度 是否 满 足抗震 设 计要 求是 值得 注 意 的问题 ． 文 以我 国某 ２０ 其 本 ５ ｍ级 高 心墙 土 石 坝为例 ， 运用 三维 非线 性静 动 力有 限元 方法 ， 拟大 坝 的施 工 、 模 蓄水 过程 ， 计算 分 析 了坝基 及坝 体 在场地 谱人
摘要： 以某 ２０ ５ ｍ级 高心墙堆 石 坝 为例 ， 用三 维非 线性静 动 力有 限元 方 法 ， 拟 大坝 的施 工 、 水 运 模 蓄 过程， 计算 分析 了坝体 及 坝基在 场 地谱 人 工地 震波 作 用下 的动 力反 应 ， 算 了心墙 及 反 滤料 的动 强 验
简要分析深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力
１ 概 述 ２ ． ３从液化可能性 、单元抗 震安全性 及防渗体安全 的角度分析 ２ ０ ０ ８年的汶川地震给人们敲醒 了警钟， 对于一些强震区的堤坝 大坝的极限抗震能力： 计算不 同等级强震作用下大坝 的单元抗震安 安 全问题需 要特别的关注 。为 了进一步促进西部 开发， 水 电开发成 全系数， 评判液 化可能性 、 单 元动力剪切 破坏 的可能性及 防渗体 的 分析大坝的极限抗震 能力 。 为我国发展的重要战略方 向， 而我 国的水 电资源百分之八 十都处于 安全性及其 与大坝整体安全 的关系， 西部地区， 因此加强西部地 区的水利建设 是促进我 国经济 发展的重 ３长 河 坝 的 极 限 抗 震 能 力研 究 要 因素， 这也导致近些年来我 国西部地 区水利工程 的逐 渐增多 。在 ３ ． １ 计算条件及输入地震动参数为了研究大坝的极限抗震能力 ， 基岩水平 峰值加速 度为 ０ ． ３ ７ ｇ ） 和校核地震 （ 基岩水 平 这些建造好 的大坝之 中彳 艮 多 的大 坝疏 于高层 大坝， 这些高层大坝 的 在设计 地震（ 覆盖率非常广泛， 同时在 我国的金沙江地 区还存在一 些有名 的大坝 峰值加速度为 ０ ． ４ ４ ｇ ） 下 的地震反应分析的基础上， 又分 别计 算了基 建筑， 这些大坝建筑是我国西部重要 的农业和工业来源。 岩水 平峰值加 速度分别 为 ０ ． ５ ０ 、 ０ ． ５ ５ 、 ０ ． ６ ０ ｇ和 ０ ． ７ ０ ｇ时的大 坝地 截止 目前， 我国的土石坝工程 是世 界上使用范围最广 的工程， 在 震反应情况， 并分别从稳定 、 变形 、 防渗体安全等方面， 对大坝的极限 数量和技术规模 方面都位 于前列， 这主要是和我 国西部地 区有关， 由 抗震能力进行研究和分析。计算 时大坝水位为正常蓄水位 。 于我 国西部地区条件恶劣， 属于地震的多发地带， 因此抗震成 为建 筑 输 入地震加 速度时程 曲线设 计地震 时采用设 计地 震场地 波地 物最基本 的功能， 在技术方面 自然会有所提升 。对于高土石坝来说 ， 震加 速度 时程曲线， 其他工况均采用校核 地震场地波地震 加速度 时 按不同强震等级调整输入加速度峰值 。同时输入 水平向（ 顺 定 的抗震标准是其存在的方式， 然而随着我 国经济 的发展， 对于抗 程曲线， 震 的要求 尚不 明确， 因此在很多 的高层土坝建筑 中， 没有 一定的参考 河向和横河 向１ 和竖向地震， 竖向地震 输入加速度峰值取为水平 向的 数据， 我国在这一 方面也提 出了很多 的方案， 做出 了众 多的研究， 初 ２ ／ ３ 。大坝有限元网格剖分情况 。 ３ ． ２从地震残余变形 的角度 分析大坝 的极 限抗 震能力在动力 反 步形成了一 系列 的方式和方法 。 计算 了不 同等级强震 作用下大 坝的地震 残余 变 在我国的一些水 电大坝 中， 主要是用来发 电的堤 坝 比较多， 而在 应分析 的基础上 ， 堤坝 的上游部 分， 通常有一 个电站， 在下 游部分， 同样 设计 了电站 ， 这 形 。 震陷倾度定义为坝项最大震 陷与最大震陷部位距岸坡距离的 比 种设计主要是为 了防止大坝水流 的破坏 。一般来说， 我国大坝 的高 值， 体现坝顶及心墙沿坝轴线震陷的不均匀性 。作为代表， 给出了输 ． ５ ５ ｇ和为 ０ ． ７ ０ ｇ 时典 型剖 面竖 向变形 度较高 ， 水位 线也较高 ， 在这种 程度上才 能形成更大 的落差， 从而起 入水平峰值加速度 分别为 ０ 到 发 电的 功 效 。 的等值线 图。 根据我国的地震 测评结果 ， 我 国的基岩主要用作大坝 的设计， 而 可见， 当输入基岩峰值加 速度 为 ０ ． ７ ０ ｇ 时， 大坝产生了很大的地 超过五十年的大坝可以通过测试， 而百年 以上 的大坝效率非常低。 震残余变形， 最大震陷达 ２ ５ ４ ｅ ｍ， 为坝高（ 不含覆盖层） 的１ ． ０ ６ ％， 占坝 抗震分析和抗震设计 的不确定 因素很 多， 难 以确 在大坝的整个抗震过程中， 需要对坝体 的动力进行测评， 特别是 高地震残余变形下， 在地震过 程中土体 会发生位移， 这种位移作用 会随着震感 的多少而 保大坝的整体安全性 。结合相关震害 资料 分析， 最 大震 陷超过坝高 发生改变 。通常， 计算机会对整个 的震感进行科学 的分析 和研究 ， 计 的 ０ ． ７ ％ ０ ． ８ ％时可产生 明显震害， 并 可能 导致严 重后果 。综上分析， 算 出符合 安全性能的坝坡的稳定度， 这在 文中叫做动力线法 。如果 从地震 残余变 形 的角 度来看 ，初步认 为，大坝 的极 限抗震 能力 为 ５ ５￣ ０． ６ ０ ｇ。 考虑到地震过程 中的变化问题， 在本文 中也有所 涉及 ， 主要是动力等 ０． 效 的 方法 。 ３ ． ３ 不 同等级 强震作用 下的防渗墙 的安全性 根据地震反应分 析 静动力叠加后防渗墙 最大压应力出现在竖 向， 而最大 拉应 力出 动力时程线法算得 的安全系数是地震过程 中每一时刻（ 瞬时） 的 结果， 安全系数， 反 映了地震 过程 中坝坡抗 滑稳定安全 系数 随时间 的动态 现在 坝轴 向， 且拉 应力范 围较大， 在此重点分析 了坝轴 向的拉 应力 。 变化过程。 而动力等效值法得到 的安全系数是地震作用下坝坡一个 不 同等级强震作用 下， 防渗墙坝轴 向静动力叠 加后拉应力最 大值见 。 总 的安全系数， 是整体平均等效的概念， 不反映地震过程 中安全度 的 表 ４
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析地基土石坝是水利工程中常用的一种坝型，其主要功能是用于蓄水、发电或者防洪等用途。
而地基土石坝在建设过程中，常常会遇到防渗处理的问题。
防渗处理的主要目的是防止地基土石坝内部的水渗漏，从而保证坝体的稳定性和安全性。
深厚覆盖层是指在地基土石坝上部设置一定厚度的土石料层，用以增加坝体防渗性能和坡面稳定性。
而要实现深厚覆盖层地基土石坝的防渗处理，需要从多个方面进行分析和要点制定。
要对地基土石坝的地质条件进行充分的调查和分析。
地质条件是决定地基土石坝防渗处理方案的重要因素。
如果地质条件比较复杂，如地下水位较高、地下水渗流较快或者地基土层中存在较多的裂隙和砂砾等，则需要采取相应的措施来提高深厚覆盖层地基土石坝的防渗性能。
在进行地质条件调查时，需要注意对地下水位、土层的渗透性和坝址周边地质构造等进行详细的调查和分析，为后续的防渗处理方案制定提供科学依据。
要合理选择深厚覆盖层的材料和施工工艺。
深厚覆盖层的材料应该是具有一定抗渗性能和稳定性的土石料，可以选择一些质地坚硬、颗粒大小分布均匀的物料，如粗砂、碎石子等。
对于地基土石坝的防渗处理来说，深厚覆盖层的材料不仅应该具有一定的抗渗性能，同时也需要具有一定的稳定性和耐久性。
深厚覆盖层的施工工艺也是影响防渗效果的关键因素之一。
在进行深厚覆盖层施工时，需要严格控制施工质量，确保土石料的填筑厚度、均匀性和密实度等技术指标符合要求，以提高深厚覆盖层地基土石坝的防渗性能。
要合理设计深厚覆盖层的结构和形式。
深厚覆盖层的结构和形式对地基土石坝的防渗性能有着重要影响。
一般来说，深厚覆盖层的结构形式可以采用均质式、缝隙式或者渗透式等形式。
均质式深厚覆盖层是指在坝体表面整体覆盖一层土石料，缝隙式深厚覆盖层是指在坝体表面设置一定间隔的坝面缝隙，通过缝隙中的土石料起到防渗作用，渗透式深厚覆盖层是指在坝体表面设置渗透孔隙，通过渗透孔隙中的土石料起到防渗作用。
深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析_费康
第11卷第1期扬州大学学报(自然科学版)V ol.11N o.1 2008年2月J ou rnal of Yangz hou U nivers ity(Natural Science E dition)Feb.2008深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析费 康1*,朱 凯2,刘汉龙3(1.扬州大学岩土工程研究所,江苏扬州225009; 2.扬州市建设局,江苏扬州225002;3.河海大学岩土工程研究所,南京210098)摘 要: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.关键词:三维有限元方法;地震反应分析;土石坝;永久变形;边坡稳定性中图分类号:T V641.25 文献标识码:A 文章编号:1007-824X(2008)01-0074-05土质心墙堆石坝具有选材容易、造价低、结构简单、抗震性能好等特点,在世界范围内得到了广泛应用.近年来,随着人们对堆石体材料性质的深入研究和施工技术的进步,心墙土石坝更是成为世界上高坝建设的主流坝型之一.[1]我国最近几年规划的一些大型水库工程也选用心墙土石坝坝型,如两河口水电站、糯扎渡工程、狮子坪工程等.我国水能资源大部分集中在西部地区,随着社会经济发展和西部大开发战略的深入实施,必将修建大量的高坝.然而,由于坝址地质条件的限制,往往要在地震高烈度区的深厚覆盖层上修建高坝,因此研究深厚覆盖层上土质心墙堆石坝的抗震稳定性具有较大的现实意义.目前,土石坝的抗震稳定性分析主要还是采用拟静力法[2],这种方法既没有考虑地震的特性,如振动频率、次数和地震持续时间等,又没有考虑坝身材料的动力性质和阻尼性质等,因而无法反映坝在地震时的反应特性[3-4].尤其对于深厚覆盖层上的高土石坝,拟静力方法无法合理反映坝体内地震加速度分布系数的分布.另外,由于问题的复杂性,单纯地从边坡稳定安全系数一个方面来判定土石坝的抗震稳定性是不够的.[5]为此,本文结合工程实例,通过三维非线性有限元动力反应分析,对坝体及坝基的动力响应进行研究,并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三个方面对大坝的抗震稳定性进行了分析.1 堆石坝抗震稳定性分析方法1.1 堆石坝动力反应分析方法大坝的动力反应采用三维非线性有限元进行时程分析,可求解出坝体及坝基体系随地震过程的应力、应变等响应变量的整个反应过程.计算中采用以粘弹性理论为基础采用的等效非线性粘弹性模型,土体的非线性通过随剪切应变变化的等效剪切模量和等效阻尼比考虑.材料的剪切模量为G= kp a ′m/p a n G/G max,式中k,n分别为对应于G max时的试验常数; ′m为平均有效应力;G/G max为剪应变 的函数.收稿日期:2007-03-28基金项目:国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金资助项目(50639050)*联系人,E-mail:fei-kan g@1.2 地震永久变形计算方法地震永久变形计算在静力和动力计算的基础上进行[6-8],在静力计算中可得到坝体及坝基中各点的应力状态,在动力计算中可得到各点在地震过程中的动位移、动应变和动应力时程.结合循环三轴试验确定的动应力与残余应变的关系求解出永久变形.研究表明,残余体积应变 V 与动剪应力比!∀/ m 的关系可用幂函数近似表示为 V =K V (!∀/ m )nV ,式中K V ,n V 分别与土性、应力状态及振次N 有关,由试验确定.残余轴向应变 p 与动剪应力比!∀/ m 的关系也可用幂函数近似表示为 p =K p (!∀/ m )np ,式中K p ,n p 分别与土性、应力状态及振次N 有关,由试验确定.1.3 坝坡动力稳定安全系数时程分析方法坝坡动力抗滑稳定性分析同样在静力计算和动力计算的基础上进行:假设滑动面为球面,将各单元静应力和动应力进行耦合,求出各单元内部滑面段上总的正应力和总的剪应力,根据摩尔-库仑准则可求得抗剪强度.沿着整个滑面对抗剪强度和剪应力进行叠加,两者之比即为安全系数.具体计算中给出圆心坐标x ,y ,z 和半径R 可能的范围,然后在每一时刻对这4个因素分别采用0.618优选法求出各时刻的最危险滑弧的位置和相应的最小安全系数.2 工程实例2.1 工程概况某水电站大坝为砾石土心墙堆石坝,坐落于最厚约70m 的坝基覆盖层上,坝高约150m ,正常蓄水位高145m ,坝顶长度470m.坝基以含漂沙卵砾石夹土为主,采用宽度为1.3m 的混凝土防渗墙进行坝基防渗处理.防渗墙之上设置混凝土廊道,廊道周围填充高塑性粘土.坝址地区地震烈度为Ⅶ度,仅考虑水平地震作用,人工合成的输入地震波见图1,峰值加速度为0.112g n ,时程采样间隔0.01s,持续时间为30s.2.2 有限元模型及计算参数设x 轴为纵向,即坝轴线方向,以向右岸为正;y 轴为横向,即顺河向方向,以向下游为正;z 轴为竖直方向,以向上为正.有限元计算所取定的范围主要包括部分基岩、坝基覆盖层及其以上的坝体.大坝共剖分为30个断面,共划分10817个单元,10123个节点.单元大部分采用8节点块体单元,个别采用四面体锥体单元及六面体棱柱单元过渡.图2是大坝三维网格图.图1 输入地震加速度时程曲线Fig .1 Time history of input seismic acceleration 图2 大坝有限元网格Fig .2 Finite element mesh of dam混凝土取为弹性材料,弹性模量E =30GPa,阻尼比#=0.05,泊松比∃=0.17,重度#=24.0kN ・m -3.基岩也采用弹性材料模拟,E =20GPa,#=0.05,∃=0.20.表1给出了各材料最大剪切模量参数,表2给出了坝基土和心墙的动强度参数.图3为各材料剪切模量比与剪应变的关系曲线,图4为各材料阻尼与剪应变的关系曲线.表3给出相应各材料的体积残余应变参数K V ,n V 和轴向残余应变参数K p ,n p .其中灌浆区的参数取值与坝基相同,高塑性土的参数取值与心墙相同,因75第1期费 康等:深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析表1 材料的最大剪切模量参数Tab .1 Maximum shear modulus parameters of materials参数心墙反滤层过渡层堆石料坝基灌浆区高塑性土K n12000.48914000.50216000.45217000.4689000.5210000.504000.50为所占体积比例较小,故这种近似取参数的影响可以忽略.2.3 计算结果及分析1)地震反应加速度.计算得到的大坝基频为f = 1.06Hz ,对应圆频率为%=2&f=图3 材料的模量衰减曲线Fig .3 Modulus reduction curves of materials 图4 材料的阻尼比曲线Fig .4 Damping ratio curves of materials表3 材料的残余变形计算参数Tab .3 Permanent def ormation parameters of materials材料3/kPa K V n V K p n p 心墙30050080015000.5171.7663.9865.142 1.3361.6532.0672.0098.63115.76920.02626.644 1.7581.7821.8171.859反滤层50010001500 2.9826.5349.746 1.4001.7201.807 6.03610.5399.661 1.6301.6761.416过渡层50010001500 3.6567.0285.228 1.3461.4681.1507.8479.33213.963 1.4621.3301.441堆石料500100015003.9934.9845.3441.4131.3081.26310.05012.49315.3651.8061.6151.597坝基3005008001500 2.7873.8524.7645.4870.8890.9050.9240.9458.13310.28712.62517.740 1.4471.3741.4051.492表2 材料的动强度参数Tab .2 Dynamic strength parameters of materials材料3/kPa ∀df / 0坝基300500800150025000.2550.2110.1850.1490.126心墙300500800150025000.3210.2800.2470.2090.1826.66rad ・s -1,固有周期T =1/f =0.94s ,约为0.44H /100(H 为坝高,包含70m 的坝基覆盖层),落在Okam oto给出的经验关系式T =(0.35～0.65)H /100之间.这初步表明坝基覆盖层在地震作用下呈现出类似于坝体的特性.计算得到的坝顶最大加速度为2.90m ・s -2,放大系数为2.6,发生在地震开始后的10s.而现行规范[9]规定在设计烈度为7度时,坝顶地震加速度动态分布系数取3.0,比有限元计算值略大.图5是最大剖面坝体动态加速度分布系数a /a b 沿高程的分布,其中a b 是基岩加速度峰值,图中的z /H =0表示心墙底部,z /H =1表示坝顶.图5中同时给出了水工抗震规范中给出的设计烈度7度下土石坝坝体加速度动态分布系数.由图可见,计算值在坝体下部接近50%坝高的情况下近似均匀分布,而在坝顶中上段增加较快,较大的加速度集中在坝顶向下1/3的坝高范围.在坝体的中下部位置,加速度峰值与基岩加速度相同或较小,如心墙底部的加速度峰值约为基岩输入加速度峰值的90%,部分原因是因为坝基覆盖层在地震作用下呈现出类似于坝体的特性,对输入地震有一定的衰减作用.另一方面,由于高土石坝受地基刚性的约束减弱,坝体的自振周期延长,高阶自振周期容易与地震卓越周期遇合,高阶振型的振动易于被激发放大,从而导致加速度分布与规范中的规定有所不同.2)单元稳定性分析(材料动强度).材料在动荷载一定的循环作用次数下,达到液化或者产生破76扬州大学学报(自然科学版)第11卷坏应变时(通常5%)所需的动应力称为动强度.本工程中的主要问题不是液化,而是心墙材料的动强度问题.一般而言,堆石、反滤料、过渡料的强度较大,材料的动强度有保证.个别情况下散状颗粒体材料的破坏对大坝整体稳定性影响有限.而在心墙动剪应力也较大的情况下,如果心墙材料受剪破坏或者产生过大的差异沉降,则可能导致裂缝产生,影响大坝的整体安全.因此,这里主要针对心墙的单元稳定性安全系数∀df /∀d 进行研究,∀df 是某一周次荷载作用下的动强度,∀d 是动应力.这样就可将心墙各单元在等价动力条件下土体的动强度与实际地震条件下所承受的动剪应力进行比较,判断在地震作用下是否发生破坏.图6是心墙单元稳定性系数的等值线图.Seed 建议安全系数小于1.3意味着心墙有超过标准的动力变形,安全系数在1.3到1.5之间的情况安全储备不多,为安全起见,Seed 也将其称为破坏.由图中可见,心墙内各点安全系数都大于1.5,最小安全系数为1.90,发生在心墙中上部平均应力和∀df / 0都比较小的地方,大约为1/3坝高处,动强度要求是满足的.图5 加速度分布系数沿坝高的变化Fig .5 Variation of acceleration distribution factor along dam height图6 心墙动强度安全系数等值线图Fig .6 Contour of dynamic strength safety factor of core 3)地震永久变形.计算结果表明: 纵向永久变形指向中间坝段,即有两端向中间挤压的变形趋势,右岸的变形略大,整个变形分布沿坝轴线近似对称.最大纵向永久变形为4.8cm ,分别发生在距左岸110m 和340m 的坝顶. 顺河向的水平永久变形最大值为5.1cm .各断面最大永久变形以中间断面处最大,且随着节点高程的增大,地震永久变形增大,最大值一般发生在坝顶附近下游坡的中上部. 类似地,随着节点高程的增大,竖向永久变形也增大,最大值发生在坝顶靠近上游坡面一侧,等值线略向上游倾斜,最大值为32.2cm ,占坝高的0.25%左右.与同类工程相比,其永久沉降量与水平位移量均在安全允许范围.图7 坝坡安全系数时程曲线Fig .7 Time history of safety factors of dam slopes4)坝坡稳定分析.基于有限单元法的动力分析求得坝体和地基土层中动力反应,通过在地震动力作用过程中的每一离散时间点进行上述计算,能得到最危险滑裂面及最小安全系数的时程曲线.由图7可见,坝坡的动力稳定系数是随时间变化的,在静力安全系数上下波动,最大波动可达25%左右,上、下游坝坡的最小安全系数分别为1.598和1.653,满足抗震要求;最危险滑面的位置和形状也是变化的,整个地震过程中最危险滑弧与静力最小安全系数滑弧相比,圆心横坐标向坝轴线方向移动,纵坐标向上移动,与滑弧半径同步变化且变幅小于滑弧半径的变化,说明在地震过程中,坝坡最危险安全系数滑弧由静力最小安全系数滑弧逐步向坝顶方向移动,位置高于静力状态下的最危险滑弧,地震中坝坡出现深层滑动的可能性小.3 结论本文结合工程实例,通过三维非线性有限元动力反应分析,对坝体及坝基的动力响应进行研究,77第1期费 康等:深厚覆盖层上高土石坝抗震稳定性的三维分析78扬州大学学报(自然科学版)第11卷并从坝体材料的动力稳定性、坝体地震后的永久变形和地震过程中坝坡稳定安全系数时程变化等三个方面对大坝的抗震稳定性进行分析.研究表明: 坝基覆盖层在地震作用下呈现出类似于坝体的特性,计算所得加速度沿高度的分布与规范规定有所区别,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; 心墙材料的动强度也应是抗震稳定分析的重点之一,分析表明心墙内最小动强度安全系数为1.90,发生在心墙底部以上大约1/3坝高处;地震永久沉降量占坝高的0.25%左右,在安全允许的范围;!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,地震中出现深层滑动的可能性小.参考文献:[1] 王柏乐,刘瑛珍,吴鹤鹤.中国土石坝工程建设新进展[J].水力发电,2005,31(1):63-65.[2] 夏元友,李 梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2002,21(7):1087-1091.[3] 刘汉龙,费 康,高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法[J].岩土力学,2003,24(4):553-556.[4] O ZK AN M Y,O ZY A ZICIO GL U M,A KSA R U D.A n ev aluation o f G uldur cek dam r espo nse during6June2000O rt a eart hquake[J].Soil Dy n&Eart hquake Eng in,2006,26(5):405-419.[5] 孔宪京,邹德高,邓学晶,等.高土石坝综合抗震措施及其效果的验算[J].水利学报,2006,37(12):1489-1495.[6] W A N G Z L,M A KD ISI F I,EG A N J.P ractical applications of a nonlinear appr oach to analysis of ear thquake-induced liquefaction and defor matio n o f earth str uctur es[J].Soil Dy n&Ear thquake Eng in,2006,26(2):231-252.[7] SIN G H R,RO Y D,DA S D.A co rr ela tio n fo r perma nent ear thquake-induced defor matio n o f eart hembankments[J].Eng in G eol,2007,90(3):174-185.[8] O K A M OT O T.R ecent tr end fo r eart hquake induced residual settlement of r ockfill da m and so me co nsider atio no n affecting factor s[C]//W IEL A N D M.Pr oceedings of the4th I nt ernational Confer ence on Dam Eng ineering-N ew Develo pments in Dam Eng ineering.R ott erdam:Balkem a A A,2004:705-716.[9] 中华人民共和国水利部.SL-203-97水工建筑物抗震设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1998.Three dimensional analysis of the aseismatic stability ofhigh earth-rockfill dam on deep overburdenFEI Kang1*,ZHU Kai2,LIU Han-long3(1.Geotech Res Ins t,Yan gzhou Univ,Yangz hou225009,Ch ina; 2.Yangzh ou Cons t Bur,Yan gzhou225002,Ch ina;3.Geotech Res Inst,Hohai U niv,Nanjing210098,China)Abstract:Conventional quasi-static method can no t take into consideration the effect o f dynamic behaviour of hig h earth-ro ckfill dam o n deep ov erburden.T he aseism atic stability of dam should be evaluated by the safety factor of mater ial’s dynamic strength,the perm anent defo rmation after the ear thquake and the slope stability during the earthquake.In this paper,the dynamic behavior of a real high ear th-ro ckfill dam on deep o ver burden is studied by three dim ensio nal nonlinear dynamic finite elem ent analysis in detail.T he result show s that in o verburden layer the hig h seismic acceleration distribution coefficient locates at one third heig ht fr om the dam cr est.And below this heig ht,the m aximum response acceler ation is similar or smaller than the max imum input value.It is also founded that during the earthquake process,the mo st dangerous slide surface is moved gr adually from the original position to the dam crest.Keywords:three dim ensional finite element method;earthquake r espo nse analy sis;earth-ro ckfill dam;per manent deformation;slope stability(责任编辑 贾慧鸣)。
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点分析深厚覆盖层地基土石坝防渗处理是一种常见的水利工程处理方法，旨在提高石坝的渗透防护能力，确保坝体的安全稳定。
以下是对深厚覆盖层地基土石坝防渗处理要点的分析。
1.地质勘察：在进行深厚覆盖层地基土石坝防渗处理之前，需要对工程区域进行详细的地质勘察，包括地质构造、地下水文地质条件以及地基土的性质等方面的调查。
通过对地质条件的分析，可以确定防渗处理的具体方案。
2.防渗处理材料的选择：深厚覆盖层地基土石坝防渗处理所使用的材料主要包括防渗材料和排水材料。
防渗材料常用的有粘土、土工合成材料等，排水材料常用的有砂砾、石子等。
在选择材料时，需要考虑其渗透性能、强度、耐久性等因素，以确保防渗处理的效果。
3.防渗层布置方式：根据具体的工程条件和设计要求，可以采用垂直防渗层和水平防渗层两种布置方式。
垂直防渗层指的是将防渗材料垂直布置在地基土中；水平防渗层指的是将防渗材料水平布置于地基土的表面。
在实际工程中，一般采用垂直防渗层和水平防渗层相结合的方式进行布置，以提高防渗的效果。
4.施工工艺控制：在进行深厚覆盖层地基土石坝防渗处理时，需要严格控制施工工艺。
首先要保证施工过程的质量控制，包括材料的选择和配比、施工方法的正确性等方面；其次要注意施工进度的控制，确保施工的连续性和一致性；最后要加强现场管理，做好施工过程中的监测和检验工作，及时发现和处理问题。
5.施工质量监测和评估：深厚覆盖层地基土石坝防渗处理完成后，需要对施工质量进行监测和评估。
监测工作主要包括防渗层的渗透性能监测和地下水位监测，通过监测数据的分析，可以评估防渗处理的效果，并提供后续维护管理的依据。
深厚覆盖层地基土石坝防渗处理是一项复杂的工程任务，需要综合考虑地质条件、材料选择、施工工艺控制等要点。
通过科学合理的处理措施，可以有效提高石坝的渗透防护能力，确保工程的安全稳定。
土石坝坝下涵管震害分析与处理修复措施
四川汶川抗震救灾科技快报（四十）中国水科院 2008年5月24日土石坝坝下涵管震害分析与处理修复措施1．震害表现涵管震害表现形式主要有管身裂缝、折裂、漏水，启闭设备倾斜、断裂，进出口翼墙及消力池裂缝和坍陷等。
（1）管身裂缝分纵、横向的局部或贯穿性裂缝。
局部裂缝一般不漏水，而贯穿性裂缝，常有漏水现象。
（2）管身断裂坝下涵管受震后沿伸缩缝拉开、沿浆砌块石砌筑缝拉断，甚至预制钢筋混凝土管和铸铁管的薄弱部位被拉断。
（3）涵管漏水坝下涵管受震后，常伴随断裂或裂缝产生漏水，常见的漏水是穿管壁的横向漏水。
此外，有的压力涵管经地震后产生管内向坝体漏水，然后再沿管壁外漏出坝外。
这种漏水称为纵向漏水，对工程危害较大。
（4）启闭塔和交通桥断裂及倾斜启闭设备和交通桥一般是较高的暴露建筑物，地震后容易产生断裂及倾斜等震害。
即使是烈度较低的地区，这类震害有时也会产生。
（5）进出口翼墙和消力池裂缝及沉陷2．震害处理修复地震后坝内涵管如产生震害，必须及时处理和修复，否则将影响坝体的安全。
对于震害较严重无法修复的涵管，则须废弃旧管，另建新管。
另建新管的方法，如开挖坝体重建、打隧洞、“顶管”等，不论采用哪一种方式，对旧管都要做彻底的处理，即予以挖除或堵塞严实，不能留在坝内成为隐患。
（1）涵管断裂加固涵管断裂的加固处理，主要是地基加固和加强管身结构强度。
（2）地基加固对于坝较低，断裂发生在管口附近的，可直接开挖坝体进行翻修。
在岩基与土基交接地段，主要是提高土基承载能力，减少沉陷，可清除表土、松土、淤泥，开挖到坚实土层，均匀夯压后，再分层（每层25～30厘米）回填夯实三合土，当回填到离相邻的岩石面1米左右，再用混凝土砌至及岩石齐平，若管身周围均回填三合土同样采用分层回填夯实。
当坚实土层很深，则需根据土层性质换土或打桩，提高土的压实性，再按前述方法回填三合土。
对于就地浇注管径较大的涵管，可在管内钻孔灌浆充填基础。
对于断裂发生在涵管中部，坝又较高，全部挖开不经济，可在管内进行基础钻孔压力灌浆处理。
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1. 5
01273
1 875
01250
3 125
01359
375
01305
625
坝基
01264
砂
1 000
1. 5
01216
1 875
01305 01265 01219 01188 01273 01223 01194 01154
01291 01255 01213 01185 01263 01214 01189 01151
得到.
FL 的取值视方法而不同 ,修正的 Seed 简易经验法[7]认为 : FL < 113 时为完全液化 ; 在 FL = 113～115 范
围内为可能液化区 ; FL > 115 时则不会液化. 动强度试验结果以动剪应力比Δτ/σ′0 与破坏振次 Nf 的关系曲线表示 ,取动三轴试验 5 %轴向应变状态
单元抗液化安全系数.
第3期
沈 慧 ,等 覆盖层地基上 250 m 级土石坝抗震分析
273
3 计算模型及基本参数
3. 1 单元剖分 根据某坝的地质和设计资料 ,进行了计算模型的单元剖分. 三维计算模型中 ,在高塑性黏土与廊道 、防渗
墙与覆盖层以及防渗墙与廊道之间设置了摩擦单元模拟真实的变形和受力状态. 整个结构共划分了 12 666 个结点和 12 410 个单元 ,坝体三维网格剖分如图 1 所示.
1. 5 1 049 0. 613 1. 5 1 329 0. 518 1. 5 1 461 0. 489 1. 5 895 0. 537
位移 ; M , C , K ———结构整体质量矩阵 、阻尼矩阵 、刚度矩阵 ;
{ ¨ug} t ———t 时刻基底输入加速度. 动力方程采用 Wilson 2θ法进行求解 ,迭代剪切模量 G 和阻尼比λ与动剪应变相适应.
为了反映心墙及上游反滤料动强度不足在时间上的变化情况 ,本文用动强度发挥程度时程表示. 动强度 发挥程度是指发生在实际土体单元上的动剪应力与该单元动强度之比 ,是动强度安全系数的倒数. 选择最大 剖面上的 2 个单元 ,心墙单元 No. 11536 和反滤料单元 No. 11532 ,绘制它们的动强度发挥程度时程图 ,分别见 图 5 和图 6. 可以看出 ,心墙单元 No. 11536 的动强度发挥程度有 2 个峰值大于 110 ,此时心墙的动强度不满足 要求 ,但每个峰值的持续时间很短 ,峰值的数目很少. 上游反滤料单元No. 11532 动强度发挥程度大于 01667 (动强度安全系数小于 113) ,涉及 9 个不同的峰值 ,但每个峰值的持续时间不长.
Kc
动剪应力比Δτ/ σ′0 Nf = 12 次 Nf = 20 次 Nf = 30 次
试验 土料
σ′0/ kPa
动剪应力比Δτ/ σ′0 Kc
Nf = 12 次 Nf = 20 次 Nf = 30 次
375
01420
01386
01362
375
01356
01336
01321
625
反滤
料 Ⅰ 1 000
力强度. 固结应力比为 115 时的抗液化动剪应力比见表 1.
2 三维有限元静动力分析
采用 Seed 建议的安全系数判别坝体坝基在地震动作用下是否会发生动强度不足或液化 (以下称 Seed 安 全系数法[8]) ,除需对坝料进行动强度试验外 ,还需进行坝体的静动力反应计算分析.
收稿日期 :2006Ο09Ο01 基金项目 :国家自然科学基金重点资助项目 (50639060) 作者简介 :沈慧 (1981 —) ,女 ,江苏南京人 ,硕士研究生 ,主要从事土工建筑物及地下结构抗震分析研究.
作为破坏标准. 其中 ,Δτ=Δσ1/ 2 为试样 45°剪切面上的动剪应力 ,σ′0 为 45°剪切面上的初始法向应力 ,σ′0 = (σ′1 +σ′3) / 2 ,σ′1 ,σ′3 分别为试样固结时的大 、小主应力 ;Δσ1 为轴向动应力幅值.
根据设计院提供的室内动三轴试验结果 ,可得到坝体反滤料 Ⅰ、心墙料 Ⅰ, Ⅱ及坝基砂振动时的动剪应
表 2 某坝部分坝料静力计算参数 ( E2B 模型) Table 2 Static parameters of part of dam materials ( E2B model)
项目
填筑密度/ (g·cm - 3)
堆石料
2136
反滤料 Ⅰ 2132
心墙料 Ⅰ 2135
心墙料 Ⅱ 2132
砂 层
4 计算结果及分析
根据砂层全挖方案三维动力有限元计算结果 ,对心墙 ,上 、下游反滤料以及下游水平反滤料的动强度安 全系数进行了分析计算 ,绘制心墙及反滤料动强度的彩色填充图 ,发现坝体存在动力强度不足问题. 图 3 示 出了整个地震时程心墙动强度安全系数小于 110 的区域分布. 从图 3 可以看出 ,坝体上部 1/ 4 坝高范围内心 墙的动力安全系数小于 110. 对心墙单元而言 ,动强度安全系数小于 110 意味着其动力变形已超过轴向应变 5 %的破坏标准. 图 4 示出了上 、下游及水平反滤料动强度安全系数小于 113 的区域分布. 从图 4 可以看出上 游反滤料有 7 个单元 、下游水平反滤料有 8 个单元的动力安全系数小于 113. 这 2 个区域分布连续但范围不 大 ,长度比心墙底部宽度小.
1 地震液化判别方法及坝料动强度试验
地震液化评估方法很多[4] ,其中简易经验法[5Ο6]为目前常用方法之一. 评估用土体抗液化的动剪应力比
与地震作用下土体单元承受的动剪应力比相比较 ,得到安全系数 FL ,
FL = R/ L
(1)
式中 : R ———土体抗液化动剪应力比 ; L ———地震作用下土体承受的动剪应力比 , 由三维非线性有限元计算
272
河海大学学报 (自然科学版)
第 35 卷
表 1 固结应力比为 115 时的抗液化动剪应力比Δτ/ σ′0 Table 1 Seismic shear stress ratioΔτ/ σ′0 when consolidation stress ratio is 115
试验 土料
σ′0/ kPa
在覆盖层上修建大坝 ,我国已有不少成功的经验 ,但在高地震烈度区覆盖层上修建 250 m 级高土石坝 , 尚无先例 ,需要进行认真细致的研究工作[1Ο3] . 由于水位和渗流的影响 ,心墙上游坝壳及反滤层 、浸润线以下 的心墙 、下游坝壳料 、反滤层以及坝基覆盖层均处于饱和状态 ,在地震动力荷载作用下 ,坝基砂层可能发生液 化 ,从而危及坝的安全. 另外 ,为了防止高心墙坝产生过大的拱效应导致心墙水力劈裂 ,上 、下游反滤料不宜 设计得过度密实 ,其动力强度是否满足抗震设计要求是值得注意的问题. 本文以我国某 250 m 级高心墙土石 坝为例 ,运用三维非线性静动力有限元方法 ,模拟大坝的施工 、蓄水过程 ,计算分析了坝基及坝体在场地谱人 工地震波作用下的动力反应.
干密度/ (g·cm - 3)
2125 2119 2118 2116 1164
浮密度/
非线性指标
线性指标
(g·cm - 3) φ0/ (°) Δφ/ (°) φ′/ (°) C′/ kPa
Rf
k
n
1142
5116
911
4213
10
0175 1694 0121
1137
4113
413
3613
37
0185 933 0137
坝料动强度安全系数 ,以此判断土体是否存在动力失效或液化.
动强度试验给出不同固结应力条件下的动强度 ,采用插值方法确定各个单元在相应固结应力下相应振
次的动剪应力比 (Δτ/σ′0) f . 根据该坝址《地震危险性分析报告》确定地震震级为 8 级 , 地震设计烈度为 Ⅸ度 ,
故地震振次选用 30 次 ,由此可以根据坝体固结应力确定 Nf = 30 时单元的动强度. 根据式 (1) 可计算砂层各
Gmax
=
k Pa
σ0
Pa
n
(2)
式中 : Pa ———大气压 ;σ0 ———初始平均静应力 ; k , n ———最大动
剪模量参数 ,其值由设计院提供 ,见表 3.
表 3 某坝部分坝料最大动剪模量参数 Table 3 Computational parameters
k and n of maximum dynamic shear modulus
摘要 :以某 250 m 级高心墙堆石坝为例 ,运用三维非线性静动力有限元方法 ,模拟大坝的施工 、蓄水 过程 ,计算分析了坝体及坝基在场地谱人工地震波作用下的动力反应 ,验算了心墙及反滤料的动强 度 ,采用 Seed 建议的安全系数法验算了坝基砂层发生液化的可能性. 分析结果表明 ,坝顶部位的心 墙及反滤层均存在动强度不足的问题 ,处理好材料密度 、动强度及心墙拱效应的关系是解决该问题 的关键. 建议挖除坝基覆盖砂层 ,防止砂层液化 ,确保大坝安全. 关键词 :高地震烈度区 ;动强度 ;液化 ;三维非线性有限元 ;高心墙堆石坝 中图分类号 :TV641. 1 文献标识码 :A 文章编号 :1000Ο1980 (2007) 03Ο0271Ο05
of part of dam materials
坝料
坝料密度/ (g·cm - 3)
Kc
k
n
坝体的动力平衡方程为
反滤料 Ⅰ 2. 06
M{ ¨u} t + C{ u} t + K{ u} t = - M{ ¨ug} t
心墙料 Ⅰ 1. 96
(3)
心墙料 Ⅱ 2. 11
式中 :{ ¨u} t , { u} t , { u} t ———各结点 t 时刻的相对加速度 、速度 、 坝基砂 1. 68
1139
3210
518