土石壩三維真非線性地震反應(yīng)分析方法及工程應(yīng)用

1、趙劍明中國(guó)水利水電科學(xué)研究院土石壩三維真非線性地震反應(yīng)分析方法及工程應(yīng)用土石壩三維真非線性地震反應(yīng)分析 與安全評(píng)價(jià)方法計(jì)算參數(shù)的確定方法的模型試驗(yàn)驗(yàn)證方法的工程應(yīng)用摘要土石壩具有對(duì)基礎(chǔ)條件適應(yīng)性好、能就地取材和充分利用開(kāi)挖料、投資省、施工方法簡(jiǎn)單以及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),是廣泛采用的壩型。引言土石壩不僅在中小型工程中被廣泛采用。在高壩中也占有很大的比例。在我國(guó)實(shí)施的西部大開(kāi)發(fā)及西電東送發(fā)展戰(zhàn)略中，在建和擬建的高壩許多為土石壩：糯扎渡（261.5m）古水（305m）雙江口（約310m）日冕（300m）兩河口工程（288m）班多（253m）而對(duì)于強(qiáng)震區(qū)土石壩的建設(shè)，抗震問(wèn)題往往是控制因素。因此土石壩抗

2、震研究工作的迫切性和重要性越來(lái)越突出。 結(jié)合土石壩抗震研究的需要，開(kāi)發(fā)了三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法。基于國(guó)家“八五”、“九五”攻關(guān)等研究成果在包括著名水利工程和土工抗震專家汪聞韶院士等老專家的指導(dǎo)和支持下完成 得到了許多科研、設(shè)計(jì)和建設(shè)單位的支持經(jīng)過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)驗(yàn)證 在多個(gè)重要土石壩工程中得到應(yīng)用，效果顯著。 面板堆石壩的數(shù)值分析堆石材料的本構(gòu)模型 接觸面與接縫的模擬 施工填筑過(guò)程 水庫(kù)蓄水 數(shù)值分析算法計(jì)算參數(shù)常規(guī)靜力應(yīng)力應(yīng)變分析壩體的長(zhǎng)期變形動(dòng)力分析 (地震工況)三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法靜力計(jì)算模型DuncanChang雙曲線模型改進(jìn)的Naylor K-G模

3、型清華非線性解耦K-G模型雙屈服面彈塑性三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法靜力計(jì)算模型試驗(yàn)室的試驗(yàn)只能在相對(duì)比較簡(jiǎn)單的條件下測(cè)定少量的物理量，而本構(gòu)模型則要求有更廣的概括性和適應(yīng)性，它所應(yīng)用的是比試驗(yàn)條件更為復(fù)雜、更為全面的基本關(guān)系。從這個(gè)角度上說(shuō)，任何本構(gòu)模型都是對(duì)現(xiàn)實(shí)狀況的簡(jiǎn)化和近似處理。 由于堆石材料本構(gòu)關(guān)系呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的非線性，因此在構(gòu)造其本構(gòu)模型時(shí)，非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是一項(xiàng)重要的因素。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法靜力計(jì)算模型彈塑性模型在理論上對(duì)堆石體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系考慮得更為全面，可以模擬堆石的剪縮（脹）特性和塑性應(yīng)變的發(fā)展過(guò)程，但是，其模型相對(duì)較為復(fù)雜，而且在模型的

4、構(gòu)造中還需引入屈服面和流動(dòng)法則等假定，另外，模型參數(shù)的確定也有一定的難度。 從目前面板堆石壩計(jì)算分析的現(xiàn)狀上看，鄧肯模型、雙屈服面彈塑性模型和清華的非線性解耦K-G模型應(yīng)用較多，而且，尤以鄧肯模型的應(yīng)用最為普遍。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法靜力計(jì)算模型在應(yīng)用鄧肯模型進(jìn)行面板堆石壩的計(jì)算分析中，增量法是最常用的數(shù)值計(jì)算方法。而由鄧肯模型的特點(diǎn)可以看出，其模型的基礎(chǔ)是常規(guī)三軸試驗(yàn)，模型的彈性參數(shù)應(yīng)該而且也只能通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)得出。 由于鄧肯模型依據(jù)了虎克定律，而虎克定律無(wú)法反映土的剪脹性，因此，一般認(rèn)為鄧肯模型是無(wú)法考慮土的剪脹。不過(guò)，盡管如此，在確定模型參數(shù)時(shí)所采用的體積應(yīng)變則是既包含

5、了平均正應(yīng)力所引起的體縮，同時(shí)也包含了部分由于剪切所引起的土體體積變化。這種體積變化，在模型的參數(shù)中有時(shí)會(huì)得到一定程度的反映。鄧肯模型應(yīng)用廣泛，參數(shù)資料較全，工程經(jīng)驗(yàn)豐富。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法動(dòng)力本構(gòu)模型 dynamic stress-strain model 目前面板堆石壩地震反應(yīng)分析中采用的壩料的動(dòng)力本構(gòu)模型主要有兩大類： 等價(jià)粘彈性模型（粘）彈塑性模型 真非線性模型其他彈塑性模型三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法等價(jià)粘彈性模型等價(jià)粘彈性模型（等效線性模型）是把土看作粘彈性體，采用等效剪切模量G和等效阻尼比這兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的兩個(gè)基本特征：非線性和滯后

6、性，這種模型的關(guān)鍵是要確定動(dòng)剪切模量G和動(dòng)阻尼比隨動(dòng)剪應(yīng)變幅的變化關(guān)系以及最大動(dòng)剪切模量Gmax等。等價(jià)粘彈性模型概念明確，應(yīng)用方便，而且在參數(shù)的確定和應(yīng)用方面積累了較豐富的試驗(yàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，能為工程界所接受，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用較為廣泛。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法等價(jià)粘彈性模型 等價(jià)粘彈性模型的局限性和缺陷也是明顯的，不能考慮影響壩料動(dòng)力變形特性的一些重要因素。其缺點(diǎn)主要有：不能直接計(jì)算殘余變形。等價(jià)粘彈性模型在加荷與卸荷時(shí)模量相同，因而不能計(jì)算土體在周期荷載連續(xù)作用下發(fā)生的殘余變形。不能考慮應(yīng)力路徑的影響。阻尼的大小與應(yīng)力路徑有關(guān)，在不同應(yīng)力時(shí)加荷與卸荷的滯回圈所消耗的能量大小不同

7、。不能考慮堆石料的各向異性。堆石料的固有各向異性反映過(guò)去的應(yīng)力歷史對(duì)性質(zhì)的影響，而等價(jià)粘彈性模型模型不包括這種影響。較大應(yīng)變時(shí)誤差大，所用的割線模量在小應(yīng)變時(shí)與非線性的切線模量很接近，但在大應(yīng)變時(shí)兩者相差很大，偏于不安全。 。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法三維真非線性模型 “八五”期間李萬(wàn)紅等發(fā)展了一種適用于土石壩的粘彈塑性動(dòng)力本構(gòu)模型； “九五”期間趙劍明等將其推廣到三維情況，應(yīng)用到面板堆石壩的動(dòng)力分析中，并通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；并在工程應(yīng)用中完善和發(fā)展。中國(guó)水科院真非線性模型將土視為粘彈塑性變形材料 -初始加荷曲線 -移動(dòng)的骨干曲線 -開(kāi)放的滯回圈三維真非線性地震反應(yīng)分

8、析及安全評(píng)價(jià)方法三維真非線性模型三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性模型模型的應(yīng)用準(zhǔn)則在動(dòng)力反應(yīng)分析中，模型確定了切線剪切模量的取值。在不規(guī)則循環(huán)荷載作用下，振動(dòng)開(kāi)始到當(dāng)前為止，土體承受的剪應(yīng)力比隨時(shí)間變化，其絕對(duì)值的時(shí)程最大值定義為屈服剪應(yīng)力比，其增量符號(hào)最后一次反向時(shí)的動(dòng)剪應(yīng)力比定義為動(dòng)剪應(yīng)力比幅值，則：如果當(dāng)前動(dòng)剪應(yīng)力比絕對(duì)值小于動(dòng)剪應(yīng)力比幅值，而且剪應(yīng)力比絕對(duì)值小于屈服剪應(yīng)力比，則使用滯回圈曲線計(jì)算切線剪切模量。如果當(dāng)前動(dòng)剪應(yīng)力比絕對(duì)值不小于動(dòng)剪應(yīng)力比幅值，而且剪應(yīng)力比絕對(duì)值小于屈服剪應(yīng)力比，則使用骨干曲線計(jì)算切線剪切模量。如果當(dāng)前剪應(yīng)力比絕對(duì)值不小于屈服剪應(yīng)力比，則使用初始

9、加荷曲線計(jì)算剪切模量。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性模型真非線性模型參數(shù)：（1）模型參數(shù)A和B以及0可以用剪應(yīng)力比控制的循環(huán)三軸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，主要受振次、動(dòng)剪應(yīng)力比幅值和初始剪應(yīng)力比影響比較大。（2）模型參數(shù)A和B也可由等效線性粘彈性模型參數(shù)換算得到，換算原則是使兩變形模型的骨干曲線重合和滯回圈包圍的面積相等。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性模型真非線性模型參數(shù)三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性模型這種真非線性模型的特點(diǎn)是：（1）與等效線性粘彈性模型相比，能夠較好地模擬殘余應(yīng)變，用于動(dòng)力分析可以直接計(jì)算殘余變形；在動(dòng)力分析中可以隨時(shí)計(jì)算切線模量并進(jìn)行非線

10、性計(jì)算，這樣得到的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程能夠更好地接近實(shí)際情況。（2）與基于Masing準(zhǔn)則的非線性模型相比，增加了初始加荷曲線，對(duì)剪應(yīng)力比超過(guò)屈服剪應(yīng)力比時(shí)的剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的描述較為合理；滯回圈是開(kāi)放的；考慮了振動(dòng)次數(shù)和初始剪應(yīng)力比等對(duì)變形規(guī)律的影響。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法等效線性分析方法 等效線性方法是土石壩地震反應(yīng)分析中應(yīng)用較廣泛的一種動(dòng)力分析方法，其基于的本構(gòu)模型為土體等價(jià)粘彈性模型（等效線性模型）。 等效線性動(dòng)力分析方法的基本性質(zhì)是線性分析方法，但是采用迭代的方法使計(jì)算最終采用的剪切模量和阻尼比較好地符合土體非線性特性。 著名的QUAD-4程序就是采用的這種等效線性方法。 三

11、維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性分析方法 有別于等效線性分析方法的一類方法。這種方法基于土體真非線性本構(gòu)模型，即采用（粘）彈塑性模型。 真非線性分析方法用切線剪切模量Gt代替等效線性中的割線模量進(jìn)行計(jì)算，Gt在滯回圈中的每一段都是不同的。 由于真非線性動(dòng)力分析比較真實(shí)地采用了地震動(dòng)過(guò)程中各時(shí)刻土體的切線剪切模量，較好地模擬了土體的非線性特性，可計(jì)算出土體單元接近真實(shí)的反應(yīng)過(guò)程，是一種比較精確的計(jì)算方法。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性分析方法 李萬(wàn)紅和趙劍明等根據(jù)所采用的改進(jìn)的粘彈塑性模型的特點(diǎn)，為了更有效地進(jìn)行真非線性動(dòng)力反應(yīng)分析，采用了增量法和全量法交替進(jìn)行的算法

12、以控制增量法的誤差積累。根據(jù)粘彈塑性模型及有限元原理，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的增量和全量方程分別為：（1）（2） 這種真非線性動(dòng)力分析方法將遵循實(shí)際加載路徑所進(jìn)行的逐步增量分析與每時(shí)段內(nèi)多次迭代計(jì)算有機(jī)結(jié)合起來(lái)，能夠充分反映每一時(shí)刻土體響應(yīng)的非線性滯回效應(yīng)，使得分析更趨精確合理。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性分析與等效線性分析的若干比較 為了驗(yàn)證提出的真非線性分析方法，針對(duì)一修筑于梯形河谷中壩高100m的面板堆石壩，分別采用等效線性分析方法和真非線性分析方法進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，在順河向輸入El Centro波，最大加速度取為0.2g。典型單元?jiǎng)蛹魬?yīng)變時(shí)程曲線三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)

13、價(jià)方法真非線性分析與等效線性分析的若干比較 等效線性方法和真非線性方法得到的應(yīng)變和位移地震反應(yīng)有著明顯的區(qū)別：等效線性分析得出的動(dòng)應(yīng)變和位移圍繞零點(diǎn)振動(dòng)，沒(méi)有偏移，無(wú)殘余變形產(chǎn)生；真非線性分析得出的動(dòng)應(yīng)變和位移在振動(dòng)過(guò)程中偏離零點(diǎn)，產(chǎn)生殘余變形，并且地震過(guò)程中殘余變形不斷積累和增長(zhǎng)。 典型結(jié)點(diǎn)動(dòng)位移時(shí)程曲線三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法真非線性分析與等效線性分析的若干比較 真非線性動(dòng)力分析方法和等效非線性方法在概念上有著本質(zhì)的區(qū)別，在計(jì)算結(jié)果上存在差異，真非線性方法較真實(shí)地反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，而且能夠直接計(jì)算出壩體的殘余變形，在理論上更為合理。若想得到壩體接近真實(shí)的地震反應(yīng)，宜采用基

14、于（粘）彈塑性模型的真非線性分析方法。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法考慮孔壓消散和擴(kuò)散的有效應(yīng)力法 從是否考慮地震過(guò)程中孔隙水壓力影響的角度出發(fā)，地震反應(yīng)分析方法又可分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。有效應(yīng)力法中又有不考慮孔隙水壓力消散和擴(kuò)散和考慮孔隙水壓力消散和擴(kuò)散兩種，即不排水有效應(yīng)力法和排水有效應(yīng)力法。目前在多數(shù)地震反應(yīng)分析中只考慮孔隙水壓力的產(chǎn)生增長(zhǎng)過(guò)程，而沒(méi)有考慮孔隙水壓力的消散和擴(kuò)散，亦即是不排水的有效應(yīng)力方法。在土石壩的壩料透水性較強(qiáng)的情況下，有效應(yīng)力分析中不僅要考慮孔隙水壓力的產(chǎn)生增長(zhǎng)，而且應(yīng)考慮孔隙水壓力的消散和擴(kuò)散，即應(yīng)用排水有效應(yīng)力方法。 盡管混凝土面板壩中壩體大部分是

15、非飽和的，可采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析，但對(duì)于建造在覆蓋層上的面板壩以及下游水位較高時(shí)，還是要考慮振動(dòng)孔隙水壓力的影響，采用考慮孔壓消散和擴(kuò)散的非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析方法進(jìn)行分析更為合理。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法考慮孔壓消散和擴(kuò)散的有效應(yīng)力法 本研究利用本文研究者提出的結(jié)點(diǎn)等價(jià)體積和三維結(jié)點(diǎn)等價(jià)流量的概念，結(jié)合Biot固結(jié)理論，考慮孔隙水壓力的消散和擴(kuò)散，建立了一套較完善的三維真非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析方法。分析更為合理；也可有效進(jìn)行液化可能性分析 振動(dòng)孔隙水壓力的確定動(dòng)孔壓比和動(dòng)剪應(yīng)力比關(guān)系曲線本研究采用了直接利用動(dòng)孔壓比與動(dòng)剪應(yīng)力比關(guān)系曲線的計(jì)算方法。也可采用有關(guān)孔壓模式。

16、三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法考慮孔壓消散和擴(kuò)散的有效應(yīng)力法 結(jié)點(diǎn)等價(jià)體積 滲流微元體增量形式的比奧固結(jié)方程有限元形式 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法接觸面的模擬 simulation of interface 土石壩的計(jì)算分析中會(huì)遇到兩種不同性質(zhì)材料間的接觸面問(wèn)題，如面板和堆石墊層之間，壩基防滲墻與地基土料之間。當(dāng)兩種材料性質(zhì)相差很大時(shí)，接觸面兩邊的材料模量相差懸殊，在荷載作用下可能沿接觸面產(chǎn)生滑移和開(kāi)裂，出現(xiàn)變形不連續(xù)現(xiàn)象，因此有必要設(shè)置合適的接觸面單元來(lái)模擬這種接觸面特性。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法接觸面的模擬 目前已提出了一些不同形式的接觸面單元，這些接觸面

17、單元大致可以分為兩類:無(wú)厚度單元有厚度薄單元三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法無(wú)厚度單元 無(wú)厚度單元的典型代表是Goodman單元，它提出最早，在工程中應(yīng)用也最廣泛，它較好地模擬了接觸面的錯(cuò)動(dòng)或張開(kāi)，但它的兩側(cè)材料相互重疊，而且由于法向勁度很大，導(dǎo)致法向應(yīng)力誤差較大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法有厚度單元有厚度薄單元最早由Desai提出，Desai薄單元在一定程度上克服了無(wú)厚度單元的缺點(diǎn)，但對(duì)剪切變形的模擬尚不能令人滿意。殷宗澤提出了一種剛塑性的有厚度薄單元型式，可以較好地模擬接觸面剪切破壞逐步發(fā)展過(guò)程，是對(duì)薄單元型式的一種改進(jìn)。趙劍明等將其拓展到三維接觸面問(wèn)題，

18、并應(yīng)用到實(shí)際面板壩工程動(dòng)力分析中。隨著粗粒土與結(jié)構(gòu)的大型接觸面試驗(yàn)研究的開(kāi)展和深入，對(duì)面板堆石壩中接觸面特性的認(rèn)識(shí)將更加深入，接觸面的模擬也將更加接近實(shí)際。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法接觸面的模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，在它們的接觸界面上發(fā)生力的傳遞，然后向較遠(yuǎn)處擴(kuò)散。由于土與結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的較大差異，當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)剪切錯(cuò)動(dòng)時(shí)，一方面在接觸界面上土與結(jié)構(gòu)有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，另一方面，附近的薄層土體比其較遠(yuǎn)處土體將出現(xiàn)較大的剪切變形。如果接觸面相對(duì)粗糙，在較大相對(duì)位移下其剪破面一般出現(xiàn)在土內(nèi)，這個(gè)薄層是實(shí)現(xiàn)相互作用，進(jìn)行力相互傳遞的主要受力層，稱為剪切錯(cuò)動(dòng)帶。當(dāng)接觸界面較為光滑時(shí)，滑動(dòng)破壞可能發(fā)生

19、在界面上，但滑動(dòng)之前仍然存在剪切錯(cuò)動(dòng)帶在相互作用中進(jìn)行力的傳遞。剪切錯(cuò)動(dòng)帶現(xiàn)象可以在靜載試樁、面板堆石壩、擋土結(jié)構(gòu)等實(shí)際工程中觀察到。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法接觸面的模擬面板堆石壩的面板混凝土和墊層之間的接觸面是粗糙接觸面，接觸面應(yīng)從廣義的概念進(jìn)行理解，即接觸面不僅包括土與混凝土的接觸界面，而且應(yīng)包括鄰近界面的一部分土體，即存在剪切錯(cuò)動(dòng)帶，這部分土體(堆石體）因混凝土的約束作用而在一定程度上改變了其強(qiáng)度和剛度。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法 因此宜選取一種有厚度薄單元逐步過(guò)渡混凝土與堆石之間的剛度差異，來(lái)模擬面板與堆石之間的接觸面特性。三維各向異性有厚度接觸面薄單元 接觸

20、面上的變形可以分為基本變形和破壞變形兩部分?；咀冃闻c其它土體的變形一樣，不管破壞與否都是存在的，用表示；破壞變形包括滑動(dòng)破壞和拉裂破壞，只有當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生了沿接觸面的滑動(dòng)破壞，或接觸面受拉產(chǎn)生了拉裂破壞時(shí)才存在，用表示。三維各向異性有厚度接觸面薄單元三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法 地震永久變形 作為大壩抗震安全性評(píng)價(jià)的的重要指標(biāo)，土石壩的地震永久變形計(jì)算是土石壩抗震研究中一個(gè)重要課題。地震永久變形的計(jì)算方法除了利用（粘）彈塑性模型直接計(jì)算殘余變形的真非線性分析方法外，主要有兩大類：滑動(dòng)體位移分析法整體變形分析法三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法 地震永久變形 滑動(dòng)體位移

21、分析法的基本出發(fā)點(diǎn)是假定土石壩的殘余變形主要是由地震時(shí)壩坡及地基發(fā)生瞬態(tài)失穩(wěn)時(shí)滑移體產(chǎn)生位移造成的，主要基于Newmark的剛體滑動(dòng)面假設(shè)和屈服加速度概念。整體變形分析法的基本假定是把壩體及地基作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)處理。這類方法一般是先進(jìn)行地震反應(yīng)分析，求出壩體及地基的反應(yīng)，然后利用材料動(dòng)力特性的試驗(yàn)結(jié)果，加以簡(jiǎn)化求出壩體殘余變形。目前，基于Serff和Seed等人提出的應(yīng)變勢(shì)概念的整體變形計(jì)算方法有著廣泛的應(yīng)用。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法滑動(dòng)體位移分析法滑動(dòng)體位移分析法的基本出發(fā)點(diǎn)是假定土石壩的殘余變形主要是由地震時(shí)壩坡及地基發(fā)生瞬態(tài)失穩(wěn)時(shí)滑移體產(chǎn)生位移造成的，該方法較適合于填筑密實(shí)

22、的土石壩。這個(gè)概念最早是由Newmark提出的隨后Franklin和Chang，Makdisi和Seed，渡邊啟行等對(duì)該方法做了改進(jìn)和發(fā)展?；瑒?dòng)體位移的概念是很有意義的，滑動(dòng)體位移法簡(jiǎn)單方便，工程上應(yīng)用較多。需要注意的是，如何確定土石壩在地震作用下的滑移面是個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，另外，如何考慮地震過(guò)程中抗剪強(qiáng)度降低、剪脹現(xiàn)象等也是值得探究的。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法整體變形分析法整體變形分析法的基本假定是把壩體及地基作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)處理。這類方法一般是先進(jìn)行地震反應(yīng)分析，求出壩體及地基的反應(yīng)，然后利用材料動(dòng)力特性的試驗(yàn)結(jié)果，加以簡(jiǎn)化求出壩體殘余變形。整體變形分析法首先由Serff、See

23、d20等人提出，除初步近似估算法外，這類方法又可分為兩種。 修正模量法（即軟化模量法） 等效結(jié)點(diǎn)力法等效結(jié)點(diǎn)力法在工程中得到了廣泛應(yīng)用。目前，基于Serff和Seed等人提出的應(yīng)變勢(shì)概念的整體變形計(jì)算方法有著廣泛的應(yīng)用。采用這種方法確定土石壩地震殘余變形，除了對(duì)土石壩進(jìn)行地震反應(yīng)分析外，基于試驗(yàn)研究確定土石料動(dòng)力作用下的殘余應(yīng)變模式也非常關(guān)鍵。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法 Taniguchi（谷口榮一）建議的公式曾經(jīng)得到較多的應(yīng)用。Taniguchi模式中只考慮了土料的殘余剪應(yīng)變，而沒(méi)有計(jì)入土料的殘余體應(yīng)變。 面板堆石壩中堆石體具有由于棱角破碎而引起體積收縮的特性，殘余體積變形不宜忽

24、略。面板堆石壩的殘余變形中，既包括殘余剪切變形，也包括殘余體積變形，殘余體積變形是不宜忽略的。因此，采用包括殘余體應(yīng)變和剪應(yīng)變的殘余變形計(jì)算方法更為合理。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法殘余剪應(yīng)變p與殘余軸應(yīng)變p之間的關(guān)系：(3)式中為動(dòng)波桑比。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，殘余軸應(yīng)變p與動(dòng)剪應(yīng)力比 0的關(guān)系可以用冪函數(shù)形式表示如下：(4) 式中，Ka、na 分別是以3、Kc和N為參變數(shù)的系數(shù)和指數(shù)，由試驗(yàn)結(jié)果確定，等效振次Neq=6和12時(shí)不同固結(jié)應(yīng)力條件下的系數(shù)和指數(shù)值見(jiàn)表1。殘余軸應(yīng)變p以%表示，動(dòng)剪應(yīng)力 和有效法向應(yīng)力0采用相同的量綱。地震殘余變形計(jì)算方法 殘余剪應(yīng)變計(jì)算模式 三維真非線性地震

25、反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法地震殘余變形計(jì)算方法 殘余體應(yīng)變計(jì)算模式 根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果并參照其他相關(guān)研究成果，非飽和料殘余體應(yīng)變與動(dòng)剪應(yīng)力的關(guān)系可用如下公式表示：(5) 上式中dV 為殘余體應(yīng)變，為動(dòng)剪應(yīng)力，0 為平均有效主應(yīng)力，Kc為固結(jié)比，N為振動(dòng)次數(shù)。dV采用%形式 ，與0 采用相同的單位；KV為系數(shù)，nV為指數(shù)，KV 、nV是以3 、Kc和N為參變數(shù)的，其值根據(jù)相應(yīng)動(dòng)三軸試驗(yàn)確定，見(jiàn)表2。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法地震殘余變形計(jì)算方法 殘余變形的計(jì)算 根據(jù)SEED應(yīng)變勢(shì)的概念，由于相鄰單元間的相互牽制，上面算得的應(yīng)變并不是各單元的實(shí)際應(yīng)變，不滿足單元間的變形協(xié)調(diào)條件,而應(yīng)看作是

26、一種應(yīng)變勢(shì)。為了使各單元能產(chǎn)生與此應(yīng)變勢(shì)引起的應(yīng)變相同的實(shí)際應(yīng)變，就設(shè)法在有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上施加一種等效結(jié)點(diǎn)力，即采用等效結(jié)點(diǎn)力法計(jì)算殘余應(yīng)變引起的壩體殘余變形。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法地震殘余變形計(jì)算方法 殘余變形的計(jì)算 應(yīng)用上面的方法算出壩體相應(yīng)各單元的殘余應(yīng)變，按照殘余應(yīng)變的主軸方向與靜力狀態(tài)應(yīng)力主軸方向一致的原則，將殘余應(yīng)變換算為直角坐標(biāo)系下的應(yīng)變p，則等效結(jié)點(diǎn)力Fp為：(6)式中B為應(yīng)變矩陣，D為彈性矩陣。將此等效結(jié)點(diǎn)力作用于壩體，便可求出地震作用下的壩體殘余變形。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法 壩體及地基抗震安全性評(píng)價(jià)方法 除根據(jù)土石壩及地基的加速度、應(yīng)力反

27、應(yīng)及地震殘余變形情況進(jìn)行抗震安全評(píng)價(jià)外，還進(jìn)一步綜合壩體及覆蓋層地基液化可能性、單元抗震安全系數(shù)、壩坡地震抗滑穩(wěn)定性等方面進(jìn)行整體安全評(píng)價(jià)。 壩體及覆蓋層地基液化可能性評(píng)價(jià)方法 本文采用了有效應(yīng)力分析方法，則采用孔壓比作為液化判別指標(biāo)，如果孔壓比接近或等于1，則單元液化。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法壩體及地基單元抗震安全性的評(píng)價(jià)方法在運(yùn)用有限元法計(jì)算出土石壩及地基單元的靜應(yīng)力和地震作用下的動(dòng)應(yīng)力后，按下式計(jì)算土石壩及地基單元的抗震安全系數(shù)Fe：Fe =f/其中，f為單元潛在破壞面抗剪強(qiáng)度，由下式確定計(jì)算：f =ftg+ c 式中，f 為單元潛在破壞面上的有效法向應(yīng)力，f=(f0- u

28、d ) ，f0為相應(yīng)單元潛在破壞面上的震前有效法向應(yīng)力，ud 為動(dòng)孔壓。、c 為單元的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，本計(jì)算為有效應(yīng)力分析，可直接采用靜力有效強(qiáng)度指標(biāo)。為單元潛在破壞面上的總剪應(yīng)力，由下式計(jì)算：=s+d式中，s和d分別為相應(yīng)單元潛在破壞面上的靜剪應(yīng)力和等效動(dòng)剪應(yīng)力，其中d =0.65dmax , dmax為地震過(guò)程中潛在破壞面上的最大動(dòng)剪應(yīng)力。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法土石壩壩坡抗震穩(wěn)定性分析 工程上慣用擬靜力法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析來(lái)進(jìn)行土石壩及地基的抗震安全評(píng)價(jià)，然而，傳統(tǒng)的擬靜力法不能很好地考慮與地震動(dòng)特性密切相關(guān)的土體的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實(shí)際工作狀態(tài)，求出的安全系數(shù)只是所假定的

29、潛在滑裂面上的所謂安全度，無(wú)法得到實(shí)際內(nèi)力分布和確定土體變形，也就無(wú)法預(yù)測(cè)土體失穩(wěn)的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，更不能考慮局部變形對(duì)壩體穩(wěn)定的影響。 近年來(lái)，逐步發(fā)展了進(jìn)行土石壩及地基的地震安全評(píng)價(jià)的動(dòng)力法。在動(dòng)力法中，為了進(jìn)行抗震安全評(píng)價(jià)，首先對(duì)面板壩及地基進(jìn)行地震反應(yīng)分析，求出在地震作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布等，然后按照相應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)大壩的安全性。三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法壩坡的抗震穩(wěn)定性在運(yùn)用有限元法計(jì)算出壩坡單元的靜應(yīng)力和地震作用下每一瞬時(shí)的動(dòng)應(yīng)力后，則可以利用來(lái)分析壩坡的穩(wěn)定性。壩坡地震抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：式中ni和ni為的第i單元滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，i、

30、c i為滑動(dòng)面上第i單元的動(dòng)有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，l I是滑動(dòng)面通過(guò)第i單元的長(zhǎng)度。如果考慮地震過(guò)程中反應(yīng)應(yīng)力的時(shí)程變化，計(jì)算出每一瞬時(shí)滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，則在本文中稱之為動(dòng)力時(shí)程線法；如果不考慮地震過(guò)程中反應(yīng)應(yīng)力的時(shí)程變化，上式中的滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力取為震前有效法向應(yīng)力，剪應(yīng)力取為震前剪應(yīng)力與等效動(dòng)剪應(yīng)力（即0.65倍的最大動(dòng)剪應(yīng)力）之和，則得到按地震作用等效平均算得的最小安全系數(shù)，在本文中稱之為動(dòng)力等效值法。 三維真非線性地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法土石壩抗震穩(wěn)定性分析動(dòng)力時(shí)程線法和動(dòng)力等效值法在整個(gè)地震過(guò)程中，壩體各單元的動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)孔壓隨震動(dòng)時(shí)間不同而不同，因此其動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

31、在各時(shí)刻也是不同的。動(dòng)力時(shí)程線法算得的安全系數(shù)是地震過(guò)程中每一時(shí)刻（瞬時(shí)）的安全系數(shù)，反映了地震過(guò)程中壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。土石壩抗震穩(wěn)定性分析動(dòng)力時(shí)程線法和動(dòng)力等效值法而動(dòng)力等效值法得到的安全系數(shù)是地震作用下壩坡一個(gè)總的安全系數(shù)，是整體平均等效的概念，不反映地震過(guò)程中安全度的動(dòng)態(tài)變化。綜合兩種方法分別算出的安全系數(shù)，便可對(duì)壩坡的抗震安全性進(jìn)行判斷。分析成果的可靠性合理先進(jìn)的計(jì)算方法準(zhǔn)確可靠的計(jì)算參數(shù)參數(shù)確定：工程經(jīng)驗(yàn)、工程類比靜動(dòng)力試驗(yàn)確定方法采用的模型及計(jì)算方法與土料的靜動(dòng)力試驗(yàn)緊密結(jié)合，所用參數(shù)由相應(yīng)的試驗(yàn)確定，采用先進(jìn)的處理方法確保成果的可靠性。 計(jì)算參數(shù)的確定中國(guó)

32、水科院巖土所擁有一系列完整配套、功能齊全的大、中、小型靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)設(shè)備及其它室內(nèi)外動(dòng)、靜監(jiān)測(cè)設(shè)備。可進(jìn)行各種土石料的靜動(dòng)力特性研究和模型參數(shù)的確定。試驗(yàn)設(shè)備中，配備了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理軟件以及繪圖軟件。計(jì)算參數(shù)的確定 100T大型動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī) 自主研制、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先試樣直徑為30cm ，最大軸向荷載1000kN，最大激振荷載30T，最大圍壓力3 MPa，振動(dòng)頻率0.0110Hz ，振動(dòng)波形包括正弦、三角及方波。裝配有剪切波速測(cè)試裝置、微小應(yīng)變激光測(cè)試系統(tǒng)、小應(yīng)變至大應(yīng)變軸向及體應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)?？捎脕?lái)研究土石壩及地基粗粒土料的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)孔壓、殘余變形和體應(yīng)變特性，剪切波速及動(dòng)力變形特性（

33、動(dòng)剪模量及阻尼比）。 裝配有剪切波速測(cè)試裝置、微小應(yīng)變激光測(cè)試系統(tǒng)及非飽和體變測(cè)試系統(tǒng)。 （含兩項(xiàng)專利技術(shù)）日本DTS-158型共振柱儀 日本S3D動(dòng)力三軸儀大、中、小型三軸試驗(yàn)機(jī)及微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 大型三軸蠕變儀 試樣直徑為300mm，高700mm，最大圍壓力4Mpa，軸向加壓系統(tǒng)的最大軸向出力800kN，設(shè)計(jì)最大恒壓加荷時(shí)間為6個(gè)月。軸向壓力、軸向位移、圍壓力、體積變化和孔隙壓力測(cè)試可同時(shí)采用傳感器和常規(guī)儀表兩種方式測(cè)試，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理功能。 該試驗(yàn)儀可用于堆石料和礫質(zhì)土等粗粒土料的流變、濕化特性試驗(yàn)研究。同時(shí)，由于該設(shè)備圍壓系統(tǒng)和軸向加壓系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，非常適宜復(fù)雜應(yīng)力路徑

34、的試驗(yàn)研究工作。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)和設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)和設(shè)備:多道瞬態(tài)面波勘探技術(shù) 圖2-51 XJ-22剖面的擬速度（Vx）等值線圖 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)和設(shè)備 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合共同確定土料特性和計(jì)算參數(shù)圖2-59 XJ-22剖面剪切波速等值線圖(m/s)真非線性分析方法的模型試驗(yàn)驗(yàn)證三向六個(gè)自由度的大型模擬地震振動(dòng)臺(tái)真非線性分析分析方法的模型試驗(yàn)驗(yàn)證 對(duì)比分析結(jié)果表明，計(jì)算得到的地震作用下壩體的加速度反應(yīng)、面板的應(yīng)力和應(yīng)變及壩體殘余變形與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致。從而，在計(jì)算和試驗(yàn)相互印證的同時(shí)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究提出的三維真非線性地震反應(yīng)分析方法的可靠性。目前振動(dòng)臺(tái)主要參數(shù)：最大臺(tái)面尺寸：55m；

35、最大載重量20t；最大水平向加速度1.0g（注：能模擬比唐山地震烈度還大一倍以上地震）；最大頻響范圍0.1120Hz， LXJ-4 450g-t土工離心機(jī) 模型試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)動(dòng)半徑：5.03m；最大加速度：300g； 有效負(fù)載：1.5 t；吊籃尺寸：1.5m*1.0m*1.5m 有效荷載容量：450g.t亞洲第一模型箱的吊裝主控制臺(tái)該離心機(jī)于1997年成功的完成了丁肇中教授主持的國(guó)際合作項(xiàng)目AMS磁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。該試件隨美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)升空經(jīng)十天飛行后安全返回中國(guó)水科院擬建的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)ItemIndices離心機(jī)加速度120 g水平振動(dòng)加速度30 g豎向振動(dòng)加速度20 g振動(dòng)頻率40

36、0 Hz振動(dòng)歷時(shí)3 s有效負(fù)載400 kg激振方向H+V振動(dòng)波形Sinusoidal, random ,earthquake振動(dòng)臺(tái)面積1000700 mm振幅4 mm振動(dòng)臺(tái)質(zhì)量700 kg已經(jīng)應(yīng)用到紫坪鋪、大柳樹(shù)、下天吉、鄂平、察汗烏蘇、龍首二級(jí)、公伯峽、積石峽、九甸峽、下坂地、班多、糯扎渡、恰甫其海、長(zhǎng)河壩、龍頭石等工程中，取得了良好的效果。 真非線性方法的工程應(yīng)用在四川紫坪鋪工程中的應(yīng)用最大壩高156m設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.26g在寧夏大柳樹(shù)工程中的應(yīng)用最大壩高163.5m；設(shè)計(jì)烈度:9度；100年超越概率為0.02時(shí)，壩址基巖峰值加速度為0.56g。 在新疆察汗烏蘇工程中的應(yīng)用最

37、大壩高107.60m；壩基砂礫石覆蓋層最大厚度為46.70m, 初設(shè)設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.231g在青海公伯峽工程中的應(yīng)用最大壩高139m；壩頂長(zhǎng)度429m設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.2g在青海積石峽工程中的應(yīng)用最大壩高100m；壩頂長(zhǎng)度308m設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:288gal(0.29g)在甘肅九甸峽工程中的應(yīng)用最大壩高136.5m；河床深槽覆蓋層砂卵礫石層厚5654m. 設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:284gal(0.29g)在甘肅龍首二級(jí)（西流水）工程中的應(yīng)用最大壩高146.5m；壩頂長(zhǎng)度190.6m.設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:218gal(0.22g)在湖北鄂平工程中的應(yīng)用

38、最大壩高124.3m；壩頂長(zhǎng)度295.25m.設(shè)計(jì)烈度:8度；峰值加速度為0.2g。 在新疆下坂地工程中的應(yīng)用最大壩高78m；壩址河床覆蓋層勘探揭示最厚147.95m ,存在可液化砂層。設(shè)計(jì)烈度:8度；峰值加速度: 250.7gal(0.256g)9度校核在四川龍頭石工程中的應(yīng)用bcBCaAdD主剖面瀝青混凝土心墻堆石壩 最大壩高72.5m；河床覆蓋層深厚，一般為6070m，最大厚度77.0m，存在可液化砂層。設(shè)計(jì)烈度:8度；峰值加速度: 219gal(0.223g)在四川長(zhǎng)河壩工程中的應(yīng)用最大壩高240m；壩址河床覆蓋層深厚，為6576.5m,存在可液化砂層。設(shè)計(jì)烈度:8度；峰值加速度: 3

39、59gal(0.366g)在云南糯扎渡工程中的應(yīng)用土質(zhì)心墻壩最大壩高261.5m；設(shè)計(jì)烈度:8度；峰值加速度: 0.283g在新疆恰甫其海工程中的應(yīng)用土質(zhì)心墻壩最大壩高108m；設(shè)計(jì)烈度:9度；峰值加速度: 435.6gal(0.444g)大壩典型剖面單元抗震安全系數(shù)等值線在青海班多工程中的應(yīng)用最大壩高253m；壩頂長(zhǎng)度670m.設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.274g在四川紫坪鋪工程中的應(yīng)用最大壩高156m設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.26g結(jié)點(diǎn)2011的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線加速度反應(yīng)順河向橫河向豎向順河向最大加速度等值線（單位：m/s2）最大豎向加速度等值線（單位：m/s2）加速度反應(yīng)壩體水平

40、順河向最大加速度發(fā)生在下游壩頂處，下游坡的反應(yīng)加速度明顯大于上游坡，壩體豎向最大加速度發(fā)生在下游坡上部靠近壩頂處；相比之下，豎向和橫河向加速度反應(yīng)比順河向加速度反應(yīng)小得多。 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，壩頂及壩頂附近下游坡區(qū)域的加速度反應(yīng)是比較大的，存在地震作用下上述區(qū)域堆石松動(dòng)、滑落的可能性，建議在上述區(qū)域采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸檀胧?。最大?dòng)剪應(yīng)力壩體單元抗震穩(wěn)定安全系數(shù)壩體典型橫剖面最大動(dòng)剪應(yīng)力分布情況如上圖所示。所得壩體堆石最大動(dòng)剪應(yīng)力為401.2kPa 。壩體典型橫剖面單元抗震安全系數(shù)分布情況如下圖所示，壩體中單元抗震安全系數(shù)均大于1，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力破壞。 由圖可見(jiàn)，面板地震動(dòng)應(yīng)力中，坡向最大，壩軸向次之

41、，最小面板應(yīng)力反應(yīng)分別是面板坡向和壩軸向最大動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力等值線。坡向最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部。算得的面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.42MPa，坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.13MPa； 面板坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力等值線（單位：kPa）面板壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力等值線（單位：kPa）壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力為2.54MPa，壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力為2.31MPa 。面板應(yīng)力反應(yīng)28001600240020001200800400面板壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力與靜應(yīng)力合力等值線（以壓為正，單位：MPa）面板坡向動(dòng)拉應(yīng)力與靜應(yīng)力合力等值線（以壓為正，單位：MPa）分別是面板坡向和壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力與相應(yīng)靜應(yīng)力合力等值線，圖中應(yīng)力以壓為正，拉為

42、負(fù)。面板應(yīng)力反應(yīng)面板中拉壓應(yīng)力較大，尤其是在面板周邊部位出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力區(qū)范圍較廣，因此有必要在相應(yīng)部位采取合理措施，以防止裂縫產(chǎn)生。地震引起的周邊縫最大位移為：張開(kāi)8.4mm，沉降8.7mm，剪切7.4mm。地震引起的垂直縫最大位移為：張開(kāi)5.1mm，沉降4.6mm，剪切5.8mm。圖3-52為面板周邊縫和典型垂直縫在地震過(guò)程中最大張開(kāi)量分布情況。 地震過(guò)程中面板周邊縫和典型垂直縫的最大張開(kāi)量（mm）面板拉應(yīng)力區(qū)（靜動(dòng)力合力）液化可能性 紫坪鋪面板壩壩基覆蓋層滲透系數(shù)為5.7910-211.5710-2cm/s，在進(jìn)行有效應(yīng)力分析中考慮了孔隙水壓力的消散。作為比較，本研究分別做了

43、不考慮孔隙水壓力消散和考慮孔隙水壓力消散的計(jì)算，所得的覆蓋層中最大孔壓比的時(shí)程曲線如圖3-53所示。 在不考慮孔隙水壓力的消散時(shí)，算得的覆蓋層中最大孔壓比為 0.415；在考慮孔隙水壓力的消散時(shí)，算得的覆蓋層中最大孔壓比為0.047?？梢?jiàn)在地震作用下壩基覆蓋層不會(huì)發(fā)生液化。 覆蓋層中最大孔壓比時(shí)程曲線豎向殘余位移等值線（單位：cm）壩體典型剖面（0+350）殘余位移分布情況分別如圖所示。所算得的壩體順河向最大水平殘余位移為15.47cm，最大豎向殘余位移為23.11cm，均發(fā)生在壩頂處，壩體下游的殘余變形相對(duì)比上游的殘余變形大。壩體地震沉陷量為壩高的0.148% 。 地震殘余變形空庫(kù)時(shí)面板抗震

44、穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線下游坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線動(dòng)力時(shí)程線法算得的空庫(kù)時(shí)面板抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線如圖3-56所示。動(dòng)力時(shí)程線法算得的空庫(kù)時(shí)面板抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線的最小值為1.20，按動(dòng)力等效值法算得的最小安全系數(shù)為1.30。可見(jiàn)，面板是滿足抗震穩(wěn)定性要求的。地震過(guò)程中按動(dòng)力時(shí)程線法算得的下游坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線如圖3-57所示，下游坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線最小值為1.12，圖3-58為相應(yīng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置示意圖。按動(dòng)力等效值法算得的最小安全系數(shù)為1.23，圖3-59為相應(yīng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置示意圖?？梢?jiàn)，在地震過(guò)程中下游坡是穩(wěn)定的。面板及壩坡抗震穩(wěn)定性動(dòng)力等效值法分析中下游坡最

45、危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置動(dòng)力時(shí)程線法分析中下游坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置壩坡抗震穩(wěn)定性在青海班多工程中的應(yīng)用最大壩高253m；壩頂長(zhǎng)度670m.設(shè)計(jì)烈度:8度峰值加速度:0.274g輸入地震波根據(jù)有關(guān)資料1011，壩址區(qū)場(chǎng)地地震基本烈度為7度，設(shè)防烈度為8度，大壩設(shè)計(jì)水平及豎直地震加速度分別為0.274g、0.183g。計(jì)算時(shí)同時(shí)輸入水平向（順河向和橫河向）和豎向地震。 輸入地震波對(duì)動(dòng)力分析結(jié)果有較大影響9，通過(guò)對(duì)甲方提供的多條時(shí)程曲線的計(jì)算分析，最終驗(yàn)算選用的輸入地震加速度時(shí)程曲線如圖所示。 面板結(jié)點(diǎn)的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線加速度反應(yīng)面板順河向最大加速度為8.76m/s2，最大加速度放大倍數(shù)為3.26；橫河向（壩

46、軸向）最大加速度為8.14m/s2，最大加速度放大倍數(shù)為3.03；壩體最大豎向加速度為4.61m/s2，最大加速度放大倍數(shù)為2.57。地震變形圖7是地震結(jié)束后因地震作用產(chǎn)生的面板地震殘余撓度情況，其中最大值38.8cm。圖8是震后靜動(dòng)力疊加的面板撓度等值線圖，其中最大值83.7cm。 圖8 震后靜動(dòng)力疊加的面板撓度等值線圖（cm）圖7 震后因地震作用產(chǎn)生的面板撓度（cm）接縫位移地震引起的周邊縫最大位移為：張開(kāi)13.1mm，沉降12.2mm，剪切11.7mm。地震引起的垂直縫最大位移為：張開(kāi)8.5mm，沉降5.6mm，剪切4.8mm。圖9為面板周邊縫和典型垂直縫在地震過(guò)程中最大張開(kāi)量分布情況。

47、圖9 面板周邊縫和典型垂直縫地震產(chǎn)生的最大張開(kāi)量（mm）接縫位移地震結(jié)束后周邊縫最大位移為：張開(kāi)41.2mm，沉降38.7mm，剪切31.6mm。垂直縫最大位移為：張開(kāi)21.3mm，沉降19.6mm，剪切17.7mm。下圖為地震結(jié)束后周邊縫最大位移情況。 圖9 面板周邊縫和典型垂直縫地震產(chǎn)生的最大張開(kāi)量（mm）面板應(yīng)力根據(jù)三維動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，面板地震動(dòng)應(yīng)力中，坡向和壩軸向動(dòng)應(yīng)力較大，法向動(dòng)應(yīng)力比較小。以下各圖是面板坡向和壩軸向最大動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力等值線。坡向最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部。算得的面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.47MPa，坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.12MPa；壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.33MPa，

48、壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.08MPa 。 面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力等值線（單位：MPa） 面板應(yīng)力根據(jù)三維動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，面板地震動(dòng)應(yīng)力中，坡向和壩軸向動(dòng)應(yīng)力較大，法向動(dòng)應(yīng)力比較小。以下各圖是面板坡向和壩軸向最大動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力等值線。坡向最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部。算得的面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.47MPa，坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.12MPa；壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.33MPa，壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.08MPa 。 面板坡向最大拉應(yīng)力等值線（單位：MPa） 面板應(yīng)力根據(jù)三維動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，面板地震動(dòng)應(yīng)力中，坡向和壩軸向動(dòng)應(yīng)力較大，法向動(dòng)應(yīng)力比較小。以下各圖是面板坡向和壩軸向最大動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力等值線。坡向

49、最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部。算得的面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.47MPa，坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.12MPa；壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.33MPa，壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.08MPa 。 面板壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力等值線（單位：MPa） 面板應(yīng)力根據(jù)三維動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，面板地震動(dòng)應(yīng)力中，坡向和壩軸向動(dòng)應(yīng)力較大，法向動(dòng)應(yīng)力比較小。以下各圖是面板坡向和壩軸向最大動(dòng)壓和動(dòng)拉應(yīng)力等值線。坡向最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在面板中上部。算得的面板坡向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.47MPa，坡向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.12MPa；壩軸向最大動(dòng)壓應(yīng)力為3.33MPa，壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力為3.08MPa 。 面板壩軸向最大動(dòng)拉應(yīng)力等值線 （單位：MPa

50、） 面板應(yīng)力圖26和圖27分別為靜動(dòng)力疊加后面板坡向和壩軸向應(yīng)力等值線圖，面板坡向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為24.12MPa和2.61MPa；壩軸向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為19.86MPa和3.74MPa。 圖26 靜動(dòng)力疊加后面板壩坡向應(yīng)力等值線（MPa）（壓為正，拉為負(fù)） 面板應(yīng)力圖26和圖27分別為靜動(dòng)力疊加后面板坡向和壩軸向應(yīng)力等值線圖，面板坡向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為24.12MPa和2.61MPa；壩軸向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為19.86MPa和3.74MPa。 圖27 靜動(dòng)力疊加后面板壩軸向應(yīng)力等值線（MPa）（壓為正，拉為負(fù)）面板應(yīng)力圖28和圖29分別為地震結(jié)束后面板坡向和壩軸向

51、應(yīng)力等值線圖，面板坡向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為21.87MPa和2.11MPa；壩軸向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為19.21MPa和2.58MPa。圖28 震后面板壩坡向應(yīng)力等值線（MPa）（壓為正，拉為負(fù)）面板應(yīng)力圖28和圖29分別為地震結(jié)束后面板坡向和壩軸向應(yīng)力等值線圖，面板坡向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為21.87MPa和2.11MPa；壩軸向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為19.21MPa和2.58MPa。圖29 震后面板壩軸向應(yīng)力等值線（MPa）（壓為正，拉為負(fù)）面板應(yīng)力圖30為靜動(dòng)力合力作用下面板拉應(yīng)力區(qū)分布情況(陰影部分)。可見(jiàn)，面板中拉應(yīng)力較大，尤其是在面板周邊部位出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力

52、區(qū)范圍較廣，因此有必要在相應(yīng)部位采取合理措施，例如：加強(qiáng)周邊縫止水、做好墊層、并采取有效的排水措施等，以防止因裂縫而形成的危害。 圖30 面板拉應(yīng)力區(qū)分布情況（陰影部分為拉應(yīng)力區(qū)）（靜動(dòng)力合力） 面板抗震穩(wěn)定性上游水壓力對(duì)面板的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定性是有利的，所以正常蓄水位時(shí)并不是面板動(dòng)力抗滑穩(wěn)定的最不利工況。為此，本文計(jì)算了不考慮上游庫(kù)水壓力時(shí)面板的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定性。動(dòng)力時(shí)程線法算得的面板抗震穩(wěn)定最小安全系數(shù)時(shí)程曲線如圖所示。動(dòng)力時(shí)程線法算得的面板抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)程曲線的最小值為1.30。按動(dòng)力等效值法算得的面板抗震穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.43?？梢?jiàn)，面板是滿足抗震穩(wěn)定性要求的。 面板抗震穩(wěn)定最小安全

53、系數(shù)時(shí)程曲線（不考慮上游水壓力） 分析結(jié)論通過(guò)三維真非線性分析，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)地震、現(xiàn)有計(jì)算參數(shù)和計(jì)算條件下，從面板的加速度反應(yīng)、地震變形、面板應(yīng)力、抗震穩(wěn)定性等分析評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，該面板壩的面板基本上滿足抗震要求；可以說(shuō)在強(qiáng)震區(qū)修建300m級(jí)面板壩是可行的。地震作用下，面板中動(dòng)拉應(yīng)力較大，靜動(dòng)力疊加后在面板周邊部位仍然出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力區(qū)范圍較廣，因此有必要在相應(yīng)部位采取合理措施，例如：加強(qiáng)周邊縫止水、做好墊層、并采取有效的排水措施等，以防止因裂縫而形成的危害。若干工作設(shè)想與展望 prospects （1）加強(qiáng)面板壩震害資料獲取與整理工作 一方面，根據(jù)歷次地震中搜集到的面板壩震害資料以及相應(yīng)的地震資料、地形和地質(zhì)資料，并搜集最新最近的相關(guān)資料，形成豐富詳實(shí)的震害數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及GIS技術(shù)等，建成實(shí)用可靠的震害資料