第9章(高土石壩抗震)

1、第第9 9章：高土石壩抗震章：高土石壩抗震 一、土石壩發(fā)展概述一、土石壩發(fā)展概述 土石壩概述n土石壩是土壩與堆石壩的總稱。n土石壩類型根據(jù)防滲體類型分：n心墻土石壩n面板土石壩 （1）直心墻土石壩 （2）斜心墻土石壩 （1）鋼筋混凝土面板堆石壩 （2）瀝青混凝土面板堆石壩土石壩優(yōu)點(diǎn)土石壩優(yōu)點(diǎn)土石壩優(yōu)點(diǎn)： 就地取材，可節(jié)省水泥、鋼材和木材；就地取材，可節(jié)省水泥、鋼材和木材； 結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和加高、擴(kuò)建；結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和加高、擴(kuò)建； 對地質(zhì)條件要求較低，能適應(yīng)地基變形；對地質(zhì)條件要求較低，能適應(yīng)地基變形； 施工技術(shù)較簡單，便于組織機(jī)械化施工；施工技術(shù)較簡單，便于組織機(jī)械化施工； 抗震性能較

2、好。抗震性能較好。西部大開發(fā)中的水電工程西部大開發(fā)中的水電工程我國目前高土石壩建設(shè)形勢我國目前高土石壩建設(shè)形勢金沙江金沙江雅礱江雅礱江大渡河大渡河共規(guī)劃共規(guī)劃21級開發(fā)方案，總裝機(jī)容量為級開發(fā)方案，總裝機(jī)容量為2825萬萬kw。其中：。其中：100萬萬kw以以上的電站有上的電站有10座，最大裝機(jī)容量為錦屏二級電站為座，最大裝機(jī)容量為錦屏二級電站為440萬萬kw；100m100m以上高壩以上高壩8 8座。兩河口電站土石壩壩高座。兩河口電站土石壩壩高293m293m。 雅礱江流域雅礱江流域規(guī)劃規(guī)劃22個(gè)梯級，總裝機(jī)容量為個(gè)梯級，總裝機(jī)容量為2340萬萬kw，其中，其中100萬萬kw以上電站以上電站

3、有有7座，最大裝機(jī)容量的瀑布溝電站為座，最大裝機(jī)容量的瀑布溝電站為360萬萬kw；100m100m以上高壩有以上高壩有1212座，雙江口電站土石壩壩高達(dá)座，雙江口電站土石壩壩高達(dá)312m312m。大渡河流域大渡河流域分上、中、下三段，共規(guī)劃分上、中、下三段，共規(guī)劃20個(gè)梯級，總裝機(jī)容量個(gè)梯級，總裝機(jī)容量7274萬萬kw，其中，其中100萬萬kw以上的電站有以上的電站有17座，座，100m100m以上高壩有以上高壩有1414座，虎跳峽電站土座，虎跳峽電站土石壩壩高石壩壩高265m265m。金沙江流域金沙江流域西部大開發(fā)中的水電工程西部大開發(fā)中的水電工程202122虎跳峽土石壩虎跳峽土石壩壩高壩高

4、265m兩河口土石壩，兩河口土石壩，壩高壩高293m雙江口土石壩，雙江口土石壩，壩高壩高312m雙江口雙江口312m兩河口兩河口293m虎跳峽虎跳峽265m糯扎渡糯扎渡261m阿海阿海247m水布埡水布埡233m龍門龍門212m瀑布溝瀑布溝186m三板溪三板溪185m姚家坪姚家坪184m洪家渡洪家渡183m正在設(shè)計(jì)或施工中的高土石壩（正在設(shè)計(jì)或施工中的高土石壩（h 180mh 180m） 300m200m300m 200m 100m Several 10m Add Your TextAdd Your TextAdd Your Text400 or 500m ?土石壩高度的發(fā)展土石壩高度的發(fā)展5

5、.12汶川地震汶川地震（8.0級）級）中國地震構(gòu)造圖中國地震構(gòu)造圖二、土石壩震害類型二、土石壩震害類型 土土石石壩壩震震害害地震滑坡地震滑坡地震變形地震變形防滲體破壞防滲體破壞地震液化地震液化壩體滑坡壩體滑坡壩面滑坡壩面滑坡壩頂震陷壩頂震陷水平變形水平變形面板裂縫面板裂縫心墻開裂心墻開裂次生災(zāi)害次生災(zāi)害壩基液化壩基液化反濾液化反濾液化壩體潰決壩體潰決土石壩震害類型紫坪鋪土石壩位于岷江下游，壩高156m，距震中13km。汶川地震紫坪鋪土石壩震害汶川地震紫坪鋪土石壩震害都江都江堰堰8km在5月12日汶川大地震中，土石壩震害表現(xiàn)在：壩頂開裂，上游面板壓裂,下游護(hù)坡碎裂，壩頂震陷73cm，水平位移38

6、cm。土石壩地震反應(yīng)影響因素研究土石壩地震反應(yīng)影響因素研究1. 1. 研究背景研究背景2. 2. 土石壩地震反應(yīng)的分析原理及計(jì)算方法土石壩地震反應(yīng)的分析原理及計(jì)算方法3. 3. 有限元前處理對土石壩地震反應(yīng)計(jì)算的影響有限元前處理對土石壩地震反應(yīng)計(jì)算的影響4. 4. 輸入地震動(dòng)對土石壩地震反應(yīng)計(jì)算的影響輸入地震動(dòng)對土石壩地震反應(yīng)計(jì)算的影響5. 5. 結(jié)論結(jié)論一、研究背景：一、研究背景：問題的提出問題的提出合理開發(fā)利用水資源對保證國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義 已建的水利水電工程大部分壩型為土石壩80%的水能資源在西部待建的水利水電工程土石壩為首選壩型 是否需要重新確定抗震穩(wěn)定性？怎樣為修

7、復(fù)加固提供理論依據(jù)？西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜地震頻繁、強(qiáng)大土石壩多位于強(qiáng)震區(qū)能否抗御強(qiáng)震襲擊？地震作用下的安全性如何？國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀試驗(yàn)研究：原型動(dòng)力試驗(yàn)、室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn) 震害調(diào)查：理論研究：確定性分析，隨機(jī)振動(dòng)分析應(yīng)用研究：通過數(shù)值模擬研究不同場地類別、地震動(dòng)參數(shù)、壩型、壩料特性等基本控制參數(shù)與土石壩地震反應(yīng)的各主要指標(biāo)的相互關(guān)系有限元前處理有限元前處理影響因素影響因素輸入地震動(dòng)特性輸入地震動(dòng)特性影響因素影響因素簡單邊界的取值范圍簡單邊界的取值范圍網(wǎng)格剖分（形式、尺寸）網(wǎng)格剖分（形式、尺寸）強(qiáng)度（強(qiáng)度（PGA、PGV）頻譜（加速度）頻譜（加速度）研究內(nèi)容研究內(nèi)容2. 2.分析原

8、理及計(jì)算方法分析原理及計(jì)算方法多自由度體系地震反應(yīng)分析數(shù)值法數(shù)值法解析法解析法剪切楔法剪切楔法集中質(zhì)量法集中質(zhì)量法 有限元法有限元法 土石壩土石壩計(jì)算方法計(jì)算方法 頻域內(nèi)或時(shí)域內(nèi)頻域內(nèi)或時(shí)域內(nèi) gMCKMI 解解：南盤江云鵬水電站南盤江云鵬水電站 南盤江云鵬水電站位于云南省南盤江中下游河段干流。該壩原型為土質(zhì)心墻堆石壩，最大壩高100m，壩頂長度480m，壩頂寬度10m，上游壩坡為1：2.0，下游平均壩坡為1：1.8。覆蓋層最厚處為12m。 網(wǎng)格剖分形式的影響網(wǎng)格剖分形式的影響自由剖分自由剖分543543個(gè)結(jié)點(diǎn)個(gè)結(jié)點(diǎn)478478個(gè)單元個(gè)單元 定制剖分定制剖分292292個(gè)結(jié)點(diǎn)個(gè)結(jié)點(diǎn)273273

9、個(gè)單元個(gè)單元網(wǎng)格尺寸的影響網(wǎng)格尺寸的影響工況編號(hào)工況編號(hào)12345網(wǎng)格最大尺寸網(wǎng)格最大尺寸5%7%10%12%20%劃分單元數(shù)劃分單元數(shù)69637621818184網(wǎng)格尺寸以最大壩高的網(wǎng)格尺寸以最大壩高的7%10%7%10%為上限為上限簡單邊界的影響簡單邊界的影響L2.5H+BB128128128128128H8163264128L1.2B1.3B1.6B2.3B3.5B4. 4.輸入地震動(dòng)的影響輸入地震動(dòng)的影響地震動(dòng)地震動(dòng)特性特性振幅振幅頻譜頻譜持時(shí)持時(shí)輸入地震動(dòng)峰值加速度輸入地震動(dòng)峰值加速度(PGA)(PGA)輸入地震動(dòng)峰值速度輸入地震動(dòng)峰值速度(PGV)(PGV)加速度反應(yīng)譜加速度反應(yīng)譜

10、地震動(dòng)余震持時(shí)地震動(dòng)余震持時(shí)PGA的影響的影響 據(jù)據(jù)Northridge(1994/01/17) SMA360調(diào)整調(diào)整PGA，共，共28工況工況 PEER數(shù)據(jù)，已發(fā)生地震被記錄到的最大數(shù)據(jù)，已發(fā)生地震被記錄到的最大PGA為為2. 086g 輸入地震動(dòng)輸入地震動(dòng)PGA小于小于0.6g時(shí)，壩頂?shù)乃较蚪^對加速度、壩頂相對時(shí)，壩頂?shù)乃较蚪^對加速度、壩頂相對位移成線性增大變化；當(dāng)位移成線性增大變化；當(dāng)PGA超過超過0.6g后，水平向的壩頂絕對加速后，水平向的壩頂絕對加速度呈非線性變化，而水平向的壩頂相對位移呈梯度減小的線性增大度呈非線性變化，而水平向的壩頂相對位移呈梯度減小的線性增大變化。變化。 P

11、GVPGV的影響（的影響（1 1）編號(hào)編號(hào)地震事件地震事件記錄名稱記錄名稱PGA(g)PGV(cm/s)PGV/PGA(s)1Northridge 1994/01/17FEA0900.15.80.062San Fernando 1971/02/09WND1430.19.30.093Big Bear 1992/06/28HOS1800.111.90.124Loma Prieta 1989/10/18TRI0000.115.60.165Chi-Chi, Taiwan 1999/09/20ILA041-W0.129.40.306Whittier Narrows 1987/10/01A-CBN0400

12、.26.50.037Morgan Hill 1984/04/24G030900.212.70.068Loma Prieta 1989/10/18PRS0900.232.40.179Chi-Chi, Taiwan 1999/09/20TCU060-W0.236.30.1910Chi-Chi, Taiwan 1999/09/20TCU055-N0.251.50.2611Whittier Narrows 1987/10/01A-ING0000.38.90.0312Whittier Narrows 1987/10/01A-CAM0090.3210.0713Coalinga 1983/07/22D-PL

13、M3600.322.50.0814Chi-Chi, Taiwan 1999/09/20TCU047-W0.341.60.1415Chi-Chi, Taiwan 1999/09/20TCU102-W0.3112.40.38PGVPGV的影響（的影響（2 2）PGVPGV/PGA加速度反應(yīng)譜的影響加速度反應(yīng)譜的影響加速度峰值相同，卓越周期分別是：加速度峰值相同，卓越周期分別是：0.04s0.62s，共計(jì)，共計(jì)12種種規(guī)律與振動(dòng)理論的規(guī)律與振動(dòng)理論的“共振現(xiàn)象共振現(xiàn)象”吻合吻合 余震持時(shí)的影響（余震持時(shí)的影響（1）Cape Mendocino (25/4/92)前16s主震部分16s22s余震基礎(chǔ)波

14、形不同的主震PGA，不同的余震PGA和不同的余震持時(shí)組合共計(jì)62種工況 余震持時(shí)的影響（余震持時(shí)的影響（2 2）余震持時(shí)為余震持時(shí)為41.18s41.18s的液化單元數(shù)的液化單元數(shù) 余震余震PGA為為0.15g余震余震PGA為為0.2g余震余震PGA為為0.3g主震主震PGA為為0.15g主震主震PGA為為0.30g主震主震PGA為為0.30g主震主震PGA為為0.45g主震主震PGA為為0.30g主震主震PGA為為0.45g4711395816分類分類余震持時(shí)余震持時(shí)(s)壩頂絕對加速度壩頂絕對加速度(m/s2)壩頂相對位移壩頂相對位移(m)備注備注水平向水平向豎直向豎直向水平向水平向豎直向

15、豎直向0.30g主震主震06.02211.75050.11790.03141個(gè)單元液化PGA為為0.15g的的余震余震41.186.01922.06290.11810.0314、43.246.0192.0630.11810.0314、45.36.01882.06290.11810.03142個(gè)單元液化個(gè)單元液化51.486.01832.0630.11810.0314、61.786.01842.06290.11810.0314、PGA為為0.30g的的余震余震2.046.02362.06370.11780.03141個(gè)單元液化4.16.02372.06370.11780.03142個(gè)單元液化6.

16、166.02232.06340.11790.0314、12.346.02012.0630.1180.0314、41.186.01632.06250.11820.031458個(gè)單元液化個(gè)單元液化結(jié)論結(jié)論 (1)(1)在土石壩地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算中，剖分網(wǎng)格在土石壩地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算中，剖分網(wǎng)格應(yīng)水平成層，網(wǎng)格尺寸以最大壩高的應(yīng)水平成層，網(wǎng)格尺寸以最大壩高的7%10%7%10%為上限。為上限。 (2)(2)在有限元前處理中使用簡單邊界條件時(shí)，在有限元前處理中使用簡單邊界條件時(shí)，如果土石壩是建立在覆蓋層上，應(yīng)將覆蓋層劃如果土石壩是建立在覆蓋層上，應(yīng)將覆蓋層劃入計(jì)算區(qū)域；覆蓋層的厚度入計(jì)算區(qū)域；覆蓋層的厚度

17、H H、壩底寬度、壩底寬度B B影響影響簡單邊界條件下壩底計(jì)算寬度簡單邊界條件下壩底計(jì)算寬度L L的取值，推薦的取值，推薦使用公式使用公式 L L2.5H+B2.5H+B確定。確定。(3)(3)土石壩地震反應(yīng)指標(biāo)壩頂絕對加速度、壩土石壩地震反應(yīng)指標(biāo)壩頂絕對加速度、壩頂相對位移可以利用頂相對位移可以利用PGAPGA小于小于0.6g0.6g時(shí)的計(jì)算時(shí)的計(jì)算結(jié)果與輸入地震動(dòng)結(jié)果與輸入地震動(dòng)PGAPGA建立簡單的線性關(guān)系，建立簡單的線性關(guān)系，并且這種線性關(guān)系對于并且這種線性關(guān)系對于PGAPGA大于大于0.6g0.6g的強(qiáng)地的強(qiáng)地震作用是適用、安全的。輸入地震動(dòng)峰值震作用是適用、安全的。輸入地震動(dòng)峰值速

18、度速度(PGV)(PGV)也是一個(gè)影響土石壩地震反應(yīng)的也是一個(gè)影響土石壩地震反應(yīng)的重要因素，在地震反應(yīng)時(shí)程分析中，選擇重要因素，在地震反應(yīng)時(shí)程分析中，選擇地震記錄應(yīng)考慮地震記錄應(yīng)考慮PGVPGV的影響。的影響。 (4)(4)加速度反應(yīng)譜對土石壩的地震影響很大，加速度反應(yīng)譜對土石壩的地震影響很大，在相同加速度峰值地震動(dòng)輸入時(shí)，如果加在相同加速度峰值地震動(dòng)輸入時(shí)，如果加速度反應(yīng)譜卓越周期與土石壩的自振周期速度反應(yīng)譜卓越周期與土石壩的自振周期相近，土石壩地震反應(yīng)則相應(yīng)出現(xiàn)最大值。相近，土石壩地震反應(yīng)則相應(yīng)出現(xiàn)最大值。 (5)(5)余震對于土石壩地震反應(yīng)的影響很大，余震對于土石壩地震反應(yīng)的影響很大，當(dāng)

19、土石壩在遭受強(qiáng)地震動(dòng)后的余震，產(chǎn)生當(dāng)土石壩在遭受強(qiáng)地震動(dòng)后的余震，產(chǎn)生的的“積累破壞效應(yīng)積累破壞效應(yīng)”可以使壩體局部發(fā)生可以使壩體局部發(fā)生液化或擴(kuò)大液化范圍。液化或擴(kuò)大液化范圍。 土石壩抗震研究思考土石壩抗震研究思考 1 1、土石壩震害調(diào)查、土石壩震害調(diào)查土石壩壩體分區(qū)進(jìn)行震害調(diào)查；土石壩壩肩邊坡的震害調(diào)查；收集整理近場地震記錄；收集原始勘察、科研、設(shè)計(jì)、施工、檢測、驗(yàn)收、運(yùn)行監(jiān)測資料。2、土石壩震害分析重點(diǎn)：紫坪鋪土石壩土石壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的思考：1、目前的抗震設(shè)計(jì)有沒有富余度？2、針對土石壩地震潰壩引起的次生災(zāi)害，如何確定抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)？3、土石料動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究重點(diǎn)：尺寸效應(yīng)=400cm(Impossible)=30cm=10cm CT三軸儀 （直徑10cm，1.5MPa）大型真三軸儀 （ 120120120cm ）主要試驗(yàn)儀器之一大型平面應(yīng)