非一致波动输入下沥青混凝土心墙坝地震响应分析_王飞,刘云贺_9787519891008

本书是坝基非一致地震波动输入以及此种输入方式下沥青心墙坝动力响应特性方面的著作,重点阐述了非一致自由场的构建、非一致波动输入的建立以及非一致地震波动输入下沥青心墙坝的动力响应特性。首先总结了自由场构建和地震动输入的发展趋势,然后提出了单波斜入射、多种类型波组合斜入射下基岩和覆盖层地基非一致自由场的构建方法,提出了基岩和覆盖层地基非一致波动输入的建立方法,最Z后分析了非一致波动输入下基岩和覆盖层地基上沥青心墙坝响应特性,揭示了覆盖层地基与沥青心墙坝动力相互作用机制。

能源是人类生存和社会发展的重要基石,目前我国能源结构中仍然是煤炭、石油、天然气等化石能源为主,化石能源燃烧过程中存在释放空气污染物的问题。面对当前化石能源在支撑我国经济高速发展中占据重要作用的现状,同时为兑现我国在联合国大会上作出的2030年碳达峰和2060年碳中和承诺,未来我国亟须加快推进清洁能源的开发。水电能源是一种可再生且高效利用的清洁能源,最新水电能源调查数据表明,全国可开发的水电装机容量为6.87亿kW,截至2020年底,全国已开发的水电装机容量为3.7亿kW,水力发电量占国家用电总量的18%左右。水电能源有着非常广阔的开发空间,在未来的能源结构中水力发电量将占据更大的份额。我国水电能源虽然丰富,但60%以上的常规水电装机位于西部地区。西部地区地形地质条件复杂,水电开发面临的工程问题多、难度大。高坝大库建设是水电能源开发的重要基础,因此保障大坝安全稳定运行至关重要。沥青混凝土心墙土石坝防渗性能优、抗震性能好、适应大变形能力强,被广泛应用于我国水能资源丰富的西部地区。西部地区强震频发,河床覆盖层深厚,大坝选址难以避让,给沥青混凝土心墙坝的抗震安全带来严峻挑战。对于沥青混凝土心墙坝这种大跨度水工结构,坝址地震动空间非一致性不可忽略,非一致地震动增强地基-大坝动力相互作用,加剧大坝地震响应的差异性,激起心墙更大的应力,加重大坝破坏程度,而空间非一致地震动作用下沥青混凝土心墙坝响应特性和破坏模式不明确。本文基于地震波叠加原理和波势函数分别构建了多种波组合斜入射下弹性基岩和非线性覆盖层场的非一致自由场;建立了弹簧和阻尼系数随土体动剪应变动态实时变化的黏弹性人工边界单元,建立了组合波斜入射下成层覆盖层场地的非一致波动输入方法;开展了空间非一致波动输入下不同场地上沥青混凝土心墙坝地震响应特性研究。主要研究内容和结论如下。(1)构建了地震波不同入射方式下弹性基岩场地和覆盖层场地非一致自由场。基于地震波叠加原理,构建了平面P波、SV 波和SH 波空间斜入射下半空间自由场;基于控制点运动与设计地震动相同的原则反演了基岩中组合斜入射波时程,构建了P波和SV 波二维组合斜入射以及P波、SV 波和SH 波三维组合斜入射下半空间自由场。提出了考虑基岩-覆盖层界面透射效应的覆盖层底部输入地震动确定方法;基于波势函数在频率内推导了地震波斜入射下成层覆盖层内幅值矩阵,通过IFFT变换,结合等效线性化法反演了地震波组合斜入射下非线性覆盖层自由场。结果表明:基于三维时域反演模型构建的场址地震动场更全面,并且距控制点距离越大,场地地震动与设计地震动的差异性越显著。(2)建立了单波空间斜入射、多种类型波组合斜入射下基岩场地和覆盖层场地的非一致波动输入方法。基于势函数推导了可以反映地震波入射方向三维空间性以及空间叠加机制差异的等效结点荷载,结合黏弹性人工边界建立了P波、SV 波和SH 波空间斜入射以及三种波组合斜入射下非一致波动输入方法。建立了阻尼和弹性系数随土体动剪应变动态实时变化的黏弹性人工边界单元,结合覆盖层自由场,建立了地震波垂直入射和斜入射下覆盖层地基的非一致波动输入方法,数值结果表明:该方法计算精度较高。(3)研究了非一致波动输入下基岩地基上沥青混凝土心墙坝响应特性。揭示了河谷表面空间差异性地震动形成机制,阐明了心墙迎波侧和背波侧加速度和动应力空间差异分布机理,提出了心墙拉伸安全评价新方法,明确了心墙拉伸薄弱部位,引入坝体单元抗震安全系数,评价了坝体局部动力稳定性。结果表明:与地震波垂直入射相比,单波空间斜入射引起的非一致地震动造成心墙大、小主应力激增,最大增幅达14倍,心墙背波侧容易发生局部拉伸破坏;相同设计地震动强度下,与垂直入射相比,P波、SV 波和SH 波三维组合斜入射引起心墙更大主应力,最大增幅为32%;非一致地震动对沥青混凝土心墙坝响应和抗震安全性有显著影响,抗震设计中应予以考虑。(4)揭示了深厚覆盖层与沥青混凝土心墙坝动力相互作用机制。论证了本文提出的地震波垂直入射下非线性波动输入的高精度性,阐明了基岩-覆盖层界面透射效应影响因素对心墙坝加速度的影响规律。揭示了覆盖层-心墙坝相互作用造成坝-基交界面处地震动显著衰减的机理。分析了入射角度和地震动输入方法对过渡料与心墙之间的位错、心墙应力和坝体震陷等响应的影响。结果表明:入射角增大,竖向位错和水平脱开,心墙应力和坝体震陷增大;与非一致波动输入相比,一致输入下坝体响应被明显高估,水平脱开和竖向位错分别增大2.23倍和1.23倍,并且心墙中部容易发生拉伸破坏,坝体竖向震陷增加幅度接近20%。本书第1章由王飞、刘云贺、宋志强、李正贵编写,其余章节均由王飞编写。本书出版得到了西华大学校内人才项目空间非一致波动输入下高土石坝地震响应特性研究(批准号:Z222071)的全额资助;研究工作得到了国家自然科学基金重点项目沥青混凝土心墙土石坝安全控制理论与技术(批准号:52039008)、国家自然科学基金面上项目高寒区水工沥青混凝土动力特性及破坏机理研究(批准号:51779208)、四川省科技计划资助强震作用下基岩-深厚覆盖层坝基-库水系统自由场构建方法研究(批准号:2024NSFSC0986)、陕西省自然科学基础研究计划项目沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基空间非一致波动输入及响应特性研究(批准号:2022JM-276)、陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目深厚覆盖层场地沥青混凝土心墙土石坝强震破坏模式研究(批准号:22JP052)、西北旱区生态水利国家重点实验室开放研究基金地震波斜入射下深厚成层饱和非线性覆盖层坝基地震波动输入方法研究(批准号:2022KFKT009)的大力支持;在此,向西华大学、国家自然科学基金委员会、四川省科学技术厅、陕西省科学技术厅、陕西省教育厅和西安理工大学表示深深的谢意。此外,感谢流体及动力机械教j育y部重点实验室和西北旱区生态水利国家重点实验室在科研工作方面提供的良好平台。同时对中国电力出版社表示感谢。由于编者学识和水平有限,书中难免有错误和不妥之处,望读者批评指正。

1 概述
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 非一致地震动场构建研究进展
1.2.2 地震动输入机制研究进展
1.2.3 沥青混凝土心墙土石坝地震响应特性研究进展
1.3 研究内容与技术路线
1.4 主要创新点
2 地震波不同入射方式下空间非一致自由场构建
2.1 概述
2.2 单波空间斜入射下半空间自由场
2.2.1 P波空间斜入射
2.2.2 SV波空间斜入射
2.2.3 SH 波空间斜入射
2.3 平面P波和SV波二维组合斜入射下半空间自由场
2.3.1 P波和SV波组合斜入射时程二维时域反演
2.3.2 P波和SV波二维组合斜入射下自由场
2.4 平面P波、 SV波和SH波三维组合斜入射下半空间自由场
2.4.1 P波、SV波和SH波组合斜入射时程三维时域反演
2.4.2 P波、SV波和SH波三维组合斜入射下自由场
2.5 平面P波和SV波组合垂直入射下覆盖层自由场
2.5.1 基岩-覆盖层分层面透射放大效应
2.5.2 非线性覆盖层自由场求解
2.6 平面P波和SV波组合斜入射下覆盖层自由场
2.6.1 弹性成层覆盖层自由场
2.6.2 非线性成层覆盖层自由场
2.7 本章小结
3 地震波不同入射方式下非一致波动输入方法
3.1 概述
3.2 人工边界面自由场分解方案对计算精度的影响
3.2.1 自由场分解方案
3.2.2 自由场分解方案对计算精度的影响
3.3 单波空间斜入射波动输入及数值验证
3.3.1 P波空间斜入射波动输入
3.3.2 P波空间斜入射波动输入数值验证
3.3.3 SV波空间斜入射波动输入
3.3.4 SV波空间斜入射波动输入数值验证
3.3.5 SH 波空间斜入射波动输入
3.3.6 SH 波空间斜入射波动输入数值验证
3.4 P波、 SV波和SH波三维组合斜入射波动输入及数值验证
3.4.1 波动输入建立
3.4.2 波动输入数值验证
3.5 建立适用于非线性成层覆盖层地基的波动输入
3.5.1 黏弹性人工边界单元
3.5.2 等效结点荷载
3.5.3 非线性波动输入流程
3.5.4 非线性波动输入验证
3.6 本章小结
4 基岩地基上沥青混凝土心墙土石坝地震响应特性
4.1 概述
4.2 工程概况及有限元模型
4.3 研究方案
4.3.1 P波、SV波和SH波空间三维斜入射
4.3.2 P波、SV波和SH波三维组合斜入射
4.4 P波空间三维斜入射
4.4.1 河谷表面差异性地震动
4.4.2 沥青混凝土心墙加速度
4.4.3 沥青混凝土心墙应力
4.4.4 坝体单元抗震安全性
4.4.5 坝体地震残余变形
4.5 SV波三维斜入射
4.5.1 河谷表面差异性地震动
4.5.2 沥青混凝土心墙加速度
4.5.3 沥青混凝土心墙应力
4.5.4 坝体单元抗震安全性
4.6 SH波三维斜入射
4.6.1 河谷表面差异性地震动
4.6.2 沥青混凝土心墙动位移
4.6.3 过渡料与心墙之间脱开和位错
4.6.4 沥青混凝土心墙应力
4.6.5 坝体单元抗震安全性
4.7 基于两向设计地震动的P波和SV波组合斜入射
4.7.1 组合斜入射角对心墙地震的影响
4.7.2 设计地震动与坝轴线的距离对心墙响应的影响
4.8 基于三向设计地震动的P波、SV波和SH波组合斜入射
4.8.1 河谷表面差异性地震动
4.8.2 沥青混凝土心墙加速度
4.8.3 沥青混凝土心墙应力
4.8.4 坝体地震残余变形
4.9 本章小结
5 深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝地震响应特性141
5.1 概述
5.2 工程概况及有限元模型
5.3 P波和SV波组合垂直入射系统加速度
5.3.1 覆盖层侧向边界条件对系统加速度的影响
5.3.2 不同输入地震动确定方法下加速度反应
5.3.3 透射效应影响因素对加速度反应的影响
5.4 P波和SV波组合斜入射下坝体响应
5.4.1 加速度反应
5.4.2 坝顶位错与脱开
5.4.3 心墙应力和防渗墙损伤
5.4.4 坝体竖向震陷
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 展望

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