基于变形安全防控的高土石坝抗震安全评价

定　　价：78 元

• 作者：李红军, 严祖文, 杨正权著
• 出版时间：2015/4/1
• ISBN：9787030439574
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：TV641.1 
• 页码：193
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：大32开

内容简介

　　《基于变形安全防控的高土石坝抗震安全评价》围绕我国西部大开发，西电东送及南水北调等战略需求，对坐落于西部地震高发地区一大批正在或即将兴建高土石坝水电项目的抗震安全性进行深入研究。对高土石坝地震动力变形分析方法，抗震加固措施及安全评价等关键问题开展了系统的研究工作，进一步发展了高土石坝地震永久变形分析方法。

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编辑推荐

　　《基于变形安全防控的高土石坝抗震安全评价》可以作为土木工程?水利水电工程?交通工程,特别是岩土工程专业学生的教材或参考书,也可以供相关工程技术人员参考?

目 录

前言 第1章土石坝抗震安全1 1.1抗震安全评价内容3 1.1.1典型震害3 1.1.2抗震防护措施4 1.1.3抗震分析方法4 1.1.4地震变形分析5 1.1.5拟静力分析6 1.2土石坝抗震性能评价6 1.2.1稳定分析6 1.2.2变形分析7 1.3土石坝抗震安全评价的发展现状7 1.3.1土石坝震害7 1.3.2土石坝抗震安全评价标准14 1.3.3土石坝抗震工程措施15 参考文献16 第2章高土石坝动力响应分析理论研究18 2.1动力分析本构模型18 2.1.1等价线性动力分析模型19 2.1.2动力方程的建立21 2.1.3量化记忆动力分析模型25 2.1.4真非线性动力分析模型30 2.2动力特性参数的围压依赖性31 2.2.1动剪切模量的围压依赖性33 2.2.2等效阻尼比的围压依赖性35 2.3改进的动力分析模型37 2.4围压依赖性与动力响应的相关性38 2.4.1动剪切模量和等效阻尼比40 2.4.2最大绝对加速度40 2.4.3永久变形42 2.4.4液化42 参考文献43 第3章高土石坝地震变形分析45 3.1残余应变势45 3.1.1紫坪铺坝料动应力和残余应变的关系46 3.1.2吉林台坝料动应力和残余应变关系47 3.1.3关门山和瀑布沟坝料动应力和残余应变关系47 3.1.4糯扎渡坝料动应力和残余应变关系48 3.1.5长河坝坝料动应力和残余应变关系49 3.2地震变形分析方法51 3.2.1简化分析法51 3.2.2软化模量法51 3.2.3等效节点力法52 3.2.4等价惯性力法52 3.3基于模量软化的地震变形分析53 3.3.1残余应变计算模式53 3.3.2残余振动孔压计算模式54 3.3.3残余变形计算模式54 3.4验证与分析55 3.4.1计算模型和参数55 3.4.2计算结果与分析56 参考文献60 第4章高土石坝地震滑移量分析62 4.1“解耦型”地震滑移量分析63 4.1.1潜在滑动体的位置及其平均屈服加速度的确定64 4.1.2“解耦型”Newmark滑块位移法73 4.1.3验证与分析81 4.2“耦合型”地震滑移量分析88 4.2.1基于摩擦滑移机理的“耦合型”滑块分析90 4.2.2引入“薄层单元”的耦合滑移分析103 参考文献109 第5章土工格栅的性能及其工程应用112 5.1土工格栅简介和特点112 5.1.1土工格栅简介112 5.1.2土工格栅特点112 5.2土工格栅的分类113 5.2.1塑料土工格栅(冲孔拉伸一体格栅)113 5.2.2钢塑土工格栅114 5.2.3玻纤土工格栅115 5.2.4聚酯经编土工格栅115 5.3土工格栅的性能指标116 5.3.1性能测试116 5.3.2几种强度指标的含义116 5.3.3蠕变强度116 5.3.4土工格栅的连接和节点强度119 5.3.5指标测试标准120 5.4土工格栅的工程特性120 5.4.1土工格栅的物理特性120 5.4.2土工格栅的力学特性121 5.4.3土工格栅的强度劣化122 5.5土工格栅的工作机理124 5.6土工格栅的选型127 5.7土工格栅的施工127 5.7.1土工格栅的施工要求127 5.7.2土工格栅的施工工艺128 5.7.3施工中的注意事项129 5.8土工格栅的工程应用129 5.8.1挡土墙和加筋土工程129 5.8.2陡坡工程130 5.8.3软土地基处理130 5.8.4道路工程130 5.8.5大坝工程130 参考文献131 第6章加筋土石坝地震变形安全防控133 6.1加筋土石坝抗震稳定分析134 6.1.1加筋的必要性134 6.1.2土工格栅135 6.1.3拟静力抗震稳定分析135 6.1.4筋材G堆石体相互作用机理136 6.1.5土工格栅的极限抗拉强度138 6.1.6拟静力极限平衡分析法140 6.2加筋土石坝Newmark滑块位移分析141 6.2.1加筋土石坝数值计算与分析141 6.2.2加筋土石坝潜在滑动体屈服加速度143 6.2.3加筋坝坡永久滑动位移143 6.3验证和分析144 6.3.1加筋坝坡拟静力抗震稳定分析结果145 6.3.2加筋滑动体平均屈服角加速度146 6.3.3加筋滑动体滑动位移结果146 参考文献148 第7章高土石坝地震变形安全控制标准149 7.1地震永久变形安全控制标准149 7.2基于变形安全控制的高坝抗震设计150 7.2.1标准计算剖面150 7.2.2基于坝坡最小允许安全系数的高土石坝变形安全评价151 7.3高土石坝极限抗震能力分析153 7.3.1基于滑动变形的高土石坝极限抗震能力分析154 7.3.2基于整体地震变形的高土石坝极限抗震能力分析158 参考文献160 第8章实际工程应用161 8.1工程——黏土心墙堆石坝工程161 8.1.1工程概况161 8.1.2计算方法简介161 8.1.3整体地震变形分析163 8.1.4滑动变形分析169 8.2工程2——黏土心墙堆石坝工程176 8.2.1工程概况176 8.2.2计算方法简介176 8.2.3整体地震变形分析178 8.2.4滑动变形分析181 8.3工程3——加筋心墙堆石坝工程188 8.3.1工程概况188 8.3.2设计剖面188 8.3.3加筋方案计算与分析189 8.3.4加筋坝体地震滑移分析189 参考文献193

文 摘

　　第1章土石坝抗震安全
　　土石坝是当今坝工建设中最常见的一种坝型，也是发展最快的一种坝型.在水利工程的诸多坝型中，土石坝具有可利用当地材料筑坝，对地形地质条件适应性较好，造价较低，施工方法简单，抗震性能好等优点，在国内外水利水电资源开发过程中占有重要的地位.心墙堆石坝是在20世纪40年代以后才有所发展的，其背景是土力学理论和实践的发展，以及大型施工机具的出现，使得在合理工期内完成大量土石方成为可能.近几十年来，土质心墙堆石坝已逐渐成为世界上高坝建设的主流坝型之一.据20世纪90年代初统计，世界上已建和在建的坝高230m以上的高坝中，土质心墙堆石坝约占555%.全世界坝高超过15m的土石坝有29000多座，而在我国，各种坝高的拦河坝有86000多座，其中土石坝占95%以上.土石坝主要包括均质土坝，心墙坝和混凝土面板堆石坝等.据统计，1940年以前，很少有坝高超过100m的心墙堆石坝;1960~1990年是全世界心墙堆石坝快速发展时期，兴建的土石坝坝高，数量都有很大的增加;1990年后，兴建的心墙土石坝有减少的趋势，但兴建的土石坝多是150m以上的高心墙土石坝，建坝的高度和水库的规模越来越大.水坝关系着下游广大地区人民生命财产的安全，随着水库规模的增大，水坝带来的风险也随之增大.大坝安全为公共安全的重大问题，受到世界各国的普遍关注.据不完全估计，从12世纪以来，全世界约发生了2000余起的水坝事故，比较显著的大坝失事就有200多起，造成了灾难性的后果.引起水坝事故的原因多种多样，地震是对水坝安全构成威胁的重要因素之一，多次大地震中产生的大坝震害使大坝的抗震安全成为关注的重点之一.另外，根据我国能源发展的需要，一大批200~300m级的高土石坝和大型水库将在金沙江，澜沧江，雅砻江，大渡河，怒江和黄河上游等大江大河上进行建筑，这些大坝的高度和规模不少将接近和超过国外已建同类工程的水平.特别值得重视的是，这些大坝的设防地震加速度将远超过我国历史上的最高水平.20世纪90年代建设的小浪底心墙堆石坝(高160m)，设计地震加速度为015g.但目前在建和将建的高土石坝的设计地震加速度将分别达到:糯扎渡心墙堆石坝(高2615m)0283g;两河口心墙堆石坝(高2935m)0288g;双河口心墙堆石坝(高314m)0205g;猴子岩面板堆石坝(高2195m)0297g;吉林台面板堆石坝(高157m)高达0462g.200~300m级土石坝的抗震安全成为设计中需要解决的关键技术问题之一[1-6].
　　从国内外关于土石坝抗震安全评价的发展来看，在20世纪60年代以前，主要是采用以地震系数为代表的拟静力法来核算坝坡稳定.1964年日本新潟地震和美国基于变形安全防控的高土石坝抗震安全评价阿拉斯加地震后，特别是1971年美国SanFernando地震中LowerSanFernando水力冲填坝的大规模坍滑事故引起了土石坝抗震安全评价方法的变革，发现传统方法在评价土石坝抗震性能方面所出现的矛盾日益增多，难以预测土石坝可能出现的多种震害.地震变形逐渐引起了人们的重视，对地震变形引起的土石坝震害开展了深入的研究.经过多年的发展，以地震变形安全防控为代表的土石坝抗震研究的水平取得了较大的进步，包括土石坝的动力材料特性，地震动力响应分析，地震变形，地震灾变机理等[5，7，8].
　　在土石坝筑坝材料性质的研究方面，经过国内外学者多年的研究工作，已经取得了较多成果，积累了较为丰富的资料[9-13].特别是随着高坝建设的发展，尤其是强震区高土石坝建设的发展，人们对高应力水平下堆石料，过渡料，风化料，砾石土等粗粒料的动力特性开展了深入的研究工作，尤其是通过“七五”“八五”及“九五”科技攻关，在高土石坝坝料的动力特性和测试方法方面取得了一系列研究成果[9，13].随着工程建设的需要，还需进行更深入的研究工作，如复杂应力及大应变条件下的动力本构模型和残余变形特性等都需要做进一步的研究工作.
　　在土石坝震害方面，科技工作者对近几十年的强震中的震害进行过详细调查，对土石坝的震害资料有较细致的收集和分析.在唐山，海城，通海和汶川等地震中，土石坝震害资料较为丰富.国内学者对土石坝震害的特点，类型，影响因素和经验教训等都进行了较为深入的调查，分析和总结，为土石坝抗震研究提供了基础资料.有关高土石坝动力特性和动力模型试验研究也取得了较大进展，获得了有关结构反应特性及破坏特征的资料数据.要进行高土石坝震害机理的研究，还需要更为丰富的，定量的资料以及强震区高土石坝的实际震害资料和地震反应记录等.
　　从国内外的研究现状来看，土石坝动力反应分析方法逐渐由二维的，等效线性的，总应力分析方法向三维的，真非线性的，考虑孔压扩散和消散的有效应力分析方法发展，而在库水，坝体，地基等的耦合非线性分析，复杂应力条件下的非线性本构模型，孔压计算模式，地震残余变形计算方法，接触面模拟及边界条件处理，地震动输入，高精度数值模拟和非线性计算方法等方面还需要进行深入的研究.工程上惯用拟静力法进行抗滑稳定分析来进行土石坝及地基的抗震安全评价，然而，传统的拟静力法不能很好地考虑与地震动特性密切相关的土体内部应力——应变关系和实际工作状态，求出的安全系数只是所假定的潜在滑裂面上的所谓安全度，无法得到实际内力分布和确定土体变形，也就无法预测土体失稳的发生和发展过程，更不能考虑局部变形对坝体稳定的影响.所以，近年来逐步发展了进行土石坝及地基的地震安全评价的动力法.在动力法中，为了进行抗震安全评价，首先对土石坝及地基进行地震反应分析，求出在地震作用下土体内部的应力和变形分布等，然后按照相应的破坏标准来评价大坝的安全性.动力法中的关键问题包括土石料动力特性的确定，土石坝及地基地震反应的分析，安全评价标准和理论方法等.
　　第1章土石坝抗震安全
　　在非线性地震反应分析的基础上，研究高土石坝地震作用下的灾害机理，抗震安全性及防灾对策是高土石坝抗震研究中的关键问题，而研究地震破坏机理必须深入研究地震作用下结构的非线性问题，包括非线性材料性质，非线性破坏参数，非线性地震反应特征，非线性求解理论和实验方法.根据结构的破坏特征和工程的破坏机理提出合理的高土石坝抗震设计方法和抗震措施，并研究相应措施的作用机理，以解除地震灾害之虞，在研究中应重视它们的针对性，可靠性，实用性和经济性.
　　1.1抗震安全评价内容
　　土石坝抗震设计中首先要考虑的问题是地震作用可能引起的坝的破坏方式，有以下几种情况值得重视.
　　1.1.1典型震害
　　1库水漫顶
　　评价土石坝的抗震安全性取决于通过直接或间接方法所确定的预期变形的大小.如果地震变形导致坝顶低于水库水位，坝顶溢流造成的侵蚀可使坝发生破坏.直接方法是通过建立地震，坝体和坝基的计算模型预测坝的变形;间接方法则基于经验判断坝和地基的地震响应.震后稳定分析也是对变形的一种间接预测，如果震后稳定安全系数高，变形将局限于很小的范围(几英尺(1英尺=03048m)或1m以内)，除非作用的荷载十分剧烈.
　　变形大小取决于材料的强度.强震时由于动应力瞬时超过材料强度可产生永久变形，不过量值一般不大.对于饱和土，由于振动产生的孔隙水压力将使抗剪强度降低，也使动力变形比没有强度损失时大.对于十分松散的可压缩性土，由于过量的孔隙水压力增长，剩余的抗剪强度可能只占静力排水剪强度很小的一部分，这一过程通常称为“液化”.如果抗剪强度下降到低于维持静力稳定所需要的数值，即使振动已经停止，在重力作用下，仍将产生很大的变形.液化评价将在下面阐述.有一种中间状态，称为“循环流动性”(cycliemobilify)，由于过量的超静孔隙水压力作用，初期的抗剪强度非常低，但随着大的剪应变发生，强度会逐渐增长.这种情况有助于防止整体稳定的丧失，但仍然产生较大的变形.
　　导致坝发生破坏的库水漫顶现象，还可能是以下原因引起的:①穿过水库或穿过坝基的断层活动，引起水库水位上升，超过坝顶(或使坝顶沉降低于水库水位);
　　②地震引起的滑块排挤出很大容量的水体;③地震引起的涌浪.
　　2裂缝和内部侵蚀
　　如果坝由于地震激励或断层错动而产生变形，可能出现裂缝或内部反滤被切断，两者都将使坝由于侵蚀而破坏.裂缝多半发生在坝与混凝土结构(如溢洪道)相结合的界面处或在土石坝断面剧烈变化之处.也有迹象表明，如果坝已处于管涌边缘，即使不出现裂缝，振动也可能引起管涌破坏.坝所能承受的变形大小，即不会发生裂缝被侵蚀而引起坝的破坏，取决于坝和地基的土料特性，坝的内部分区和构造(滤层，排水和截水墙等)，地震时的水库水位，以及附属结构的性质和位置.如果存在穿过土石坝的管道，坝的变形可使管道破裂，或使缝的接头分离，两者都可能产生不通过滤层的渗流出口或使坝或地基暴露在未曾预计的水库全水头作用下而引起侵蚀破坏.沿着完好管道发生的侵蚀也会引起坝的破坏.
　　1.1.2抗震防护措施
　　如果设计不当，许多情况可使坝处于安全危急状态或使坝发生破坏.不必进行大量的分析评价，只需简单地采取一些防护措施，即使在比较恶劣的情况下，也可使结构满意地运行.反之，防护措施设计不当，则可使其变为无效.有关的防护措施包含以下方面.
　　(1)对有问题的地基土料予以挖除.(2)加宽用塑性土料建造的心墙能增强抵抗侵蚀的能力.(3)在心墙上游敷设良好级配的过滤层，使有可能张开的裂缝得以封闭，同时敷设心墙下游的过滤层以防止心墙中被侵蚀的颗粒外逸.(4)在土石坝心墙下游建造烟囱形竖井排水以减少饱和度.(5)在坝肩与岸坡接触面处，扩展土石坝心墙的断面.(6)调整心墙的位置，使土石坝体中的浸润线位置最低.(7)加强水库周边土坡的稳定性，防止滑坡塌方.(8)如果坝基中存在潜在滑动断层的危险，坝和地基接触面处应进行专门处理.(9)建立高质量的排水通畅的堆石坝壳.(10)设立比较富裕的坝顶超高，以适应坝体沉降，坍塌或断层滑动的需要.(11)规划好坝与地基接触面的形状，避免断面突变，倒悬或较大的“台阶”.(12)填筑土料充分压实，尽量减小超静孔隙水压力的发生.(13)设置过滤层或采取其他有效措施，防止埋设于土坝中的管道或其他结构出口处发生水流侵蚀.
　　1.1.3抗震分析方法
　　如果坝和地基不发生液化，在满足下列条件的情况下，微小变形是可能发生的，但不会引起坝的整体破坏.
　　(1)坝和地基土料为非液化土料，也不含松散土料和灵敏黏土.
　　(2)坝体良好施工，并压实到实验室最大干容重的95%以上，或相对密实度的80%以上.
　　(3)坝坡率H∶V=3∶1或更缓，浸润线在下游坝坡线以内足够深度.
　　(4)土坝坝基水平峰值地震加速度不大于0.2g.
　　(5)地震发生前在相关荷载和预期孔压作用下，所有可能的危险滑动面(坝坡表面浅层滑动面除外)的静力安全系数大于15.
　　(6)地震时坝顶超高至少为坝高的3%~5%，并且不小于3英尺(约09m)，地震引起的水库涌浪或地震引起的坝基或水库中的断层活动所要求的坝顶超高应另行考虑.
　　(7)坝内不存在重要的构造部件，在坝体的微小变形下容易受到损害或产生裂缝，引起内部侵蚀的潜在危险性.如果这些条件无法满足，需要进行更详细的研究，包括评价液化的危险性，进行震后稳定和变形分析.如果不存在液化危险的土料，一般可采用简化的Newmark滑块法进行分析.在有可能产生超静孔隙水压力的情况下，则需要进行更严密的有限元或有限差分法分析.进行变形分析的目的在于确定可能发生的变形是否足够大到发生库水漫顶，或是在关键部位产生裂缝，使土坝由于内部侵蚀而发生破坏.根据分析结果，并参照土石坝在地震中表现的历史经验，设计者必须做出全面判断，坝和地基是否能安全承受这些荷载.
　　1.1.4地震变形分析
　　如果预期失稳不会发生，液化也不可能，可应用下述两种方法之一，或两者并用来进行变形估计.
　　1Newmark滑动变形分析
　　Newmark滑动变形分析[14]为最普通的求解土石坝动力表现的方法.该方法假定坝和地基土料的地震变形模态可看成刚性块的滑动.当坝基加速度超过屈服加速度后，变形开始发生.屈服加速度为按常规坝坡稳定分析得出的安全系数刚好等于10时所对应的水平地震加速度.在地震作用的整个过程中，随着安全系数上升