土石壩地震安全評價(jià)與抗震設(shè)計(jì)課件

報(bào)告內(nèi)容國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足土石壩抗震安全評價(jià)方法的改進(jìn)土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考報(bào)告內(nèi)容國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)LaVillita和Infiernilo粘土心墻堆石壩(墨西哥)

LaVillita壩：最大壩高59.7m+70m厚砂礫石覆蓋層

Infiernilo壩:最大壩高148m

1985年的墨西哥發(fā)生8.1級地震，震中位于上述兩壩約75km，地震持續(xù)時(shí)間60sLaVillita壩：壩基基巖最大水平加速度為0.125g，壩頂最大反應(yīng)加速度為0.45gInfiernilo壩：壩基基巖最大水平加速度為0.13g；下游馬道中部（壩基以上100m）的最大反應(yīng)加速度為0.38g，據(jù)此推斷Infiernilo壩壩頂中部最大反應(yīng)加速度應(yīng)在0.5g左右一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)LaVillita和Infiern2一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)

兩座壩的震害非常相似沉降：LaVillita壩和Infiernilo壩壩頂粘土心墻分別產(chǎn)生了11cm和9cm的沉降裂縫：粘土心墻和堆石壩殼接觸部位壩頂出現(xiàn)明顯裂縫

LaVillita壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位裂縫長達(dá)350m的連續(xù)裂縫，最大縫寬約10cm，最大深度達(dá)50cmInfiernilo壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位出現(xiàn)斷續(xù)綿延全壩長335m的寬0.2-15cm的縱向裂縫，深達(dá)粘土心墻頂部一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)兩座壩的震害非常相似3一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)美國Austrian土壩（最大壩高61m）經(jīng)受1989年LomaPrieta地震(M=7.1)壩頂最大反應(yīng)加速度分別達(dá)0.6g最大震陷量達(dá)85.34cm，下游壩坡的最大水平位移為33.53cm，指向壩體下游Austrian土壩上下游壩坡上部1/4壩高范圍內(nèi)出現(xiàn)了多條縱向裂縫，最深達(dá)4.27m，兩壩肩也出現(xiàn)了橫向裂縫，其中坐落于風(fēng)化巖體上的左壩肩裂縫最大深度為9.14m，右壩肩與溢洪道接觸部位裂縫最大深度為7m一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)美國Austrian土壩（最大壩高64一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1975年海城地震，壩址烈度7°震后1小時(shí)20分，發(fā)現(xiàn)右壩段175m范圍內(nèi)，有兩處由水位以上2m開始向下滑坡，其長度分別為33m和26.3m，在壩高35m以下普遍滑動，滑動面積為15000㎡，方量約3萬方，滑坡最大鉛直深度為4.7m遼寧石門水庫粘土心墻壩（壩高46m）一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1975年海城地震，壩址烈度7°遼寧5一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)日本壩高105m的牧尾粘土心墻堆石壩震后壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位也出現(xiàn)了深達(dá)1.5m的縱向裂縫智利高85m的cogoti面板拋填堆石壩，稍加緩邊坡并設(shè)置柔性多層鋼筋混凝土面板，遇9度地震后面板無損壞，只是壩頂沉陷42cm我國最大壩高101.8m的碧口粘土心墻壩經(jīng)受汶川特大地震后產(chǎn)生了24cm的震陷，上游壩坡最大水平達(dá)28.1cm，壩體也出現(xiàn)了多條裂縫一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)日本壩高105m的牧尾粘土心墻堆石6一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1976年唐山地震，導(dǎo)致水下防滲斜墻砂礫石保護(hù)層滑落，長度約500m；水上約20m砂礫石保護(hù)層沒有出現(xiàn)滑動（地震液化）密云水庫白河主壩(壩高66.4m)一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1976年唐山地震，導(dǎo)致水下防滲斜墻7一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)河北陡河水庫均質(zhì)土壩（壩高22m）1976年唐山地震，壩址烈度9°主壩嚴(yán)重裂縫：全壩有橫縫100余條，縫寬一般為0.1～0.5cm，穿過壩頂，最大縫寬達(dá)3cm，深度不大。另有貫主壩全長1700m，平行于壩軸線的縱縫帶2條，一條在上游坡面高程35～36m，另一條在下游坡面高程34～35m，裂縫垂直地面，縫寬最大達(dá)30cm，深度直達(dá)壩基，下游坡縱縫兩側(cè)土體發(fā)現(xiàn)有錯距，下高出上10～30cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)河北陡河水庫均質(zhì)土壩（壩高22m）18一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1959年8月17日遭遇7.6級地震。發(fā)震斷層通過水庫北岸，距右壩肩210m。地震造成巨大涌浪，漫頂水頭高達(dá)1m(2002年新疆喀什西克爾水庫因地震潰壩）美國Hebgen土壩(壩高35m)一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1959年8月17日遭遇7.6級地震9一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)2008年5.12汶川地震造成全國2380座水庫出現(xiàn)險(xiǎn)情，其中四川1803座，四川出險(xiǎn)的水庫中有潰壩險(xiǎn)情的69座，高危險(xiǎn)情的310座，次高危險(xiǎn)情的1424座，絕大部分為土石壩一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)2008年5.12汶川地震造成全國10一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)5.12地震中德陽柏林水庫上游壩坡塌滑一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)11一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)成都新油坊土壩裂縫一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)12一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)紫坪鋪面板壩震害2008年“5.12”汶川地震震中位于大壩以西17km，震中烈度達(dá)11度，持續(xù)時(shí)間2分鐘，從壩頂動力反應(yīng)推斷，基巖地震加速度峰值當(dāng)在0.5g～0.7g左右，烈度將超過9度，遠(yuǎn)超過大壩的設(shè)防烈度,導(dǎo)致大壩發(fā)生明顯損傷一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)紫坪鋪面板壩震害13一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)地震導(dǎo)致大壩壩頂瞬間發(fā)生了最大為68.4cm的震陷，地震后（5月17日）5天，最大震陷發(fā)展為74.3cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)地震導(dǎo)致大壩壩頂瞬間發(fā)生了最大為6814一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩體內(nèi)部測點(diǎn)測得的最大震陷81.0cm位于850m高程(壩頂高程為884m)，最大震陷100cm?一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩體內(nèi)部測點(diǎn)測得的最大震陷81.0c15一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩軸向變形為由兩岸向河谷中央變形，最大值22.6cm；順河向永久變形指向下游，最大值20cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩軸向變形為由兩岸向河谷中央變形，最16一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)下游壩坡水平位移指向下游，850m高程處(壩頂高程為884m)最大約27cm，最水平位移?一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)下游壩坡水平位移指向下游，850m17一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩頂人行道與大壩路面結(jié)合處最大裂縫寬度63cm；壩頂路面與溢洪道頂產(chǎn)生20cm的錯臺一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩頂人行道與大壩路面結(jié)合處最大裂縫寬18一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)永久變形矢量指向壩內(nèi)，表明地震導(dǎo)致壩體產(chǎn)生體積收縮一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)永久變形矢量指向壩內(nèi)，表明地震導(dǎo)致壩19一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板施工縫錯臺嚴(yán)重，最大17cm；垂直縫擠壓破壞一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板施工縫錯臺嚴(yán)重，最大17cm；20一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板脫空，高程愈大，脫空愈明顯，最大脫空達(dá)23cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板脫空，高程愈大，脫空愈明顯，最大211、筑壩材料本構(gòu)模型不能正確反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下的強(qiáng)度和變形特性粘彈性、等效線性彈塑性非線性顆粒破碎剪縮增強(qiáng)、剪脹抑制低估震陷、相對高估水平位移流變、震陷面板脫空受力狀態(tài)變化損傷二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足1、筑壩材料本構(gòu)模型不能正確反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下的22二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足2、1g振動臺模型試驗(yàn)與離心機(jī)振動臺模型試驗(yàn)應(yīng)力一致性振動臺功率模型箱尺寸二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足2、1g振動臺模型試驗(yàn)與23二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足3、對土石壩的各類接觸問題，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算分析方法無法合理模擬壩體裂縫、面板脫空、錯臺及面板和接縫開裂等現(xiàn)象斷裂力學(xué)接觸力學(xué)離散元DDA4、安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不明確或雖有標(biāo)準(zhǔn)但不很科學(xué)如壩坡地震安全系數(shù)沒有與滑動體體積有機(jī)結(jié)合二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足3、對土石壩的各類接觸問24三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)1、提出了一個(gè)能合理反映堆石料靜動力強(qiáng)度和變形特性，特別是顆粒破碎特性的彈塑性本構(gòu)模型土石壩震害的各種表現(xiàn)，諸如壩體裂縫、混凝土面板脫空、錯臺及面板和接縫開裂等，其最主要原因是地震導(dǎo)致的土石壩體的變形以及大壩各部位變形的不均勻和不協(xié)調(diào)性。因此首先需建立能合理反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下筑壩材料的強(qiáng)度和變形特性的本構(gòu)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測地震引起的土石壩體的變形量，從而對土石壩的震害進(jìn)行科學(xué)評估和預(yù)測三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)1、提出了一個(gè)能合理反映堆石料25三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)進(jìn)行了5種堆石料200多組大型靜動三軸試驗(yàn)，研究了堆石料特殊的變形和破壞規(guī)律，主要表現(xiàn)為：堆石料在高圍壓和地震荷載作用下將產(chǎn)生明顯的顆粒破碎，其強(qiáng)度和剪脹規(guī)律表現(xiàn)出明顯的非線性，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，剪縮增大，剪脹性受到抑制甚至消失

平均主應(yīng)力較大時(shí)，堆石料的剪脹線接近甚至超過破壞線三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)進(jìn)行了5種堆石料200多組大型26與汶川地震導(dǎo)致紫坪鋪堆石壩壩體斷面整體向內(nèi)收縮，而壩坡表層卻出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象一致堆石料動三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑高應(yīng)力剪縮低應(yīng)力剪脹三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)與汶川地震導(dǎo)致紫坪鋪堆石壩壩體斷面整體向內(nèi)收縮，而壩坡表層卻27先期振動可顯著提高筑壩材料抵抗地震變形的能力經(jīng)受過一次先期振動的堆石料，再經(jīng)受同樣強(qiáng)度的振動荷載，變形減少約80%經(jīng)歷過一次先期振動的堆石料，再經(jīng)受2倍強(qiáng)度的振動荷載，變形減少約42%可以較好解釋紫坪鋪大壩在震后的多次余震中大壩的變形很小這一現(xiàn)象評價(jià)壩再次經(jīng)受地震作用時(shí)的抗震能力，應(yīng)考慮前期地震的影響三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)先期振動可顯著提高筑壩材料抵抗地震變形的能力三、土石壩地震安28壩料固結(jié)比圍壓/kPa最大動體變無先期動應(yīng)力/%σd=0.4/0.5σ3(1)/%σd=0.8/1.0σ3(2)/%(1)降幅/%(2)降幅/%砂礫石料1.53000.400.240.07398210000.640.440930.490.1847812.53000.380.200.09497710000.630.390800.410.174979動應(yīng)力加倍，動體變減少約42%相同動應(yīng)力，動體變減少約80%三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)壩料固結(jié)比圍壓最大動體變無先期動應(yīng)力σd=0.4/0.5σ29

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)在上述試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了一個(gè)能合理模擬堆石料靜動力應(yīng)力變形特性的彈塑性數(shù)值模型壓縮特性非線性剪脹和破壞規(guī)律描述流動方向加載方向塑性模量

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)在上述試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提30壓縮特性正常固結(jié)粘性

λ是常數(shù)堆石料

λ依賴于平均應(yīng)力與體變壓縮特性正常固結(jié)粘性λ是常數(shù)堆石料λ依賴于平均應(yīng)力與31剪切特性峰值摩擦角剪脹摩擦角強(qiáng)度非線性：剪脹非線性：剪切特性峰值摩擦角剪脹摩擦角強(qiáng)度非線性：剪脹非線性：32塑性流動與加載方向加載方向：非關(guān)聯(lián)的流動準(zhǔn)則塑性流動與加載方向加載方向：非關(guān)聯(lián)的流動準(zhǔn)則33塑性模量邊界面函數(shù)壓硬性老化應(yīng)力水平相關(guān)性塑性模量邊界面函數(shù)壓硬性老化應(yīng)力水平相關(guān)性34模型參數(shù)及確定項(xiàng)目參數(shù)相關(guān)試驗(yàn)等向壓縮參數(shù)hs,n,κ等向或單向壓縮加卸載試驗(yàn)?zāi)Σ两菂?shù)φ0,?φ,ψ0,?ψ三軸壓縮（伸長）單調(diào)（循環(huán)）加載試驗(yàn)塑性模量參數(shù)m老化參數(shù)α永久體變參數(shù)最終永久體變模型參數(shù)及確定項(xiàng)目參數(shù)相關(guān)試驗(yàn)等向壓縮參數(shù)hs,n,κ等35模型驗(yàn)證—靜力加載試驗(yàn)堆石料I堆石料II堆石料III模型驗(yàn)證—靜力加載試驗(yàn)堆石料I堆石料II堆石料III36模型驗(yàn)證—動力加載試驗(yàn)老化參數(shù)α=0.0老化參數(shù)α=0.2模型驗(yàn)證—動力加載試驗(yàn)老化參數(shù)α=0.0老化參數(shù)α=0.37三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)2、初步實(shí)現(xiàn)了高土石壩地震災(zāi)變過程的彈塑性數(shù)值模擬基于我們提出的廣義塑性模型，開發(fā)了一個(gè)計(jì)算高土石壩地震災(zāi)變過程的彈塑性數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)軟件，對1座100m高均質(zhì)堆石壩的地震災(zāi)變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了良好效果為下一步實(shí)現(xiàn)實(shí)際高土石壩的地震災(zāi)變過程彈塑性數(shù)值模擬奠定了重要基礎(chǔ)三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)2、初步實(shí)現(xiàn)了高土石壩地震災(zāi)變38三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向豎向有限元網(wǎng)格三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向豎向有限元網(wǎng)格39三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向動位移豎向動位移順河向加速度豎向加速度三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向動位移豎向動位移順河向加40順河向永久變形豎向永久變形三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)斷面網(wǎng)格變形圖（20倍放大）順河向永久變形豎向永久變形三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)斷面41三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)3、利用大型振動臺和離心機(jī)振動臺，揭示了面板堆石壩和心墻堆石壩的地震變形和破壞機(jī)理凝土面板開裂的原因除地震引起的面板動應(yīng)力外，更重要的是支撐面板的堆石體在地震作用下產(chǎn)生過大的沉降和側(cè)向變形，且沿壩高和壩軸向的分布不均壩體地震永久變形導(dǎo)致面板脫空，面板與墊層間摩擦力減小和向上游的地震慣性力是造成面板（接縫）錯臺的主要原因土石壩壩體的失穩(wěn)是“由表及里”的發(fā)展過程，地震加速度越大，破壞深度越大。因此，加固措施也應(yīng)“由表及里”進(jìn)行。庫水位對上游壩坡變形具有明顯影響，對下游壩坡影響較小三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)3、利用大型振動臺和離心機(jī)振動42三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)對于心墻堆石壩，心墻的地震永久變形以沉降為主，在壩體縱剖面上，地震永久變形呈“V”形分布心墻沿岸坡的最大錯動梯度隨著輸入基巖加速度的增加而增大，最大錯動發(fā)生在心墻頂部在4/5壩高以上的壩體出現(xiàn)了明顯的沉陷和向上下游兩側(cè)滑落，堆石體與心墻之間出現(xiàn)裂縫。地震加速度越大，沉陷和滑動體范圍越大加速度放大系數(shù)沿壩軸向呈中間大、兩邊小分布形態(tài)，在岸坡附近明顯減小三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)對于心墻堆石壩，心墻的地震永久43三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)4、基于接觸力學(xué)方法，提出了面板錯臺和脫空的計(jì)算方法，并應(yīng)用于實(shí)際工程面板錯臺分布（

紫坪鋪壩實(shí)測2-17cm）12.4cm三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)4、基于接觸力學(xué)方法，提出了面44三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)5、對高土石壩極限抗震能力與安全控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步探討基于123個(gè)土石壩震害調(diào)查資料的整理分析，給出了地震作用下土石壩壩頂沉降估算的經(jīng)驗(yàn)方法

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)5、對高土石壩極限抗震能力與安45三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)安全控制主要因素確定壩坡失穩(wěn)（心墻壩反濾層液化引起的壩坡失穩(wěn)）

擬靜力法：如果Fs<1.0

有限元時(shí)程分析法：地震過程中，F(xiàn)s<1.0的時(shí)間累加超過2s

同時(shí)滿足失穩(wěn)壩體體積≥1/10（4/5壩高以上滑動范圍內(nèi)壩體體積）

反濾層液化（液化度Dy≥0.95）三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)安全控制主要因素確定46三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)變形（壩頂震陷率）超標(biāo)

破壞標(biāo)準(zhǔn)為壩頂震陷率η≥1%防滲系統(tǒng)破壞（面板周邊縫破壞）

對于面板壩常用周邊縫止水形式（周邊縫剪切位移S≥30cm）泄洪系統(tǒng)不能正常運(yùn)用三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)變形（壩頂震陷率）超標(biāo)47滑動破壞液化破壞斷裂破壞震陷度安全系數(shù)小于1的滑動體占壩體比重（%）液化度大于90%區(qū)域占壩體和壩基總體的比重（%）拉裂或壓裂面占防滲面面積的比重（%）壩頂永久沉降占壩高之比（%）嚴(yán)重>10>10>5>1.5中等2~102~101~50.3~1.5輕度<2<2<1<0.3三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)滑動破壞液化破壞斷裂破壞震陷度安全系數(shù)小于1的滑動體占壩體比48三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)按照上述建議方法對某心墻堆石壩最大壩高達(dá)261.5m的心墻堆石壩的極限抗震能力進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明：從壩坡失穩(wěn)的角度看，大壩能承受的極限峰值加速度為0.55g從心墻反濾料地震液化的角度出發(fā)，大壩能承受的極限峰值加速度為0.75～0.80g從震陷的角度看，大壩能承受的極限峰值加速度為0.60g～0.65g綜合判斷該心墻堆石壩極限抗震峰值加速度為0.55g三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)按照上述建議方法對某心墻堆石壩49

四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

1、土石壩在地震作用下發(fā)生變形幾乎是不可避免的，因此設(shè)法減小土石壩的地震變形以及壩體各類接觸部位的不均勻或不協(xié)調(diào)變形就成為高土石壩抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵對于高心墻堆石壩應(yīng)采取適當(dāng)措施盡可能減小心墻和壩殼間的不均勻沉降對于壩體和岸坡或剛性水工建筑物接觸部位應(yīng)采用較為平緩的邊坡，以盡可能減小其不均勻沉降，提高變形的協(xié)調(diào)性對于高土石壩，震害最明顯的部位是大壩4/5壩高以上、最大壩高斷面附近以及河谷地形突變處附近等，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注

四、土石壩抗震設(shè)50四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

2、高混凝土面板壩面板頂部脫空可能性很大(盡管已采取很多措施），導(dǎo)致面板受力狀態(tài)發(fā)生不利變化，必需引起足夠重視設(shè)法減小壩體變形量，特別是沿壩高分布的不均勻性面板配筋方式改進(jìn)柔性面板

智利壩高85m的Cogoti面板拋填堆石壩，稍加緩邊坡并設(shè)置柔性多層鋼筋混凝土面板，遇9度地震壩頂沉陷42cm，面板無損壞）

四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

2、高混凝土面板壩面板頂部脫空51四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

3、應(yīng)確保面板各類接縫，特別是周邊縫具有足夠適應(yīng)變形的能力，以降低由于堆石體變形（特別是后期變形）導(dǎo)致其發(fā)生損傷甚至破壞的可能性四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

3、應(yīng)確保面板各類接縫，特別是52四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考4、應(yīng)通過土石壩，特別是高土石壩的震害調(diào)查、破壞性試驗(yàn)以及極限抗震能力計(jì)算分析等手段，盡快制定以變形為主要控制指標(biāo)的高土石壩地震安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以使我國大壩地震安全評價(jià)工作有章可循，使評價(jià)結(jié)果更為科學(xué)合理。水庫大壩的地震安全不僅與壩體本身有關(guān)，還與泄水建筑物，如溢洪道、泄洪洞及其閘門結(jié)構(gòu)安全有關(guān)，應(yīng)保證泄水建筑物震后啟閉自如，以控制壩前水位，這不僅有利于大壩安全，同時(shí)還可為及時(shí)修復(fù)大壩震損提供條件四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考4、應(yīng)通過土石壩，特別是高土石壩53四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考5、由于高土石壩安全的絕對重要性和地震的隨機(jī)性，建議對于100m級以上高土石壩進(jìn)行極限抗震能力分析。這至少有以下兩個(gè)好處使人們清楚大壩經(jīng)受何種地震會發(fā)生破壞，最終破壞形式如何，何種因素是導(dǎo)致大壩發(fā)生災(zāi)難性后果的控制因素等信息，以便在大壩設(shè)計(jì)和管理過程中予以重點(diǎn)關(guān)注大壩極限抗震能力分析結(jié)果對大壩抗震搶險(xiǎn)過程中快速查明險(xiǎn)情，科學(xué)制定搶險(xiǎn)預(yù)案具有重要指導(dǎo)意義，這對土石壩這種具有逐漸潰決特性的壩型顯得特別重要四、土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考5、由于高土石壩安全的絕對重要性54請各位專家批評指正！謝謝！

請各位專家批評指正！謝謝！55報(bào)告內(nèi)容國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足土石壩抗震安全評價(jià)方法的改進(jìn)土石壩抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考報(bào)告內(nèi)容國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)56一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)LaVillita和Infiernilo粘土心墻堆石壩(墨西哥)

LaVillita壩：最大壩高59.7m+70m厚砂礫石覆蓋層

Infiernilo壩:最大壩高148m

1985年的墨西哥發(fā)生8.1級地震，震中位于上述兩壩約75km，地震持續(xù)時(shí)間60sLaVillita壩：壩基基巖最大水平加速度為0.125g，壩頂最大反應(yīng)加速度為0.45gInfiernilo壩：壩基基巖最大水平加速度為0.13g；下游馬道中部（壩基以上100m）的最大反應(yīng)加速度為0.38g，據(jù)此推斷Infiernilo壩壩頂中部最大反應(yīng)加速度應(yīng)在0.5g左右一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)LaVillita和Infiern57一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)

兩座壩的震害非常相似沉降：LaVillita壩和Infiernilo壩壩頂粘土心墻分別產(chǎn)生了11cm和9cm的沉降裂縫：粘土心墻和堆石壩殼接觸部位壩頂出現(xiàn)明顯裂縫

LaVillita壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位裂縫長達(dá)350m的連續(xù)裂縫，最大縫寬約10cm，最大深度達(dá)50cmInfiernilo壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位出現(xiàn)斷續(xù)綿延全壩長335m的寬0.2-15cm的縱向裂縫，深達(dá)粘土心墻頂部一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)兩座壩的震害非常相似58一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)美國Austrian土壩（最大壩高61m）經(jīng)受1989年LomaPrieta地震(M=7.1)壩頂最大反應(yīng)加速度分別達(dá)0.6g最大震陷量達(dá)85.34cm，下游壩坡的最大水平位移為33.53cm，指向壩體下游Austrian土壩上下游壩坡上部1/4壩高范圍內(nèi)出現(xiàn)了多條縱向裂縫，最深達(dá)4.27m，兩壩肩也出現(xiàn)了橫向裂縫，其中坐落于風(fēng)化巖體上的左壩肩裂縫最大深度為9.14m，右壩肩與溢洪道接觸部位裂縫最大深度為7m一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)美國Austrian土壩（最大壩高659一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1975年海城地震，壩址烈度7°震后1小時(shí)20分，發(fā)現(xiàn)右壩段175m范圍內(nèi)，有兩處由水位以上2m開始向下滑坡，其長度分別為33m和26.3m，在壩高35m以下普遍滑動，滑動面積為15000㎡，方量約3萬方，滑坡最大鉛直深度為4.7m遼寧石門水庫粘土心墻壩（壩高46m）一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1975年海城地震，壩址烈度7°遼寧60一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)日本壩高105m的牧尾粘土心墻堆石壩震后壩頂粘土心墻和上下游堆石壩殼接觸部位也出現(xiàn)了深達(dá)1.5m的縱向裂縫智利高85m的cogoti面板拋填堆石壩，稍加緩邊坡并設(shè)置柔性多層鋼筋混凝土面板，遇9度地震后面板無損壞，只是壩頂沉陷42cm我國最大壩高101.8m的碧口粘土心墻壩經(jīng)受汶川特大地震后產(chǎn)生了24cm的震陷，上游壩坡最大水平達(dá)28.1cm，壩體也出現(xiàn)了多條裂縫一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)日本壩高105m的牧尾粘土心墻堆石61一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1976年唐山地震，導(dǎo)致水下防滲斜墻砂礫石保護(hù)層滑落，長度約500m；水上約20m砂礫石保護(hù)層沒有出現(xiàn)滑動（地震液化）密云水庫白河主壩(壩高66.4m)一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1976年唐山地震，導(dǎo)致水下防滲斜墻62一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)河北陡河水庫均質(zhì)土壩（壩高22m）1976年唐山地震，壩址烈度9°主壩嚴(yán)重裂縫：全壩有橫縫100余條，縫寬一般為0.1～0.5cm，穿過壩頂，最大縫寬達(dá)3cm，深度不大。另有貫主壩全長1700m，平行于壩軸線的縱縫帶2條，一條在上游坡面高程35～36m，另一條在下游坡面高程34～35m，裂縫垂直地面，縫寬最大達(dá)30cm，深度直達(dá)壩基，下游坡縱縫兩側(cè)土體發(fā)現(xiàn)有錯距，下高出上10～30cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)河北陡河水庫均質(zhì)土壩（壩高22m）163一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1959年8月17日遭遇7.6級地震。發(fā)震斷層通過水庫北岸，距右壩肩210m。地震造成巨大涌浪，漫頂水頭高達(dá)1m(2002年新疆喀什西克爾水庫因地震潰壩）美國Hebgen土壩(壩高35m)一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)1959年8月17日遭遇7.6級地震64一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)2008年5.12汶川地震造成全國2380座水庫出現(xiàn)險(xiǎn)情，其中四川1803座，四川出險(xiǎn)的水庫中有潰壩險(xiǎn)情的69座，高危險(xiǎn)情的310座，次高危險(xiǎn)情的1424座，絕大部分為土石壩一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)2008年5.12汶川地震造成全國65一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)5.12地震中德陽柏林水庫上游壩坡塌滑一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)66一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)成都新油坊土壩裂縫一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)67一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)紫坪鋪面板壩震害2008年“5.12”汶川地震震中位于大壩以西17km，震中烈度達(dá)11度，持續(xù)時(shí)間2分鐘，從壩頂動力反應(yīng)推斷，基巖地震加速度峰值當(dāng)在0.5g～0.7g左右，烈度將超過9度，遠(yuǎn)超過大壩的設(shè)防烈度,導(dǎo)致大壩發(fā)生明顯損傷一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)紫坪鋪面板壩震害68一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)地震導(dǎo)致大壩壩頂瞬間發(fā)生了最大為68.4cm的震陷，地震后（5月17日）5天，最大震陷發(fā)展為74.3cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)地震導(dǎo)致大壩壩頂瞬間發(fā)生了最大為6869一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩體內(nèi)部測點(diǎn)測得的最大震陷81.0cm位于850m高程(壩頂高程為884m)，最大震陷100cm?一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩體內(nèi)部測點(diǎn)測得的最大震陷81.0c70一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩軸向變形為由兩岸向河谷中央變形，最大值22.6cm；順河向永久變形指向下游，最大值20cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩軸向變形為由兩岸向河谷中央變形，最71一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)下游壩坡水平位移指向下游，850m高程處(壩頂高程為884m)最大約27cm，最水平位移?一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)下游壩坡水平位移指向下游，850m72一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩頂人行道與大壩路面結(jié)合處最大裂縫寬度63cm；壩頂路面與溢洪道頂產(chǎn)生20cm的錯臺一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)壩頂人行道與大壩路面結(jié)合處最大裂縫寬73一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)永久變形矢量指向壩內(nèi)，表明地震導(dǎo)致壩體產(chǎn)生體積收縮一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)永久變形矢量指向壩內(nèi)，表明地震導(dǎo)致壩74一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板施工縫錯臺嚴(yán)重，最大17cm；垂直縫擠壓破壞一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板施工縫錯臺嚴(yán)重，最大17cm；75一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板脫空，高程愈大，脫空愈明顯，最大脫空達(dá)23cm一、國內(nèi)外土石壩震害表現(xiàn)面板脫空，高程愈大，脫空愈明顯，最大761、筑壩材料本構(gòu)模型不能正確反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下的強(qiáng)度和變形特性粘彈性、等效線性彈塑性非線性顆粒破碎剪縮增強(qiáng)、剪脹抑制低估震陷、相對高估水平位移流變、震陷面板脫空受力狀態(tài)變化損傷二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足1、筑壩材料本構(gòu)模型不能正確反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下的77二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足2、1g振動臺模型試驗(yàn)與離心機(jī)振動臺模型試驗(yàn)應(yīng)力一致性振動臺功率模型箱尺寸二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足2、1g振動臺模型試驗(yàn)與78二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足3、對土石壩的各類接觸問題，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算分析方法無法合理模擬壩體裂縫、面板脫空、錯臺及面板和接縫開裂等現(xiàn)象斷裂力學(xué)接觸力學(xué)離散元DDA4、安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不明確或雖有標(biāo)準(zhǔn)但不很科學(xué)如壩坡地震安全系數(shù)沒有與滑動體體積有機(jī)結(jié)合二、目前土石壩抗震安全評價(jià)方法的不足3、對土石壩的各類接觸問79三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)1、提出了一個(gè)能合理反映堆石料靜動力強(qiáng)度和變形特性，特別是顆粒破碎特性的彈塑性本構(gòu)模型土石壩震害的各種表現(xiàn)，諸如壩體裂縫、混凝土面板脫空、錯臺及面板和接縫開裂等，其最主要原因是地震導(dǎo)致的土石壩體的變形以及大壩各部位變形的不均勻和不協(xié)調(diào)性。因此首先需建立能合理反映高圍壓和地震荷載聯(lián)合作用下筑壩材料的強(qiáng)度和變形特性的本構(gòu)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測地震引起的土石壩體的變形量，從而對土石壩的震害進(jìn)行科學(xué)評估和預(yù)測三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)1、提出了一個(gè)能合理反映堆石料80三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)進(jìn)行了5種堆石料200多組大型靜動三軸試驗(yàn)，研究了堆石料特殊的變形和破壞規(guī)律，主要表現(xiàn)為：堆石料在高圍壓和地震荷載作用下將產(chǎn)生明顯的顆粒破碎，其強(qiáng)度和剪脹規(guī)律表現(xiàn)出明顯的非線性，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，剪縮增大，剪脹性受到抑制甚至消失

平均主應(yīng)力較大時(shí)，堆石料的剪脹線接近甚至超過破壞線三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)進(jìn)行了5種堆石料200多組大型81與汶川地震導(dǎo)致紫坪鋪堆石壩壩體斷面整體向內(nèi)收縮，而壩坡表層卻出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象一致堆石料動三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑高應(yīng)力剪縮低應(yīng)力剪脹三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)與汶川地震導(dǎo)致紫坪鋪堆石壩壩體斷面整體向內(nèi)收縮，而壩坡表層卻82先期振動可顯著提高筑壩材料抵抗地震變形的能力經(jīng)受過一次先期振動的堆石料，再經(jīng)受同樣強(qiáng)度的振動荷載，變形減少約80%經(jīng)歷過一次先期振動的堆石料，再經(jīng)受2倍強(qiáng)度的振動荷載，變形減少約42%可以較好解釋紫坪鋪大壩在震后的多次余震中大壩的變形很小這一現(xiàn)象評價(jià)壩再次經(jīng)受地震作用時(shí)的抗震能力，應(yīng)考慮前期地震的影響三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)先期振動可顯著提高筑壩材料抵抗地震變形的能力三、土石壩地震安83壩料固結(jié)比圍壓/kPa最大動體變無先期動應(yīng)力/%σd=0.4/0.5σ3(1)/%σd=0.8/1.0σ3(2)/%(1)降幅/%(2)降幅/%砂礫石料1.53000.400.240.07398210000.640.440930.490.1847812.53000.380.200.09497710000.630.390800.410.174979動應(yīng)力加倍，動體變減少約42%相同動應(yīng)力，動體變減少約80%三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)壩料固結(jié)比圍壓最大動體變無先期動應(yīng)力σd=0.4/0.5σ84

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)在上述試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了一個(gè)能合理模擬堆石料靜動力應(yīng)力變形特性的彈塑性數(shù)值模型壓縮特性非線性剪脹和破壞規(guī)律描述流動方向加載方向塑性模量

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)在上述試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提85壓縮特性正常固結(jié)粘性

λ是常數(shù)堆石料

λ依賴于平均應(yīng)力與體變壓縮特性正常固結(jié)粘性λ是常數(shù)堆石料λ依賴于平均應(yīng)力與86剪切特性峰值摩擦角剪脹摩擦角強(qiáng)度非線性：剪脹非線性：剪切特性峰值摩擦角剪脹摩擦角強(qiáng)度非線性：剪脹非線性：87塑性流動與加載方向加載方向：非關(guān)聯(lián)的流動準(zhǔn)則塑性流動與加載方向加載方向：非關(guān)聯(lián)的流動準(zhǔn)則88塑性模量邊界面函數(shù)壓硬性老化應(yīng)力水平相關(guān)性塑性模量邊界面函數(shù)壓硬性老化應(yīng)力水平相關(guān)性89模型參數(shù)及確定項(xiàng)目參數(shù)相關(guān)試驗(yàn)等向壓縮參數(shù)hs,n,κ等向或單向壓縮加卸載試驗(yàn)?zāi)Σ两菂?shù)φ0,?φ,ψ0,?ψ三軸壓縮（伸長）單調(diào)（循環(huán)）加載試驗(yàn)塑性模量參數(shù)m老化參數(shù)α永久體變參數(shù)最終永久體變模型參數(shù)及確定項(xiàng)目參數(shù)相關(guān)試驗(yàn)等向壓縮參數(shù)hs,n,κ等90模型驗(yàn)證—靜力加載試驗(yàn)堆石料I堆石料II堆石料III模型驗(yàn)證—靜力加載試驗(yàn)堆石料I堆石料II堆石料III91模型驗(yàn)證—動力加載試驗(yàn)老化參數(shù)α=0.0老化參數(shù)α=0.2模型驗(yàn)證—動力加載試驗(yàn)老化參數(shù)α=0.0老化參數(shù)α=0.92三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)2、初步實(shí)現(xiàn)了高土石壩地震災(zāi)變過程的彈塑性數(shù)值模擬基于我們提出的廣義塑性模型，開發(fā)了一個(gè)計(jì)算高土石壩地震災(zāi)變過程的彈塑性數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)軟件，對1座100m高均質(zhì)堆石壩的地震災(zāi)變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了良好效果為下一步實(shí)現(xiàn)實(shí)際高土石壩的地震災(zāi)變過程彈塑性數(shù)值模擬奠定了重要基礎(chǔ)三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)2、初步實(shí)現(xiàn)了高土石壩地震災(zāi)變93三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向豎向有限元網(wǎng)格三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向豎向有限元網(wǎng)格94三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向動位移豎向動位移順河向加速度豎向加速度三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)順河向動位移豎向動位移順河向加95順河向永久變形豎向永久變形三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)斷面網(wǎng)格變形圖（20倍放大）順河向永久變形豎向永久變形三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)斷面96三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)3、利用大型振動臺和離心機(jī)振動臺，揭示了面板堆石壩和心墻堆石壩的地震變形和破壞機(jī)理凝土面板開裂的原因除地震引起的面板動應(yīng)力外，更重要的是支撐面板的堆石體在地震作用下產(chǎn)生過大的沉降和側(cè)向變形，且沿壩高和壩軸向的分布不均壩體地震永久變形導(dǎo)致面板脫空，面板與墊層間摩擦力減小和向上游的地震慣性力是造成面板（接縫）錯臺的主要原因土石壩壩體的失穩(wěn)是“由表及里”的發(fā)展過程，地震加速度越大，破壞深度越大。因此，加固措施也應(yīng)“由表及里”進(jìn)行。庫水位對上游壩坡變形具有明顯影響，對下游壩坡影響較小三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)3、利用大型振動臺和離心機(jī)振動97三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)對于心墻堆石壩，心墻的地震永久變形以沉降為主，在壩體縱剖面上，地震永久變形呈“V”形分布心墻沿岸坡的最大錯動梯度隨著輸入基巖加速度的增加而增大，最大錯動發(fā)生在心墻頂部在4/5壩高以上的壩體出現(xiàn)了明顯的沉陷和向上下游兩側(cè)滑落，堆石體與心墻之間出現(xiàn)裂縫。地震加速度越大，沉陷和滑動體范圍越大加速度放大系數(shù)沿壩軸向呈中間大、兩邊小分布形態(tài)，在岸坡附近明顯減小三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)對于心墻堆石壩，心墻的地震永久98三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)4、基于接觸力學(xué)方法，提出了面板錯臺和脫空的計(jì)算方法，并應(yīng)用于實(shí)際工程面板錯臺分布（

紫坪鋪壩實(shí)測2-17cm）12.4cm三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)4、基于接觸力學(xué)方法，提出了面99三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)5、對高土石壩極限抗震能力與安全控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步探討基于123個(gè)土石壩震害調(diào)查資料的整理分析，給出了地震作用下土石壩壩頂沉降估算的經(jīng)驗(yàn)方法

三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)5、對高土石壩極限抗震能力與安100三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)安全控制主要因素確定壩坡失穩(wěn)（心墻壩反濾層液化引起的壩坡失穩(wěn)）

擬靜力法：如果Fs<1.0

有限元時(shí)程分析法：地震過程中，F(xiàn)s<1.0的時(shí)間累加超過2s

同時(shí)滿足失穩(wěn)壩體體積≥1/10（4/5壩高以上滑動范圍內(nèi)壩體體積）

反濾層液化（液化度Dy≥0.95）三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)安全控制主要因素確定101三、土石壩地震安全評價(jià)方法改進(jìn)變形（壩頂震陷率）超標(biāo)

破壞標(biāo)準(zhǔn)為壩頂震陷率η≥1%防滲系統(tǒng)破壞（面板周邊縫破壞）