土石壩地震應(yīng)變分析與壩料動(dòng)力參數(shù)反演.pdf

1、土石壩是當(dāng)今壩工建設(shè)中使用最多的一種壩型。我國(guó)已建和在建的高土石壩大多位于地震高烈度區(qū)。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和西電東送工程的推進(jìn)，在我國(guó)西南和西北還將興建一批高土石壩。但這些高土石壩所在的西南和西北地區(qū)的壩址區(qū)域地震強(qiáng)度高、活動(dòng)頻繁，地震設(shè)防動(dòng)參數(shù)高，一旦因地震而失事，將造成災(zāi)難性的后果。
　　目前土石壩的抗震研究還落后于工程實(shí)踐。其抗震分析基本上還停留在20世紀(jì)70年代提出的等價(jià)線性化方法上，這種方法在非線性程度不高的情況下

2、，對(duì)地震加速度和剪應(yīng)力的預(yù)測(cè)能取得較好的效果。目前，由于實(shí)際遭受過(guò)地震作用的現(xiàn)代碾壓土石壩很少，缺乏強(qiáng)震區(qū)高土石壩的地震反應(yīng)記錄和實(shí)際震害資料;再加上壩料大應(yīng)變非線性動(dòng)力本構(gòu)模型及其求解方法的理論研究尚未成熟，使得目前通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算得到高土石壩地震動(dòng)力破壞響應(yīng)與破壞模式的難度很大，難以理清高土石壩的地震破壞過(guò)程與機(jī)理。從而無(wú)法對(duì)地震作用下高土石壩的抗震安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，嚴(yán)重影響了高土石壩抗震設(shè)計(jì)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性。

3、>　　針對(duì)以上土石壩抗震研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，本文開(kāi)展了心墻堆石壩振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、紫坪鋪面板堆石壩在汶川地震中的殘余應(yīng)變分析和土石壩壩料動(dòng)力參數(shù)反演等研究工作。其主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)鑒于土石料等散粒體材料應(yīng)變測(cè)量的困難性，嘗試發(fā)展了數(shù)字圖像應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。把有限元數(shù)據(jù)平滑方法引入到數(shù)字圖像應(yīng)變測(cè)量中，開(kāi)發(fā)了一套適合于土工試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)變測(cè)量計(jì)算的程序，并通過(guò)數(shù)字散斑圖和三點(diǎn)彎曲梁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，顯示該方法顯著提高了應(yīng)變的

4、計(jì)算精度。將其應(yīng)用到心墻堆石壩振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量中，獲得了模型壩的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律，探討了模型壩的地震破壞機(jī)理，初步研究表明破壞過(guò)程大致分三個(gè)階段，即整體變形階段、壩坡滑移變形階段和破壞階段，其中第二個(gè)階段的標(biāo)志是壩體由整體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為沿上下游壩坡分別向兩側(cè)滑動(dòng)。同時(shí)表明空庫(kù)狀態(tài)下的破壞模式是上、下游壩坡的淺層滑塌破壞，滿庫(kù)狀態(tài)下是壩體上部上游側(cè)的變形破壞。
　　(2)應(yīng)用有限元數(shù)據(jù)平滑方法，對(duì)紫坪鋪面板堆石壩在汶川地震中

5、的監(jiān)測(cè)位移資料進(jìn)行分析，得到了紫坪鋪大壩在汶川地震中的殘余應(yīng)變分布規(guī)律，并據(jù)此解釋了大壩的一些震害現(xiàn)象，為進(jìn)一步分析土石壩的地震破壞機(jī)理奠定基礎(chǔ)。分析結(jié)果顯示，壩體最大震陷率發(fā)生在2/3壩高附近;大壩發(fā)生剪脹的范圍為壩頂區(qū)域和從壩頂往下約30m的上下游壩坡處;堆石料地震殘余剪應(yīng)變過(guò)大并形成下滑趨勢(shì)是造成面板水平施工縫錯(cuò)臺(tái)的直接原因;沿壩軸向在兩岸壩肩附近區(qū)域受拉，河谷中央部位受擠壓，整個(gè)壩體向河谷收縮;坡面殘余壓應(yīng)變集中是造成面板垂直擠

6、壓破壞的主要原因;左岸壩肩周邊縫張開(kāi)和壩面張裂縫是由于坡面殘余拉應(yīng)變過(guò)大造成的。
　　(3)實(shí)際土石壩壩料的動(dòng)力性質(zhì)與室內(nèi)試驗(yàn)得到的動(dòng)力參數(shù)有一些差異。本文提出了兩種根據(jù)實(shí)測(cè)土石壩地震加速度記錄信息反演筑壩土石料的動(dòng)力參數(shù)反演方法，以探討目前室內(nèi)外壩料動(dòng)力參數(shù)確定方法的合理性。
　　①聯(lián)合加速度峰值和反應(yīng)譜為目標(biāo)函數(shù)，研究了土石壩動(dòng)力參數(shù)反演方法。結(jié)合鯉魚(yú)潭心墻堆石壩在集集地震中的加速度響應(yīng)，反演了該壩土石料的動(dòng)力參數(shù)，并與