考虑液固耦合的土石坝坝坡动力失稳机理及分析方法研究

The seismic intensity is intense and the probability of the earthquake is frequent in the western region of our country where is one of the main region of the earthquake. There is no previous example in such high seismic intensity in the world to construct the high earth and rockfill dam with the height of 200~300 metre. It is very import problem concerned by the people that whether the high dam and the reservoir can be resisted intense earthquake and what about the performance of the dam under the earthquake. The static and dynamic analysis method of the high earth and rockfill is sugested in this application. The systerm of the dam-foundation-water is established in this method, in which the materiasl of the core wall and the dam-body are simulated with the two phase porous media including the lique-solid couple. The evolution of the effective stress of the soil skeleton and the porous water pressure could be gained with the suggested method. Moreover, the dynamic instability mechanism of the dam slope could be researched and the estimation method of the dam slope is provided by the liquefaction region and the displacement jump of the controlling node. The high efficiency method of solving dynamic analysis of the huge structure is put forword based on the OpenMP directives and MKL functional library. The shaking table model test of the earth and rockfill dam is going to be implented in the shaking table under the water in order to verify the suggested numerical method. In this model test, the new model box with the flexible wall is designed. The radiation damp of the model foundation is simulated by the flexible wall and the interaction between the flexible wall and the water outside of the model box. The presented achievement can be usefule to support that anti-seismic safety identification and designed theory of the similar earth and rockfill dam.

西部是我国主要的地震区之一，地震的烈度和频度都相当高，在如此高烈度区修建200~300m级高土石坝，目前尚无先例可循。高坝大库能否抗御强震袭击以及在地震作用下的安全性是人们十分关心的重大问题。本项目拟将坝体心墙、土石料采用液固两相孔隙介质进行模拟，建立考虑坝体-地基-库水相互作用的高土石坝动力分析方法，通过研究地震荷载作用下坝体心墙及填充料骨料与孔隙流体间的相互作用，得到骨料有效应力及孔隙水压力的变化情况；进而研究地震荷载作用下土石坝坝坡动力失稳机理，根据液化区及控制点位移突变情况建立合理的坝坡稳定评价方法；基于共享内存并行指令OpenMP和MKL函数库研究大型结构动力分析计算高效求解方法；在水下振动台上进行土石坝抗震试验，通过带有柔性侧壁的模型箱、模型箱侧壁与周围水体的相互作用来达到模型试验对地基辐射阻尼的模拟，通过试验验证数值方法。上述成果将为高土石坝的抗震安全鉴和设计提供理论支撑。

土石坝由于其取材便利，适应地基变形能力强，投资节省等特性，成为西部地区水电站建设的首选坝型。而西部是我国主要的地震区之一，地震的烈度和频度都相当高，在这些地区修建200~300m级高土石坝，目前尚无先例可循。在以往的土石坝地震计算分析中常采用总应力法，但实际情况是土石坝在建成蓄水后，在库水压力的作用下，在大坝形成不能忽略的渗流场。若再与地震荷载耦合，由于地震时间通常较短，地震过程中土骨架之间孔隙水可能来不及排出，就会导致孔隙压力增加，而土骨架承受的有效应力减小，可能发生地震液化破坏。因此，将土石坝坝体材料作为由固相骨架和液相流体的两相介质来进行分析更为合理。本课题在国家自然科学基金委的资助下展开研究，主要研究内容包括：.1、基于两相介质Biot动力理论，推导了考虑固相和液相动力相互作用的控制方程，建立了考虑土石坝-地基-库水动力相互作用的分析方法，在该方法中将土石坝坝体材料作为两相介质材料，用以固相位移u和液相压力p为基本未知量进行求解。.2、将基于广义塑性理论的Pastor-Zienkiewicz模型推广应用到土石坝坝体材料静动力分析，该模型的最大优点在于不用定义屈服面和塑性势面，并编制相应的程序代码。进行了土石坝坝体材料动力特性的振动台试验，并将试验结果与PZ模型的计算结果进行对比，从而证明PZ模型模拟土体材料的可行性。.3、建立了基于强度折减法的两相介质土石坝边坡静动力稳定分析方法。基于两相介质动力分析结果，利用REAME程序网格搜索功能，进行了土石坝边坡安全系数计算、动力稳定评价和残余位移计算的改进。通过与单相介质总应力法结果进行对比发现，将土石坝作为两相介质计算得到的安全系数比单相介质计算得到的安全系数小，但降低幅度不大；心墙孔隙水压力的增长及有效应力的降低程度随地震加速度幅值、地震持续时间增大而增大，随心墙渗透系数的降低而增大。提出以安全系数时程曲线的最小平均安全系数为1.18及心墙单元出现有效应力降低至初始值的5%对应的地震加速度作为高心墙土石坝极限抗震的安全控制标准。这一标准弥补了传统时程法无法考虑地震持时和心墙渗透系数的影响。.4、利用OpenMP指令和MKL函数库将计算分析所用的程序代码GEHOMadrid进行并行化，大大提高程序的计算效率。采用主从模式，对程序代码中单元矩阵形成（刚度矩阵、渗流矩阵、质量矩阵和耦合矩阵等）用OpenMP指令进行并