土石坝抗震安全的动力安定性研究

Numbers of earth-rockfill dams are built in the southwest area of China, which is also an earthquake-prone zone. Therefore, the seismic safety evaluation of dams is one of the most important subjects in engineering design. In order to evaluate the seismic safety of dams scientifically and reasonably, it is necessary to consider the material dynamic characteristics, explore the mechanical behaviors of structures and predict the seismic residual deformation under cyclic loadings. First, dynamic triaxial tests will be carried out to analyze the variation rules of residual strain and shakedown behavior properties of damming materials under different conditions, which can provide the basis and parameters for numerical analysis. Then, based on the upper and lower dynamic shakedown theorems separately, a kind of numerical methods will be developed to directly calculate the critical acceleration and residual deformation with consideration of the material dynamic characteristics and pore water pressures. Finally, the proposed methods are applied to the evaluation of seismic safety of dams and establishment of relationship between dynamic failure mechanism and seismic permanent deformation. The dynamic shakedown analysis is not only able to overcome the disadvantages of current methods such as iteration for critical acceleration and inexplicit safety criteria, but also well reflect the actual performance and safety of dams under earthquake. Therefore, the research can provide a powerful and versatile tool for evaluation of seismic safety of dams, and has important scientific significance and great value in theory and practical engineerings.

我国土石坝大多位于西部地震高发地区，其抗震安全性评价是工程设计的重大问题之一。为了科学评价土石坝的抗震安全性，合理考虑筑坝材料的动力特性，明确结构在循环荷载下的力学行为，并较为准确地预测地震残余变形是十分必要的。项目首先通过大型循环动三轴试验，研究筑坝材料在不同条件下的残余应变发展规律，定量描述其力学安定特性，从而为计算分析提供依据与参数。然后基于上、下限动力安定定理，考虑筑坝材料动力特性与振动孔隙水压力作用，发展一种用于直接确定土石坝临界加速度与地震残余变形的动力安定分析方法，进而建立残余变形与破坏间的联系，评价大坝的抗震安全性。通过研究土石坝的动力安定性，能够较为确切地反映大坝在地震循环荷载下的性态及其实际安全程度，同时避免了以往分析方法采用迭代方式计算坝体临界加速度以及安全控制标准尚不明确等不足，为土石坝抗震安全评价提供了一个有效途径，具有重要的科学意义与广泛的应用前景。

汶川大地震之后，国家加强了水利水电工程的抗震防震工作。《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》指出，对特别重要的挡水建筑物，除满足设计及校核地震工况下大坝抗震安全性要求外，还应研究极限抗震能力。目前，我国对土石坝极限抗震能力的研究尚处于起步阶段，其分析方法尚不成熟，发展一些更有效的土石坝极限抗震能力分析方法，具有较高的理论意义和实际工程价值。本项目研究内容如下：.（1）依托我国西部某沥青混凝土心墙坝工程，通过大型循环动三轴试验研究筑坝材料在不同密实度、不同围压及不同固结比等加载条件下的残余应变随振动周次的变化规律，描述筑坝材料在循环荷载作用下的安定行为特性。.（2）基于下限定理，同时考虑了堆石料内摩擦角较大以及抗剪强度具有非线性的特性，发展了一个用于求解土石坝极限抗震能力的有限元计算方法。该方法通过静力平衡条件、应力间断面连续条件、边界条件、屈服条件以及所求极限荷载，形成标准的二次锥规划数学模型，并用内点法进行优化求解，得到土石坝极限抗震能力的下限值。.（3）采用六节点三角形单元及二次锥规划，提出了土石坝极限抗震能力的上限有限元法。由于该方法采用高阶单元类型，使其具有更高的计算精度。通过土石坝极限抗震能力的上限法与下限法分析，可确定大坝极限抗震能力的上、下限值，进而可判断大坝的抗震安全性。.（4）基于土石坝地震反应分析，从坝坡抗震稳定性和Newmark永久变形两个角度对土石坝的极限抗震能力进行了研究，并以某沥青混凝土心墙堆石坝为例进行了计算分析。但由于目前土石坝地震安全控制标准并不明确，初步提出了根据稳定安全系数的持续时间和Newmark永久变位是否发生突变共同作为判定标准。