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深厚覆盖层地基高土质心墙堆石坝抗震安全性研究

曹学兴  
【摘要】:随着我国西部水能资源的大开发,将出现一批建立在高地震烈度区、深厚覆盖层等不良地质条件下的200m甚至300m级高土石坝,而目前世界上在深厚覆盖层地基上已建最高坝——瀑布沟心墙堆石坝的最大坝高仅为186米。对于深厚覆盖层上200m级以上的高土石坝,坝体和坝基的防渗设计、大坝抗震安全措施等方面均无成熟经验可借鉴,在设计、施工和运行中都存在极具挑战性的世界性难题。本文主要对深厚覆盖层上200m级以上高土石坝的抗震安全性进行研究探索,主要研究内容如下: 1.土石坝筑坝材料的动力特性参数有较强的围压依赖性,广泛应用的Hardin-Drnevich模型仅体现了围压的部分影响,但并不能完全反应不同围压条件下土石料动力特性性质。针对传统Hardin-Drnevich模型进行改进,提出一个可以考虑土石料动力特性参数围压依赖性的改进动力本构模型,该模型更加符合动力特性试验结果,可以更真实地反应材料的动力特性。新的本构模型中每个参数均存在明确的物理意义,且参数确定方便,虽然模型中材料参数数量增加,但并不会降低计算效率。以大型通用有限元程序ADINA为平台进行二次开发,将新模型应用于深厚覆盖层地基240m高长河坝大坝的地震动力响应分析中,计算结果表明在高土石坝动力分析时,不考虑土石料围压效应的计算结果偏于保守,对工程的经济性有一定影响。 2.防渗系统是高心墙堆石坝结构中最为关键的结构,坝体防渗结构与坝基防渗结构的接头是大坝抗震安全的薄弱环节。在研究总结深厚覆盖层地基高土石坝防渗系统特征的基础上,以长河坝高心墙堆石坝为工程背景,采用考虑围压效应的Hardin-Drnevich土石料本构模型和先进的有限元子模型分析技术对深厚覆盖层地基高土石坝防渗系统的抗震安全性进行了系统深入研究,分析高心墙堆石坝心墙与深厚覆盖层地基内防渗墙、墙顶廊道的动力反应规律,并采用混凝土非线性开裂本构模型对混凝土廊道在坝体填筑及蓄水过程中裂缝发展的非线性变化过程进行分析。最后,分别评价了坝体防渗心墙、坝基防渗墙、心墙与防渗墙接头的抗震安全性,总结了深厚覆盖层地基上高土质心墙堆石坝动力反应的特点,并结合工程经验提出了防渗系统的抗震措施。 3.分别针对土工格栅与混凝土抗震梁格两种高土石坝坝顶抗震措施,从加固机理、加固效果与应用特点等方面进行了研究。针对两种措施存在的不足,提出了一种新的坝顶抗震加固措施—-Hardfill材料抗震加固措施,以长河坝工程为例,对该措施的加固效果与实施的可能性进行了考察。计算结果表明,Hardfill抗震加固措施对增强坝体整体的稳定性、抑制坝体永久变形有较明显的效果,同时使反滤料和心墙料的动强度安全系数得到提高,且将Hardfill材料布置于土石坝中不会对大坝的运行带来明显不利影响,该措施具有施工简便快速、造价低廉、与土石坝施工无干扰等优点,具有很好的推广应用前景。 4.传统经典振动孔压模型一般根据砂土试验得到,不能直接应用于粘性土、砂砾石土等土料的振动孔压计算当中。根据饱和不排水动三轴试验结果,提出一种计算粘性土、砂砾石土等振动孔压的新模型,新模型考虑了动剪应力比对材料动强度特性的影响,更加符合材料动强度试验结果,可以更好地反应材料动强度的真实特性。模型中参数确定方便,虽然增加了材料参数的数量,但并不会降低计算效率基于ADINA平台,编制了以新孔压本构模型为基础的土石坝有效应力法有限元分析程序,并应用于长河坝工程高土石坝动力响应的计算分析中,得到了地震过程中坝内振动孔隙水压力的发展积累过程及震后振动孔隙水压力消散、扩散的过程及其规律。


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