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土石坝地震破坏机理振动台试验研究

刘福海  
【摘要】:能源需求仍是当今世界发展的主题,我国十二五能源规划要求要加快推进水电能源等可再生资源的开发与建设,大力开发水能资源已成为确保我国能源安全、实现节能减排目标的重要战略举措。土石坝是当今坝工建设中最常见的一种坝型,我国已建和在建的近百座百米级高土石坝大多位于高地震烈度区。随着我国西部水电大开发进程的加快和南水北调西线工程的规划实施,还将兴建一批高土石坝。大坝的高度越来越高,随之而来的大坝安全性也越来越重要。强震下的大坝安全是水利枢纽的关键问题,这些高坝大库一旦因地震失事,其后果将是灾难性的。然而,由于现代碾压土石坝遭受强震破坏的记录非常少,缺乏强震区土石坝的实际震害资料和地震反应记录,对土石坝地震破坏机理的认识尚不深入,现有的土石坝抗震措施大多属经验型,缺乏定量或半定量的系统论证,抗震措施研究明显滞后于实际工程。因此,面向国家重大工程需求,开展土石坝地震破坏机理研究、论证可行的抗震措施,对提升我国土石坝抗震设计水平,保障能源需求和安全,保障社会经济可持续发展、人民生活安定和谐具有十分重要的意义。 尽管土动力学理论、土石坝数值分析技术得到长足发展,但土石坝的振动台模型试验仍然是验证动力分析模型,阐明破坏机理、分析大坝抗震性能、验证抗震措施有效性的重要手段。由于土石材料呈现强烈的非线性性质,因此很难选择一种完全满足相似关系要求的模型材料。另外,现有振动台模型试验的测试技术,难以准确量测坝坡震损过程中堆石体滑移破坏机制,难以准确量测面板、心墙等低强度材料的变形破坏过程,无法满足土石坝地震破坏机理研究的需要。因此,研究并改进振动台模型试验的模型设计方法、模型材料的制配方法、模型的制作工艺、振动台测试技术和分析手段等,是提高模型试验水平的关键,也是国内外同行学者普遍关注的课题。这些问题的解决对于评价振动台模型试验成果,进而应用于工程实际是非常重要的。 针对以上问题,本文开发了土石坝振动台试验新技术,利用这些新的试验技术进行了一系列振动台模型试验并结合数值模拟技术系统地研究了地震作用下土石坝(包括面板堆石坝和心墙堆石坝)的破坏机理,据此提出可行的抗震措施,并对抗震措施的有效性及其作用机制进行试验验证。本文主要工作包括: 1)依据大量的试验数据,研制了一种混凝土面板模型材料,该材料具有高密度、低弹性模量和低强度的特性,可以同时满足弹性相似和重力相似的要求,为探明地震作用下面板的破坏机理提供了模拟技术;在土石坝(散粒体结构)振动台模型试验中引入图像识别技术,开发了一套完善的图像采集、快速存储和图像识别系统,解决了颗粒位移和变形量测困难的问题,提高了散粒体结构变形量测的精度,实现了全断面、全时程的变形量测;将分布式光纤光栅应变传感器应用到低强度、低弹性模量的面板和心墙的应变量测中,解决了土石坝振动台模型试验中低强度、低弹性模量结构应变量测困难的问题,并通过传感器的串接,利用光纤光栅解调仪进行单通道多个传感器的同时测量,大幅度降低对大坝模型的干扰。这些新技术为深入研究强震时土石坝破坏机理提供了技术支持。 2)阐述了模型材料的选配方法,并进行实例分析。利用选择的模型材料(堆石料和心墙材料)设计心墙堆石坝模型试验,对心墙坝的地震稳定性进行研究,并研究了不同的地震动输入对坝体变形和稳定的影响;利用图像识别技术对坝体堆石颗粒的运动和坝体的破坏过程进行全程追踪;利用光纤光栅应变传感器对心墙进行应变量测;根据试验结果对所开发试验技术的有效性进行了验证。 3)利用所选择的模型填筑料和根据相似关系制备的模型面板材料设计了一系列面板堆石坝振动台模型试验,对面板堆石坝的地震破坏机理进行研究。根据振动台试验以及数值模拟结果,阐明了上游面板两种破坏模式(弯曲破坏和压剪破坏)的机理,为抗震措施的提出提供试验依据。 4)针对紫坪铺面板堆石坝在“5.12汶川大地震”中的主要震害之一,即面板错台现象,设计模型试验进行研究。采用基于有限差分法的弹塑性分析和基于有限元动力时程法的极限平衡分析对试验过程进行数值模拟,将模型试验和数值分析结果同解析分析相结合,阐明了紫坪铺大坝面板错台机理。 5)根据面板堆石坝地震破坏机理,以增强坝顶区上下游坝坡土体的稳定和抗变形能力为目标,设计振动台模型试验,通过类比的试验方法阐明了不同加固措施对坝体破坏模式、坝顶沉降率、坝宽改变率、颗粒运动速度、坝坡颗粒起滑加速度以及面板断裂和压剪破坏(错台)加速度等因素的影响规律及其作用机制,并建议了坝高4/5以上坝顶区采用胶结碎石或土工格栅联合下游护坡的加固措施。 本文得到国家自然科学基金重大研究计划重点项目“高土石坝地震灾变模拟及安全控制方法研究”(编号:90815024)、国家自然科学基金面上资助项目“层状地基中基础穿透破坏的机理和判据研究”(编号:50978045)、国家自然科学基金委创新研究群体基金(编号:51121005)、辽宁省创新团队项目(编号:2009T017)的资助,在此一并表示感谢。


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