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土石坝地震加速度反应特性与抗震措施研究

王海峰  
【摘要】:随着经济建设和水资源开发的需要,强震区土石坝的建设越来越多。“5.12”汶川大地震后,强震区高坝的安全问题倍受关注。因而,土石坝抗震研究工作的迫切性和重要性越来越突出。基于紫坪铺等震害资料,通过模型试验、数值计算等,深入研究土石坝的动力反应特性、地震破坏模式以及抗震减灾技术对提高我国土石坝工程抗震设计水平、确保工程的抗震安全具有重要意义。近年来中国水科院发展了大型振动台模型试验技术,开展了多个土石坝工程的大型振动台模型试验,试验原型具有良好的代表性,积累了丰富的模型试验资料。为此,本文基于大型振动台试验成果,结合数值分析,开展了土石坝地震加速度反应特性与抗震措施的研究工作,以期进一步揭示土石坝在各种地震工况下的加速度反应规律和震损特征,验证抗震措施的有效性,提高土石坝的抗震设计水平。本文的主要研究内容及成果如下:(1)在对大型振动台模型试验技术进行总结的基础上,结合中国水科院开展的多个土石坝工程的大型振动台模型试验,重点阐述了大型振动台模型试验的模型设计和实施过程。包括模型试验的相似律,整体模型和坝段模型的制作,加速度传感器的布置与埋设,试验方案等。总结了模型试验的关键过程,梳理了试验资料,为下一步研究比较坝体的加速度反应分布规律奠定了基础。(2)通过模型试验成果的对比分析,研究了心墙堆石坝的加速度反应特性。研究了两座心墙堆石坝的加速度反应沿坝高方向和沿上下游方向的分布规律,并比较了加水和不加水工况下的加速度反应。结果表明:心墙堆石坝的地震加速度沿坝高方向的放大效应明显,坝体上部1/4区域的加速度反应最为强烈, “鞭梢效应”明显;心墙堆石坝坡面的放大效应明显,下游坝坡的加速度反应大于中心线和上游坝坡;心墙堆石坝的加速度放大倍数随输入地震波峰值加速度的增大而减小;心墙堆石坝在加水工况下的加速度反应有所降低,说明水库蓄水改变了心墙堆石坝的动力特性,降低了其加速度反应,坝体上部要比下部降低的程度更大。(3)通过模型试验成果的对比分析,研究了面板堆石坝的加速度反应特性,并比较了心墙堆石坝和面板堆石坝在加速度反应方面的不同特点。研究了多座面板堆石坝的加速度反应沿坝高方向和沿上下游方向的分布规律,比较了加水和不加水工况下的加速度反应。结果表明:面板堆石坝沿坝高方向的放大效应明显,面板堆石坝坝体上部1/4区域反应最为强烈,具有明显的“鞭梢效应”;坡面放大效应明显,下游坡的加速度反应大于上游坡的加速度反应;面板堆石坝的加速度放大倍数随输入地震峰值加速度的增大而减小。面板堆石坝加水工况下的加速度反应也有所降低,蓄水作用对坝体上部的影响更为显著。面板堆石坝和心墙堆石坝的加速度反应在沿坝高方向和上下游方向的分布规律基本相同,只是在加速度反应的分布形状和上升趋势等方面有一定差别,造成这种差别的主要原因是两种坝型防渗体系的布置型式不同。面板堆石坝和心墙堆石坝蓄水后的加速度反应都会降低,降低的程度有所不同,两者降低的机理并不一样,心墙堆石坝加速度反应的降低主要是蓄水使心墙堆石坝的动力特性发生改变,而面板堆石坝加速度反应的降低主要是因为蓄水后库水和面板对坝体的抑制作用。整体来看,坝顶及上部坝坡是加速度反应最大的区域,也是最容易发生震害的区域,在抗震设计中应重点加强这一区域的抗震防护。(4)基于大型振动台模型试验成果,研究了河谷形状对坝体加速度反应的影响,比较了超宽河谷中面板坝主断面和副断面的加速度反应,并分析了坝高对面板堆石坝加速度反应的影响。结果表明:河谷形状对坝体加速度反应的分布规律具有显著的影响,V型河谷的面板堆石坝受约束明显,沿坝轴向的加速度反应分布呈明显的倒V状,宽河谷的面板堆石坝沿坝轴向的分布有一平台段,超宽河谷的平台段更长;超宽河谷中面板堆石坝的主断面加速度反应总体上比副断面的大,主断面的“鞭梢效应”更为明显;现有成果表明,面板堆石坝越高,其“鞭梢效应”越明显。整体来看,大坝在河床中部的加速度反应最为强烈,是抗震防护的重点区域。(5)采用模型试验与数值分析相结合的方法,研究了不同输入地震波作用下的土石坝动力反应,分析了地震动输入对土石坝反应的影响规律。从模型试验角度研究了不同类型地震波对土石坝加速度反应的影响,从数值计算角度研究比较了在场地波、规范波、实测波三类不同输入地震波作用下高土石坝的加速度和动剪应力反应、地震残余变形、坝坡动力稳定性和大坝的抗震安全性。结果表明:从模型试验的角度看,场地地震波作用下的加速度反应明显大于规范地震波的反应。从数值分析角度看,场地地震波的反应大于规范地震波和实测地震波的反应,这主要与三类波的频谱特性有关。整体来看,场地波作用下的计算结果相对保守,满足规范波作用下的安全性是最低要求,实测波选择上存在局限性。所提出的有关规律和结论,可为工程抗震设计提供技术依据。(6)通过震害分析和模型试验,研究总结了面板堆石坝的震损特征和地震破坏模式,提出了相对应的抗震措施:并通过模型试验比较和验证了坝坡抗震措施的防护效果。结果表明:面板堆石坝的主要地震破坏形式是坝坡先出现颗粒松动和滚石,逐渐发展到局部浅层滑动,继而扩展成大面积的表层滑动,滑动深度逐步加大,坝顶坍塌,面板破坏,从局部滑坡发展到坝坡大面积深层滑动,直至溃坝;振动台模型试验表明,相比干砌石护坡,浆砌石护坡和浆砌块石加框格梁抗震措施具有更好的抗震效果。


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