学习课件PPT土石坝震害与抗震设防准则讨论.ppt

土石坝震害与抗震设防准则讨论 迟世春 大连理工大学土木水利学院 工程抗震研究所 目录 1土石坝震害 2各国土石坝抗震设防准则简介 3土石坝抗震设计几个问题的讨论 24号文17条规定：对特别重要的挡水建筑 物要研究极限抗震能力及破坏模式。 有的放矢地采取工程抗震措施。 国内外震害资料大多是针对中小坝或低坝 的震害。现代方法施工高土石坝坝强震资 料偏少。 1 土石坝震害 1 土石坝震害 土石坝震害的主要形式 裂缝、渗漏、滑坡。 裂缝最为常见，裂缝又分纵向裂缝、横向裂 缝。 地震变形是震害基础，不均匀变形过大则裂 缝，防渗体开裂则渗漏，坝坡失稳滑动是纵 缝发展的结果。 对震损土石坝震害调查显示：大坝裂缝多 以纵缝居多。多出现在坝顶中部及坝顶近 坝坡两侧，纵缝长短不一，短则10余米， 长则贯通坝顶，缝宽从几厘米到几十厘米 不等。 部分震损水坝也发现横向裂缝，横缝分布 以坝肩位置居多，一般都贯穿坝顶。 1.1 汶川地震土石坝震害 绵阳市安县丰收水坝坝顶纵缝绵阳市安县丰收水坝坝顶纵缝 彭州市莲花洞水坝坝顶纵横交错缝彭州市莲花洞水坝坝顶纵横交错缝 绵竹市柏林水库主坝坝坡滑动迹象绵竹市柏林水库主坝坝坡滑动迹象 江油市观音堂水库上游坝坡滑坡迹象江油市观音堂水库上游坝坡滑坡迹象 紫萍铺混凝土面板堆石坝 大坝沉降变形，最大值81cm。整个坝体向坝内 收缩变形。原因：高围压下堆石料循环剪切引起 剪缩，颗粒破碎。 下游坝坡大片干砌石护坡有震松、翻起等隆起 现象，伴有零星掉块。原因：低围压堆石料相互 翻越，剪胀，结构破坏。 面板及止水损坏。面板在垂直缝附近起拱、鼓 起、脱落及面板裂缝或开裂；面板顶与防浪墙间 的水平缝产生沉降，部分垂直缝和周边缝错台， 止水结构剪切破坏明显，二期与三期面板水平施 工缝错台等；上部面板发生较大范围脱空。 1.2 日本典型的土石坝地震观测成果 1984年长野县西部地震（震级m=6.8）时，距震中约5km的 105m高的牧尾堆石坝，遭受了强震作用，在坝顶心墙部位 产生了深约1.5m的裂缝。坝上地震计震坏，没有获得加速 度记录。同年10月3日在坝近旁岩基上设置的地震计记录 的地震加速度达到719gal，以此推测，强震时的加速度可 达500-1000gal。 堆石 心墙 堆石 透水料 反滤 透水料围堰 1.3 墨西哥典型的土石坝地震观测成果 1985年墨西哥发生m=8.1级强震，el infiernillo 心 墙堆石坝（高148m）遭受了持续60秒长的强震作 用。大震后两日，9月21日又发生了m=7.5级的强 余震。 el infiernillo坝建于岩基上。距主震震中约75km， 右岸地下强震仪记录的最大加速度在主震和强余 震时分别达到0.13g和0.06g，下游马道(在坝基以 上100m)中部记录的最大加速度为0.38g，据此推 断坝顶中部的振动加速度可达0.50g。 不透水料；反滤；过渡区；压实堆石；堆石；大块堆石；围堰 el infiernillo心墙堆石坝 地震造成坝顶两侧宽约0.2cm-15cm断续绵延坝全长 335m的两条纵向裂缝，深达不透水心墙顶部。此外 ，还有长约9m宽约3.6cm的较细纵向裂缝，出现在右 坝肩2条，左坝肩1条。观测到的坝顶沉降约9cm。 1.3 墨西哥典型的土石坝地震观测成果 1.4 美国典型的土石坝地震观测成果 austrian土坝（高61m）1989 loma prieta地震（ m=7.1）。坝距震中11.5km，与san fernando大断裂 相距600m，与该大断裂相关的sargent活动断裂相距 210m左右。振动持续了10s。估计austrian坝的地震 加速度可达0.60g，使坝遭受了比较严重的震害。上 ，下游坝坡上部1/4坝高度范围内均出现了最大深度 达4.27m的纵向裂缝，下游坝面还出现了许多浅裂缝 。两坝肩出现了横向裂缝，左坝肩建于风化碎裂岩 石上，裂缝深达9.14m，右坝肩与溢洪道相连的界面 开裂深度为7m。坝的最大沉降85.34cm。向下游的最 大变形33.53cm发生在右坝肩靠近溢洪道部位。 austrian土坝及震害 1.5 土石坝震害引起坝体滑移变形统计 印度学者debasis roy 2007年对世界上土坝地震滑移变 形进行了统计，我们剔除了尾矿坝以及河堤等低矮土工 建筑物，区分心墙坝及堆石坝，并查阅其覆盖层性质及 厚度等进行了统计。表中mw为地震震级，td为坝体及坝 基体系的基本自振周期估计值。 编 号 基本信息地震数据震中 距 (km) 自 振 周 期(s ） 位移（m） 坝名 坝高 (m) 覆盖层 覆盖层 厚度 (m) 日期mw amax (g) 水平竖向 2austrian 均质 54.86 薄层状粘土 页岩 不祥10/17/897.00.575110.790.3050.789 3asagawara regulatry 3710/23/046.80.120240.530.4000.700 4 baihe 粘土斜心 墙 66.4 砂卵石层地 基 447/28/767.80.2001500.897.0002.500 5chang15.5砂和淤泥的 混合物 41/26/017.60.500130.256.0702.640 10fatehgadh11.6松散至中密 淤泥砂混合 物 2-5m1/26/017.60.300800.282.2301.030 心墙坝地震滑移变形统计 编号基本信息 地震数据 震中距 （km） 自振 周期 （s） 位移（m） 坝名 坝高 (m) 覆盖层 覆盖层 厚度(m) 日期mw amax (g) 水平竖向 14hebgen358/17/597.50.7001000.475.7601.920 16kashi16砂砾石层2.0-5.08/23/857.40.250210.250.3000.400 9/12/856.80.500160.251.0001.500 17kaswati12.9松散至中密度 淤泥砂混合物 2.0-5.01/26/017.60.2801100.332.4001.210 18kawanishi4310/23/046.80.140170.590.3000.300 19kitayama251/17/957.10.300310.340.7500.750 20la marquesa10粉砂1.53/3/857.80.670450.117.9002.050 21la palma23冲积层3/3/857.80.460800.121.8300.610 22la villita60砾石，砂子 和淤泥 最大厚 度70m 11/15/755.90.084100.940.0120.024 10/11/754.90.148520.940.0120.024 3/14/797.60.100110.940.0120.013 10/25/817.30.1741210.940.0240.114 9/19/858.10.240580.940.1020.336 23lexington62.510/17/897.00.450100.770.0750.259 编 号 基本信息 地震数据 震中距 （km） 自振 周期 （s） 位移（m） 坝名坝高 (m) 覆盖层 覆盖层厚 度(m) 日期mw amax (g) 水平竖向 32murayama249/1/238.20.800960.521.8001.200 34 niwa ikumine 7/12/937.80.280710.230.0001.750 35ono49.19/1/238.20.800960.520.2440.305 38rudramata581/26/017.60.300800.284.3300.830 42shivlakha18砂和淤泥的混 合物 4m1/26/017.60.450280.263.1801.620 44suvi16.5松散至中密淤 泥砂混合物 1/26/017.60.420370.244.0001.100 46tapar15.5冲积层30m1/26/017.60.150430.210.5000.800 50yamamoto regulatory 27.2210/23/046.80.55070.380.5000.500 土石坝震害随坝型而异，心墙坝与面板坝不同。 心墙堆石坝震害主要形式：震陷变形、裂缝、滑坡、 渗漏。 此外，上游反滤料液化及上部心墙动强度不足。 为了减小坝壳对心墙的拱效应,常设置较松的反滤料。但反滤 料颗粒较细，地震条件下容易发生液化需要注意。 在上游坝料强度有保证的前提下，上游反滤液化一般不会危险 坝坡安全。但破坏坝体的整体性，加速坝体累积变形。 坝体顶部1/4地震反应较大，承受的地震惯性力也大 ，故顶部心墙的动剪切应力大。容易出现动强度不 足问题。动强度不足易引发变形及裂缝等。 某坝心墙动强度安全系数 面板坝破坏形式 1、震陷，坝体向内收缩变形。高围压堆石料反复剪切引 起颗粒破碎，导致剪缩。 2、下游坝坡堆石料结构性丧失。 低围压堆石料反复剪切，会发生颗粒相互翻越的剪胀。引 起结构性丧失。 3、坝坡堆石料滚落、坍塌 丧失结构性的堆石料颗粒相互之间没有约束，获得足够的 能量后，会沿坝坡滚落与坍塌。 4、面板失去有效支撑 堆石料坍塌，面板失去有效支撑而发生脱空。 5、面板之间的相对运动会使伸缩缝挤压、拉伸、错动变 形，导致止水破坏。 2各国土石坝抗震设计准则 美国大坝安全评定委员会（icods）2005年完成了大坝安 全导则的更新，出版了联邦大坝安全导则：大坝的抗震 分析与设计。 欧洲2004年对欧盟5个国家近期先后完成的大坝抗震安全 评价导则进行了研究比较，总结了强地震活动区（罗马尼 亚），中强地震活动区（意大利），以及低强地震活动区 （瑞士、奥地利、英国）导则的内容与特点，供欧盟有关 国家参考。 日本97年阪神地震后修订了规范，2002年 “现有大坝抗 震性能评价的现状与课题”。 印度古吉拉特邦制订了土石坝抗震设计导则（2007）。 墨西哥联邦电力委员会（cfe）2008出版了抗震设计手册 ，提出了土石坝的抗震设计导则。 基本内容和动态简要介绍 两级设防： （1）运行基准地震（operation basic earthquake,obe） （2）最大设计地震（maximum design earthquake, mde）或安 全检验地震（safe evaluation earthquak ，see） obe作用时，坝不发生震害，或是只产生轻微震害， 可继续正常运行；obe指在大坝运用期内有较大可能 发生的地震。我国设计地震的功能目标：可修复。 see作用时坝的基本性能要求是：防渗体和坝基中不 产生贯穿性裂缝；不发生库水漫顶；容许坝产生一定 损伤，但不丧失坝的挡水功能。对重要大坝see一般 选为最大可信地震mce。我国校核地震的功能目标： 不溃坝。 各国规范规定的概率水准有很大差别。 对obe设防的概率水准，其重现期在100200年间 ，例如奥地利、伊朗取200年，新西兰取150年，俄 罗斯取100年。 我国设计地震50年超越概率10%。 mce的重现期大约为10000年，但加拿大的魁北克地 区取2000年，而多地震国家的伊朗也仅取2000年 。 不少国家对大坝不采用分级设防，而是采用一种接 近mce的设防水准进行抗震设计，例如英国、澳大 利亚、瑞士的安全检验地震see，美国、加拿大的最 大设计地震mde。其理由是实际上大坝抗震设计中 obe是不起控制作用的，在满足mce时，再去校核 大坝在obe的正常运用功能，似无必要。 各国规范关于土石坝的安全检验内容一般包括 a.坝基和坝体材料的液化评定 b.库水漫顶的检验 地震沉降和永久变形； 大坝坝坡滑坡，特别注意坝材料由于超静孔隙水压力或液 化引起的抗剪强度降低； 地震引起的水库波浪，库岸滑坡和穿过水库的断层活动引 起的库水位上涨等因素的影响 c.裂缝和内部渗流侵蚀的影响 不少国家规范指出大坝抗震设计和安全评价采用的 分析方法的精细程度应与场地地震研究、现场地质 勘查和土料试验的深度相协调。 例如，加拿大规范建议采用三水准的分阶段的抗震 设计方法：水准1初评；水准2简化响应分析； 水准3精细有限元分析。 初评的方法一般指拟静力法坝坡抗震稳定分析。 简化响应分析一般指基于等价线性粘弹性模型的地 震动力分析以及newmark滑块位移法或makdisi- seed简化方法计算滑动体位移 。 安全评价变形控制标准 许多研究学者认为，如果坝体和地基不发生液化，土石坝 超高大于2-3%的坝高，且不小于1.5m，坝体的地震变形不 至于影响坝体抗震安全。 国外大多采用newmark法进行坝坡抗震控制。 hynes griffun和frankin曾经建议，对大多数坝来说， 1m 左右的地震变形不致对坝体造成重大危害。 美国采用newmark法计算填筑良好坝体顶部的地震沉陷， 规定沿滑裂面的地震滑移不超过60cm。 瑞士要求地震时滑移变形产生的排水层和反滤层的错动不 应超过排水和反滤层厚度的50%；对较次要的3级坝，发 生浅层滑动时（滑移深度d与坝高h之比小于10%20%时 ），容许变形20cm；发生深层滑动时（大于10%20%） 容许变形50cm。 3 土石坝抗震设计几个问题的讨论 3.1 抗震设防标准 设计地震：50年超越概率10%；100年超越概率 2%。 校核地震： 100年超越概率5%（50年超越概率2- 3%，实际上在设计地震的基础上提高1度校核） 。100年超越概率1%。 3.2 反应谱问题 反应谱是抗震设计的基础，关系到设计标准和结 构的动力特性。但现行水工建筑物抗震设计规 范（dl5073-2000）中没有对土石坝设计反应谱 的最大值进行规定，也就是现行规范中没有土石 坝设计反应谱。 目前，我国地震部门基于地震危险性分析提供的 具有包络特性的一致概率反应谱往往使中长周期 处的谱值明显偏大，难以适应和满足与水工建筑 物抗震相配套的工程技术要求。故场地谱在我国 大坝抗震设计中尚未被应用 。 选择实测地震波进行分析则任意性更大。 （1）动强度问题 上游反滤料及覆盖层中的砂层存在液化可能。 心墙动强度不足。 动强度标准： 对等压固结的试样，孔压=围压或动应变5%； 不等压固结试样以动应变达到10%为土体动力破坏标准 。 3.3 抗震设防指标标准 液化度单元孔压值与静竖向有效应力之比来评价单 元孔压相对值。若将液化度dl 0.9的区域定为液 化区, 把0.5 dl 0.9 的区域定为破坏区； seed 安全系数法。各单元相应振动周数的动强度 与各单元在整个地震历时的等效剪应力最大水平动 剪应力之比即为各单元的抗液化安全系数。把安全 系数f 1.3的区域定为液化区，把1.3 f 1.5 的区域定为破坏区。 心墙动强度判断以动强度安全系数=1.0为标准。 （2