（岩土工程专业论文）土石坝地震永久变形及抗震稳定性数值分析方法研究.pdf

摘要 我国西北与西南地区拥有丰富的水利水电资源，同时这些地区的河谷条件、地 质条件和环境条件极度复杂，且一般位于高烈度地震活动区。随着我国西北大开发 战略计划的实施，越来越多的高坝等大型水利水电工程基础设施正在建设或正处于 规划与设计中。土石填筑坝能够有效地就地利用当地筑坝材料，能够适宜于不良地 基与河谷条件，具有良好的抗震性能，往往是一种安全经济、具有潜力的坝型。同 时在海岸防护与防洪加固中修建了大量的堤坝、河堤与岸堤。但是复杂条件下土石 填筑坝的抗震性能与抗震安全性评价一直是设计与建设中的关键技术问题，目前仍 尚未得到彻底解决，传统上所采用的拟静力分析方法存在其固有的缺陷，而目前正 在发展的有限元动力分析方法尚不成熟而无法在工程实际中推广应用，单凭拟静力 抗滑稳定性安全系数无法判断土石填筑坝与堤坝的实际抗震安全度与可靠性，而基 于地震永久变形或地震滑移量的堤坝动力稳定性评价方法目前尚不完善而未达到工 程实用阶段，因此必须发展理论上合理、工程上实用的土石坝抗震性能分析方法与 抗震稳定性评价方法，这不仅对于促进土动力学与岩土地震工程学科的发展具有重 要的学术意义，而且对于改进土石填筑坝的抗震设计具有重要的实际应用价值。为 此，为了有效地改进这些问题，本文通过理论分析与数值计算等手段对于土石填筑 坝地震永久变形分析方法与抗震稳定性评价方法进行了比较深入而系统的探索，主 要研究工作包括： 1 基于传统的解析型一维剪切条模型，提出了土石坝地震动力响应分析的离散 型剪切条模型。首先将坝体沿坝高离散为一系列具有不同剪切刚度与阻尼比等参数 的层状体系，建立了各层的振动控制方程及其初边值条件，进而运用数学物理方程 方法进行了数学求解，确定了体系的振动特性，并根据振型分解法和d u h a m e l 积分 确定了坝体地震动力响应的线性解答。进而采用等价线性化方法考虑坝料的动力非 线性性质，通过对线弹性响应的反复迭代计算使得各层土的剪切模量和阻尼比与其 相应的剪应变水平相协调，确定了与非线性坝体系统相等效的线性解答，并以此所 得到的地震响应作为非线性地震响应的近似解。最后分别以均质土坝和心墙坝作为 算例，进行了具体数值计算，并将所得结果与有限元数值解进行了对比分析，论证 了所建议分析方法与计算模型的合理性及适用性。由此表明：离散型剪切条法可以 作为一种工程实用分析方法，为土石坝抗震性能简化分析、方案论证阶段的多工况 对比计算或工程设计初步阶段的抗震优化设计提供一种简便工具。 2 将拟静力方法与强度折减弹塑性有限元数值方法相结合对土石坝的抗震稳 定性进行了数值分析。其中分别采用下列两种方式考虑地震对坝体的惯性作用效应， ( 1 ) 依据水工建筑物抗震设计规范中所推荐的地震惯性力计算方法，并结合有 关土石坝动态分布系数的推荐取值确定沿坝高分布的地震惯性力；f 2 ) 直接利用土 石坝动力非线性有限元分析所得到的动力响应，基于经验确定作用于坝体各单元结 点上的地震惯性力。同时在土石坝拟静力抗震稳定性分析中考虑渗流效应，针对稳 定渗流期、水位降落期等不同运行工况以及采用地震总应力强度指标和地震有效应 力强度指标等不同计算条件，提出了土石坝抗震稳定性分析中强度折减弹塑性有限 元方法的数值实施技术。研究表明，这种方法能够充分发挥有限元方法的优势，有 效地克服了传统极限平衡方法的缺陷，能够同时考虑沿坝高非均匀分布的地震惯性 力作用与非均匀渗流效应等复杂条件的共同影响，由此可以有效地确定复杂条件下 坝坡的极限平衡状态及其稳定安全系数。 3 将士石坝动力响应时域分析、按照拟静力方法所确定的潜在滑动体平均地震 效应与根据拟静力极限平衡分析所确定的瞬时超载条件相结合，考虑地震循环作用 对抗剪强度的弱化降低效应，对n e w m a r k 刚塑性体滑块模型进行改进，由此估算地 震滑移量，进而根据拟静力稳定安全系数的时程变化和累积地震滑移量对土石坝的 抗震稳定性进行综合评价。( 1 ) 根据土石坝非线性有限元动力响应分析确定坝坡上 某一潜在滑动体的平均地震响应，并以此作为外荷载，利用极限平衡法或强度折减 弹塑性有限元数值方法确定坝坡拟静力安全系数的变化时程；( 2 ) 将计算所得到的 坝体拟静力动态安全系数小于1 的时段作为瞬时超载，同时考虑潜在滑动体的水平 与竖向地震作用的耦合效应，利用n e w m a r k 滑块模型计算由于瞬时超载所产生的地 震滑移量；( 3 1 考虑地震循环或瞬时作用所导致的孔隙水压力上升及由此所引起的 强度弱化或软化的动态过程，对n e w m a r k 模型进行改进，建立了土石坝坝坡潜在滑 动体地震中累积滑移量估算方法；( 4 ) 基于上述方法，针对算例土石坝，通过数值 计算和变动参数对比计算，探讨了竖向地震动分量等因素对土石坝抗震性能的影响。 4 考虑地震荷载的循环或瞬时作用所导致的土料强度软化和刚度退化效应，采 用整体有限元数值分析方法，采用分时段等技术提出了估算士石坝地震永久变形的 等效结点力一逐步软化有限元计算模型。首先根据坝体地震动力响应的非线性有限 元分析确定各时段坝体单元所可能发生的残余应变、振动孔隙水压力增量及累积振 动孔隙水压力，以此对动剪切模量和强度及应力一应变关系进行修正，并在下一时 段计算中采用修正后的应力一应变关系，同时基于所确定的与上一时段地震作用所 产生的潜在残余应变增量和静力应力一应变关系确定相应的等效结点力。在每一时 段末根据上述所确定的等效结点力和应力一应变关系，通过整体有限元计算确定坝 体的残余变形增量，将各个时段重复通过计算所确定的残余位移累加得到地震作用 后坝体的残余变形量。这种方法能够同时考虑地震惯性力效应和土的软化效应对土 石坝地震永久变形的影响。运用所建议的分析方法和计算模型进行了算例计算与分 析。 关键词：土石填筑坝堤坝；抗震稳定性；地震永久变形i 滑动体位移；剪切条法 等效结点力一逐步软化有限元分析模型 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e si ns o u t h a n dn o r t h - w e s t e r na r e a so fc h i n a w h e r et h et o p o g r a p h i c a lc o n d i t i o na n de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la sw e l la se n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n sa r eo f t e nr a t h e rc o m p l e xa n dt h es e i s m i ca c t i v i t yi ss o m e t i m eh i g h ，l a r g e s c a l e m a j o ri n f r a s t r u c t u r e ss u c ha sh i g hd a m sh a v eb e e nb u i l to rt ob ec o n s t r u c t e do ru n d e r p l a n n i n g o rd e s i g n a sa p o t e n t i a lt y p eo fd a ms t r u c t u r e s ，e a r t ha n dr o c k - f i l ld a m s ( e r f d ) o rc o n c r e t e - f a c e dr o e k f i ud a m s ( c f r d ) h a v eb e e nm o s tf r e q u e n t l ye m p l o y e di ne n g i n e e n n gp r a c t i c e h o w e v e r ，t l l ee v a l u a t i o no fe a r t h q u a k e - r e s i s t a n tb e h a v i o ra n ds e i s m i c s a f e t yo ft h e s eh i g hd a m sd u r i n ge a r t h q u a k ei so n eo ft h ek e yt e c h n i c a li s s u e si nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fe a r t ho rr o c k f i l ld a m sa n dc o n c r e t 吨c e dr o c k f i l ld a m s i th a s b e e nn o tw e l ls o l v e da tp r e s e n t a tt h es a k l et i m e ，e m b a n k m e n t sa r ew i d e l yu s e di nt h e r i v e rb a n k sa n dc o a s t a lb a n k sa sa p r o t e c t i v ep r e c a u t i o n i th a sb e e nr e c o g n i z e dt h a tt h e c o n v e n t i o n a lp s e u d o s t a t i cm e t h o df o re v a l u a t i n gs e i s m i cs t a b i l i t yo fd a m so re m b a n k m e n t sh a sm a n ys h o r t c o m i n g sw h i l et h en o n l i n e a rd y n a m i cf i i l i t ce l e m e n tm e t h o df o r a n a l y z i n gs e i s m i cr e s p o n s eo fd a m sa n de m b a n k m e n t ss u b j e c t e dt oe a r t h q u a k es h a k i n gi s s o m e w h a tc o m p l i c a t e df o rp r a c t i c i n ge n g i n e e r s a tt h es a m et i m et h es e i s m i cs a f e t y c a n n o tb ea u t h e n t i c a l l ye v a l u a t e db yt h es i n g l ef a c t o ro fs a f e t ya g a i n s ts l i d i n gd u r i n g t r a n s i e n to v e r l o a d i n g t h es l i d i n gm o v e m e n to ro v e r a l lp e r m a n e n td e f o r m a t i o nw a sp r o p o s e db yn e w m a r ki n1 9 6 5t oe v a l u a t et h eo v e r a l ld y n a m i cs t a b i l ho fd a l e sa n de m b a n k m e n t s i no r d e rt og e tg o o du n d e r s t a n d i n ga n dt h e nt oo f f e rr a t i o n a le v a l u a t i o no f e a r t h q u a k e r e s i s t a n tc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i cs t a b i l i t yo fd a m so re m b a n k m e n t s ，t h e n u m e r i c a lm e t h o d sf o re v a l u a t i n gs e i s m i cd y n a m i cr e s d o n s ea n df o ra s s e s s i n gt h ee a r t h q u a k e i n d u c e dr e s i d u a ld e f o r m a t i o n so rd i s p l a c e m e n t sa r et ob ed e v e l o p e di nt h et h e s i s n 玲i n v e s t i g a t i o nm a i n l yc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gp o r t i o n s 1 a sas i m p l i f i e da n a l y t i e a lp r o c e d u r e ，t h es h e a r - b e a mo rs h e a r - s l i c em o d e li s w i d e l ye m p l o y e df o re v a l u a t i n gd y n a m i cr e s p o n s eo fe a r t hd a l n so re m b a n k m e n t s i nt h i s t h e s i s ，t h em o d i f i c a t i o no nt h ee q u i v a l e n ti i n e a rt e c h n i q u ef o ra n a l y s i so fs e i s m i cr e s p o n s eo fd a m sa n de m b a n k m e n t sw h i c hi sb a s e do no n e d i m e n s i o n a is h e a r - s l i c em o d e l i sm a d e i nt h ep r o p o s e dm e t h o d t h ed i s c r e t es h e a r - s l i c em o d e l i sd e v e l o p e dt oc o n s i d e r t h el a y e r e dd i s t r i b u t i o no fs h e a rm o d u l ia n dd a m p i n gr a t i o so fs o i l sa l o n gd e p t h t h ed i f - f e r e n t i a le q u a t i o n sf o rg o v e r n i n gt h ev i b r a t i o nb e h a v i o ro fd a mo re m b a n k m e n ta r e s o l v e d m a t h e m a t i c a l l y u n d e rt h e a s s u m p t i o n t h a tt h e s o i l so fd a r n d i s p l a y v i s c o - l i n e a r - e l a s t i cb e h a v i o ra n dt h ec l o s e d - f 0 1 1 1 1s o l u t i o n sf o rt h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s a n ds e i s m i cr e s p o n s eo ft h ed a ma r eo b t a i n e d t h er e s u l t i n gl i n e a rs o l u t i o n sa g ei n c o r p o r a t e dw i t he q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ef o rs e i s m i cr e s p o n s eo fd a mo rs o i ls t r a t a a s e r i e so fl r i a l a n d e r r o ri t e r a t i o n sa r ep e r f o r m e di no r d e rt om a k e 也em o d u l ia n dd a m p h a gr a t i o so fa l li n d i v i d u a ll a y e r sb ec o m p a t i b l ew i t ht h e i rs t r a i na m p l i t u d e s t h e nal i n e a rs y s t e mw h i c hi so v e r a l le q u i v a l e n tt on o n l i n e a rd a m s y s t e mi sa c h i e v e da n dt h es e i s m i cr e s p o n s ef o rt h i se q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o ns y s t e mc a nb et a k e nf 1 8ag o o da p p m x i m a - t i o no fn o n l i n e a rs e i s m i cr e s p o n s eo fd a m f i n a l l y , e x a m p l es t u d i e sa r ep e r f o r m e df o r b o t hah o m o g e n e o u sd a ma n dac l a y - c o r ed a ma n dt h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e d 谢t lt h es o l u t i o n so b t a i n e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oi l l u s t r a t et h er a t i o n a l i t ya n d a p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d 2 an u m e r i c a lp r o c e d u r eb yu s i n ge l a s t o - p l a s t i cf i l l i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do n s h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o nt e c h n i q u ei sp r e s e n t e df o rp s e u d o s t a t i cs e i s m i cs t a b i l i t ya n a l y s i so fd a m sa n de m b a n k m e n t s i nt h ep r o p o s e dp r o c e d u r e ，t w oa l t e m a t i v e sa r ee m p l o y e d t od e t e r m i n et h es e i s m i c a l l y i n d u c e di n e r t i al o a d sa sf 0 1 1 0 w i n g ：f 1 1t h ei n e r t i af o r c e sa r e c o m p u t e db yu s i n gt h er o u t i n ee m p l o y e di nt h ep s e u d o s t a t i cl i m i te q u i l i b r i u ms l i c e s m e t h o dp r o p o s e di ne a r t h q u a k e r e s i s t a n td e s i g nc o d eo fe a r t ha n dr o c k f i l ld a m s ；( 2 ) b a s e do nt h ed y n a m i cr e s p o n s ec o m p u t e db yt h en o n l i n e a rd y n a m i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f d a m so r e m b a n k m e n t s ，t h ei n e r t i af o r c e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ec o m p u t e dn o d a l a c c e l e r a t i o na r ed e f i n e db yag i v e ne m p i r i c a lm a n n e r i na d d i t i o nt ot h es e i s m i c a l l y - i n d u c e di n e r t i al o a d sw h i c hi sd i s t r i b u t e dn o n u n i f o r m l ya l o n gd a mh e i g h t t h e s e e p a g ef o r c e so rd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ec a u s e db ys t e a d ys e e p a g eo rn o r m a ld r o p o fr e s e r v o i ra r et a k e ni n t oa c c o u n t u n d e rs u c hc o u p l i n gc i r c u m s t a n c e s t l l ee l a s t o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sp e r f o r m e dt oa s s e s st h ep s e u d o - s t a t i cs a f e t yf a c t o r so ft h ed a m b yu s i n gt h es h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o nt e c h n i q u e f i n a l l y , n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n sf o r e x a m p l ed a m sa r ec o n d u c t e dt oi l l u s t r a t et h er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o p o s e d a n a l y s i sm e t h o d a n dt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt w oc o n s i d e r a t i o n so fi n e r t i al o a d si n d u e e db ye a r t h q u a k ea r ec o m p a r e d i ti ss h o w nt h a tt h ef u r l t ee l e m e n tp r o c e d u r ef o r s e i s m i cs t a b i l i t ya n a l y s i so fd a m so re m b a n k m e n t si sp r o p o s e dt op r e f e rt ob eu s e di n p r a c t i c e 3 i no r d e rt oe v a l u a t et h ee a r t h q u a k e i f l d u c e ds l i d i n gd i s p l a c e m e n t so fap o t e n t i a l s l i d i n gm a s si nd a ms l o p e ，t h ea v e r a g es e i s m i cr e s p o n s eo ft h ep o t e n t i a ls l i d i n gm a s sa s s a s s e do nt h eb a s i so fs e i s m i cr e s p o n s eo fd a mo re m b a n k m e n ts u b j e c t e dt oe a r t h q u a k e s h a k i n gc o m p u t e db ye q u i v a l e n td y n a m i ca n a l y s i sa r ec o m p a r e dw i t ht h ec r i t i c a ls a f e t y f a c t o rt od e f i n et h ec o n d i t i o na n ds t a t eo f t h et r a n s i e n to v e r l o a d i n g t h e nt h er i g i d p l a s t i c s l i d i n g - b l o c km o d e lf o re v a l u a t i n gs l i d i n gm o v e m e n tp r o p o s e db yn e w m a r ki su s e de s - t i m a t et h es l i d i n gd i s p l a c e m e n tc a u s e db ys u c ha no v e r l o a d i n g a l lt h es l i d i n gd i s p l a c e - m e n tc a u s e db va l li n d i v i d u a lo v e r l o a d i n ga r ea c c u m u l a t e dt oo b t a i nt h eo v e r a l lm o v e m e n ti n d u c e db ye a r t h q u a k e i nt h ep r o p o s e dm e t h o d t h en e w m a r km o d e ii sm o d i f l e di n o r d e rt ot a k ea c c o u n tt h ed e g r a d a t i o no fs t r e n g t ho fs o i l sd u et ot h eb u i l d u po fp o r ew a - t e rp r e s s u r ec a u s e db ye a r t h q u a k e i n d u c e dc y c l i co rt r a n s i e n tl o a d i n g a tt h es a m et i m e t h ee f f e c to f v e r t i c a la c c e l e r a t i o no f p o t c n f i a ls l i d i n gm a s si n d u c e db ye a r t h q u a k es h a k i n g o ns e i s m i cs t a b i l i t yo fd a mw h i c hi sp r e v i o u s l yo v e r l o o k e da l et a k e ni n t oa c c o u n t t w o t y p e so fd y n a m i cl o a d i n gi n c l u d i n gs i n e t y p ee x c i t a t i o na n de a r t h q u a k e - - i n d u c e di r r e g u l a r e x c i t a t i o na r ec o n s i d e r e d f i n a l l y , n u m e r i c a la n a l y s e sf o rt y p i c a lc a s e sa r em a d ea n da n u m b e ro ff i n d i n g sa r eg i v e nt h r o u g hc o m p a r i s o n 4 a sa na l t e r n a t i v em e c h a n i s mo f e a r t h q u a k ee f f e c to nd a m o re m b a n k m e n t ，af i n i t e - v e l e m e n tp r o c e d u r ei sp r o p o s e df o re v a l u a t i n gs e i s m i c a l l y - i n d u c e dp e r m a n e n td e f o r m a - t i o no fd a n ao re m b a n k m e n t i nt h ep r o p o s e dp r o c e d u r e ，b o t l lc o n e 印t so fe q u i v a l e n t n o d a lf o r c ea n ds t e p - b y - s t e pg r a d u a l l ys o f t e n i n gm o d u l u sa r ei n t e g r a t e dt o g e t h e r t h e e a r t h q u a k ed u r a t i o ni sd i v i d e di n t oa c e r t a i nn u m b e ro f t i m ei n c r e m e n t sa n df o re a c h t i m e i n c r e m e n t st h er e s i d u a ls t r a i na n dd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ew h i c hi sl i k e l yi n d u c e d d u r i n gp r e v i o u st i m ei n c r e m e n t su n d e ru n d r a i n e dc o n d i t i o na r ee s t i m a t e do nt h eb a s i so f t h es t r e s sc o n d i t i o no b t a i n e db yt h ef i n i t ee l e m e n td y n a m i ca n a l y s i sa n dt l l ee m p i r i c a l p a t t e r n so fb o t hr e s i d u a ls t r a i na n dp o r ew a t e rp r e s s u r ea c h i e v e de x p e r i m e n t a l l y t h e n ， t h ec o m p u t e da c c u m u l a t i v ed y n a m i cp o r e w a t e rp r e s s u r ea tt h ee n do fe a c ht i m ei n c r e m e n ti su s e dd i r e c t l yt om o d i f yt h es t a t i ch y p e r b o l i cr e l a t i o n s h i po fs t r e s sa n ds t r a i n w h i c hi st ob eu s e df o rt h en e x tt i m ep e r i o d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h ee q u i v a l e n tn o d a l f o r c e se q u i v a l e n tt oi n c r e m e n t a lr e s i d u a ls t r a i np o t e n t i a la r ed e f i n e d b yu s i n gt h em o d i f l e ds t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p t h ei n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n sa r ec o m p u t e dw h e nt h en o d a l f o r c e se q u i v a l e n tt oe a r t h q u a k ee f f e c t0 1 1d a md e f i n e da sa b o v ea r ei m p o s e do nt h ed a m o re m b a n k m e n t t h ec o m p u t e di n c r e m e n t a ld i s p l a c e m e n t so ft h ed a mo re m b a n k m e n tf o r e a c ht i m ei n c r e m e n t sa r ea c c u m u l a t e da n dt h ea c c u m u l a t i v ed i s p l a c e m e n t sc a nb er e - g a r d e da sa p p r o x i m a t i o no ft h er e s i d u a ld e f o r m a t i o nw h i c hi st o b ei n i t i a t e db ye a r t h - q u a k es h a k i n g i nf a c t t h ep r o p o s e dn u m e r i c a lp r o c e d u r eh a st a k e nb o t l lt h ei n e r t i ae f f e c t a n dt h es o f t e n i n ge f 斑c to fe a r t h q u a k e - i n d u e e dl o a d i n go nt h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no f t h ed a mo re m b a n k m e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n k e yw o r d s ：e a r t ha n d r o c k - f i l ld a r n e m b a n k m e n t ；s e i s m i cs t a b i l i t y ；e a r t h q u a k e i n d u c e d p e r m a n e n td e f o r m a t i o no rs l i d i n gm o v e m e n t ；s h e a r - s l i c em e t h o d ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o dc o m b i n i n ge q u i v a l e n tn o d a lf o r c e sw i t hg r a d u a l l y - s o f t e n i n gm o d u l u s v i - 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：盔望日期：逆年上凋立日 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 作者签名：盔垫 指导教师签名：至盎! 里 立! ! ! 年五月乏l 日 第一章绪论 第一章绪论 提要：土石坝作为种普遍应用的坝型，数量多、分布广泛，很多的土石坝直接建造在高烈度地 震区因此，土石坝地震动力响应及抗震安全评价方法的研究不仅具有重要理论意义，也具有工程 实际价值本章针对土石坝地震动力响应分析方法、抗震稳定性分析、液化判别、地震永久变形计 算等方面，阐述了土石坝抗震稳定分析方法及其研究进展，对备种方法进行了简要评述最后，介 绍了论文的主要研究工作、技术路线和结构安排 关键词：抗震工程学：土动力学；土石坝：地震响应；抗震计算：液化；永久变彤 1 1 引言 凡是使用当地土石材料填筑修造的大坝都统称为土石坝【l 一。由于就地取材，对 地形、地质和气候条件等的适应性都比较强的特点，土石坝在各种坝型中的应用最 为普遍。根据文献 3 】的记载，上世纪8 0 年代举行的国际大坝会议的统计资料显示， 截止到1 9 8 6 年底，世界上已建成的高度在1 5 m 以上的大坝共有3 6 2 3 5 座，土石坝 占8 2 7 ，为2 9 9 7 4 座。我国共有土石坝1 7 4 7 5 座，占世界上土石坝总量的5 8 3 。 近年来，随着现代化建设步伐的加快，对于能源的需求也呈快速增长的趋势，以蓄 水、防洪、灌溉、发电为目的，一大批土石坝进入勘测、设计或施工阶段，建坝规 模和技术水平都达到了史无前例的地步。 很多的土石坝工程建造在地震区，上个世纪，世界各地先后发生了多次大规模 地震运动，震后统计资料表明在每次地震中都有一些土石坝发生了不同规模和不同 程度的破坏，有些甚至发生溃坝事故【1 ，】，例如，在1 9 2 5 年发生的6 3 级的圣塔巴 巴拉地震中，高7 6 m 的s h e f f i e l d 坝溃决失事，在1 9 7 2 年发生的6 6 级圣费南多地 震中，高5 0 m 的下圣费南多坝困坝体液化而发生上游边坡坍滑。我国也有多个土石 坝发生震害的工程实例，例如在1 9 7 6 年的唐山地震中，密云水库白河主坝斜墙保护 层发生大面积坍滑，陡河水库大坝坝基液化使坝身产生严重裂缝和损害。对于较轻 微的震害，例如小规模的裂缝、坝体沉降或坝坡变形等，虽然不至于危及坝的整体 安全，但可能影响到大坝或其附属建筑物的正常使用及运行。对于比较严重的震害， 尤其当坝体发生溃决时，常可造成下游生命财产的重大损失。因此，对于建造在地 震区的土石坝，应当采用合理的分析方法，进行必要的抗震安全验算和抗震设计， 进而在必要时，采取适当的抗震结构和抗震措施对坝体进行加固或修改设计，以预 防或抵抗未来地震时所可能发生的损害或破坏。 大连理工大学博士学位论文 我国是一个地震多发国家，地震活动的分布范围非常广泛，基本烈度在6 度以 上的地区占全国总面积的6 0 以上 4 1 。我国土石坝中很大一部分建造在8 0 年代前， 由于当时条件与技术的限制，其中很多的土石坝没有进行抗震设计，也未采取相应 的抗震措施，因此这些土石坝中可能存在一定的地震安全隐患。目前在建和拟建的 土石坝，都比较高，规模大，其中很多位于8 度甚至9 度的中高烈度地区，从而都 对土石坝抗震分析与评价研究工作提出了更高的要求。因此，发展和完善土石坝抗 震分析理论和抗震设计方法，无论对于已有工程的抗震安全评价还是对新建工程的 抗震验算与设计，都有重要的学术意义与工程实用价值。 土石坝抗震属于抗震工程学的一个分支，它的发展不仅依托于工程地震学、结 构动力学和土力学等基础理论，而且也需要借助现代数值分析技术与试验技术。目 前，土石坝抗震理论研究已经取得了显著的进展，在土石坝工程抗震设计与抗震安 全评价中发挥了重要作用。然而，现代土石坝工程建设中不断涌现出新问题，同时 对已有问题的认识也在不断深入和发展，因此土石坝抗震研究中仍存在大量问题需 要更深入的研究和探索。 1 2 土石坝抗震稳定分析方法概述 土石坝抗震计算与分析的目的，是通过采用各种计算方法，得到土石坝在设计 地震动作用下所产生的各种动力响应，例如坝体的地震位移、加速度、动应