土石坝地震安全评价与抗震设计课件

报告内容国内外土石坝震害表现目前土石坝抗震安全评价方法的不足土石坝抗震安全评价方法的改进土石坝抗震设计的几点思考报告内容国内外土石坝震害表现1一、国内外土石坝震害表现LaVillita和Infiernilo粘土心墙堆石坝(墨西哥)

LaVillita坝：最大坝高59.7m+70m厚砂砾石覆盖层

Infiernilo坝:最大坝高148m

1985年的墨西哥发生8.1级地震，震中位于上述两坝约75km，地震持续时间60sLaVillita坝：坝基基岩最大水平加速度为0.125g，坝顶最大反应加速度为0.45gInfiernilo坝：坝基基岩最大水平加速度为0.13g；下游马道中部（坝基以上100m）的最大反应加速度为0.38g，据此推断Infiernilo坝坝顶中部最大反应加速度应在0.5g左右一、国内外土石坝震害表现LaVillita和Infiern2一、国内外土石坝震害表现

两座坝的震害非常相似沉降：LaVillita坝和Infiernilo坝坝顶粘土心墙分别产生了11cm和9cm的沉降裂缝：粘土心墙和堆石坝壳接触部位坝顶出现明显裂缝

LaVillita坝顶粘土心墙和上下游堆石坝壳接触部位裂缝长达350m的连续裂缝，最大缝宽约10cm，最大深度达50cmInfiernilo坝顶粘土心墙和上下游堆石坝壳接触部位出现断续绵延全坝长335m的宽0.2-15cm的纵向裂缝，深达粘土心墙顶部一、国内外土石坝震害表现两座坝的震害非常相似3一、国内外土石坝震害表现美国Austrian土坝（最大坝高61m）经受1989年LomaPrieta地震(M=7.1)坝顶最大反应加速度分别达0.6g最大震陷量达85.34cm，下游坝坡的最大水平位移为33.53cm，指向坝体下游Austrian土坝上下游坝坡上部1/4坝高范围内出现了多条纵向裂缝，最深达4.27m，两坝肩也出现了横向裂缝，其中坐落于风化岩体上的左坝肩裂缝最大深度为9.14m，右坝肩与溢洪道接触部位裂缝最大深度为7m一、国内外土石坝震害表现美国Austrian土坝（最大坝高64一、国内外土石坝震害表现1975年海城地震，坝址烈度7°震后1小时20分，发现右坝段175m范围内，有两处由水位以上2m开始向下滑坡，其长度分别为33m和26.3m，在坝高35m以下普遍滑动，滑动面积为15000㎡，方量约3万方，滑坡最大铅直深度为4.7m辽宁石门水库粘土心墙坝（坝高46m）一、国内外土石坝震害表现1975年海城地震，坝址烈度7°辽宁5一、国内外土石坝震害表现日本坝高105m的牧尾粘土心墙堆石坝震后坝顶粘土心墙和上下游堆石坝壳接触部位也出现了深达1.5m的纵向裂缝智利高85m的cogoti面板抛填堆石坝，稍加缓边坡并设置柔性多层钢筋混凝土面板，遇9度地震后面板无损坏，只是坝顶沉陷42cm我国最大坝高101.8m的碧口粘土心墙坝经受汶川特大地震后产生了24cm的震陷，上游坝坡最大水平达28.1cm，坝体也出现了多条裂缝一、国内外土石坝震害表现日本坝高105m的牧尾粘土心墙堆石6一、国内外土石坝震害表现1976年唐山地震，导致水下防渗斜墙砂砾石保护层滑落，长度约500m；水上约20m砂砾石保护层没有出现滑动（地震液化）密云水库白河主坝(坝高66.4m)一、国内外土石坝震害表现1976年唐山地震，导致水下防渗斜墙7一、国内外土石坝震害表现河北陡河水库均质土坝（坝高22m）1976年唐山地震，坝址烈度9°主坝严重裂缝：全坝有横缝100余条，缝宽一般为0.1～0.5cm，穿过坝顶，最大缝宽达3cm，深度不大。另有贯主坝全长1700m，平行于坝轴线的纵缝带2条，一条在上游坡面高程35～36m，另一条在下游坡面高程34～35m，裂缝垂直地面，缝宽最大达30cm，深度直达坝基，下游坡纵缝两侧土体发现有错距，下高出上10～30cm一、国内外土石坝震害表现河北陡河水库均质土坝（坝高22m）18一、国内外土石坝震害表现1959年8月17日遭遇7.6级地震。发震断层通过水库北岸，距右坝肩210m。地震造成巨大涌浪，漫顶水头高达1m(2002年新疆喀什西克尔水库因地震溃坝）美国Hebgen土坝(坝高35m)一、国内外土石坝震害表现1959年8月17日遭遇7.6级地震9一、国内外土石坝震害表现2008年5.12汶川地震造成全国2380座水库出现险情，其中四川1803座，四川出险的水库中有溃坝险情的69座，高危险情的310座，次高危险情的1424座，绝大部分为土石坝一、国内外土石坝震害表现2008年5.12汶川地震造成全国10一、国内外土石坝震害表现5.12地震中德阳柏林水库上游坝坡塌滑一、国内外土石坝震害表现11一、国内外土石坝震害表现成都新油坊土坝裂缝一、国内外土石坝震害表现12一、国内外土石坝震害表现紫坪铺面板坝震害2008年“5.12”汶川地震震中位于大坝以西17km，震中烈度达11度，持续时间2分钟，从坝顶动力反应推断，基岩地震加速度峰值当在0.5g～0.7g左右，烈度将超过9度，远超过大坝的设防烈度,导致大坝发生明显损伤一、国内外土石坝震害表现紫坪铺面板坝震害13一、国内外土石坝震害表现地震导致大坝坝顶瞬间发生了最大为68.4cm的震陷，地震后（5月17日）5天，最大震陷发展为74.3cm一、国内外土石坝震害表现地震导致大坝坝顶瞬间发生了最大为6814一、国内外土石坝震害表现坝体内部测点测得的最大震陷81.0cm位于850m高程(坝顶高程为884m)，最大震陷100cm?一、国内外土石坝震害表现坝体内部测点测得的最大震陷81.0c15一、国内外土石坝震害表现坝轴向变形为由两岸向河谷中央变形，最大值22.6cm；顺河向永久变形指向下游，最大值20cm一、国内外土石坝震害表现坝轴向变形为由两岸向河谷中央变形，最16一、国内外土石坝震害表现下游坝坡水平位移指向下游，850m高程处(坝顶高程为884m)最大约27cm，最水平位移?一、国内外土石坝震害表现下游坝坡水平位移指向下游，850m17一、国内外土石坝震害表现坝顶人行道与大坝路面结合处最大裂缝宽度63cm；坝顶路面与溢洪道顶产生20cm的错台一、国内外土石坝震害表现坝顶人行道与大坝路面结合处最大裂缝宽18一、国内外土石坝震害表现永久变形矢量指向坝内，表明地震导致坝体产生体积收缩一、国内外土石坝震害表现永久变形矢量指向坝内，表明地震导致坝19一、国内外土石坝震害表现面板施工缝错台严重，最大17cm；垂直缝挤压破坏一、国内外土石坝震害表现面板施工缝错台严重，最大17cm；20一、国内外土石坝震害表现面板脱空，高程愈大，脱空愈明显，最大脱空达23cm一、国内外土石坝震害表现面板脱空，高程愈大，脱空愈明显，最大211、筑坝材料本构模型不能正确反映高围压和地震荷载联合作用下的强度和变形特性粘弹性、等效线性弹塑性非线性颗粒破碎剪缩增强、剪胀抑制低估震陷、相对高估水平位移流变、震陷面板脱空受力状态变化损伤二、目前土石坝抗震安全评价方法的不足1、筑坝材料本构模型不能正确反映高围压和地震荷载联合作用下的22二、目前土石坝抗震安全评价方法的不足2、1g振动台模型试验与离心机振动台模型试验应力一致性振动台功率模型箱尺寸二、目前土石坝抗震安全评价方法的不足2、1g振动台模型试验与23二、目前土石坝抗震安全评价方法的不足3、对土石坝的各类接触问题，基于连续介质力学的数学模型和计算分析方法无法合理模拟坝体裂缝、面板脱空、错台及面板和接缝开裂等现象断裂力学接触力学离散元DDA4、安全评价标准不明确或虽有标准但不很科学如坝坡地震安全系数没有与滑动体体积有机结合二、目前土石坝抗震安全评价方法的不足3、对土石坝的各类接触问24三、土石坝地震安全评价方法改进1、提出了一个能合理反映堆石料静动力强度和变形特性，特别是颗粒破碎特性的弹塑性本构模型土石坝震害的各种表现，诸如坝体裂缝、混凝土面板脱空、错台及面板和接缝开裂等，其最主要原因是地震导致的土石坝体的变形以及大坝各部位变形的不均匀和不协调性。因此首先需建立能合理反映高围压和地震荷载联合作用下筑坝材料的强度和变形特性的本构模型，以准确预测地震引起的土石坝体的变形量，从而对土石坝的震害进行科学评估和预测三、土石坝地震安全评价方法改进1、提出了一个能合理反映堆石料25三、土石坝地震安全评价方法改进进行了5种堆石料200多组大型静动三轴试验，研究了堆石料特殊的变形和破坏规律，主要表现为：堆石料在高围压和地震荷载作用下将产生明显的颗粒破碎，其强度和剪胀规律表现出明显的非线性，导致强度降低，剪缩增大，剪胀性受到抑制甚至消失

平均主应力较大时，堆石料的剪胀线接近甚至超过破坏线三、土石坝地震安全评价方法改进进行了5种堆石料200多组大型26与汶川地震导致紫坪铺堆石坝坝体断面整体向内收缩，而坝坡表层却出现鼓胀现象一致堆石料动三轴试验应力路径高应力剪缩低应力剪胀三、土石坝地震安全评价方法改进与汶川地震导致紫坪铺堆石坝坝体断面整体向内收缩，而坝坡表层却27先期振动可显著提高筑坝材料抵抗地震变形的能力经受过一次先期振动的堆石料，再经受同样强度的振动荷载，变形减少约80%经历过一次先期振动的堆石料，再经受2倍强度的振动荷载，变形减少约42%可以较好解释紫坪铺大坝在震后的多次余震中大坝的变形很小这一现象评价坝再次经受地震作用时的抗震能力，应考虑前期地震的影响三、土石坝地震安全评价方法改进先期振动可显著提高筑坝材料抵抗地震变形的能力三、土石坝地震安28坝料固结比围压/kPa最大动体变无先期动应力/%σd=0.4/0.5σ3(1)/%σd=0.8/1.0σ3(2)/%(1)降幅/%(2)降幅/%砂砾石料1.53000.400.240.07398210000.640.440930.490.1847812.53000.380.200.09497710000.630.390800.410.174979动应力加倍，动体变减少约42%相同动应力，动体变减少约80%三、土石坝地震安全评价方法改进坝料固结比围压最大动体变无先期动应力σd=0.4/0.5σ29

三、土石坝地震安全评价方法改进在上述试验研究基础上提出了一个能合理模拟堆石料静动力应力变形特性的弹塑性数值模型压缩特性非线性剪胀和破坏规律描述流动方向加载方向塑性模量

三、土石坝地震安全评价方法改进在上述试验研究基础上提30压缩特性正常固结粘性

λ是常数堆石料

λ依赖于平均应力与体变压缩特性正常固结粘性λ是常数堆石料λ依赖于平均应力与31剪切特性峰值摩擦角剪胀摩擦角强度非线性：剪胀非线性：剪切特性峰值摩擦角剪胀摩擦角强度非线性：剪胀非线性：32塑性流动与加载方向加载方向：非关联的流动准则塑性流动与加载方向加载方向：非关联的流动准则33塑性模量边界面函数压硬性老化应力水平相关性塑性模量边界面函数压硬性老化应力水平相关性34模型参数及确定项目参数相关试验等向压缩参数hs,n,κ等向或单向压缩加卸载试验摩擦角参数φ0,∆φ,ψ0,∆ψ三轴压缩（伸长）单调（循环）加载试验塑性模量参数m老化参数α永久体变参数最终永久体变模型参数及确定项目参数相关试验等向压缩参数hs,n,κ等35模型验证—静力加载试验堆石料I堆石料II堆石料III模型验证—静力加载试验堆石料I堆石料II堆石料III36模型验证—动力加载试验老化参数α=0.0老化参数α=0.2模型验证—动力加载试验老化参数α=0.0老化参数α=0.37三、土石坝地震安全评价方法改进2、初步实现了高土石坝地震灾变过程的弹塑性数值模拟基于我们提出的广义塑性模型，开发了一个计算高土石坝地震灾变过程的弹塑性数值模拟的计算机软件，对1座100m高均质堆石坝的地震灾变过程进行了数值模拟，取得了良好效果为下一步实现实际高土石坝的地震灾变过程弹塑性数值模拟奠定了重要基础三、土石坝地震安全评价方法改进2、初步实现了高土石坝地震灾变38三、土石坝地震安全评价方法改进顺河向竖向有限元网格三、土石坝地震安全评价方法改进顺河向竖向有限元网格39三、土石坝地震安全评价方法改进顺河向动位移竖向动位移顺河向加速度竖向加速度三、土石坝地震安全评价方法改进顺河向动位移竖向动位移顺河向加40顺河向永久变形竖向永久变形三、土石坝地震安全评价方法改进断面网格变形图（20倍放大）顺河向永久变形竖向永久变形三、土石坝地震安全评价方法改进断面41三、土石坝地震安全评价方法改进3、利用大型振动台和离心机振动台，揭示了面板堆石坝和心墙堆石坝的地震变形和破坏机理凝土面板开裂的原因除地震引起的面板动应力外，更重要的是支撑面板的堆石体在地震作用下产生过大的沉降和侧向变形，且沿坝高和坝轴向的分布不均坝体地震永久变形导致面板脱空，面板与垫层间摩擦力减小和向上游的地震惯性力是造成面板（接缝）错台的主要原因土石坝坝体的失稳是“由表及里”的发展过程，地震加速度越大，破坏深度越大。因此，加固措施也应“由表及里”进行。库水位对上游坝坡变形具有明显影响，对下游坝坡影响较小三、土石坝地震安全评价方法改进3、利用大型振动台和离心机振动42三、土石坝地震安全评价方法改进对于心墙堆石坝，心墙的地震永久变形以沉降为主，在坝体纵剖面上，地震永久变形呈“V”形分布心墙沿岸坡的最大错动梯度随着输入基岩加速度的增加而增大，最大错动发生在心墙顶部在4/5坝高以上的坝体出现了明显的沉陷和向上下游两侧滑落，堆石体与心墙之间出现裂缝。地震加速度越大，沉陷和滑动体范围越大加速度放大系数沿坝轴向呈中间大、两边小分布形态，在岸坡附近明显减小三、土石坝地震安全评价方法改进对于心墙堆石坝，心墙的地震永久43三、土石坝地震安全评价方法改进4、基于接触力学方法，提出了面板错台和脱空的计算方法，并应用于实际工程面板错台分布（

紫坪铺坝实测2-17cm）12.4cm三、土石坝地震安全评价方法改进4、基于接触力学方法，提出了面44三、土石坝地震安全评价方法改进5、对高土石坝极限抗震能力与安全控制标准进行了初步探讨基于123个土石坝震害调查资料的整理分析，给出了地震作用下土石坝坝顶沉降估算的经验方法

三、土石坝地震安全评价方法改进5、对高土石坝极限抗震能力与安45三、土石坝地震安全评价方法改进安全控制主要因素确定坝坡失稳（心墙坝反滤层液化引起的坝坡失稳）

拟静力法：如果Fs<1.0

有限元时程分析法：地震过程中，Fs<1.0的时间累加超过2s

同时满足失稳坝体体积≥1/10（4/5坝高以上滑动范围内坝体体积）

反滤层液化（液化度Dy≥0.95）三、土石坝地震安全评价方法改进安全控制主要因素确定46三、土石坝地震安全评价方法改进变形（坝顶震陷率）超标

破坏标准为坝顶震陷率η≥1%防渗系统破坏（面板周边缝破坏）

对于面板坝常用周边缝止水形式（周边缝剪切位移S≥30cm）泄洪系统不能正常运用三、土石坝地震安全评价方法改进变形（坝顶震陷率）超标47滑动破坏液化破坏断裂破坏震陷度安全系数小于1的滑动体占坝体比重（%）液化度大于90%区域占坝体和坝基总体的比重（%）拉裂或压裂面占防渗面面积的比重（%）坝顶永久沉降占坝高之比（%）严重>10>10>5>1.5中等2~102~101~50.3~1.5轻度<2<2<1<0.3三、土石坝地震安全评价方法改进滑动破坏液化破坏断裂破坏震陷度安全系数小于1的滑动体占坝体比48三、土石坝地震安全评价方法改进按照上述建议方法对某心墙堆石坝最大坝高达261.5m的心墙堆石坝的极限抗震能力进行了计算分析，计算结果表明：从坝坡失稳的角度看，大坝能承受的极限峰值加速度为0.55g从心墙反滤料地震液化的角度出发，大坝能承受的极限峰值加速度为0.75～0.80g从震陷的角度看，大坝能承受的极限峰值加速度为0.60g～0.65g综合判断该心墙堆石坝极限抗震峰值加速度为0.55g三、土石坝地震安全评价方法改进按照上述建议方法对某心墙堆石坝49

四、土石坝抗震设计的几点思考

1、土石坝在地震作用下发生变形几乎是不可避免的，因此设法减小土石坝的地震变形以及坝体各类接触部位的不均匀或不协调变形就成为高土石坝抗震设计的关键对于高心墙堆石坝应采取适当措施尽可能减小心墙和坝壳间的不均匀沉降对于坝体和岸坡或刚性水工建筑物接触部位应采用较为平缓的边坡，以尽可能减小其不均匀沉降，提高变形的协调性对于高土石坝，震害最明显的部位是大坝4/5坝高以上、最大坝高断面附近以及河谷地形突变处附近等，抗震设计时应予以重点关注

四、土石坝抗震设50四、土石坝抗震设计的几点思考

2、高