2-5高土石坝地震反应分析-清华大学于玉贞-2015

12土动力学与土工抗震工程于玉贞清华大学水利水电工程系岩土工程研究所32-5高土石坝地震反应分析4问题：残余变形；开裂；液化；滑坡；面板破坏……背景：西部特别是西南地区已建、在建、拟建大量高土石坝该地区为强震多震区、地形地质条件复杂对策：动力分析抗震措施安全评价5基岩地基地震波土坝总应力法按经验性公式计算超静孔隙水压力（不排水有效应力法）按两相体理论计算超静孔隙水压力（排水有效应力法）方法分类有效应力法本讲简介本讲重点下讲（2-6）有效方法之一：有限元法6名称作者日期单位特征QUAD-4Idriss,Lysmer,Hwang，Seed1973UC,Berkeley2D时域，总应力法，等效线性化迭代LUSHLysmer,Udaka,Seed,Hwang1974UC,Berkeley2D频域，不排水有效应力法，等效线性化迭代FLUSHLysmer,Udaka,Tsai,Seed1975UC,BerkeleyLUSH的改进TLUSHKagawa,Mejia,Seed,Lysmer1981UC,Berkeley3DFLUSHTARA-2Siddharthan,Finn1982UBC时域，不排水有效应力法EFESD沈珠江1985南科院时域，不排水有效应力法，等效线性化迭代DIANAZienkiewiczet.al.1981WalesU.,Swansea时域，排水有效应力法SWANDYNEZienkiewiczet.al.1990WalesU.,Swansea时域，排水有效应力法DYNAFLOWPrevost1981PrincetonUniv.时域，排水有效应力法SKERD-3赵剑明2000水科院3D，时域，有效应力法，真非线性Dage于玉贞、董威信2015清华大学3D，时域，有效应力法，弹塑性、非线性代表性程序简介7一、基本方法二、算例分析1.基本概念2.基本公式1.工程简介2.计算概况3.结果分析2-5高土石坝地震反应分析以EFESD为例8基岩地震波地基土坝（1）静力计算作为动力计算的初始状态（2）动力分析•将地震历时分成若干时段，每段约1~2秒•在每一时段内，利用等效线性化方法求解•每一时段又分若干微小时段，如0.01~0.02秒◙其中对微小时段采用逐步积分法进行求解•每一时段结束后，将计算得到的残余应变增量转换为等效荷载，进行一次静力计算使应力位移协调（3）静力计算－计算孔压的消散等一、基本方法1.基本概念2-5高土石坝地震反应分析-0.04-0.0200.020.040123456789101112Time(s)Acceleration(g)-0.04-0.0200.020.0467Time(s)Acceleration(g)9一、基本方法2-5高土石坝地震反应分析EFESD程序特点1.基本概念静力计算：Biot固结理论；E-B模型、沈珠江模型动力计算：粘弹性模型；时域求解－历时→时段→微小时段；时段内利用逐步积分法等价线性化求解；残余变形和孔压按经验公式计算；单元阻尼矩阵按瑞利公式计算100.00.20.40.60.81.01.20.00010.0010.010.1110Cyclicshearstrain(%)G/Gmax051015202530Dampingratio(%)G/GmaxDampingratio所需参数:GmaxG/Gmax~γλ~γ室内试验现场试验经验公式求取方法:2.基本公式粘弹性模型一、基本方法2-5高土石坝地震反应分析11一、基本方法2-5高土石坝地震反应分析粘弹性模型namamaxPPkG2max11/1cGGkcckk11max1Pa为大气压；m为有效球应力；k1、k2、n和λmax为输入参数；120.75mcdeffaPeffd为有效剪应变；max65.0deffdmaxd为该时段的最大剪应变。γc为参考剪应变；2.基本公式0.00.20.40.60.81.01.20.00010.0010.010.1110Cyclicshearstrain(%)G/Gmax051015202530Dampingratio(%)G/GmaxDampingratio12一、基本方法2.基本公式2-5高土石坝地震反应分析2213exp1cevrdleffeNccSN5241cerdeffleNcSN残余体积应变残余剪切应变残余变形计算模式剪应力动用水平ΔNe为该时段的等效振动周次；Ne为累计的等效振动周次:c1、c2、c3、c4、c5为模型参数，可由试验确定。133(1sin)()2cos2sinlScdedNd为该时段的平均动剪应变幅值；d为累计动剪应变值；13一、基本方法2.基本公式2-5高土石坝地震反应分析孔压计算模式Seed建议公式1/(2)10001/(1/)(/)1(/)lllmuNNNNNN振动周数增量ΔN时的孔压增量液化次数Nl：()/10dbalNσ0、τ0：初始固结压力和剪应力；d为该时段的平均动剪应力m、α、a、b为试验常数问题：经验成分较多；根据等幅应力的室内试验求得，与现场差别较大；如考虑排水，孔压消散后仅得体积残余变形。Martin建议公式,uVRuBBu：回弹体积模量EFESD采用此公式14单元阻尼矩阵按瑞利公式计算：eeeCMKα、β按结构一阶振型确定：11/λ可采用单元阻尼比ω1为结构一阶自振圆频率，通过求解特征值确定2KM单元阻尼矩阵一、基本方法2.基本公式2-5高土石坝地震反应分析15一、基本方法2.基本公式2-5高土石坝地震反应分析计算步骤时段循环开始假定G(1),λ(1)常数逐步积分法求解计算γc→G(2),λ(2)(G(2),λ(2))≈(G(1),λ(1))?时段循环结束(G(2),λ(2))→(G(1),λ(1))YesNo等效荷载、应力修正残余应变增量→孔隙水压力静力计算求解静力计算求初始状态静力计算计算孔压的消散-0.04-0.0200.020.040123456789101112Time(s)Acceleration(g)-0.04-0.0200.020.0467Time(s)Acceleration(g)基岩地震波地基土坝16一、基本方法二、算例分析1.基本概念2.基本公式1.工程简介2.计算概况3.结果分析2-5高土石坝地震反应分析糯扎渡水电站心墙堆石坝地震动力反应分析171.工程简介地理位置及对外交通电站距昆明直线距离350km，距广州1500km，距泰国边境直线距离约400km。枢纽区位于云南省思茅地区的思茅市和澜沧县界，已有思茅至澜沧公路从坝左岸通过。坝址处多年平均流量为1750m3/s；控制流域面积14.47万km2；18直心墙方案最大坝高约261.5m；水库总库容约225亿m3；调节库容111.95亿m3；电站装机容量550万kW；保证出力239.4万kW；多年平均发电量236.8亿kW·h19水库具有不完全多年调节性能，加入联合补偿调节后，将使梯级电站小湾、漫湾、大朝山、景洪水电站的保证出力由381.48万kW提高到412.3万kW。202122232425一、基本方法二、算例分析1.基本概念2.基本公式1.工程简介2.计算概况3.结果分析2-5高土石坝地震反应分析26二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析2.计算概况（1）计算目的（2）输入地震波（3）计算参数（4）计算方案（5）计算网格27（a）二维非线性动力有限元分析：对用二维静力分析得到的最后方案，进行二维非线性有限元动力计算，并进行参数敏感性分析，以研究高心墙堆石坝的动力反应和坝坡的动力稳定性，结合三维静力分析的成果，最终提出一种方案供进一步的三维计算分析采用；（b）三维非线性动力有限元分析:对用三维静力分析(分别采用邓肯EB和沈珠江双屈服面模型)和二维动力计算得到的最后方案，进行三维非线性有限元动力计算，以研究高心墙堆石坝的动力反应和坝坡的动力稳定性。2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析（1）计算目的282.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析（2）输入地震波动力反应分析输入地震特征值名称特征参数坝轴线方向顺河向竖向坝址波峰值2.722.831.82卓越周期0.300.300.30放大系数2.562.702.72规范波峰值2.862.711.81卓越周期0.140.150.14放大系数2.502.302.40澜－耿波峰值1.042.780.55卓越周期0.190.190.19放大系数3.002.203.00注：坝址波和规范波竖向峰值为顺河向的2/329-3-2-1012305101520t(s)a(m/s2)2.72坝轴线方向-4-3-2-1012305101520t(s)a(m/s2)2.83顺河向-2-1.5-1-0.500.511.5205101520t(s)a(m/s2)1.82坝址波2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析（2）输入地震波－时程曲线竖向30坝轴线方向顺河向规范波2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析竖向-3-2-10123405101520t(s)a(m/s2)2.86-3-2-1012305101520t(s)a(m/s2)2.71-2-1.5-1-0.500.511.5205101520t(s)a(m/s2)1.81（2）输入地震波－时程曲线31坝轴线方向顺河向澜－耿波2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析竖向-1.5-1.0-0.50.00.51.01.505101520t(s)a(m/s2)1.04-3.0-2.0-1.00.01.02.03.005101520t(s)a(m/s2)2.78-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.005101520t(s)a(m/s2)0.55（2）输入地震波－时程曲线32规范波三种地震波组合的比较顺河向2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析澜－耿波坝址波-3.0-2.0-1.00.01.02.03.005101520t(s)a(m/s2)2.78-3-2-1012305101520t(s)a(m/s2)2.71-4-3-2-1012305101520t(s)a(m/s2)2.83（2）输入地震波－时程曲线33坝轴线方向顺河向坝址波2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析（2）输入地震波－SDOF反应谱竖向波20.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDAMP=0.050DAMP=0.100DAMP=0.150波30.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDAMP=0.050DAMP=0.100DAMP=0.150波40.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDAMP=0.050DAMP=0.100DAMP=0.15034坝轴线方向顺河向规范波2.计算概况二、算例分析2-5高土石坝地震反应分析（2）输入地震波－SDOF反应谱竖向波60.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDAMP=0.050DAMP=0.100DAMP=0.150波90.00.51.01.52.02.50.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDAMP=0.050DAMP=0.100DAMP=0.150波100.00.51.01.52.02.50.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0T(s)βDA