动水压力及其对坝体地震反应影响的研究进展.doc

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1、动水压力及其对坝体地震反应影响的研究进展杜修力1，王进廷2(1.北京工业大学；2.中国水利水电科学研究院)摘要：由于大坝事故可能产生的灾难性后果，合理确定地震时坝面动水压力是地震区新建坝设计和已建坝安全评估的一个重要因素。自从Westergaard(1933)的创造性研究开始，许多研究者对坝面动水压力及其对坝体地震反应影响进行了研究。由于计算工具和计算方法的局限性，在初期的研究中一般都采用简化模型，假定坝体和地基为刚性，分析刚性坝面动水压力。随着计算机性能的不断提高，多种数值方法开始广泛应用于分析坝面动水压力，坝面动水压力分析的计算模型不断完善，逐步考虑了坝体和库水的动力相互作用、地基

2、柔性的影响、库水可压缩性的影响、库底淤积泥砂层的影响以及非线性反应的影响等。本文详细回顾了上述几方面的研究进展，总结了库水的可压缩性、坝体、库底淤积砂层、地基等因素对地震时坝面动水压力影响的研究成果。关键词：地震；动水压力收稿日期：2001-02-22基金项目：国家自然科学基金项目(59739180).作者简介：杜修力(1963-)，男，四川广安人，北京工业大学教授，主要研究方向：结构抗震。　　地震时，库区的地面运动将会使上游坝面承受附加的动水压力。充分认识坝面动水压力对坝体地震反应影响，对于新建大坝抗震设计和已建大坝抗震安全评估具有重要的意义。有关上游坝面动水压力的研究，可追述到20

3、世纪30年代，Westergaard(1933)[28]假定坝体和地基为刚性，首先研究了刚性垂直坝面动水压力。随后，许多研究者基于不同的分析模型，对坝面动水压力问题进行了深入的研究。大量研究表明库水可压缩性、坝体特性、淤砂层特性、地基特性和地震动特性等因素都会对坝面动水压力产生影响，在确定上游坝面动水压力时应考虑这些因素中的主要影响因素。本文详细回顾了地震时坝面动水压力的研究进展，总结了库水可压缩性、库水坝体相互作用、库水地基相互作用以及库底淤积砂层等因素对地震时坝面动水压力影响的研究工作。1刚性坝面动水压力　　Westergaard(1933)[28]研究了刚性直立坝面动水压力，假定

4、库水上游方向无穷远、库底为刚性水平面、库水作无旋小变形运动并忽略表面波影响，求得了地面水平简谐运动时二维动水压力分析模型下可压缩库水作用于刚性直立坝面的动水压力的级数形式解，同时提出了不考虑库水可压缩性的附加质量模型。Westergaard的工作虽然存在许多假定，只是实际重力坝和库水的一种理想化模型，但该模型反应了动水压力的一些本质特征，其重要意义在于提出了一个新课题，对随后动水压力的研究和坝体设计产生了重要影响。　　在Westergaard研究成果发表之后，引起了大坝抗震研究者的广泛关注。许多研究者针对Westergaard模型的一些限制进行了讨论分析。Brahtz和Heilbron

5、(1933)分析了库水上游方向长度和库水可压缩性对动水压力的影响。研究指出如果库水有限长，且上游端静止，当L/H>2(L，H分别为库水长度和高度)时，库水动水压力增加不超过0.5%；如果上游端随地面运动，当L/H>3时长度的影响可以忽略。Werner和Sundquist(1949)的研究工作也表明坝面动水压力对库水长度不敏感。但后来的一些研究者的研究表明上述结论并不完全正确，Kotsubo(1959)、Chopra(1967)[7]的研究表明Westergaard给出的坝面动水压力的级数形式解仅适用于简谐地面水平运动频率小于库水第一自振频率的情况，这时坝面动水压力与地面运动同相，库水长

6、度与高度比L/H>3时，库水长度对坝面动压力影响很小；而当简谐地面运动频率大于库水基频时，坝面动水压力与地面运动异相，库水长度对坝面动水压力有明显影响。此外，Chopra(1967)[7]还研究了垂直地面运动时坝面动水压力，研究表明垂直地面运动产生的坝面动水压力也可以达到很大的值，不可以忽略。　　考虑倾斜坝面时，很难求得可压缩库水作用于坝面的动水压力的解析解，因此，在解析分析中，一般都忽略库水可压缩性。Zangar(1952)应用电模拟试验研究了在水平地震荷载作用时，不可压缩库水作用在有倾度的折线型上游坝面的动水压力分布。通过电模拟试验显示，(1)在同一高度处，倾度(坝面与垂直面夹角)

7、越大，动水压力越小；(2)除直立坝面外，坝面最大动水压力不在坝基处，而在距坝基一定高度处；(3)当坝面垂直部分等于或大于总坝高的一半时，坝面动水压力与上游坝面完全垂直时相同。Chwang和Housner(1978)、Yang等人(1979)用Kármán动量平衡法得到了水平地面运动时，不可压缩库水作用于上游常倾角倾斜坝面动水压力分布的近似计算公式，与Zangar的试验结果基本一致。Chwang(1978)还应用两维势能流理论得到了常倾角倾斜坝面