青山嘴水库土石坝的地震响应和液化分析.pdf

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岩土工程界第11卷第9期探讨与分析青山嘴水库土石坝的地震响应和液化分析苏再非(广东有色工程勘察设计院)摘要根据饱和土体固-液两相介质的振动固结模型,采用非线性静力本构模型(Duncan-Chang模型)及摩尔库仑强度准则和土的动力模型(Hardin模型)对青山嘴水库土石坝进行了地震作用下的动力反应有限元分析,得到了振动期孔压增长与消散过程。分析表明,该坝不会出现液化现象。关键词土石坝砂土液化地震响应多相流体力学零,但对于非饱和土体中的孔隙水,则β可能并不为1青山嘴水库土石坝的基本概况零或很小的值;e为土体体变;w为源汇项;q为渗流青山嘴水库水利枢纽区是一座以防洪和农田灌流速。溉为主、兼顾城市供水的大Ⅱ型水利工程。配套建213孔压的动力模型筑物有:溢洪道、导流泄洪隧洞及输水隧洞,均位于[1]在排水条件下,孔压变化的机理有残余孔压右岸。主坝为心墙土石坝,坝顶高程1820150m,坝P、振动引起的孔压P及孔隙的动态响应及排水引g高41150m,坝顶宽9150m,坝顶长度585192m。水起的消散孔压P。振动引起的孔压上升可由不排T3库总库容1087311×104m。坝坡1∶212。为了较全水的动力实验确定,它与振动次数N、土体相对密度面、准确地描述大坝的地震反应及坝体动应力、动应D、固结有效主应力比k、固结围压σ、破坏振次rc3c变分布及孔隙水压力分布等,本文采用分层填筑模N、有效内摩擦角φ′及极限孔压u有关。ff拟施工顺序,用非线性静力本构模型(Duncan-消散孔压PT为固-液两相介质动态响应引起Chang模型)对地震前的初始应力进行分析,以及采的孔隙动变形的直接影响,是本文中固-液两相介用饱和土体的动力模型(Hardin模型)进行了有限质动力方程求解的主要目标之一。t+Δt时刻的真元分析。实孔压可写成t+Δtt(t+Δt)(t+Δt)ρ=p+Δpg+ΔpT(4)2坝体的两相多孔介质内的动力控制方程t+Δt′(t+Δt)t+Δtσ=σ+p(5)211土体骨架的动力平衡方程σ+X=C+ρ(u+g)(1)3大坝固-液两相介质动力耦合响应的有ij,jiii,tti用位移表示上式,并考虑σij=σij+αPij有效应力原限元解析理,则有将求解域D划分为n个单元,则可将任一单元(λ+μ)u+μu+X+(αP)=j,jii,ijii,je内的任一点的未知量u及p分别以下列近似函iiCi+ρ(ui,tt+gi)(2)数表示:式中,λ、μ分别为拉梅常数和泊松比;ρ为土骨架容n重;α为等效孔压系数;g为地震加速度;C为阻尼u=∑Nj(x,y,z)·μj(t)(6)iij=1力,C=Du,t,D为阻尼矩阵,本文引用瑞利阻尼niijjij假定D=αM+βK;X为体积力;P为孔隙水压ρ=∑N�j(x,y,z)·pj(t)(7)ijijijij=1力;Mi为j土骨架的质量矩阵;Ki为j刚度矩阵。式中,Ni为伽辽金所定义的函数,由结点j的有关形212饱和多孔介质的渗流连续方程函数构成。考虑到孔压场与应力场在单元内任一点的匹配,孔压场应比位移场u降一阶,故对于二次形5P5ediv(ρq)=βp++ρ+w(3)5t5t函数N而言,N�可取N的前两项(即常数项与线性ijj式中,β为水的压缩系数,对于饱和土体β接近于项)。〔收稿日期〕2008-04-0231 探讨与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.9利用权函数的性质,可得到式(2)、(3)离散化图1给出了楚雄地震输入曲线,但将卓越周期从2后(应用了式(4)、(5)的动力平衡方程:0114s调整到0128s,最大加速度调整到012m/s。t+Δt·t+Δtt+Δt[K]s{u}+[D]s{u}+[M]s{¨u}+假定地震沿坝上下游方向,地震持续时间为10s。t+Δtt+Δt[P]{p}={F}(8)sfs及流体的连续方程·t+Δtt+Δtt+Δt[P]fs{u}+[K]f{p}={F}f(9)下标s表示土骨架,f表示流体。为了使土体动力分析的收敛性得到无条件保障,应用Newmark法在时间域内离散式(8),考虑到图1计算采用的楚雄地震加速度曲线式(9)无加速度项,故应用中心差分法离散之,得水库枢纽在区域力学构造体系中,处于云南山到:字型构造西翼内侧马蹄形盾地北部,西翼受青、藏、t+Δtt～t+Δtt+Δt[K^]{u}+[P]{Δpt}={F^}(10)sssf滇、缅“歹”字型构造东支中段影响。这样,西翼构t+Δtt～t+Δt[P]fs{u}+Δt·[K]f{ΔPT}=造活动性加强,NW向褶皱、断裂发育,主压应力为t+Δttt～t+ΔNE—SW向。中、北部为反时针旋卷构造,在NE—Δt·{F}+(-Δt)[K]({p}+{Δp})ffg(11)SW向压应力和旋卷力偶共同作用下,形成了南华—子午街“S”型构造。式中,[P]fs为固体对流体的耦合矩阵;[P]st为流体(2)有限元模型:采用的有限元模型(图2)把对固体的耦合矩阵。土石坝与地基在动荷作用下的振动固结与振动整个坝分成231个三角形6节点高精度等参元,节液化问题是土石坝设计中的重要问题。国内外已有点总数533,方程总数533×3=15991由于粘土心[1-6]墙的防渗作用,使下游面水位线以上部分坝壳料孔许多学者对此进行了深入的研究。然而,由于隙水压力为零,可用孔压边界约束条件模拟。这类固-液两相多孔介质的动态响应与耦合,振动固结与振动液化是一个相当复杂的、至今仍有许多未很好解决的多相力学问题,许多研究工作只能根据具体工程条件及具体假定条件简化求解。本文试[1][2]图在Zienkiewicz、谢定义等人的研究基础上,将图2青山嘴水库土石坝二维动力分析有限元模型动孔压发展变化与土骨架动态响应的耦合理论与模型,开发移植到引进的奥地利大型岩土工程分析软(3)参数选择:青山嘴水库大坝的坝料物理指件中,并应用于青山嘴水库土石坝的动力响应分析,标见表1,根据坝壳料的动力试验结果,本文分析采为设计与施工提供科学的定量依据。用的计算参数见表2、3。将以上数值模型的有限元格式开发成相应的计412成果分析(仅限于楚雄地震输入曲线)算软件模块,以引进奥地利的大型岩土工程分析软(1)初始静应力分析:青山嘴水库土石坝的初件FINAL为开发平台,将该固-液两相介质的动力始静应力分析得到的位移场如图3、4所示,应力场耦合分析模块作为FINAL软件的一种具有新功能[6]如图5所示。从图上可见,坝体内的应力场不存在的新单元模型开发连接,并应用日本Sasaki的大拉应力区,最大的压应力发生在粘土心墙两侧的坝型振动台试验结果验证,检验了本文的数值模型与壳内,约为2500kPa,而心墙底部的应力大约为开发软件的正确性与可靠性。检验结果说明该数值2000kPa。整个大坝的应力场符合大坝应力的分布模型与软件完全可以应用于工程实际。规律。坝体内粘土心墙的变形较坝壳为大,坝体的4青山嘴水库土石坝的动力响应分析竖向变形等值线图呈圆状分布,最大的竖向变形发生在心墙中部1796160m高程处(距坝底1616m,距411地震波的确定、有限元模型及参数坝顶2419m),约为118m。从图上的应力场、变形场(1)地震波的确定:大坝设计地震烈度Ⅷ度。的分析结果看来,坝体内两侧坝壳对中间粘土心墙对于地震输入曲线,云南省地震工程研究院提供的的拱作用很小,这是由于没有考虑坝体内的固结沉该区最大可靠地震加速度曲线作为基底输入地震。降的影响。32 岩土工程界第11卷第9期探讨与分析表1坝料物理指标干密度湿密度饱和密度浮密度孔隙率饱和度含水量土料名孔隙比相对密度/t·m-3/t·m-3/t·m-3/t·m-3/%/%/%粘性土1175210501630381585151915砂卵石2110213521401141012301815510018表2青山嘴水库土石坝静力分析参数(修正Duncan-Chang模型)土料名C/kPaφ/°knRfkwKbm粘性土391525182177197013801745356125013砂卵石481439123102418601487017472050720012表3青山嘴水库土石坝动力分析参数最大剪模最大阻尼渗透系数mab系数K系数DK/m·s-12maxmax100132135×10910010700131103×10-310100105013(2)地震作用动力分析:在地震作用下,土石坝内的关键点处(图2)的孔隙水压力增长和消散曲线如图6所示,坝顶1点处的沉降曲线如图7所示,加速度反应曲线如图8所示。图9、10给出了地震作用10s后的孔压等值线图和孔压比分布图。为013,这是由于孔压比为孔隙水压力与上覆有效从图8可见,坝体内的加速度反应曲线与输入应力之比,坝体内孔压大并不表示孔压比大,孔压比的地震加速度曲线相比有一放大现象。即使地震结还与上覆有效应力有关。坝体内的孔压发展到9～束后,坝体内由于惯性仍存在着不可忽略的振动,此刻坝体的振动频率约为0175Hz,土体内的余振仍造12s时为最大,然后逐渐消散,约100s后,消散基本成了坝体内的孔压继续上升至最大值,此时上升与上结束。由于粘土心墙的阻尼作用较大,而渗透系数很小,造成了心墙内部的孔压增长和消散较缓。消散速度相同,然后才逐渐降低。当地震结束后,坝体内的孔压普遍随消散而下降,但粘土心墙内仍存在着较大的孔压,并且心墙内的某些部位(如图6中的7点)的孔压随心墙内部孔压的消散调整不是下降,而是继续增加。图5静力分析时应力矢量从以上的分析可见,青山嘴水库土石坝在8级地坝体内的孔隙水压力分布呈半圆状,最大孔压震作用下,由于其坝壳料渗透性大,孔压消散快,出现发生在上游坝壳中部底处,约为140kPa,这是由于液化的可能性很小,坝体内出现的最大孔压比约为坝壳料的抗液化能力较粘土为小,且下部的有效应013。坝顶处由孔压消散引起的固结沉降量约为力也较大的缘故;孔压比主要分布在上游坝壳内,约812mm,这是由于坝体内孔压发展水平较低的缘故。33 探讨与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.9从上表的对比分析可见,坝壳料的渗透系数大小对孔压增长和消散有很大影响,渗透系数在110-3-4×10～110×10m/s内变化时,最大孔压的变化由140kPa增加到240kPa,变幅达71%。而粘土心墙渗透系数的变化(对比方案二)对坝体内孔压发展影响很小,坝体内的孔压增长和消散过程与对比方案一的过程几乎没有变化,同时孔压场的分布规律与对比方案一的完全一致。5结论本文将饱和土体固-液两相介质理论应用于青413坝壳料渗透性对坝体液化的影响山嘴水库粘土心墙土石坝的动力稳定分析中,经过由于坝体孔隙水压力的增长和消散引起的变二维的固-液两相介质饱和土体的动力响应分析可化,是动力分析的根本,而其决定性的因素是坝体材得:料的渗透系数。本文就坝体材料渗透系数变化如表(1)从地震作用的动力分析结果看,坝体内可4所示作了进一步分析。能出现的最大孔压比为013,因此,出现液化的可能表4对比方案参数变化性不大;渗透系数K/m·s-1(2)坝体材料渗透性对坝壳内孔压增长和消散-3初始方案对比方案一对比方案二有明显影响。当坝壳料的渗透系数由10降为粘性土2135×10-9-9-10-42135×102135×1010m/s时,最大孔压由140kPa增加到240kPa,大坝壳砂卵石1103×10-3-4-41103×101103×10约增长了71%,最大孔压比由013增加到0145,但坝体仍处于稳定状态,而心墙土料渗透系数的变化图11为坝内土体在地震作用下的孔压增长和消散曲线。图12为地震作用10s时的孔压比分布图。对坝体孔压场的影响甚微。参考文献[1]ZienkiewiczOC,BettessP.Soilsandothersaturatedmediaundertransientdynamicconditions:Generalformulationandthevalidityofvarioussimplifyingassumptions[C].SoilMechanicsTransientandCyclicloads,Chapter1,1982,JohnWiley&sons,Ltd.[2]谢定义.土动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.[3]沈珠江.饱和砂土的动力渗透变形计算[J].水利学报,1980,(2).[4]徐志英,周健.土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散三维动力分析[J].地震工程与工程震动,1985,(4).[5]盛虞,卢盛松,姜朴.土工建筑动力固结的耦合振动分析各种对比方案的孔压发展规律和分布规律与初[J].水利学报,1984,(12).始方案一致。表5为各方案的对比情况。[6]SaasakiY,TaniguchiE.Shakingtabletestsongraveldrainstopre2ventliquefactionofsanddeposits[J].SoilsandFoundations,表5各方案的孔压发展情况对比1982,22(3).初始方案对比方案一对比方案二最大孔压/kPa140240214作者通讯地址:广州市东环路四号大院科研楼二楼邮编:最大孔压比013001450145510080坝顶沉降/mm8117121961310334