超孔隙水压力下高土石坝稳定的地震响应分析

作     者：李姝钰 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡良明

授予年度：2021年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：有限单元法 糯扎渡大坝 影子坝 超孔隙水压力 动力响应 峰值加速度 

摘      要：近年来随着国家对清洁能源开发利用的不断推进,我国已建和在建了一批大型水利工程,土石坝由于其诸多优点,被广泛修建。近年来我国修建了许多高度超过200m的土石坝。而我国水能丰富的西南地区处于太平洋板块与欧亚板块的交界区域,地震活动频繁,因此对高地震烈度地区的土石坝在地震作用下稳定性分析尤为重要。本文基于土石坝有限元理论,利用有限元软件Geo-Studio建立了糯扎渡大坝和影子坝的有限元计算模型,重点分析了耦合孔隙水压力作用下,不同心墙形式、不同水位、不同峰值加速度在地震作用下高土石坝超孔隙水压力和应力位移之间的关系,共计算了八种工况,论文主要研究内容及结论如下:(1)论文分析了孔隙水压力与土石坝的地震动力响应研究现状,根据渗流计算理论及土体静力动力计算原理,建立了高土石坝数学计算模型。(2)提出了影子坝的概念,利用Geo-Studio构建了高土石坝及影子坝有限元计算模型。结果表明:糯扎渡大坝与影子坝孔隙水压力基本相同,随水位升高,土石坝的水平位移、竖向位移、最大主应力和最小主应力均增加。糯扎渡大坝从防渗效果、应力及位移大小等方面要比影子坝更具有优势,从优化角度表明糯扎渡水库选用直心墙堆石坝是非常合适的。(3)在地震作用下,超孔隙水压力最大值位置与孔隙水压力分布有关,在孔隙水压力降低最快的区域,超孔隙水压力最大;在孔隙水压力为0的水压线上游的心墙部分,最大有效应力和最小有效应力随着地震持续逐渐减小,心墙上下游临界面容易发生水力劈裂;在超孔隙水压力最大值附近,有效应力降低最为明显,位移集中现象显著,可能产生液化和裂缝,应重点关注。(4)随着水位的增加,有效应力降低,水平位移和竖向位移逐渐减小,库水对于坝体位移有一定的限制作用,超孔隙水压力变化不大。随着地震峰值加速度的增加,应力、位移和超孔隙水压力均增加,有效应力减小,心墙上下游临界面的最小有效应力减小,容易发生水力劈裂,土石坝心墙超孔隙水压力增大,最大值处更容易产生水力劈裂和液化。(5)与糯扎渡大坝相比,影子坝的超孔隙水压力在心墙上部比糯扎渡大坝大,在影子坝心墙和反滤料交界处的拐点附近,超孔隙水压力、应力、有效应力有集中现象,对土石坝的稳定性产生不利影响。影子坝对超孔隙水压力的敏感性更强。(6)在地震作用下,水位对于糯扎渡大坝的影响较小,对影子坝影响相对较大;地震峰值加速度的变化对土石坝影响较大;超孔隙水压力最大值处的有效应力降低明显,位移集中严重,应注重心墙上下游交界处和心墙中心2/3坝高处的稳定性;与糯扎渡大坝相比,影子坝在斜心墙上下游交界处更容易产生裂缝,证明糯扎渡大坝的抗裂性要比影子坝好。因此,糯扎渡大坝无论从防渗效果、应力及位移大小还是从抗震性能、超孔隙水压力大小、坝体稳定等方面要比影子坝更具有优势,从而表明糯扎渡水库选用直心墙堆石坝是非常合适的。