混凝土坝—地基体系整体稳定地震易损性分析和抗震安全评价

发布时间：2020-10-14 09:19

　　 我国已建、在建和拟建的高坝工程的规模和数量在世界上都是史无前例的。这些高坝的建设主要集中在区域构造稳定性较差的西部强震区,其中大部分为混凝土坝,其抗震安全性至关重要,大坝抗震安全评价是工程设计中的关键技术难题。地震作用下高混凝土坝坝体连同部分地基整体滑动的失稳破坏是其主要的破坏模式之一。本文以高混凝土坝-地基系统整体抗震稳定安全评价为研究目标,在考虑地震作用和坝基岩体内控制性滑动块体滑裂面力学参数不确定性基础上,建立高混凝土坝-地基系统整体有限元模型,分别对混凝土重力坝和拱坝开展了混凝土坝-地基体系整体稳定地震易损性分析,并构建了基于概率的混凝土坝-地基体系整体稳定的抗震安全评价的初步框架。主要研究成果如下:(1)改进并推导了可以考虑残余凝聚力的动接触力模型。针对混凝土重力坝坝基地震抗滑稳定性能的分析,采用改进的动接触力模型,研究了残余凝聚力对坝基交界面处残余滑动位移、滑动开裂长度、最大张开位移和坝体应力的影响,结果表明考虑残余凝聚力能够使重力坝坝基地震滑动稳定控制设计更加合理、经济。(2)建立了混凝土重力坝和拱坝坝体-地基体系有限元模型,对于重力坝,考虑地基深层滑块滑裂面接触非线性;对于拱坝,在将坝体-地基作为一个体系的基础上,综合考虑了坝体横缝、坝肩可能滑动岩体的边界、坝底与地基交接面等处接缝的局部开合与滑移以及坝体和地基的动力相互作用等各项因素的影响,基于增量动力分析方法(Incremental Dynamic Analysis,IDA),开展了接触面上抗剪强度参数对混凝土坝-地基体系地震整体滑动稳定性的参数敏感性分析,提出了采用残余滑动位移和滑动面积比作为评价指标的混凝土坝地震滑动失稳水平的评价方法,定量地评价了各抗剪强度参数在混凝土坝-地基体系地震整体抗滑稳定中的相对重要性,揭示了抗剪强度参数对重力坝深层滑动失稳和拱坝坝肩失稳破坏过程的影响机理。(3)在(2)所建立的模型基础上,考虑滑裂面抗剪强度参数的不确定性,通过采用拉丁超立方抽样方法生成分析样本,基于IDA方法,开展了混凝土坝坝体-地基体系的地震抗滑稳定参数不确定性分析。发现了由于抗剪强度参数的随机性导致混凝土地震滑动失稳破坏不同阶段存在不同程度的变异性。对于拱坝-地基体系,基于残余滑动位移和滑动面积比评价指标,讨论了抗剪强度参数的变化对拱坝坝肩地震抗滑稳定性能变异性的影响,发现了滑动面积比指标能够更全面地呈现出滑动面滑动发生和发展的全过程,而残余滑动位移更直观的呈现出滑块发生滑动的最终结果,两者均可作为评价拱坝坝肩地震抗滑整体稳定性的一个方便的、有效的指标。无论是混凝土重力坝还是拱坝,地震作用下,其特征点残余滑动位移或滑动面积比的IDA曲线整体平均值、50%分位数值与基本参数模型下的结果表现出较好的一致性。(4)基于(3)所得到的计算分析结果,引入地震易损性分析的概念,给出了混凝土坝地震易损性分析流程,提出采用残余滑动位移和滑动面积比平均IDA曲线上的拐点界限值作为混凝土坝的地震滑动稳定性能水平划分准则,分别定义了重力坝和拱坝-地基体系整体地震滑动失稳破坏过程中相应的性能水平,依据所给出的地震易损性分析流程,绘制了不同性能水平下的重力坝和拱坝-地基体系整体滑动稳定地震易损性曲线,进一步比较分析了考虑和不考虑残余凝聚力的地震易损性曲线的区别。基于所得的地震易损性曲线,对设计地震和最大可信地震作用下,不考虑和考虑残余凝聚力的混凝土重力坝和拱坝-地基体系地震整体稳定性能进行了分析,为混凝土坝坝体-地基体系的抗震安全评价提供参考依据。(5)基于所获得混凝土坝-地基体系整体稳定地震易损性曲线解析函数,通过引入幂指数函数的形式来描述地震危险性曲线,结合所构建的概率地震需求模型,得到了地震危害性分析的解析函数,基于此以实际工程为例,对混凝土重力坝和拱坝-地基体系整体稳定进行了地震危害性分析,给出了重力坝和拱坝-地基体系在设计基准期限内到达不同性能水平的概率,为其在极限地震下的抗震安全评价提供了科学依据。
【学位单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV642;TV312
【部分图文】：

能资源蕴藏量，具有高达５．４２亿ＫＷ和４．０２亿ＫＷ的技术和经济可开发量，两者均处??于世界首位。我国水资源具有空间分布不均和时程变化的两大特点，全国水土资源由于??受到季风性气候的影响导致其分布很不平衡，图１．１给出了我国水能资源分布情况。为??了合理地充分开发利用这些水能资源和合理地实施水资源优化调配，我国已建、在建和??拟建的高坝工程的规模和数量在世界上都是史无前例的。重大水利工程不仅在传统的防??洪、供水、灌溉、发电、航运等方面作用显著，还在除害兴利方面、保障经济增长、促??进区域协调发展和改善民生、脱贫攻坚等方面发挥了重要作用，有力地保证了国民经济??的健康发展。??我国水能资源分布图??ｊ?＾?ｗ?ｃ＇??＇?、－＇?１．８％??．．；?＜?＾?．Ａ?＾??一一）１２－ｓ％??７。，ｊ：麵，１??Ｈ，ｖ?■??＾?（ｎ４ｉａ??ｍ？■丨??图１．１我国水能资源分布图??目前，我国己有的水库大坝数量在世界排名第一，大约有９．８万余座，其中超过９５％??以上的是２０世纪８０年代以前建设的老坝。同时

针对各种抗侧力结构体系提出了不同性能水平下的水平偏移阈值［ｉｍｉ９］。１９９９??年Ｋｒａｗｉｎｋｌｅｒ给出了基于性能的抗震设计的整体框架，确定了基本流程、概念和一些关??键的问题，见图１．２。在１９９５年阪神地震后，日本成立了新建筑构造体系综合委员会，??开始了为期三年的研究项目“新建筑结构体系开发”?［１２Ｑ］。同时，建立了?“新构造体系??促进会议”用来推进项目的进程。Ｐ〇ｒｔｅｒ［１２１］提出了针对特定建筑物的地震易损性评估方??法，其能够评估维修费用、维修时间成本以及作为反应谱加速度的函数的使用损失成本。??Ａｓｌａｎｉ?ａｎｄＭｉｍｎｄａ［１２２］通过采用年度经济损失作为指标提出了一种基于构件的框架结构??抗震性能评估方法。Ｍｉｔｒａｎｉ－Ｒｅｉｓｅｉ？采用所提出的基于性能的抗震设计的解析方法对一种??新的钢筋混凝土建筑物的性能进行了评价。该方法能够对由于修复费用所导致的直接损??失以及由于建筑停工和人员伤亡导致的间接损失进行评估。??我国地震工程也对该理论以及其在规范的应用进行了研究和讨论。国内众多的高校??研究者或者研宄机构针基于不同的设计方法开展了一系列的研宄，并将将取得的成果在??建筑结构和桥梁结构上得到了广泛的应用［１２３＿１２６］。随着该理论和方法的在工程实践中的??广泛的应用，且该理论的不断地快速发展，以及我国水利水电工程的建设需求和快速建??设，研宄者逐渐将研究方向转移至将基于性能的抗震设计理念引入至水利水电工程，以??期为我国水利水电工程的建设的抗震安全提供更稳固的保障以及保证可持续化的经济??发展和长远的社会效益。陈厚群［１

可以得到采用最大似然估计法求得的结构地震易损性曲线（图２．１（ｂ）），该方??法具有以下几个特点：（ｉ）式（２－２３）中采用的是对数累积分布函数，在不改变拟合方法前??提下也可以换成其他的分布函数；（ｉｉ）该方法不需要针对每一级感兴趣的地震动强度开展??多个地震动作用下的结构动力响应分析，即表明每一级地震动数量％可以取值为１，这??使得它能被更加方便地应用；（ｉｉｉ）该公式的前提是假设每一级地震动强度下的结果是相??互独立的，当采用相同的地震动时候，这种独立性并不严格满足，然而事实证明适当放??这立［２５１］。??

本文编号：2840468