（水利工程专业论文）土石坝压重体对大坝稳定影响研究.pdf

! 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主缝丞丛日期： l 驮s 、w 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：豳师签名：嗨 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章概述1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 研究现状1 1 3 研究方法2 第二章基本资料2 2 1 工程简介3 2 2 地形地貌3 2 3 心墙砂壳坝坝体质量4 2 4 坝基工程地质条件4 2 5 地震情况6 第三章静力分析7 3 1 水库大坝基本情况7 3 2 基本模型及参数8 3 3 长度对大坝稳定的影响8 3 4 高度对大坝稳定的影响1 2 第四章动力分析一1 4 第五章变形分析3 2 第六章结论3 4 成果推广及应用3 6 结语3 8 参考文献4 0 至l 【谫f 4 2 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 摘要 水库在防洪和兴利方面都发挥了巨大效益。在水库大坝发挥巨大效益的同时，我国 的水库大坝的安全问题也越来越突出，我国现有水库中有不少是在“大跃进”期间兴建 的，属于“三边”工程，绝大部分属于三类坝。 土石坝中粘土心墙坝占很大比例，由于历史原因，大部分砂壳回填密实度低，不能 满足规范要求的相对密度不小于0 8 的要求，而且许多坝坝基也为砂型地基，未做基础 处理，其天然密实度也达不到规范要求，不能满足抗震、液化的要求，对大坝安全构成 极大危害。 对于砂壳及坝基砂层加固措施中，在大坝上游坝脚进行抛石压重是比较有效、经济 的办法，也是设计人员最为常用的工程加固措施，但规范及设计手册均未规定压重长度、 高度的取值，特别是存在坝基砂层的情况下，如何确定压重的尺寸，即保证工程的安全， 也达到节约投资目的，是土石坝设计工作中急切需要解决的问题。压重尺寸偏小，不能 产生足够的抗滑力及对砂层的压应力，不能彻底解决土石坝安全隐患，压重尺寸过大， 不仅会增加工程投资，也会增加工程工期和施工难度，因此，压重的设计对土石坝的安 全至关重要。 本文选择较为典型的山东牟山水库心墙坝进行研究，该水库为山东省大二型水库， 大坝全长5 8 7 0 m ，其中心墙坝段长1 0 0 0 o m ，其除险加固工程为省重点加固工程。大坝 为心墙砂壳坝，最大坝高2 0 o m ，其地基为典型双元地基。坝基砂层厚度6 0 - - 8 o m ， 砂壳和坝基砂层密实度小于0 6 ，远不能满足规范要求。 针对该工程的特点，为寻求方案合理、技术可行、投资省且施工便利的设计方案经 全面调研及深入分析论证，首次采取建立等效线弹性模型和液化变形模型，提出了“土 石坝压重体对大坝稳定影响研究”研究课题。 关键词：土石坝压重体，大坝稳定，牟山水库。 i i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e r v o i rt a k eag r e a ta d v a n t a g ei nf l o o dc o n t r o l & w a t e r c o n s e r v a n c ym e a n w h i l e s a f ep r o b l e m sa p p e a ra n db e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s m a n yr e s e r v o i r si no u rc o u n t r y w e r ec o n s t r u c t e di nt h ep e r i o do ft h eg r e a t l e a p m o s to ft h e ma r ed a n g e r o u sd a m s m a n ye a r t ha n dr o c k f i l ld a m su s ec l a yc o r ew a l l m o s to fs a n ds h e l lh a v el o wd e n s i t y a n dc a n n o tm e e tc r i t e r i o n st h a td e m a n dr e l a t i v ed e n s i t yg r e a t e rt h a n0 8 m a n yd a ma r eb a s e d o ns a n d t h e s eu n s e t t l e df o u n d a t i o n sc a n n o tm e e tt h e d e n s i t yd e m a n do fc r i t e r i o n st o o b e c a u s ei tc a n n o tm e e tt h ed e m a n do fa n t i s e i s m i ca n dl i q u e f a c t i o n ，i te n d a n g e r st h ed a m s i ti se f f e c t i v ea n de c o n o m i c a li nt h er e i n f o r c em a n a g e m e n t st os a n ds h e l la n ds a n d l a y e r d u m p i n gs t o n et ow e i g ht h ed a mt o eo nt h eu p s t r e a mo fd a m t h et o ew e i g h tl e n g t ha n d h e i g h ta r en o td e f i n e di nc r i t e r i o n sa n dd e s i g nh a n d b o o k s e s p e c i a l l yw i t hs a n dl a y e ri nd a m b a s e ，i ti ss t r o n g l yd e m a n dt ob er e s o l v e dh o wt od e t e r m i n et h es i z eo ft o ew e i g h ti no r d e rt o e n s u r et h es a f e t ya n ds a v et h ei n v e s t m e n t i fw e i g h ts i z ei s s m a l l ，i tc a n n o tp r o v i d ee n o u g h a n t i s l i d i n gf o r c ea n dp r e s s u r es t r e s st os a n dl a y e r ；i fw e i g h ts i z ei sl a r g e ，i tw i l li n c r e a s et h e i n v e s t m e n t ，p r o j e c tp e r i o da n dc o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t y i naw o r d ，w e i g h td e s i g ni sv e r y i m p o r t a n tt ot h es a f e t yo fe a r t ha n dr o c k f i l ld a m w ec h o o s et h ec l a s s i c a lc o r ew a l ld a mo fm u s h a nr e s e r v o i ri ns h a n d o n ga st h eo b j e c t o fs t u d y t h i sr e s e r v o i ri sc l a s s e dt ol a r g ei ii ns h a n d o n g i ti s5 8 7 0m e t r e si nl e n 鼬w i t h c o r ew a l ld a mw h i c hi s10 0 0m e t r e si nl e n g t h t h ed a mi sc o r ew a l la n ds a n ds h e l ld 锄i ti s 2 0m e t r e si nt h em o s td a m h e i g h t i t sf o u n d a t i o ni sc l a s s i c a ld o u b l eb a s e s a n dl a y e ri sf r o m6 t o8m e t e r si nt h i c k n e s s t h ed e n s i t yo fs a n ds h e l la n ds a n dl a y e ri ss m a l l e rt h a n0 6 t h a t c a n n o tm e e tt h ec r i t e r i o n s i no r d e rt of i n df e a s i b l e ，s a v i n ga n dc o n v e n i e n td e s i g ns c h e m e ，w eb u i l dt h e e q u i v a l e n t l i n e a re l a s t i cm o d e la n dl i q u e f a c t i o nd e f o r m a t i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tc h a r a c t e r s a n db r i n gt h er e s e a r c ht o p i cf o r w a r d i v k e y w o r d ：e a r t ha n dr o c k f i l ld a mw e i g h t ，d a ms t a b i l i z a t i o n ，m u s h a nr e s e r v o i r 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 问题的提出及研究意义 水库在防洪和兴利方面都发挥了巨大效益。在水库大坝发挥巨大效益的同时，我国 的水库大坝的安全问题也越来越突出，我国现有水库中有不少是在“大跃进”期间兴建 的，属于“三边”工程，绝大部分属于三类坝。 土石坝中粘土心墙坝占很大比例，由于历史原因，大部分砂壳回填密实度低，不能 满足规范要求的相对密度不小于0 8 的要求，而且许多坝坝基也为砂型地基，未做基础 处理，其天然密实度也达不到规范要求，不能满足抗震、液化的要求，对大坝安全构成 极大危害。 对于砂壳及坝基砂层加固措施中，在大坝上游坝脚进行抛石压重是比较有效、经济 的办法，也是设计人员最为常用的工程加固措施，但规范及设计手册均未规定压重长度、 高度的取值，特别是存在坝基砂层的情况下，如何确定压重的尺寸，即保证工程的安全， 也达到节约投资目的，是土石坝设计工作中急切需要解决的i 口- i 题。压重尺寸偏小，不能 “ 产生足够的抗滑力及对砂层的压应力，不能彻底解决土石坝安全隐患，压重尺寸过大， 不仅会增加工程投资，也会增加工程工期和施工难度，因此，压重的设计对土石坝的安 全至关重要。 本文选择较为典型的山东牟山水库心墙坝进行研究，该水库为山东省大二型水库， 大坝全长5 8 7 0 m ，其中心墙坝段长1 0 0 0 o m ，其除险加固工程为省重点加固工程。大坝 为心墙砂壳坝，最大坝高2 0 o m ，其地基为典型双元地基。坝基砂层厚度6 0 8 o m ， 砂壳和坝基砂层密实度小于0 6 ，远不能满足规范要求。 针对该工程的特点，为寻求方案合理、技术可行、投资省且施工便利的设计方案经 全面调研及深入分析论证，首次采取建立等效线弹性模型和液化变形模型，提出了“土 石坝压重体对大坝稳定影响研究与应用”研究课题。 1 2 研究现状 在土石坝的除险加固设计过程中，压重设计参数一般按以往工程设计经验确定，根 山东大学硕士学位论文 掘我省第三、四批水库除险加固工程设计，压重的长度取值一般在1 0 m 左右，也有的 取坝高的1 3 ，高度一般取3 - - 5 m ，一直未有一个可靠的研究支持压重尺寸的确定。 1 3 研究方法 本课题研究主要从静力计算、动力计算、变形分析三方面进行，静力计算是按照拟 静力法研究大坝滑弧稳定影响因素，动力计算是采用地震反应谱方法研究砂层液化稳定 影响因素，变形分析是研究砂层液化后其变形影响范围。 1 、静力计算 压重的长度、高度及砂层的内摩擦角是影响砂壳稳定和液化的主要因素。因此，本 课题以安丘市牟山水库心墙砂壳坝为研究坝型，建立静力计算模型，选取不同压重长、 高度指标，计算坝坡静力稳定安全系数，以研究他们各自对坝坡稳定的影响。 2 、动力计算 土石坝坝基地震液化分析包括静力计算、动力计算以及液化判定三个环节。静力计 算可以确定坝体和坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。在特定初始应力状态及给定 地震波作用下，坝体的地震反应可以通过动力计算分析得到。由静力和动力分析结果， 结合坝体和坝基材料动力试验参数可以对坝基液化进行判定。 采用加拿大岩土分析软件g e o s t u d i o 中q u a k e w 模块进行地震分析，动力分析中 土的本构模型采用等效线弹性模型，即在弹性的迭代计算中，每个单元计入与应变有关 的剪切模量和阻尼比，再求得与应变水平相应的剪切模量和阻尼比，这种方法就是所谓 等效线形迭代法。 3 、变形分析 当大坝坝基存在可液化砂层时，不论压重多长，位于压重下方的坝基砂层总是有一 部分液化剪应力比值大于允许值，遇到地震时，此部分砂体处于液化状态，其承载能力 将为零，其上部铺盖及压重将会下陷变形。因此，下陷变形是否会影响大坝坝脚的安全 稳定，是本节的研究内容。 本研究采用河海大学软件，以静力方法研究压重变形后的形态。为模拟出压重受其 下砂层变形的影响，我们建立液化变形模型，砂层抗剪能力和承载能力为零。 选取不同压重长度，建立液化变形模型，模拟液化剪应力比值大于允许值的液化区， 确定液化后边界范围。以选取合适的压重长度。 2 山东大学硕士学位论文 2 1 工程简介 第二章基本资料 牟山水库建成于1 9 6 0 年，位于安丘市西6 o k m ，是潍河支流一汶河中下游的一座 大型丘陵水库，流域面积1 2 6 2 k m 2 ，水库下游有安丘市、胶济铁路、2 0 6 国道、烟潍公 路和济青高速公路等。水库的主要功能是防洪、灌溉供水、工业供水和水产养殖。坝顶 轴线长度5 8 7 0 m ，兴利水位7 8 o o m 。心墙坝( 桩号2 + 8 0 0 - 3 + 8 0 0 ) 为宽心墙砂壳坝， 两岸阶地为均质土坝，最大坝高2 0 o m 。牟山水库所处的汶河流域位于东亚季风区，属 季风区大陆性气候。夏季多发生暴雨洪水。坝址位于汶河中游。坝址区河道宽阔，坝址 两端为残丘地形。坝址处为典型的双元地层，上层为厚度为2 o m 的人工铺盖或2 - - - - 3 m 的天然铺盖，下层为砾质中粗砂层，为主要的透水层，厚6 0 - - - , 8 o m ，再下为透水性较 弱的砂砾岩、粘土岩、砂岩等。该库1 9 6 0 年建成蓄水后，坝下即出现涌泉、沼泽等现 象。大坝心墙坝前砂壳相对密度较低，不能满足砂壳坝抗震要求，经过安全鉴定，大坝 砂壳不能满足抗滑稳定及抗震液化要求，大坝属于三类坝。 2 2 地形地貌 牟山水库地处山问堆积平原。坝址位于汶河中游。坝址区河道宽阔，坝址两端为残 丘地形。大坝右岸的大小牟山，主要是由岩浆岩组成的起伏不平的残丘，地形坡度小于 1 1 0 ，左岸地形较缓，由岩浆岩组成低平残丘。 坝址区河床宽约8 0 0 m ，底高程6 3 0 m 左右。河漫滩分布河流两侧，右岸宽约4 0 0 m ， 左岸仅2 0 - - - , 3 0 m ，滩顶面不平，高程6 4 o m 左右，由细砂和砾质中粗砂组成。河床呈不 对称型，右岸发育一、二级阶地。一级阶地宽约1 0 0 0 m ，阶面高程6 5 0 6 6 o m ，高出 河床1 o 2 0 m ，由砂壤土( 厚0 5 - - - 1 o m ) 、砾质中粗砂组成；二级阶地宽约1 3 0 0 m ， 阶面高程6 7 0 - - 6 9 o m ，阶地前缘明显，高出一级阶地2 0 m 。 山东大学硕士学位论文 2 3 心墙砂壳坝坝体质量 1 心墙 心墙土料为含少量砾中粉质壤土含少量砾重粉质壤土，褐色灰褐色，或相间分 布，土料不均匀。土中见有粗砂粒和砾石，局部见铁锰质结核。 心墙土料干密度范围值为1 6 1 1 8 1 9 c m 3 ，小值平均值为1 6 8 9 c m 3 ；标贯击数一 般为4 1 2 击，平均值为7 6 击，土体呈可塑硬塑状；渗透系数为6 7 1 0 书5 0 1 0 一c m s ，大值平均值5 0 1 0 一c m s ，属微透水性。粘粒含量为1 5 0 - - - 2 8 o ，平均 值为2 1 2 ；塑性指数为1 1 4 - - 1 6 8 ，平均值1 4 0 。心墙土料设计干密度为1 6 6g c m 3 ， 不满足者仅占2 7 ，现状心墙质量基本满足原设计要求。 2 砂壳 ( 1 ) 上游砂壳：砂壳料为砾质中粗砂，黄色，松散状，较纯。含水量为4 8 1 6 6 ； 干密度值为1 4 3 - - - 1 7 3 9 c m 3 ，平均值1 5 8 9 c m 3 ；渗透系数为8 2 1 0 一9 2 1 0 一c m s ， 具中等透水性；标贯击数为3 0 1 1 0 击，小值平均值为4 6 击，大部分呈松散状态， 少部分呈稍密状；相对密度为0 4 9 ，不满足地震烈度度条件下相对密度为0 8 0 的要 求。 ( 2 ) 下游砂壳：下游坝坡为草皮护坡，草皮稀疏，表层至下部约1 5 m 后的深度为 壤土。 砂壳料为含细粒土砾质中粗砂，黄色，松散，局部砂质不均，夹有灰褐色壤土团块。 含水量为6 4 9 8 ；干密度值为1 6 4 1 6 8 9 c m 3 ，平均值1 6 4 9 c m 3 ；渗透系数为 8 7 1 0 9 4 1 0 c m s ，具中等透水性。标贯击数为7 o 1 2 0 击，小值平均值为 7 7 击，呈松散稍密状态。相对密度为0 5 4 。 2 4 坝基工程地质条件 述： 4 1 土层分布规律及特征 ( 1 ) 全新统冲积堆积 主要为分布于主河槽段的砂层以及分布于二级阶地段表层的壤土。现白上而下分 壤土：浅灰灰黄色，软塑可塑，分布于二级阶地表层，分布桩号0 + 2 5 7 - - - 0 + 8 8 0 ， 山东大学硕士学位论文 层底高程6 5 8 0 - - - 6 8 4 0 m ，层厚0 8 1 9 m ；桩号1 + 9 7 0 - - 2 + 2 8 0 ，层底高程6 3 8 0 - - 6 5 5 0 ， 层厚0 5 3 2 m 。 砾质中粗砂：浅黄浅灰褐色，饱和，局部含少量土，分布桩号2 + 8 3 0 - - - 3 + 4 3 0 ， 层底高程5 9 1 0 - - - 6 2 5 0 m ，层厚0 9 0 - - 4 5 0 m 。该层砾质中粗砂标贯击数一般9 - 2 3 击， 平均值1 3 击，相对密度0 3 9 - 0 7 1 ，属松散中密状态；渗透系数为l o o m d 。 砾质粗砂：黄色浅黄色，饱和，砾石含量随深度而增多，上部含量一般1 0 ，直 径l 2 c m ，下部含量一般2 0 - - - 3 0 ，局部5 0 左右，直径3 6 c m ，局部大于l o c m ，成 分以石英和凝灰质砾石为主。分布桩号2 + 8 5 0 - - 3 + 7 8 0 ，层底高程5 5 7 0 - - 6 1 3 0 m ，层厚 2 8 0 - - - 5 7 0 m 。该层砾质粗砂标贯击数一般2 0 - - - 4 2 击，平均值3 1 击，相对密度0 6 0 o 7 1 ，属中密密实状态；渗透系数为l o o m d 。 ( 2 ) 上更新统冲积洪积堆积 主要分布于二级阶地。现自上而下分述： 壤土：上部一般浅黄黄褐色，孔隙发育并具黄土状性质；下部多呈浅黄色，可塑 状，粉粒、砂粒含量增多，并含姜石，直径一般l - - - - 3 c m ，偶含铁锰结核。分布桩号0 + 0 6 0 2 + 8 8 0 ，层底高程6 0 7 0 - - 6 6 6 0 m ，层厚0 8 1 3 o m 。该层壤土标贯击数一般4 1 l 击， 平均值6 击，可塑硬塑；渗透系数为0 8 m d 。 砾质中粗砂：黄色，浅褐黄色，上部稍密中密，夹中细砂薄层和中粗砂；中下部 中密密实，砾石含量一般2 0 ，局部4 0 - - - 5 0 ，其成分主要为石英、长石，其直径最 大可达6 l o c m 。分布桩号0 + 0 6 0 2 + 8 5 0 ，层底高程5 3 5 0 - - - 5 7 8 0 m ，层厚4 2 1 0 7 m 。 该层砾质中粗砂标贯击数一般1 5 3 4 击，平均值2 2 击，相对密度0 5 9 - - - 0 7 1 ，属中 密密实状态；渗透系数为5 0 m d 。 2 基岩分布规律及特征 在勘察范围内，基岩可分为白垩系青山组的粘土岩、砂岩、砾岩；燕山晚期石英斑 m 石o ( 1 ) 基岩 1 ) 、白垩系青山组 粘土岩：紫红色，泥质胶结，局部见条带状方解石细脉，风化呈土状，分布于桩号 1 + 7 8 0 2 + 0 3 0 ，2 + 4 8 0 3 + 0 8 0 ，4 + 2 0 0 4 + 3 5 0 ，4 + 4 6 0 4 + 6 2 0 ，5 + 2 0 0 5 + 3 9 0 。 砂岩：紫红色，粗粒结构，泥质或钙质胶结，与粘土岩、凝灰质砾岩互层，分布于 桩号0 + 2 1 3 - - - 0 + 5 3 0 ， 1 + 5 3 0 1 + 7 8 0 ，4 + 6 2 0 - - 5 + 0 0 0 ，5 + 4 0 0 - - - 5 + 8 0 0 。 5 山东大学硕士学位论文 砾岩：棕红色，泥质或凝狄质胶结为主，次为钙质胶结，砾石成分为石英、变质岩、 火成岩碎块，砾径一般为2 - 3 c m ，最大l o a m ，磨圆度中等，分布于桩号1 + 1 3 0 一- - 1 + 5 3 0 ， 2 + 0 3 0 2 + 4 8 0 ，3 + 4 3 0 4 + 1 3 0 。，5 + 0 0 0 5 + 1 9 0 。 2 ) 、燕山晚期石英斑岩 石英斑岩：肉红色，块状结构，气孔状构造，受构造影响，劈理极发育，主要分布 于坝南头桩号0 + 2 1 3 以南，与白垩系地层呈断层接触。 ( 2 ) 风化程度 全风化带：风化严重褪色，原岩结构全部破坏，粘土岩、砾岩胶结物风化呈土状， 并具土的性质。不同岩性风化程度不同，砾岩全风化带厚度1 5 - - 8 3 m ，粘土岩、砂岩 全风化带厚度一般1 一- - 2 m ，最厚可达4 m ；石英斑岩仅0 6 m 。 强风化带：形似原岩，但结构大部受到破坏，岩心易碎，粘土岩岩芯虽呈长柱状， 但用手易折断。控制最大厚度砾岩为2 7 m ，粘土岩、砂岩为5 0 m ，仅在个别钻孔强风 化带被揭穿。 弱风化带：岩石较完整，粘土岩裂隙面附有黑色薄膜，砂岩孥硬，结构完整。 ( 3 ) 岩层透水性 勘察期间对岩层进行现场压水试验，基岩( 全风化带及强风化带) 透水率在0 1 5 6 l u 之间，透水量较小，属微透水弱透水层。 2 5 地震情况 据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 ) ，库区的地震动反应谱特征周期为0 3 5 s ， 地震动峰值加速度为0 2 0 9 ，相应地震基本烈度度。 6 山东大学硕士学位论文 3 1 水库大坝基本情况 第三章静力分析 牟山水库建成于1 9 6 0 年，以防洪为主，兼顾灌溉、城市供水、发电等综合效益为 一体的大( 二) 型水库。水库总库容3 0 8 亿m 3 ，兴利库容1 2 0 5 亿m 3 ，兴利水位7 8 o o m 。 水库工程主要包括大坝、溢洪道与南、北放水洞、电站等工程。坝顶轴线长度5 8 7 0 m 。 坝型包括宽心墙砂壳坝和均质土坝。 特征水位： l 、设计洪水位：( 百年一遇) 7 9 0 6 m 相应最大下泄流量3 9 3 0 m 3 s 2 、校核洪水位：( 五千年一遇) 8 1 6 2 m 相应最大下泄流量：6 4 4 0m 3 s 3 、兴利水位：7 8 o m 4 、死水位：7 1 8 5 m 5 、溢洪闸底板高程：7 0 o m 图1 牟山水库大坝平面图 7 山东大学硕士学位论文 3 2 基本模型及参数 1 、基本坝型 计算坝体模型选取牟山水库大坝3 + 0 0 0 桩号的砂壳心墙坝为研究断面模型，坝高 1 6 2 m ，坝项宽7 6 m ，坝顶高程8 3 o m ，上游坝坡1 ：2 7 5 ，上游戗台高程7 3 o m ，宽2 0 m ， 下游坝坡1 ：3 。 j m - 图2 大坝计算模型横断面图 计算方法采用简化毕肖普法。 计算工况取正常运行工况及地震工况，上游库水位7 8 o m ，下游水位平地下水位。 2 、基本参数 根据牟山水库除险加固地质报告，选取计算断面计算参数。 表1选取断面计算参数 湿容重凝聚力 内摩擦角 位置地层岩性 ( g c m 3 )( k p a )c c ) 上游坝前砂壳 2 0 7o3 0 下游坝后砂壳 1 7 5o3 0 0 心墙粘土 2 0 13 2 6 82 6 0 坝基砾质粗砂2 1 803 2 o 3 3 长度对大坝稳定的影响 本节中先拟定压重的高度为4 o m ，压重高度与坝高之比为1 ：4 0 5 ，砂壳内摩擦角 为2 5 3 4 0 c ，取不同的压重长度，也即取不同的压重长度与坝高比，计算砂壳坝坡的稳 定安全系数。 压重长度分别取0 ，5 5 ，7 0 ，8 5 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 5 o m 。 砂壳内摩擦角分别选取2 5 ，2 8 ，3 l ，3 4 0 c 。 8 山东大学硕士学位论文 大坝稳定计算滑弧典型图如下： 图3 大坝稳定计算滑弧典型图 大坝为2 级建筑物，根据碾压式土石坝设计规范( s l 2 7 4 2 0 01 ) 规定： 大坝正常运用情况安全系数1 3 5 ，地震工况安全系数1 1 5 。 计算采用简化毕肖普法 k=(w-+v)seca-豇lubs瓦eca叼tan面tp+瓦cbs沥eca可10+tanottanqgk) w 一土条重量； q 一水平地震惯性力； v 一垂直地震惯性力( 向上为负，向下为正) ； u 一作用于土条底面的空隙压力； q 一条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角； 卜土条宽度； c 、巾一土条底面的有效应力抗剪强度指标； m c 一水平地震惯性力对圆心的力矩； r 一圆弧半径 依据上公式计算时，应遵守以下规定： 1 、静力计算时，地震惯性力应等于零。 2 、施工时，坝体条块为实重( 由设计干容重加含水率求的) 。如坝基有地下水存在 时，条块重w = w i + w 2 。w 1 为地下水位以上条块湿重，w 2 为地下水位以下条块浮重。 若采用有效应力法，空隙压力u 应用uo yw z 代替，uo 为施工期空隙压力，由碾压 式土石坝设计规范中公式( 8 3 6 ) 求得，yw 为水的容重，z 为条块底部中点至坡外 水位的距离( 见碾压式土石坝设计规范图d 2 1 ) 。若采用总应力法，条块重同上， 空隙压力u = o ，c 、巾应用c u 、由u 代替。 3 、稳定渗流期用有效应力法计算，空隙压力u 应用u yw z 代替。u 为稳定渗流 期的空隙压力，条块重w = w i + w 2 ，w 1 为外水位以上条块实重，侵润线以上为湿重， 山东大学硕士学位论文 侵润线和外水位之i 瑚为饱和重，w 2 外水位以f 条块浮重，其他符合同上款。 4 、库水位降落期，用有效应力法计算时，应按降落后的水位计算，方法同一l 款。 用总应力法时，c 。”巾c u 应采用碾压式土石坝设计规范图d 1 3 1 ( b ) 下包线；分 子采用库水位降落前条块重w = w l + w 2 ，w l 为外水位以上条块浮重，p 应用uj yw z 代替，ui 为库水位降落前孔隙压力。分母应采用库水位降落后条块重w = w i + w 2 ，w l 为外水位以上条块浮重，侵润线以上为湿重，侵润线和外水位之间为饱和重，w 2 外水 位以下条块浮重。 计算结果如下： 表2长度和安全系数的关系 长度 05 57 o8 51 01 52 5 与坝高比 00 3 40 4 3 20 5 2 50 6 1 70 9 2 61 5 4 3 安全系数 0 8 6 8 0 9 8 31 0 1 71 0 3 81 0 4 71 0 4 71 0 4 7 ( 2 5 ) 安全系数 1 0 5 11 1 9 11 2 3 l1 2 5 81 2 6 81 2 6 81 2 6 8 ( 2 8 ) 安全系数 1 1 91 4 11 4 51 4 8 51 4 9 61 4 9 61 4 9 6 ( 3 1 ) 安全系数 1 4 3 81 6 2 91 6 8 51 7 2 l1 7 3 51 7 3 51 7 3 5 ( 3 4 ) 续表2长度和安全系数的关系 长度 o5 57 o8 51 01 52 5 与坝高比 00 3 40 4 3 20 5 2 5o 6 1 70 9 2 61 5 4 3 安全系数 0 7 1 20 8 3 40 9 4 2 0 9 6 70 9 8 3 0 9 8 3 0 9 8 3 ( 2 5 ) 安全系数 0 9 8 21 0 11 0 2 l1 0 4 31 0 5 91 0 5 91 0 5 9 ( 2 8 ) 安全系数 1 0 3 11 0 7 81 1 0 21 1 2 21 1 3 41 1 3 41 1 3 4 ( 3 1 ) 1 0 山东大学硕士学位论文 安全系数 1 0 5 0 1 1 4 51 1 9 l 1 2 61 2 81 2 81 2 8 ( 3 4 ) 图4 压重长度与安全系数的关系 ( 括号内为大坝砂壳内摩擦角) 续图5 压重长度与安全系数的关系 ( 括号内为大坝砂壳内摩擦角) 度 山东大学硕士学位论文 从上表和图4 、5 中，可以看出： 1 、在长度1 0 o m 以下，即约0 5 0 6 倍坝高以内，坝坡安全系数与压重长度成正比， 长度大于1 0 o m ，坝坡安全系数不再随压重长度的改变而改变。 2 、随着砂壳内摩擦角指标的增加，坝坡安全系数也随之增加，但0 5 0 6 倍坝高转 折点不变。 3 4 高度对大坝稳定的影响 本节中先拟定压重的长度为1 0 o m ，压重长度与坝高之比为1 ：1 6 2 ，砂壳内摩擦 角为3 0 0 c ，取不同的压重高度，也即取不同的压重高度与坝高之比，计算砂壳坝坡的 稳定安全系数。 压重高度分别取o 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 ，1 2 o m 。 计算结果如下： 表3 高度和安全系数的关系： 高度 0234567891 2 与坝 o0 1 2 3o 1 8 50 2 4 70 3 0 9o 3 70 4 3 20 4 9 40 5 5 60 7 4 1 高比 安全 1 1 91 2 41 2 71 3 51 4 51 5 71 6 4 51 8 1 81 9 7 62 2 1 系数 1 2 山东大学硕士学位论文 图6 压重高度与安全系数的关系 从上表和图中，可以看出，坝坡安全系数与压重高度成正比。安全系数随压重高度 增加而增大，尤其是3 o 1 0 o m 之间，也即压重高度为0 1 8 5 , - - 0 6 1 7 倍坝高之间，安全 系数的增加较为明显，当压重高度为4 0 m 时，也即压重高度为0 2 4 7 倍坝高，坝坡安 全系数达到规范允许值，压重高度过高，投资过大，因此，压重高度为4 o m 时，也即 为0 2 4 7 倍坝高即可。 山东大学硕士学位论文 4 1 地震液化有限元分析 第四章动力分析 土石坝坝基地震液化分析包括静力计算、动力计算以及液化判定三个环节。静力 计算可以确定坝体和坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。在特定初始应力状态及 给定地震波作用下，坝体的地震反应可以通过动力计算分析得到。由静力和动力分析 结果，结合坝体和坝基材料动力试验参数可以对坝基液化进行判定。 采用加拿大岩土分析软件g e o s t u d i o 中q u a k e w 模块进行地震分析，动力 分析中土的本构模型采用等效线弹性模型，即在弹性的迭代计算中，每个单元计入与应 变有关的剪切模量和阻尼比，再求得与应变水平相应的剪切模量和阻尼比，这种方法 就是所谓等效线形迭代法。 4 1 1 静力分析 土体静力状态下的初始静应力对土石坝地震荷载作用下的动力反应有较大影响， 静力计算的目的是为了求出坝体与坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。 ( 1 ) 计算模型 土体静力状态下的初始静应力对土石坝地震荷载作用下的动力反应有较大影响， 静力计算的目的是为了求出坝体与坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。在有限元 静应力分析时，坝体及地基采用邓肯等人提出的非线性弹性的双曲线e v 模型。 e v 模型可以用下式表示： c丁。iy。=-。i。_。i莆-1 磊( q 一仃3 ) ， 切线弹性模量计算公式为：。 睢i 卜笔2 c 鬻2 0 rs i n 4 ，卜嘞c 黔p a i c o s + 3 l 、7 卸荷模量计算公式为： 1 4 山东大学硕士学位论文 e u r = k u r 嘞( 卺卜( 3 ) 卜丽d ( a , - o 3 ) 、2 i g 书崦( 暑) 式中： e t ：切线弹性模量； v 。：切线泊桑比； r f - 破坏比； 6 l 、仍：最大及最小主应力； g a ：轴向应变； k ：弹性模量数； n ：弹性模量指数； g 、f 、d ：泊桑比参数； p a ：大气压力； c 、q ：土体凝聚力及摩擦角。 ( 2 ) 计算参数 根据地勘报告中试验资料，确定有限元计算的各项参数，如弹性模量数k 、k u r ； 弹性模量指数n ；凝聚力c ；摩擦角；破坏比r f ；泊桑比参数g 、f 、d ，各参数取 值见表5 。 表5有限元静力分析参数表 位置 地层 湿容 邓肯模型参数 岩性 重 凝聚 内摩擦破坏模量模量 心墙力 角 比参数参数 泊桑比参数 壤土 r c d 由d r r kndg f 上游 砂壳 2 0 7o3 30 7 4 43 6 3 。10 4 9 85 1o 3 8 1 o 1 9 6 坝前 1 5 山东大学硕士学位论文 下游 坝后 砂壳 1 7 5 0 3 3 oo 7 1 43 2 3 60 5 3 65 o0 3 6 8o 1 9 4 心墙壤土 2 0 13 2 6 82 6 00 6 7 01 1 8 20 6 2 02 20 3 2o 1 5 0 砾质 坝基 2 1 803 4 00 7 6 83 4 1 60 5 4 65 90 3 5 40 1 8 3 粗砂 4 1 2 动力分析 ( 1 ) 计算原理 动力计算就是要求出坝体和地基的地震反应，以给出土体内的动剪应变y 和动剪 应力t 经过有限单元法离散化以后，坝体的动力平衡方程如下： 【m 6 ) + 【c 6 ) + k 】 6 ) = f ( 0 ( 5 ) 式中：【m 】，【c 】， k 】坝体的整体质量矩阵，整体阻尼矩阵和整体劲度矩阵； 苫) ， 吾) ， 6 坝体单元结点的加速度，速度和位移向量； f ( f ) 一结点动荷载 整体阻尼矩阵由各单元阻尼阵组成，单元阻尼阵定义为： 乩= q q 吼+ 成 尼 g ( 6 ) 式中k 】。k 】。和陆】。分别为单元q 的质量矩阵、阻尼矩阵和劲度矩阵；a 。，卢。由式 ( 3 ) 确定，即 协以一 ( 7 ) 峨= a , q 0 ) 1 式中，允。为q 单元的阻尼比；q 为震动体系的基本圆频率方程式( 5 ) 采用逐步积分法 进行求解。求解时考虑土的动力非线性，前已指出，土的剪切模量和阻尼比与剪应变 有很大关系，计算时也可按式g = 6 9 2 0 k ：仃：进行，k 2 为剪切模量系数，与相对密度 和应变幅值有关。 ( 2 ) 等效线形模型 在地基强烈震动的条件下，大多数土的应力应变关系都具有非线性性质，如图7 ，为 了能对土的复杂的动力特性作简化处理，把模型简化成一条直线的应力应变关系，即 连接l 和4 两顶点，就成为等效线形模型，这条直线的斜率即为等效剪切模量，用g 州 1 6 山东大学硕士学位论文 表示等效阻尼比a 钾由两部分组成，一是考虑加荷过程中滞回环线所产生的耗损部分 a 咖，可根据滞回环线面积确定：另一是实际的粘滞阻尼比 a 俯，a ，。= c 2 m o ) = 2 丽，全部阻尼比为两者之和，即旯叼= a 哪+ a 。，。 i c 万 么 2 7 i 3 y 图7 土的应力应变特性 由于g 和a 都随剪应变幅值而变化，因此，应当采用迭代法进行分析：先假定在整个 过程中g 和a 均为常数，然后求出各土层的平均剪应变歹，再根据试验求得的g y 关 系曲线查得对应于歹的g ，a 值重新计算。这样反复迭代，直到所得的歹与g 和a 相 互协调为止。 ( 3 ) 计算参数 根据地勘报告中试验资料，确定分析计算的各项参数，具体有凝聚力c7 、摩擦角 ，、饱和容重、泊松比、曲线方程采用固结比k c = 1 5 ，固结应力为1 0 0 k p a 时的试验 结果，包括剪切模量方程( 初始剪切模量g m 觚平均有效应力仃。) 、模量衰减方程 ( g g m 就循环剪应变y ) 、阻尼比方程( 阻尼比d 循环剪应变y ) 、循环周数方程 ( 循环周数n ，液化剪应力比f 。仃。) 、孔隙水压力比方程( 孔隙水压力比吒循环 周数比n n 。) 1 ) 剪切模量方程 对于砂土来说，剪切模量与平均有效应力的关系方程为： g 。= k 扣。 ( 8 ) 其中，k 是体积模量，由材料性质确定，仃。是平均有效应力 对于粘性土， g 一鲍5 d 函 ( o c t ) 厮 1 7 山东大学硕士学位论文 式中，p 一孔隙率；o c r 一超固结比；p a _ 大气压强；尼一与塑性指数有关，后：坐，p i 为塑性指数 2 ) 剪切模量衰减方程 剪切模量随着剪应变的增大而减小，用剪切模量比g g 一表示剪切模量g 随剪应变， 的变化，具体方程如下： 导= k ( r ，p ) ( o - m ) 叫y ，雌 ( 1 0 )