高土石坝地震加速度分布研究
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[ 2, 3] [ 1]
, 得到的结论是: 坝
高一定时, 随着坝体剪切波速的增加 , 大坝各个相 对高度处地震加速度数有所增大 ; 剪切波速一定
1290
哈
尔
滨
工
业
大
学
学ห้องสมุดไป่ตู้
报
第 40 卷
时 , 随着坝高的增加, 大坝各个相对高度处地震加 速度有所减小, 同时加速度的分布也有了变化 . 本 文根据文献 [ 2] 的研究思 路, 对 坝高为 40 、100 、 150和 250 m 土 石坝地 震加速 度分布 进行 了研 究.
第 40卷
第 8期
2 0 0 8年 8 月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INST ITUTE OF TECHNOLOGY
V o l 40 N o 8 A ug. 2008
高土石坝地震加速度分布研究
张 锐, 迟世春, 林 皋
( 大连理工大学 抗震研究所 , 辽宁 大连 116024, E-ma i: l rzhang0411@ 163. co m)
/P a ) ,
3
n
E t = KP a
Pa
1-
R f ( 1 - sin ) ( 2C cos + 2
m
n 3 si
)
2
.
求得大坝各相对高度处振型 数
i
、 振型参与系
[3 , 4]
体积模量为 B = K b P a ( 3 /P a ). 式中: K、 K ur、 K b、 m 和 n 为试验常数. 筑坝材料的模量衰减曲线 (实线 ) 和阻尼增长曲线 ( 点划线 )如图 3所示 . 在动力计算 过程中, 共选取了四种地震波输入, 如图 4所示.
n 3 3 n /P a , E ur = K ur P a ( 3 1
)
表 2 大坝几何参数
坝高 H /m 40 100 150 250 坝顶宽 a /m 8 12 16 20 坝底宽 b /m 156 382 571 945 1 1 1 1 上游坡度 c 1 9 1 9 1 9 1 9
i
下游坡度 d 1 1 8 1 1 8 1 1 8 1 1 8
摘
要 : 现行 DL5073- 2000 水工建筑物抗震设计规范 对土石坝地震动态分布系数的规定仅适合于 150 m
以下的土石坝 , 而目前土石坝的设计高度已远远大于 150 m. 为提出 150 m 以上土石坝 地震动态 分布系数建 议图 , 分别采用反应谱法和有限元法 , 研究高土石坝地震加速 度分布特征 , 提出 了 250 m 级高 土石坝 地震动 态分布系数建议图 , 对现行的 水工建筑物 抗震设计规范 进行了补充 . 关键词 : 高土石坝 ; 反应谱法 ; 有限元法 ; 地震动态分布系数建议图 中图分类号 : TV641 1 文献标识码 : A 文章编号 : 0367- 6234( 2008) 08- 1289- 03
以及加速度反应谱系数
i
后, 根据下式, 可 .计
求得坝体各相对高度处最大 地震加速度 算结果见图 2 .
n
va, m ax =
2 i i
n
1i= 1
+
i= 1
(
i
i
i
) vg, m ax .
2
由计算可见 : 对 150 m 以上高土石坝 , 其较大 的地震加速度出现在坝顶至 0 2 倍相对坝高处. 即地震加速度在坝体内总体反应不大 , 但在接近 坝顶时突然变大 , 表现出明显的局部放大现象 .
收稿日期 : 2005- 10- 24. 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目 ( 60639060) . 作者简介 : 张 林 锐 ( 1979 皋 ( 1929 ) , 男 , 博士研究生 ; ) , 男 , 教授 , 博士生导师 ; ) , 男 , 博士生导师 , 中国科学院院士 . 迟世春 ( 1964
弱震时大、 强震时小的基本特征. 为此 , 1997 年颁 布的 DL 5073- 1997 水工建筑物抗震设计规范 (简称 97 规范 )对此进行了修改. 97 规范规定, 坝 顶地震加速度动态分布系数 a m 在设计烈度为 7 、 8 、 9 度时 , 分别 取 3 0 、 2 5 、 2 0 . 但是 , 97 规范关 于地震动态分布系数的规定只适合于高 150 m 以 下的大坝. 目前土石坝工程实践中坝高已远高于 150 m . 例如我国拟建 的糯扎渡高心墙 堆石坝 坝高达 262 m, 前苏联的罗贡坝高达 325 m. Seed 曾经采用解析方法分析了不同高度的均匀三角形 坝体地震加速度分布系数
, 大坝网格剖分见图 5 . 堆石和黏土 为材料的重度,
- 3
心墙的计算参数见表 3 . 表中,
K 0为土压 力系数, 单位均为 k N m ; 黏聚力 C 的单位为 M pa . 坝体地震加速度分布见图 6 .
图 4 地震动输入 表 3 材料计算参数
材料 堆石 黏土 19 95 21 56 K 1491 388 K
Analysis of seis m ic acceleration distribution of high earth and rockfill da ms
ZHANG Ru,i CH I Shi chun , LI N Gao
( Institute of E arthquake Eng ineering , D alian U n iversity o f T echno logy , D alian 116024, Ch ina , E-m a i: l rzhang0411@ 163. com )
图3
( Gm ax /G ) - ,
-
关系图
第 8期
张
锐 , 等 : 高土石坝地震加速度分布研究
1291
2 2 实例计算 所选的坝型为黏土心墙堆石坝, 坝体的几何 参数同表 1 . 黏土心墙的顶宽与大坝顶宽相等, 上 游和下游的坡度取为 1 0 15 . 有限元网格的高度 取为 H /10
[ 8, 9]
图 2 大坝加速度分布
1 /2
2 有限元法
2 1 本构模型 采用邓肯-张 E-B 非线性弹性模型, 增量型应 力 - 应变关系可以表示成
x y [ 5~ 7 ]
: 0 0 E
x y xy
图 1 大坝构形图 表 1 坝底剪切波速
坝高 H /m 波速 V so /(m s
- 1
xy
3B + E 3B = 3B - E 9B - E 0
3B - E 3B + E 0
.
40 300
100 380
150 420
250 480
式中: E、 B 分别为弹性模量和体积模量 . 在计算过程中, 在不同的加卸载阶段 , E-B 非 线性弹性模型中的弹性模型 E 分别采用初始弹性 模量 E i、 切线弹性模量 E t 和卸荷以及重复加荷时 的弹性模量 E ur. 其表达式分别为 E i = KP a
Abstract : Dynam ic seism ic distrib utio n coefficien t suggested in th e present Code for Se ism ic Design o f H y draulic Structure ( DL5073- 2000) is suitab le for earth and rockfill da m s low er than 150 m. But at the pres ent t i me , m any earth and rockfill dam s to be constructed are h ig her than 150 m. In order to pu t for w ard a sug gested dynam ic se is m ic d istribut io n fig ure for earth and rock fill dam s h ig her than 150 m, se ism ic acceleration distrib ution characterist ics of h igh earth and rockfill dam s w ere studied based on the response spectrum m ethod and the finite elem ent m ethod respectively . A suggested dynam ic seism ic distribu tio n figure is proposed , w hich offers a supplem ent for th e presen t Code for Seism ic Desig n of H ydraulic Structure . K ey w ord s : high earth and rockfill da ms ; response spectrum m ethod ; fin ite e le m ent m eth od ; suggested dy nam ic se is m ic d istribut io n fig ure 1978年水电部颁布了 SDJ10 - 78 水工建筑 物抗震设计规范 ( 简称 78 规范 ) . 这是我国的第 一部水工建筑物抗震设计规范 . 规范第 23 条规 定 , 土石坝沿高度作用于质点 i 的水平地震惯性 力为 P i = KH C z iW i. 式中: KH 为水平地震系数, 当设计烈度为 7 、 8 、 9 度时 , 分别取 0 1 、 0 2 、 0 4 ; C z 为综合影响系数 , 取 0 25 ; W i 为质点 i的重量; 为地震加速度分布系数 . 78 规范提供的地震加 i 速度分布系数没有考虑坝顶地震加速度放大倍数
ur
图 5 网格剖分图
n 0 241 0 311 R K m 0 101 0 257 C 0 0 01 54 37 39 46 K
f
b
0
2236 5 582
0 719 0 755
683 206
0 5 0 5
图 7 地震动态分布系数建议图
参考文献:
[ 1] 赵剑明 . 高土 石坝 地震 反应 的三 维非 线性 有效 应力 分析 [ D ]. 北京 : 中国水利水电科学研究院 , 1999 . [ 2] SEED H B, A SCE M, M ART I N G R. The se ism ic coef fic ient in ea rth dam design [ J]. Journal of the So ilM e chan ics and F oundations D iv ision, ( SM 3): 25- 58. [ 3] 顾淦臣.. 土石坝地震工程 [M ]. 南京: 河海大学出版社, 1989 . [ 4] 中华人民共和国电力行业标准 DL 5073- 2000水工建筑物 图 6 大坝加速度分布 抗震设计规范 [ S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2000 . [ 5] 龚晓南.. 土塑性力学 [M ]. 杭州: 浙江大学出版社 , 2001 . [ 6] UGA I K. A m ethod of ca lculation of to tal fac to r o f safe ty o f slope by elasto- plastic FEM [ J]. So ils and Founda tions , 1989, 29( 2): 190- 195. [ 7] SARM A S K. Stability ana lysis o f embankm en ts and slopes[ J]. Journal of geotechn ica l eng inee ring div ision, 1979, 105( 12): 1511- 1524 . [ 8 ] M ELO C, S HARM A S. Se ism ic coe fficients fo r pseudostatic slope ana lysis[ C] / /13 th W or ld Conference on E arthquake Eng ineer ing , V ancouve r , B C, C anada , A ugust 1- 6, 2004, Pape r NO. 369. [ 9] GA ZETA S G, DEBCHAUDHURY A, GA SPAR IN I D A . R and v ibration ana lysis for the seism ic response o f earth da ms[ J]. Geotechn ique , 1981, 31( 2): 261- 277 . M ay , 1966 , 2
1 反应谱法
假设坝体剪切模量 G = G 0 ( z / H ) , G 0 为坝 底的剪切模量 . 大坝构 形见 图 1 . 地震 卓越 周期 Tg = 0 2 s , 地震设计烈度为 8 度, 即基 岩运动加 速度 vg ( t) 取为 0 2 g . 坝底 剪切波速取值 见表 1 , 坝体几何参数见表 2 .
, 得到的结论是: 坝
高一定时, 随着坝体剪切波速的增加 , 大坝各个相 对高度处地震加速度数有所增大 ; 剪切波速一定
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尔
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学ห้องสมุดไป่ตู้
报
第 40 卷
时 , 随着坝高的增加, 大坝各个相对高度处地震加 速度有所减小, 同时加速度的分布也有了变化 . 本 文根据文献 [ 2] 的研究思 路, 对 坝高为 40 、100 、 150和 250 m 土 石坝地 震加速 度分布 进行 了研 究.
第 40卷
第 8期
2 0 0 8年 8 月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INST ITUTE OF TECHNOLOGY
V o l 40 N o 8 A ug. 2008
高土石坝地震加速度分布研究
张 锐, 迟世春, 林 皋
( 大连理工大学 抗震研究所 , 辽宁 大连 116024, E-ma i: l rzhang0411@ 163. co m)
/P a ) ,
3
n
E t = KP a
Pa
1-
R f ( 1 - sin ) ( 2C cos + 2
m
n 3 si
)
2
.
求得大坝各相对高度处振型 数
i
、 振型参与系
[3 , 4]
体积模量为 B = K b P a ( 3 /P a ). 式中: K、 K ur、 K b、 m 和 n 为试验常数. 筑坝材料的模量衰减曲线 (实线 ) 和阻尼增长曲线 ( 点划线 )如图 3所示 . 在动力计算 过程中, 共选取了四种地震波输入, 如图 4所示.
n 3 3 n /P a , E ur = K ur P a ( 3 1
)
表 2 大坝几何参数
坝高 H /m 40 100 150 250 坝顶宽 a /m 8 12 16 20 坝底宽 b /m 156 382 571 945 1 1 1 1 上游坡度 c 1 9 1 9 1 9 1 9
i
下游坡度 d 1 1 8 1 1 8 1 1 8 1 1 8
摘
要 : 现行 DL5073- 2000 水工建筑物抗震设计规范 对土石坝地震动态分布系数的规定仅适合于 150 m
以下的土石坝 , 而目前土石坝的设计高度已远远大于 150 m. 为提出 150 m 以上土石坝 地震动态 分布系数建 议图 , 分别采用反应谱法和有限元法 , 研究高土石坝地震加速 度分布特征 , 提出 了 250 m 级高 土石坝 地震动 态分布系数建议图 , 对现行的 水工建筑物 抗震设计规范 进行了补充 . 关键词 : 高土石坝 ; 反应谱法 ; 有限元法 ; 地震动态分布系数建议图 中图分类号 : TV641 1 文献标识码 : A 文章编号 : 0367- 6234( 2008) 08- 1289- 03
以及加速度反应谱系数
i
后, 根据下式, 可 .计
求得坝体各相对高度处最大 地震加速度 算结果见图 2 .
n
va, m ax =
2 i i
n
1i= 1
+
i= 1
(
i
i
i
) vg, m ax .
2
由计算可见 : 对 150 m 以上高土石坝 , 其较大 的地震加速度出现在坝顶至 0 2 倍相对坝高处. 即地震加速度在坝体内总体反应不大 , 但在接近 坝顶时突然变大 , 表现出明显的局部放大现象 .
收稿日期 : 2005- 10- 24. 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目 ( 60639060) . 作者简介 : 张 林 锐 ( 1979 皋 ( 1929 ) , 男 , 博士研究生 ; ) , 男 , 教授 , 博士生导师 ; ) , 男 , 博士生导师 , 中国科学院院士 . 迟世春 ( 1964
弱震时大、 强震时小的基本特征. 为此 , 1997 年颁 布的 DL 5073- 1997 水工建筑物抗震设计规范 (简称 97 规范 )对此进行了修改. 97 规范规定, 坝 顶地震加速度动态分布系数 a m 在设计烈度为 7 、 8 、 9 度时 , 分别 取 3 0 、 2 5 、 2 0 . 但是 , 97 规范关 于地震动态分布系数的规定只适合于高 150 m 以 下的大坝. 目前土石坝工程实践中坝高已远高于 150 m . 例如我国拟建 的糯扎渡高心墙 堆石坝 坝高达 262 m, 前苏联的罗贡坝高达 325 m. Seed 曾经采用解析方法分析了不同高度的均匀三角形 坝体地震加速度分布系数
, 大坝网格剖分见图 5 . 堆石和黏土 为材料的重度,
- 3
心墙的计算参数见表 3 . 表中,
K 0为土压 力系数, 单位均为 k N m ; 黏聚力 C 的单位为 M pa . 坝体地震加速度分布见图 6 .
图 4 地震动输入 表 3 材料计算参数
材料 堆石 黏土 19 95 21 56 K 1491 388 K
Analysis of seis m ic acceleration distribution of high earth and rockfill da ms
ZHANG Ru,i CH I Shi chun , LI N Gao
( Institute of E arthquake Eng ineering , D alian U n iversity o f T echno logy , D alian 116024, Ch ina , E-m a i: l rzhang0411@ 163. com )
图3
( Gm ax /G ) - ,
-
关系图
第 8期
张
锐 , 等 : 高土石坝地震加速度分布研究
1291
2 2 实例计算 所选的坝型为黏土心墙堆石坝, 坝体的几何 参数同表 1 . 黏土心墙的顶宽与大坝顶宽相等, 上 游和下游的坡度取为 1 0 15 . 有限元网格的高度 取为 H /10
[ 8, 9]
图 2 大坝加速度分布
1 /2
2 有限元法
2 1 本构模型 采用邓肯-张 E-B 非线性弹性模型, 增量型应 力 - 应变关系可以表示成
x y [ 5~ 7 ]
: 0 0 E
x y xy
图 1 大坝构形图 表 1 坝底剪切波速
坝高 H /m 波速 V so /(m s
- 1
xy
3B + E 3B = 3B - E 9B - E 0
3B - E 3B + E 0
.
40 300
100 380
150 420
250 480
式中: E、 B 分别为弹性模量和体积模量 . 在计算过程中, 在不同的加卸载阶段 , E-B 非 线性弹性模型中的弹性模型 E 分别采用初始弹性 模量 E i、 切线弹性模量 E t 和卸荷以及重复加荷时 的弹性模量 E ur. 其表达式分别为 E i = KP a
Abstract : Dynam ic seism ic distrib utio n coefficien t suggested in th e present Code for Se ism ic Design o f H y draulic Structure ( DL5073- 2000) is suitab le for earth and rockfill da m s low er than 150 m. But at the pres ent t i me , m any earth and rockfill dam s to be constructed are h ig her than 150 m. In order to pu t for w ard a sug gested dynam ic se is m ic d istribut io n fig ure for earth and rock fill dam s h ig her than 150 m, se ism ic acceleration distrib ution characterist ics of h igh earth and rockfill dam s w ere studied based on the response spectrum m ethod and the finite elem ent m ethod respectively . A suggested dynam ic seism ic distribu tio n figure is proposed , w hich offers a supplem ent for th e presen t Code for Seism ic Desig n of H ydraulic Structure . K ey w ord s : high earth and rockfill da ms ; response spectrum m ethod ; fin ite e le m ent m eth od ; suggested dy nam ic se is m ic d istribut io n fig ure 1978年水电部颁布了 SDJ10 - 78 水工建筑 物抗震设计规范 ( 简称 78 规范 ) . 这是我国的第 一部水工建筑物抗震设计规范 . 规范第 23 条规 定 , 土石坝沿高度作用于质点 i 的水平地震惯性 力为 P i = KH C z iW i. 式中: KH 为水平地震系数, 当设计烈度为 7 、 8 、 9 度时 , 分别取 0 1 、 0 2 、 0 4 ; C z 为综合影响系数 , 取 0 25 ; W i 为质点 i的重量; 为地震加速度分布系数 . 78 规范提供的地震加 i 速度分布系数没有考虑坝顶地震加速度放大倍数
ur
图 5 网格剖分图
n 0 241 0 311 R K m 0 101 0 257 C 0 0 01 54 37 39 46 K
f
b
0
2236 5 582
0 719 0 755
683 206
0 5 0 5
图 7 地震动态分布系数建议图
参考文献:
[ 1] 赵剑明 . 高土 石坝 地震 反应 的三 维非 线性 有效 应力 分析 [ D ]. 北京 : 中国水利水电科学研究院 , 1999 . [ 2] SEED H B, A SCE M, M ART I N G R. The se ism ic coef fic ient in ea rth dam design [ J]. Journal of the So ilM e chan ics and F oundations D iv ision, ( SM 3): 25- 58. [ 3] 顾淦臣.. 土石坝地震工程 [M ]. 南京: 河海大学出版社, 1989 . [ 4] 中华人民共和国电力行业标准 DL 5073- 2000水工建筑物 图 6 大坝加速度分布 抗震设计规范 [ S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2000 . [ 5] 龚晓南.. 土塑性力学 [M ]. 杭州: 浙江大学出版社 , 2001 . [ 6] UGA I K. A m ethod of ca lculation of to tal fac to r o f safe ty o f slope by elasto- plastic FEM [ J]. So ils and Founda tions , 1989, 29( 2): 190- 195. [ 7] SARM A S K. Stability ana lysis o f embankm en ts and slopes[ J]. Journal of geotechn ica l eng inee ring div ision, 1979, 105( 12): 1511- 1524 . [ 8 ] M ELO C, S HARM A S. Se ism ic coe fficients fo r pseudostatic slope ana lysis[ C] / /13 th W or ld Conference on E arthquake Eng ineer ing , V ancouve r , B C, C anada , A ugust 1- 6, 2004, Pape r NO. 369. [ 9] GA ZETA S G, DEBCHAUDHURY A, GA SPAR IN I D A . R and v ibration ana lysis for the seism ic response o f earth da ms[ J]. Geotechn ique , 1981, 31( 2): 261- 277 . M ay , 1966 , 2
1 反应谱法
假设坝体剪切模量 G = G 0 ( z / H ) , G 0 为坝 底的剪切模量 . 大坝构 形见 图 1 . 地震 卓越 周期 Tg = 0 2 s , 地震设计烈度为 8 度, 即基 岩运动加 速度 vg ( t) 取为 0 2 g . 坝底 剪切波速取值 见表 1 , 坝体几何参数见表 2 .