土石坝抗震

坝顶加宽，坝坡上部缓，下部陡 坝顶附近设抗震格栅、梁格或钢筋 加强防渗体与岸坡和混凝土结构的连接 强震区土石坝，尽量不采用均匀的中细砂 作筑坝材料，筑坝土料选用级配良好的土 石料。 保证土料碾压密实，控制相对密度不低于 0.75-0.85
6 土石坝抗震



土石坝震害 地震液化 拟静力法计算土石坝地震作用 动力法土石坝地震反应分析 土石坝抗震措施
6.1 土石坝震害



土石坝，尤其是早期建设的小坝，在遭受地 震破坏的大坝中占有相当比例。 Sheffield 坝和 Lower San Fernando 坝是土 石坝地震破坏的典型实例。 地震作用会使土石坝发生什么样的破坏。

震前坝体初始状态

筑坝土石料的非线性应力-应变关系

Duncan双曲线E-B模型
模拟土石坝分层填筑过程 模拟水库逐步蓄水过程

土石材料动力非线性本构模型


循环振动荷载作用下筑坝土石料的动力特性 动剪模量G—动剪应变幅值γ a 阻尼比λ —动剪应变幅值γ a Hardin–Drnevich 动力本构模型（1972）
Schematic behavior of sand grains in a soil deposit during liquefaction. The blue column represents the pore water pressure
6.2.2 地震液化的破坏作用


地震液化发生时液化土体强度大幅降低， 相应地，土体承载力随之大幅降低。建筑 在该土体地基之上的房屋、桥梁等建筑将 会遭受严重破坏。 下图显示1964年一场地震之后日本Niigata （新泻）地区数栋公寓楼因地基液化而发 生倾斜的破坏情况。
6.2.3 防止土体地震液化灾害基本方法


避开易液化土体； 采用抗液化破坏结构型式； 改善土体抗液化性能。
6.3 拟静力法

条块重心处的水平地震惯性力
Fi ahGEii / g

土石坝的动态分布系数

坝顶最大值（坝顶地震加速度放大倍数）
设计烈度 7 α
max
8 2.5
9 2.0
3.0


该坝建在砂土地基上。 砂土地基的地震液化是溃坝的主要原因。 河床中部约 300 feet长坝段在液化了的 地基上向下游漂移了约 100 feet。 库水倾泻而下，冲毁了下游城镇的树木、 汽车和房屋。洪水过后，下游城镇一片 淤泥和瓦砾。
Lower San Fernando 坝





紫坪铺水利枢纽距离此次地震的震中仅17公里，大坝为钢 筋混凝土面板堆石坝，最大坝高158米，库容11.12亿立方 米，设计烈度为Ⅷ度，但在此次地震中位于Ⅹ度区

紫坪铺大坝坝体变形、震陷、开裂，局部护坡松动 护栏倒塌，面板部分有脱空、施工缝错台、竖缝压碎、隆起现象 渗漏量未见明显增加，大坝主体整体稳定。

土石坝地震动力分析的等效线性法

按线性分析方法（逐步积分法）求解运动方程 根据各单元的最大剪应变计算等效剪应变
eq 0.65 max

由等效剪应变获得动剪模量和阻尼比 代入运动方程重新求解 如此迭代计算，直到满足精度要求

土石坝地震永久变形 地震残余变形 Newmark法（1965）计算土坝滑动体永久变形

土石料屈服强度 滑动体屈服加速度 滑动体平均加速度 对超过屈服加速度的滑动体地震反应加速度积分，推 求滑动体永久变形
6.5 土石坝抗震措施

地震涌浪

0.5-1.5m 加大安全超高 通常不超过坝高1%

坝和地基的地震附加沉降




水库放空设施 坝轴线采用直线或向上游弯曲 强震区防渗体不宜采用刚性心墙 尽量降低坝体浸润线

大坝位于人口稠密的San Fernando山谷，大坝 2,100 feet 长, 142 feet 高。 水库提供Los Angeles 市 80%的城市居民生活用 水。 大坝建于 1912 –1915。采用“水力充填”筑坝施 工方法。 1971年 San Fernando 地震使大坝遭受严重破坏， 大坝上游坝坡发生大面积滑坡。 坝高降低约 30 feet。


液化土体将给挡土墙施加较大的压力，迫 使挡墙发生倾斜或滑移。 挡墙发生倾斜或滑移，将引起地面塌陷， 从而可能导致其他地面建筑发生破坏。


土坝坝体土料的地震液化，可能引起大面 积坝坡坍滑，甚至导致溃坝。 1971年San Fernando 地震引起的下San Fernando 坝的几乎溃坝，正是由于坝体土 料的地震液化造成的。


土体地震液化现象很久以前就已引起人类 注意。据考证，1000多年前人类的有关文 字记载中，就已经有了土体地震液化现象 的描述。 以下是近年几次地震中地震液化实例。
Alaska, USA, 1964
Niigata, Japan, 1964
Loma Prieta, USA, 1989
Kobe, Japan, 1995
土石坝地震破坏形式
Fra Baidu bibliotek
6.2 地震液化
6.2.1 地震液化的基本概念


在地震或其他动力荷载作用下土体强度 及刚度急剧下降的破坏现象。 地震液化是世界上许多地震灾害的根本 原因。



地震液化常常发生在饱和土体中，土体 中的总应力包括有效应力和孔隙水压力 两部分。 地震前，土体中的孔隙水压力较低。 地震振动可以引起孔隙水压力急剧上升， 从而使有效应力急剧降低，土体抗剪强 度随之急剧下降。


碧口水电站距离此次地震的震中约260公里，大坝为壤土 心墙堆石坝，最大坝高101.8m，坝长297.36m，总库容 5.21亿m3 。设计烈度为7.5度，在此次地震中位于8-9度 区 地震引起坝体局部部位出现裂缝、位移，变形等损坏。地 震后迎水面出现多处裂缝，坝顶后坡侧防护墙部分倒塌， 坝后混凝土框格有隆起现象，坝体最大垂直沉降量24厘米， 向上游最大水平位移28厘米。


滑坡发生在地震结束之后。 水力充填坝体的地震液化是坝坡破坏的主 要原因。 80,000 人紧急疏散。 水库紧急放空，放空水库耗时3天。




在California, U.S.，大坝安全法令（The Dam Safety Act）成为法律。 新法令要求大坝业主绘制大坝溃坝后的 洪水淹没图。 整个加州范围内的大坝被要求进行抗震 加固。 水力充填坝被确认为是一种不安全的坝 型，要求必须用其他坝型替换之。

坝高低于40m

动态分布系数沿坝高呈线性变化 坝顶α max 坝基面1.0

坝高大于40m

动态分布系数沿坝高呈折线变化 坝顶α max 坝基面1.0 折点高程0.6H，折点处α max =1.0 + (α m-1)/3

地震动水压力

面板堆石坝 面板倾角33-38度
6.4 动力法
2008四川汶川“５．12”特大地 震



汶川大地震造成全国水库出险2380座 四川1803座，占76%；四川出险的水库中有溃坝 险情的69座，高危险情的310座，次高危险情的 1424座 汶川大地震中，众多小型土坝遭受不同程度震害。 四川省遭受不同程度损害的1803座水坝中，约有 96%是库容不足500万方的小型工程。存在溃坝 风险的小型土石坝，绝大部分为均质土坝 甘肃省有26座小型水库、58座水电站震损;震损堤 防183处、225.44公里
Sheffield 坝



位于美国加州 Santa Ynez 山区。 美国唯一一座遭受地震溃坝的大坝。 大坝建于1917冬, 720 feet长, 25 feet高。 1925年Santa Barbara地震中溃坝。
The Sheffield Dam after the 1925 earthquake