岩质高边坡的地震时程响应分析

要来自外围地震带强震活动的影响 ,历史上地震对场 址的最大影响烈度为 Ⅷ度. 右岸进水口边坡受多层层 间错动带与陡倾角断层 ( F15 、F16 、F4 ) 切割 ,对地震作 用的响应复杂 ,存在高边坡动力稳定问题. 1. 2 岩体动力参数
有关试验及数值模拟结果表明[124 ] ,岩体的动参 数别于静参数 ,其强度不仅与岩体结构面分布有关 , 还与加载速率 、频率有关. 岩体动力学参数是以岩体 静力学分析参数为基础的.
2 边坡动力模型的建立
图 1 高阶段充填体力学分析
坝址位于则木河 、四开～交际河断裂带东侧 ,小 江断裂带北侧 ,虽然区域活动断裂发育 ,地震活动强 烈 ,但场址 40 km 范围内无强震记载 ,地震危险性主
2. 1 人工地震波的合成 地震动力输入信号的模拟 、应用以及边界条件处
理都十分关键 ,共同决定动力分析的合理性[4] . 进水口边坡抗震烈度为 Ⅷ度 ,50 年超越概率为
收稿日期 :2008204221 通讯作者 :王义锋 (1963 - ) ,男 ,教授级高级工程师 ,博士 ,主要研究方向为水电工程建设的技术管理.
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三 峡 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2008 年 6 月
有明显控制型结构面和无明显控制型结构面两类 ,相 应地 ,应分别采用基于非连续介质动力学分析方法和 连续介 质 动 力 学 分 析 方 法. 基 于 三 维 离 散 元 程 序 (3D EC) 的岩体时程分析可以反映节理岩体在地震动 荷载的作用下 ,应力波在结构面发生透射 、反射 、折射 等的传播过程[4] ,以及相互叠加作用 ,可以模拟岩体 产生松动滑移甚至导致整个边坡失稳 ,是分析结构面 控制型岩体动力稳定问题的有效方法.
Abstract The intake slope of right bank of t he Baihetan Hydropower Statio n has st ruct ure2co nt rolled stabili2 t y p ro blems. A no nco ntinuo us model of t he slope is built by using t he p ro gram 3D EC. Based o n t he static a2 nalysis , seismic time2history respo nse behavior for t he high rock slope to anti2seismic against M8 eart hquake , wit h 0. 212 g peak acceleratio n , is analyzed. Simulatio n result s show t hat t he upper slope has more st ro ngly respo nse to seismic shock , showing dynamic respo nse of whiplash effect . Rock deformatio n is co nt rolled by st ruct ures , showing disco ntinuo us deformatio n characteristics. While all mo nitoring point s displacement s tend to co nvergence , no block show s slip , separatio n , instabilit y or dest ructio n evidences. Moreover , based o n t he Mo hr2Co ulo mb criterio n , safet y coefficient under t he co nditio n of seismic shock is derived by calculated t he shear point slightly safet y factor. Since dynamic safet y coefficient is greater t han t he static o ne , t he high slope is deemed to have more safet y stock. Research shows t hat dynamic stabilit y analysis of rock slope sho uld be based o n t he static analysis , especially , t he no nco ntinuo us met ho d sho uld be used for st ruct ure2co nt rolled p ro blems. Keywords slope ; time2history respo nse ; eart hquake ; dynamic stabilit y
峨眉山玄武岩组以块状玄武岩 、杏仁状玄武岩和 斑状玄武岩为主 ,其物理力学参数见表 1. 层间错动 带 C2 ～C11 为凝灰质 (岩) 建造 ,具有一定厚度 ,发育于 玄武岩各岩流层之间 ,凝灰岩易于破碎风化崩解. 控 制性断层有 F15 、F16 、F4 ,结构面泥化 、潮湿 ,其力学参 数见表 2.
河谷的深切侵蚀在坝区右岸形成了高差达 600 m 级的连续边坡 (见图 1) . 自然边坡地形高陡 ,坡度 多在 65°～80°之间. 进水口边坡布置于大寨沟口 ,位 于该陡壁中下部 ,底板高程约 735 m ,分 11 级开挖 ,开 挖高度 294 m. 由于层间 、层内错动带发育 , N E、N W 向断层与层间错动带的组合对边坡稳定不利 ,此外 , 大寨沟距坝址较近 ,存在高边坡稳定问题[5] .
0. 22 27. 0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1. 5 53. 5 1. 5
粉砂岩
4
0. 30
24
0. 4 35. 0 0. 8
凝灰岩
1
0. 35
22
0. 1 26. 6 0
表 2 结构面力学参数
类型 层间带
Kn
Ks
C
φ
/ ( M Pa ·m - 1 ) / ( M Pa ·m - 1 ) / M Pa / °
500
60
Seismic Time2history Response Analysis of High Rock Slopes
Wang Yifeng1 Zheng Wentang2 Shi Cho ng2
(1. China Three Gorges Project Co rporatio n , Yichang 443000 , China ; 2. Research Instit ute of Geotechnical Engineering , Ho hai U niv. , Nanjing 210098 , China)
金沙江白鹤滩水电站右岸进水口边坡是一典型 的结构面控制型岩质高边坡 ,应运用非连续力学数值 分析方法进行分析 ,因此 ,本文采用 3D EC 程序建立 进水口开挖高边坡的三维数值模型[5] ,进行边坡岩体 的地震时程动力稳定分析.
1 高边坡工程地质条件
1. 1 地质条件 拟建的白鹤滩水电站坝址位于金沙江下游攀枝
10 %和 5 %的基岩动峰值加速度分别为 161 gal 和
第 30 卷 第 3 期 王义锋等 岩质高边坡的地震时程响应分析
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212 gal. 100 年超越概率水平 2 %的基岩动峰值加速 度为 325 gal .
由于 3D EC 中地震输入为速度[6] ,对于其他形式 的动力输入需要采用数值积分或微分进行转化. 由于 缺少边坡所在地地震监测资料 ,在此采用人工合成地 震加速度波 (唐山波) ,如图 2 所示 ,并转化为速度波 (见图 3) [4] . 文章只考虑 50 年超越概率 5 %抗震基本 加速度为 0. 212 g 的工况.
0. 1 24. 2
F16
500
100
0. 08 26. 6
F4 层内错动带
600 1200
150
0. 15 28. 8
400
0. 18 35. 0
陡倾节理组 1 陡倾节理组 2
1200 1500
450
0. 15 38. 0
600
0. 18 38. 0
由于岩土类介质的动力参数一般要强于静力参 数 ,在缺少相关资料的情况下 ,根据工程经验以及已 有研究成果 ,进水口边坡动力计算参数取为静力参数 的 1. 5 倍.
花至宜宾河段 ,地层为二迭系上统峨眉山玄武岩组 , 以块状玄武岩 、杏仁状玄武岩和斑状玄武岩为主. 上 覆三迭系下统飞仙关组 ( T1f ) ,为一套紫红色河湖相 沉积的砂岩 、泥岩及砾岩 ,与下伏二迭系呈微角度不 整合接触. 地层产状总体平缓 ,产状 N30°～50°E , SE ∠15°～25°,层面反坡内倾 ,延伸贯穿整个坝区 ,构成 坝区构造及岩体结构的基本构架. 主要构造类型为层 间错动带 、断层 、层内错动带和大量陡倾角的构造裂 隙组.
表 1 岩体物理力学参数
岩体 变形模 类型 量/ GPa 玄 弱上 6 武 弱下 10 岩 微新 15
泊松 容重 粘聚力 内摩擦 强度 比 / (kN ·m- 3) / M Pa 角/ ° / M Pa
0. 27 24. 0
0. 5 38. 7 0. 5
0. 25 25. 0
0. 8 47. 7 1. 0
2. 2 边界条件的设置
粘滞边界通过在边界的法线方向和水平方向上
设置独立的粘壶得以实现 ,以便吸收来自模型内部的
入射波. 法向粘滞力 f n 和剪切粘滞力 f s 的计算式为
f n = - ρcp vn
(1)
f s = - ρcs vs
(2)
式中 , vn , vs 分别为边界上的法向和切向速度分量 ;ρ
为密度 ; cp ,cs 分别为 P 波和 S 波的波速.
当入射波入射角小于 60°时 ,粘滞边界对于体波
的吸收是有效的. 对于大角度入射问题或者表面波而
言 ,虽然也有一定的能量吸收 ,但是误差较大. 这种方
基于时程响应法的岩体动稳定分析[123] 可以通过 模拟质点的波动特性来逼真地反映动力作用的影响 , 可以反映地震 3 要素影响 (振幅 ,频谱 ,持续时间) ,因 此 ,研究节理岩体边坡在地震荷载作用下的动力响应
特征与变形破坏过程 ,对合理地评价工程岩体的动力 稳定性具有重要意义.
由于岩质高边坡的失稳多受节理 、断层等弱面的 控制 ,其动力稳定基于岩体可能的失稳模式可以分为
第 30 卷 第 3 期 2008 年 6 月
三峡大学学报 (自然科学版) J of China Three Gorges U niv. (Nat ural Sciences)
Vol. 30 No . 3 J un. 2008
岩质高边坡的地震时程响应分析
王义锋1 郑文棠2 石 崇2
(1. 中国长江三峡工程开发总公司 , 湖北 宜昌 443000 ; 2. 河海大学 岩土工程研究所 ,南京 210098)
摘要 :针对白鹤滩水电站右岸进水口反倾向层状结构岩质高边坡 ,采用 3D EC 程序建立了非连续 介质模型 ,在静力分析的基础上 ,进行了 Ⅷ度地震的动峰值加速度 0. 212 g 的时程响应分析. 数值 模拟结果表明 ,边坡中上部岩体的动力响应较为强烈 ,表现出动力反应的“鞭梢”效应 ,并且岩体变 形受控于结构面 ,表现出明显的不连续变形特征. 而由关键点的时程曲线可见各监测点位移趋于 收敛 ,未见块体的滑移 、分离 、失稳 、破坏迹象 ;根据莫尔2库仑准则推导的动力条件下的点抗剪安全 系数也略大于静力条件下的安全系数 ,边坡有较大的安全裕度. 研究工作说明 ,边坡动力分析都应 以静力分析为基础 ,且须强调针对结构面控制型问题采用非连续介质力学的分析方法. 关键词 :边坡 ; 时程响应 ; 地震 ; 动力稳定 中图分类号 : P642. 2 文献标识码 :A 文章编号 :16722948X(2008) 0320001205