紫坪铺震害对抗震措施的启示

年混凝土面板坝学术研讨会” “2010年混凝土面板坝学术研讨会” 年混凝土面板坝学术研讨会复杂地质背景条件下建筑面板坝的技术问题

紫坪铺等震害 对土石坝抗震设计及抗震措施的启示赵剑明 中国水利水电科学研究院2010.9

引 言 抗震规范和手册的修编– 《水工建筑物抗震设计规范》(SL203))修编 水工建筑物抗震设计规范》 SL203) – 《水工设计手册》第二版修编：(第四卷第七章)水工结构抗震 水工设计手册》第二版修编： 水工结构抗震 – 《混凝土面板堆石坝设计规范(SL 228)修编：(水科院负责抗 228)修编 修编： 混凝土面板堆石坝设计规范( 震部分)。 震部分)。

工程经验

科研成果

震害资料

现在正结合的科研项目国家级科研项目“十一五”国家科技支撑计划项目：紫坪铺水库震损评估与抗震减 十一五”国家科技支撑计划项目： 灾技术研究 水利部“948”项目： 水利部“948”项目：高面板坝地震安全评价方法与抗震加固措施研 究 国家自然科学基金重点项目：高土石坝变形与安全控制(水科院负 国家自然科学基金重点项目： 责抗震部分)。

重大震损工程抗震复核紫坪铺大坝震后除险加固安全评价和抗震复核研究 碧口心墙堆石坝的抗震复核 长河坝、两河口、双江口等重大土石坝的抗震分析与安全评价 长河坝、两河口、3

紫坪铺等工程5.12震害 震害 紫坪铺等工程

主要内容 抗震计算 抗震措施

土石坝抗震设计与抗震计算土石坝的抗震能力及其安全性， 土石坝的抗震能力及其安全性，主要与地基和坝体土石料的 特性与密实程度、 特性与密实程度、坝体与地基的防渗结构以及连结部分的牢 固是否密切相关。所以土石坝的抗震设计，首先应使地基、 固是否密切相关。所以土石坝的抗震设计，首先应使地基、 坝体构造和工程质量满足抗震要求，再进行适当的稳定计算、 坝体构造和工程质量满足抗震要求，再进行适当的稳定计算、 变形计算与抗渗透计算。 变形计算与抗渗透计算。并必须从工程措施和施工质量上加 以保证。 以保证。 工程措施与理论计算并重 变形分析与稳定分析并重

抗震计算

抗震计算应包括稳定、变形、防渗体安全、 抗震计算应包括稳定、变形、防渗体安全、液化可 稳定 能性等方面 等方面， 能性等方面，依据相关标准对土石坝的抗震安全进 综合分析和评价。 行综合分析和评价。

动力抗滑稳定土石坝一般采用拟静力法进行抗震稳定计算。设计烈度为8 土石坝一般采用拟静力法进行抗震稳定计算。设计烈度为8、9度 70m以上土石坝 或地基中存在可液化土时， 以上土石坝，

的70m以上土石坝，或地基中存在可液化土时，应同时用有限元 法对坝体和坝基进行动力分析，综合判断其抗震安全性。 法对坝体和坝基进行动力分析，综合判断其抗震安全性。拟静力法 动力法：可采用基于应力法的动力法， 动力法：可采用基于应力法的动力法，亦可采用基于 强度折减等途径的动力稳定分析方法。 强度折减等途径的动力稳定分析方法。 动力等效值法 动力时程线法: 动力时程线法:能够得到地震过程中坝坡抗滑稳定安全系数随时间的动态变化过程， 全系数随时间的动态变化过程，可综合评判坝坡的抗震稳 定性 根据滑动面位置、滑动范围、 根据滑动面位置、滑动范围、动力时程线法中安全系数小 的持时和程度等，参考拟静力法标准，进行综合评价。 于1的持时和程度等，参考拟静力法标准，进行综合评价。

动力稳定性局部动力稳定性评价在地震作用下土石坝及地基有可能发生局部的动力破坏， 在地震作用下土石坝及地基有可能发生局部的动力破坏，而局部破坏存在 引发整体破坏的可能性，因此，对土石坝， 引发整体破坏的可能性，因此，对土石坝，尤其是关键区域和关键部位的 局部动力稳定性进行评价，有利于分析土石坝抗震中的薄弱部位和环节， 局部动力稳定性进行评价，有利于分析土石坝抗震中的薄弱部位和环节， 以采取合理工程措施，确保工程安全。 以采取合理工程措施，确保工程安全。 方法。 对于土石坝局部动力稳定性评价可采取坝体单元抗震安全性评价方法。 如果单元抗震安全系数小于1 则表明该区域存在动力剪切破坏的可能性， 如果单元抗震安全系数小于1,则表明该区域存在动力剪切破坏的可能性， 应进一步根据局部破坏范围、破坏程度等，结合其它评价结果， 应进一步根据局部破坏范围、破坏程度等，结合其它评价结果，综合评价 局部破坏对整体稳定的影响。 局部破坏对整体稳定的影响。

土石坝地震永久变形土石坝地震永久变形研究的重要性日益突出作为大坝抗震安全性评价的的重要指标， 作为大坝抗震安全性评价的的重要指标，土石坝的地震永久 变形计算是土石坝抗震研究中一个重要课题。 变形计算是土石坝抗震研究中一个重要课题。 紫坪铺大坝的震害现象均与显著的地震变形有关。 紫坪铺大坝的震害现象均与显著的地震变形有关。

土石坝动力分析要求土石坝动力分析宜满足的具体要求： 土石坝动力分析宜满足的具体要求：按材料的非线性应力应变关系计算地震前的初始应力状态； 按材料的非线性应力应变关系计算地震前的初始应力状态； 采用试验确定的

材料动力变形特性和动态强度； 采用试验确定的材料动力变形特性和动态强度； 采用等效线性化的或非线性时程分析法求解地震应力和加速度反 应；等效线性 真非线性 弹塑性

根据地震作用效应计算沿可能滑裂面的抗震稳定性， 根据地震作用效应计算沿可能滑裂面的抗震稳定性，以及计算由 地震引起的坝体永久变形。 地震引起的坝体永久变形。

土石坝地震永久变形三类) 土石坝地震永久变形计算方法(三类)

基于( 基于(粘)弹塑性模型的真非线性方法基于Masing准则的真非线性方法 基于Masing准则的真非线性方法 Masing 中国水科院真非线性方法 其他真非线性方法

滑动体位移分析法基本出发点是假定土石坝的残余变形主要是由地震时坝坡及地基发生瞬态失稳时滑 移体产生位移造成的，主要基于Newmark的刚体滑动面假设和屈服加速度概念。 Newmark的刚体滑动面假设和屈服加速度概念 移体产生位移造成的，主要基于Newmark的刚体滑动面假设和屈服加速度概念。

整体变形分析法整体变形分析法的基本假定是把坝体及地基作为连续介质来处理。 整体变形分析法的基本假定是把坝体及地基作为连续介质来处理。这类方法一般是 先进行地震反应分析，求出坝体及地基的反应，然后利用材料动力特性的试验结果， 先进行地震反应分析，求出坝体及地基的反应，然后利用材料动力特性的试验结果， 加以简化求出坝体残余变形。 加以简化求出坝体残余变形。 修正模量法(即软化模量法) 修正模量法(即软化模量法) 等效结点力法

土石坝地震永久变形三类) 土石坝地震永久变形计算方法(三类)

基于应变势概念的等效结点力法目前应用最多基于初应变思想的沈珠江残余变形模式 基于应变势概念的中国水科院残余变形模式

残余变形中同时考虑了残余体应变和残余剪应变，为土石坝抗震分析提供了 残余变形中同时考虑了残余体应变和残余剪应变， 可靠的坝体及地基地震残余变形的计算方法。 可靠的坝体及地基地震残余变形的计算方法。 所建立的残余变形计算方法在5.12汶川大地震紫坪铺大坝震害中得到了验证。 所建立的残余变形计算方法在5.12汶川大地震紫坪铺大坝震害中得到了验证。 5.12汶川大地震紫坪铺大坝震害中得到了验证

土石坝地震永久变形基于地震永久变形的安全评价确定地震区土石坝坝顶超高 采用震陷率和震陷倾度的概念来衡量地震变形对大坝安全的 影响 最大震陷超过坝高的0.6%-0.8%时 最大震陷超过坝高的0.6%-0.8%时，应慎重论证坝体的抗 0.6% 震设计和抗震措施根据现有的震害资料分析，最大震陷超过坝

高的0.6%-0.8%时土石坝可产生明显震害， 根据现有的震害资料分析，最大震陷超过坝高的0.6%-0.8%时土石坝可产生明显震害，并可能导致 0.6% 时土石坝可产生明显震害 严重后果。现行碾压土石坝设计规范规定，当计算的竣工后坝顶沉降量与坝高的比值大于1% 1%时 严重后果。现行碾压土石坝设计规范规定，当计算的竣工后坝顶沉降量与坝高的比值大于1%时，应 在分析计算成果的基础上，论证选择的坝料填筑标准的合理性和采取工程措施的必要性。与静力类似， 在分析计算成果的基础上，论证选择的坝料填筑标准的合理性和采取工程措施的必要性。与静力类似， 当计算得到的最大震陷超过坝高的0.6%-0.8%时，应慎重论证坝体的抗震设计和抗震措施。 当计算得到的最大震陷超过坝高的0.6%-0.8%时 应慎重论证坝体的抗震设计和抗震措施。 0.6% 利用( 利用(粘)弹塑性模型直接计算残余变形的真非线性分析方法与滑动体位移分析法和整体变形分析法 相比，可以在一定程度上体现地震过程中地震永久变形对坝体地震反应的影响， 相比，可以在一定程度上体现地震过程中地震永久变形对坝体地震反应的影响，如何建立地震永久变 形与抗震稳定和整体安全性的关系尚需进一步综合分析和完善。 形与抗震稳定和整体安全性的关系尚需进一步综合分析和完善。

土石坝地震永久变形基于地震永久变形的安全评价的工作展望建立更可靠的地震永久变形计算方法 不仅关注最大永久变形，更要重视永久变形的分布、变化、 不仅关注最大永久变形，更要重视永久变形的分布、变化、及不 均匀程度 寻求永久变形—破坏— 寻求永久变形—破坏—震害间的内在联系及机理 研究基于永久变形的评价方法与拟静力法和基于应力标准的动力 法的区别与联系 建立基于永久变形评价方法的量化指标 研究控制地震永久变形的抗震措施 开展原型-模型开展原型-模型-数值分析的联合验证

防渗体安全评价大坝防渗体系的抗震安全对于土石坝的抗震安全性非常重要。 大坝防渗体系的抗震安全对于土石坝的抗震安全性非常重要。应 在土石坝动力分析的基础上，做好土石坝防渗体的抗震安全评价， 在土石坝动力分析的基础上，做好土石坝防渗体的抗震安全评价， 做好抗震设计和抗震措施。 做好抗震设计和抗震措施。 土石坝坝型不同， 土石坝坝型不同，关注的防渗体也不同对于土质心墙坝， 对于土质心墙坝，应重点关注地震作用下心墙以及心墙与坝壳 接触部位的抗震安全性 对于面板坝， 对于面板坝，则应重点关注面板及接缝止水的抗震安全性对于建在覆盖层地基上的土

石坝，如果采用地基防渗墙， 对于建在覆盖层地基上的土石坝，如果采用地基防渗墙，应同时关 注防渗墙的抗震安全性。 注防渗墙的抗震安全性。 还应关注坝顶防浪墙的抗震安全性等。 还应关注坝顶防浪墙的抗震安全性等。