地震波类型及入射方向对高面板堆石坝动力反应的影响研究

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迄今,我国高土石坝的建设规模已达到多项世界之最,其抗震安全性举世瞩目。我国大部分高土石坝建设在西部地区,处于地中海-喜马拉雅山地震带上,地质构造复杂,中、强震活动频繁,大坝一旦因地震而发生溃决,会给人民的生命财产安全造成极为严重的损失。因此,高土石坝的抗震安全是大坝设计的重中之重。在高土石坝抗震安全评价中,地震动输入方法对能否准确模拟高土石坝动力反应有很大影响。目前,对于岩性地基上的高土石坝,依然普遍采用振动分析方法研究其在地震作用下的动力反应,即将坝基底部边界固定并在计算模型各节点上直接施加地震惯性力。该方法将开放系统的波动问题简化为封闭系统的振动问题,忽略行波效应和河谷地形导致的地震动输入的差异性,同时忽略地基辐射阻尼的影响,无法反映高土石坝-地基的动力相互作用,将可能导致大坝地震反应失真。随着大坝建设规模的大幅提高,其尺度、重量和坝体底部模量增长显著,在地震过程中坝-基交界面可透射的能量增多,行波效应的作用增强;此外,由于地震的随机性、地壳结构的复杂性,会导致地震波传播到坝体结构时的入射波类型及角度存在一定的不确定性。因此,高土石坝-地基的动力相互作用不容忽略,应采用波动分析方法开展坝体动力反应研究。本文联合粘弹性人工边界和等效节点荷载的波动分析方法,能够在较大程度上消除由结构导致的外行散射波,模拟地基的无限域特性,同时可以模拟地震波动的传播过程和不同河谷地形诱发的地震动特性,继而系统地研究了高面板堆石坝-地基的动力相互作用及地震波类型与入射方向的影响规律,主要包括以下内容:(1)参考国内部分已建、在建的高面板堆石坝工程的几何参数,针对250m级高面板堆石坝,创建了不同河谷宽度的三维有限元模型,分别采用能量开放的波动分析方法和能量封闭的振动分析方法,计算了坝体的地震反应,验证了波动分析方法的合理性,对比了两种分析方法下坝体加速度和面板动应力的分布规律,并兼顾了地震动加速度峰值和地基模量对坝-基动力相互作用的影响。(2)针对250m级高面板堆石坝,探讨了SH波、SV波和P波以不同角度和方向入射时坝体动位移、加速度和面板动应力极值及分布规律,发现不同地震波类型入射角度和方向对坝体动力反应影响明显,因此,考虑不同地震波类型入射角度和方向对全面、准确评价高面板堆石坝的极限抗震能力极为必要。
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