土石坝的静动力分析

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1、清华大学水利水电工程系 河 川 枢 纽 研 究 所,徐 艳 杰,高等水工结构之五,土石坝的静动力分析,个 人 介 绍,徐艳杰：河川枢纽研究所 副教授 主要研究方向： - 高坝静动力分析与破损机理研究 - 高拱坝抗震加固方法 - 结构地基相互作用理论与数值方法 - 高坝地基整体稳定与变形分析理论 联系方式： 办公室：新水利馆205室 电话： 62782291（o）；13801338068 Email: ,土石坝的静动力分析,一、综述 二、土石坝的渗流分析 三、岩土材料本构模型 四、土石坝的变形分析 五、土石坝的抗震 六、课程讨论和总结,一、综述,第一章 综述,综 述,土石坝发展历史简介 土石坝破

2、坏事故回顾 土石坝静力分析的内容 土石坝动力分析的内容,土石坝的发展历史简介,土石坝是最古老的坝型，直到16世纪 末出现重力坝，是唯一的坝型。 1824年硅酸盐水泥发明。混凝土重力 坝在19世纪后半叶逐渐取得优势。 20世纪前半叶为混凝土坝时代。 1940年后，土石坝的建设重新活跃， 近年更有超过混凝土坝的趋势。,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,全世界高坝(H100m)中土石坝比例变化 20世纪50年代以来土石坝得到飞速发展 原因： 施工机械与技术的提高 现代土力学理论的发展,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1

3、土石坝发展历史简介,中国目前大坝(H15m)超过7万座， 其中95%为土石坝,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,斜心墙,Rogun斜心墙土石坝，坝高335m，未建成,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,Nurek土坝 坝高317m 世界最高坝,心墙,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,Aswan堆石坝 建于埃及尼罗河 坝高111m 库容1689亿m3 第四大人工湖 装机210万kW,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,

4、水布垭面板堆石坝 坝高233m 在建的世界最高,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,灌浆帷幕,深100m,Serre-Poncon土石坝 坝高129m 建于法国Durance河,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,斜墙,密云水库白河主坝 右岸有进水塔和 下游泄洪洞出口 坝高66m,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,狮子滩堆石坝，上游为块石混凝土坝体，坝高52m上游坡1：0.3,土石坝的发展历史简介,第一章 综述 1.1 土石坝发展历史简介,碧口土坝，高101m 可看见右侧的过木道、 溢洪道和 泄洪洞进水塔,土

5、石坝破坏事故回顾,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,美国1950年代前 土石坝溃坝统计,土石坝破坏事故回顾,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,我国已建水库和 溃坝水库分布图 （截至1980年底）,土石坝破坏事故回顾,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,我国溃坝水库 统计资料分析,土石坝破坏事故回顾,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,土石坝事故原因及发展过程,渗透破坏:青海沟后水库溃口,建于1989年 高71米 长265米 1993年8月27日垮坝 死300余人,坝体溃口 （下游视图）,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,渗透破坏:青海沟后水库溃口,

6、坝体溃口 （上游视图）,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,渗透破坏:青海沟后水库溃口,坝体溃口 （上游视图）,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,1. 面板溃决口(残留面板顶部) 2. 下游坝体溃决口; 3. 坝下游周边轮廓线 4. 上坝公路 0 管涌孔洞,渗透破坏:青海沟后水库溃口,坝体溃口 （上游视图）,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,渗透破坏:青海沟后水库溃口,坝体溃口 （上游视图）,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,非漫顶破坏 非基础渗透破坏 非两岸绕渗破坏 起因：钢筋混凝土面板漏水 发展：坝体排水不畅 人为因素：

7、技术管理不善,渗流破坏-Teton坝（美国）,概况： 土坝，高93m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事 损失： 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路 原因： 渗透破坏冲蚀 水力劈裂,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾 渗透破坏,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton坝渗流破坏过

8、程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,11:30 洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,11：50左右 洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,12：00过后 坍塌口加宽,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝渗流

9、破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,失事现场目前的状况,Teton坝渗流破坏过程,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,失事原因研究结论,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,被洪水冲垮后的板桥大坝,漫顶溃坝板桥水库,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,漫顶溃坝板桥水库,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,坝顶和防浪墙,被破坏的京广铁路,漫顶溃坝板桥水库,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 重粉质粘土厚心墙砂砾石坝，高24m，长2020m，库容4.9亿m3，1952年建成 “75.8暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。 损失： 溃坝历时8.5h，洪水

10、漫流，洪、沙、颖、汝河连成一片，河面宽150km， 淹没农田1100万亩，受灾人口1190万，死亡人数超过2.6万，经济损失近百亿元 原因： 设计洪水标准偏低洪水漫坝 实际洪峰流量13000m3/s（设计5083m3/s） 三天面雨量1007.5mm，三天洪水总量6.97亿m3 教训： 慎重对待洪水分析；严格执行水库调度规则,漫顶溃坝石漫滩水库,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 粉质粘土均质坝，高25m，长500m，库容0.92亿m3，1952年建成 “75.8暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。 原因： 水文系列短，设计洪水标准偏低洪水漫坝 最大溃坝流量30000m3/s（设计仅为

11、37.5%） 教训： 慎重对待洪水分析；水库群的联合防洪调度问题,心墙渗透破坏Mud Mountain,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 冰碛土与砂砾料混合心墙坝，高110m，194148年建成，当时世界最高 破坏： 心墙与过渡层间出现裂缝，导致坝体渗漏 加固： 心墙中打设混凝土防渗墙（1990年）细粒料含量少的砂砾石做心墙？,滑坡失事七一水库,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 粘土心墙（实际：均质）坝，高50m，长400m，库容1.9亿m3，1952年建成 “75.8暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。 事故： 1972.11.8，为加高土坝，增建泄水隧洞，进行进口

12、岩塞爆破时，事先未安装动水关闭的闸门，水库水位降速过快（1.954m/d）,最大降幅23m，导致上游坡滑坡 原因： 库水骤降，上游坝壳渗透系数太小，导致瞬时不稳定浸润线太高,地震破坏陡河土坝,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 轻中壤土均质坝，高22m，长1700/4415m，库容1.9亿m3，1956年建成 震害： 距唐山地震震中19km，烈度9度。主坝某坝段地基喷水冒砂，大坝严重破坏，有滑坡和宽而深的纵横裂缝及暗缝，有较大的竖向和水平位移，防浪墙倒塌，坝身左右扭曲、上下起伏。,地震破坏蒲野泽坝,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 筑坝材料为火山灰质砂壤土 坝高低

13、于20m 震害： 1968.5，十胜冲地震，7.9级 坝体干密度低（0.9-1.18g/cm3），震前4天连续降雨，坝体含水量高，导致滑坡溃坝。,地震破坏San Fernando坝,第一章 综述 1.2 土石坝破坏事故回顾,概况： 下坝：坝高42.7m，水力充填坝，1912年修建 坝基含有厚10m的砂和硬粘土 震害： 1971.2，San Fernando地震，6.6级 饱和砂土液化导致坝体发生大规模塌滑，但幸免漫顶,土石坝的静力分析,渗流及渗流稳定分析 沉降分析 力学稳定分析 应力应变分析,第一章 综述 1.3 土石坝静力分析的主要内容,土石坝的动力分析,国内外土石坝震害评估 高土石坝抗震若

14、干关键问题 土石坝动力稳定性分析方法 土石坝抗震设计与抗震加固,第一章 综述 1.4 土石坝动力分析的主要内容,土石坝的静动力分析,一、综述 二、土石坝的渗流分析 三、岩土材料本构模型 四、土石坝的变形分析 五、土石坝的抗震 六、课程讨论和总结,二、土石坝的渗流分析,土石坝的渗流分析,概述-渗流分析的目的、方法 广义达西定律 稳定渗流的数学描述 非稳定渗流的数学描述 稳定渗流有限元计算 非稳定渗流有限元计算,第二章 土石坝的渗流分析,渗流分析的目的 渗流分析方法,土石坝渗流分析概述,第二章 土石坝的渗流分析 2.1 概述, - 混凝土面板 - 垫层料、过渡料 - 主堆石料 - 次堆石料 - 软

15、岩料 - 防浪墙,面板堆石坝的材料分区和功能？,讨论,第二章 土石坝的渗流分析 2.1 概述,确定坝体浸润线的位置,绘制坝体和坝基内的流网 确定坝体和坝基的渗流量 确定渗流在坝体和坝基逸出处的渗透梯度以及在不同土层交界处的渗透梯度,以判断土体是否渗透稳定 库水位骤降时,确定上游坝壳或斜墙内的浸润线的位置和孔隙水压力 计算坝头岸坡内的绕坝渗流,确定坝体和岸基内的浸润面,土石坝渗流分析的目的,第二章 土石坝的渗流分析 2.1 概述 渗流分析的目的,对各种荷载组合情况,都要进行渗流计算。渗流计算可采用: 水力学方法：简便实用，用于I、II级坝和高坝的初设以及III、IV级坝的初设和技设阶段 手画流网

16、法：简便快捷，足够精度较好，可分析较复杂断面的渗流问题 电比拟试验法：利用电流场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题 数值解法：有限元、有限差、边界元，下面详细介绍有限元法,渗流分析的方法,第二章 土石坝的渗流分析 2.1 概述 渗流分析的方法,广义达西定律,渗流的驱动能-水头 达西定律及其物理意义 达西定律的适用范围 广义达西定律,第二章 土石坝的渗流分析 2.2 广义达西定律,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）,渗流的总水头：,渗流问题的驱动能-水头,