深切河谷中高土石坝抗震设计方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程的技术领域，具体涉及深切河谷中高土石坝抗震设计方法。


背景技术：

2.土石坝具有选材容易、造价较低、结构简单、抗震性能好等优点，是水利水电工程建设广泛采用的一种坝型。我国水能资源主要分布在西部地区，西部地区同时又是我国地震的强震区，建于西部地区的高土石坝不可避免地要经受强震作用。已有研究表明，地震过程中高土石坝在4h/5（h为坝高）以上的坝顶部存在明显的“鞭鞘效应”如图1所示，由图可以看出，在4h/5以下计算的加速度放大系数变化不大，但在4h/5附近加速度放大系数突然增大，表明在4h/5以上的坝顶部地震响应存在明显的“鞭梢效应”。会使坝顶部堆石出现松动、滚落、坍塌，甚至浅层滑动，这些破坏对大坝整体抗震安全造成严重危害。因此，高土石坝4h/5以上的坝顶部是抗震设计的关键部位。
3.我国西部地区的河流大多位于河谷深切的高山峡谷之中，位于深切河谷中的高土石坝，两岸山体对坝体存在较强的约束作用，而位于河谷中部的坝体为临空结构，受两岸山体约束较弱，地震过程中河谷中部的坝顶部地震响应最为强烈，靠近两岸部位的地震响应较弱，深切河谷中的高土石坝地震响应具有明显的三维河谷效应，因此，深切河谷中高土石坝的抗震设计和抗震措施应考虑地震响应的三维河谷效应。
4.强震区高土石坝坝顶部采取加筋结构，是一种经济、有效的增强坝体抗震性能的措施。目前位于深切河谷中高土石坝坝顶部的抗震结构采取了和宽河谷中高土石坝一样的抗震设计方法，没有考虑深切河谷中高土石坝地震响应的三维河谷效应，在4h/5以上的坝顶部采用均一、相同的抗震措施。位于深切河谷中高土石坝在4h/5以上的坝顶部采用均一、相同的抗震措施，不考虑河谷中部坝体地震响应和靠近岸坡坝体地震响应的差异，抗震措施既不科学，也不经济。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供深切河谷中高土石坝抗震设计方法，解决上述背景技术中的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括河谷中部重点加固区域的确定、重点加固区域加筋长度的计算以及非重点加固区域加筋长度的计算，具体步骤如下：s1、根据三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变确定重点加固区域；s2、计算重点加固区域的坝壳料加筋长度与非重点加固区域坝壳料的加筋长度；s3、分层填筑、碾压高土石坝筑料到坝体设计高程的4h/5处，h为坝高；s4、根据计算的加筋长度，分别铺设重点加固区域和非重点加固区域的筋材，筋材
为抗震筋材；s5、铺设完成后，继续分层填筑、碾压高土石坝筑坝料；s6、重复步骤s4、s5，直至坝体填筑至坝顶设计高程。
7.优选的，河谷中部重点加固区域由4h/5以上和三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变共同确定的坝顶部壳料区域。
8.优选的，重点加固区域内布设加筋长度l的计算公式为：l=a
×
(0.09h+1)式中：h为坝高；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5。
9.优选的，非重点加固区域布设加筋长度s的计算公式：s=a
×
(0.09h+1)式中：h为非重点加固区域坝顶到岸坡基岩的坝体高度；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5。
10.优选的，当设计烈度为7度时，a取1.0，当设计烈度为8度时，a取1.25，当设计烈度为9度时，a取1.5。
11.优选的，加筋长度的l与加筋长度的s在用于心墙堆石坝时以不穿过反滤料为限，在用于面板堆石坝时以不穿过垫层料为限。
12.优选的，所述抗震筋材由预制钢筋混凝土框格梁、钢筋、扁钢和土工格栅中的一种或几种组成。
13.本发明提供了深切河谷中高土石坝抗震设计方法，充分考虑了深切河谷中高土石坝地震响应的三维河谷效应，考虑了深切河谷中高土石坝由于两岸山体的约束，河谷中部和两岸部位地震响应的差异，提出了重点加固区域和非重点加固区域的确定方法，给出了重点加固区域和非重点加固区域加筋长度的计算公式，并考虑了地震设计烈度的影响，抗震设计方法及所确定的抗震结构更加科学、合理、经济。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1是顺河向加速度放大系数沿坝高分布；图2是本发明高土石坝坝顶抗震结构设计方法示意图；图3是本发明抗震结构示意图；图4是本发明图3的俯视图；图5是本发明实施例2坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数曲线图；图6是本发明实施例3坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数曲线图；图7是本发明实施例4坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数曲线图；图中：坝体加筋筋材1；反滤料2；坝壳料3；心墙4；重点加固区域5；非重点加固区域6。
具体实施方式
15.实施例1如图2~4所示，深切河谷中高土石坝抗震设计方法，包括河谷中部重点加固区域5
的确定、重点加固区域5加筋长度的计算以及非重点加固区域6加筋长度的计算，具体步骤如下：步骤一、根据三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变确定重点加固区域5；河谷中部重点加固区域5由4h/5以上和三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变共同确定的坝顶部壳料区域。
16.步骤二、计算重点加固区域5的坝壳料3加筋长度与非重点加固区域6坝壳料3的加筋长度；重点加固区域的坝壳料加筋长度l与坝高h和工程抗震设计烈度相关，重点加固区域5内布设加筋长度l的计算公式为：l=a
×
(0.09h+1)式中：h为坝高；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5；非重点加固区域的加筋长度s与该区域坝顶到岸坡基岩的坝体高度h以及工程抗震设计烈度相关，非重点加固区域6布设加筋长度s的计算公式：s=a
×
(0.09h+1)式中：h为非重点加固区域6坝顶到岸坡基岩的坝体高度；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5；当设计烈度为7度时，a取1.0，当设计烈度为8度时，a取1.25，当设计烈度为9度时，a取1.5。
17.步骤三、分层填筑、碾压高土石坝筑料到坝体设计高程的4h/5处，h为坝高。
18.步骤四、根据计算的加筋长度，分别铺设重点加固区域5和非重点加固区域6的筋材，筋材为抗震筋材；加筋长度的l与加筋长度的s在用于心墙4堆石坝时以不穿过反滤料2为限，在用于面板堆石坝时以不穿过垫层料为限；所述抗震筋材由预制钢筋混凝土框格梁、钢筋、扁钢和土工格栅中的一种或几种组成。
19.步骤五、铺设完成后，继续分层填筑、碾压高土石坝筑坝料；步骤六、重复步骤s4、s5，直至坝体填筑至坝顶设计高程。
20.实施例2某混凝土面板堆石坝，坝高100m，坝顶坝轴线l长240.00m，坝顶宽度14m，上游坝坡坡比为1:1.4，下游坝坡综合坡比1:1.4，左右坝肩的综合坡比为1:1.0，基本呈对称分布，属于典型的位于深切河谷中的高土石坝。根据场地地震安全性评价成果，工程场地地震基本烈度为6度，设计烈度为7度，100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度为0.18g。
21.对该混凝土面板堆石坝进行三维有限元地震反应分析，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数见图5，由图5可见，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数在距左岸0.3l处和距右岸0.3l处存在放大突变，可确定重点加固范围为4h/5以上的河谷中部2l/5范围的坝壳料3，即80m坝高以上的河谷中部96m的坝壳料3。从左岸往右岸到72m和右岸往左岸到72m处属于重点加固区域5以外区域非重点加固区域6。
22.由于上游坝壳料3有混凝土面板的保护，仅在下游坝壳料3中采用铺设钢筋的抗震加固措施，同一层钢筋的水平间距为3m，上下层钢筋的竖向间距为2m。
23.根据坝高h=100m和抗震设计烈度7度，重点加固区域5的加筋长度l=a
×
(0.09h+1)，a=1.0,可以确定重点加固区域5的加筋长度为l=1.0
×
(0.09
×
100+1)=10m。
24.由于同一层钢筋的水平间距为3m，相应的重点加固区域5以外区域的坝顶到岸坡基岩的坝体高度由河谷中部向两岸依次为69m、66m、63m
……
根据重点加固区域5以外区域的加筋长度s=a
×
(0.09h+1)，a=1.0，可以确定重点加固区域5以外区域的加筋长度从河谷中部到岸坡依次为7.21m、6.94m、6.67m
……
。
25.采用动力有限元时程法计算坝坡的地震抗滑稳定安全系数，计算结果表明，未采取抗震措施，地震过程中坝坡最小安全系数为1.21，采取上述抗震措施后，地震过程中坝坡最小安全系数为1.32，提高了坝坡的抗震稳定安全系数。
26.实施例3某砾石土心墙4堆石坝，坝高300m，坝顶坝轴线l长670.00m，坝顶宽度16m，上游坝坡坡比为1:2.0，下游坝坡综合坡比1:2.0，心墙4部位左右坝肩的综合坡比为1:1.0，基本呈对称分布，属于典型的位于深切河谷中的超高土石坝。根据场地地震安全性评价成果，工程场地地震基本烈度为7度，设计烈度为8度，100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度为0.29g。
27.对该砾石土心墙4堆石坝进行三维有限元地震反应分析，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数见图6，由图6可见，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数在距左岸0.3l处和距右岸0.3l处存在放大突变，可确定重点加固范围为4h/5以上的河谷中部2l/5范围的坝壳料3，即240m坝高以上的河谷中部268m的坝壳料3。从左岸往右岸到201m和右岸往左岸到201m处属于重点加固区域5以外区域非重点加固区域6。
28.坝体上下游坝壳料3采用铺设钢筋和土工格栅的抗震加固措施，钢筋竖向间距为6m，在竖向两层钢筋间铺设两层土工格栅，土工格栅的长度同上下层钢筋的长度，土工格栅与土工格栅、土工格栅与上下层钢筋的竖向间距均为2m，同一层钢筋的水平间距为3m。
29.根据坝高h=300m和抗震设计烈度8度，重点加固区域5的加筋长度l=a
×
(0.09h+1)，a=1.25,可以确定重点加固区域5的加筋长度为l=1.25
×
(0.09
×
300+1)=35m。
30.由于同一层钢筋的水平间距为3m，相应的重点加固区域5以外区域的坝顶到岸坡基岩的坝体高度由河谷中部向两岸依次为198m、195m、192m
……
根据重点加固区域5以外区域的加筋长度s=a
×
(0.09h+1)，a=1.25，可以确定重点加固区域5以外区域的加筋长度从河谷中部到岸坡依次为23.53m、23.19m、22.85m
……
。
31.采用动力有限元时程法计算坝坡的地震抗滑稳定安全系数，并采用newmark滑块法计算坝坡的累积滑移量，计算结果表明，未采取抗震措施，地震过程中坝坡最小安全系数为0.65，安全系数小于1.0的持续时间1.5s，累积滑移量为12cm；采取抗震措施后，地震过程中坝坡最小安全系数为0.9，安全系数小于1.0的持续时间0.12s，累积滑移量为0.29cm。采取抗震措施后，对坝坡抗震稳定有明显的增强作用，坝坡安全系数增大，滑移量显著减小。因此，能有效抑制坝坡的地震滑移和坍塌变形，提高抗震安全性。
32.实施例4某砾石土心墙4堆石坝，坝高200m，坝顶坝轴线l长440.00m，坝顶宽度16m，上游坝坡为1:2.0，下游坝坡综合坡比1:2.0，心墙4部位左右坝肩的综合坡比为1:1.0，基本呈对称分布，属于典型的位于深切河谷中的超高土石坝。根据场地地震安全性评价成果，工程场地
地震基本烈度为8度，设计烈度为9度，100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度为0.42g。
33.对该砾石土心墙4堆石坝进行三维有限元地震反应分析，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数见图7，由图7可见，坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数在距左岸0.35l处和距右岸0.35l处存在放大突变，可确定重点加固范围为4h/5以上的河谷中部3l/10范围的坝壳料3，，即160m坝高以上的河谷中部132m。从左岸往右岸到154m和右岸往左岸到154m处属于重点加固区域5以外区域非重点加固区域6。
34.坝体上下游坝壳料3采用预制钢筋混凝土梁和土工格栅的抗震加固措施，预制钢筋混凝土梁竖向间距为6m，在竖向两层预制钢筋混凝土梁间铺设两层土工格栅，土工格栅的长度同上下层预制钢筋混凝土梁的长度，土工格栅与土工格栅、土工格栅与上下层预制钢筋混凝土梁的竖向间距均为2m，同一层预制钢筋混凝土梁的水平间距为6m。
35.根据坝高h=200m和抗震设计烈度9度，重点加固区域5的加筋长度l=a
×
(0.09h+1)，a=1.5，可以确定重点加固区域5的加筋长度为l=1.5
×
(0.09
×
200+1)=28.5m。
36.由于同一层预制钢筋混凝土梁的水平间距为6m，相应的重点加固区域5以外区域的坝顶到岸坡基岩的坝体高度由河谷中部向两岸依次为148m、142m、136m
……
根据重点加固区域5以外区域的加筋长度s=a
×
(0.09h+1)，a=1.5，可以确定重点加固区域5以外区域的加筋长度从河谷中部到岸坡依次为21.48m、20.67m、19.86m
……
。
37.采用动力有限元时程法计算坝体的地震抗滑稳定安全系数，并采用newmark滑块法计算坝坡的累积滑移量，计算结果表明，未采取抗震措施，地震过程中坝坡最小安全系数为0.58，安全系数小于1.0的持续时间1.8s，累积滑移量为14cm；采取抗震措施后，地震过程中坝坡最小安全系数为0.89，安全系数小于1.0的持续时间0.05s，累积滑移量为0.22cm。采取抗震措施后，对坝坡稳定抗震有明显的增强作用，坝坡安全系数增大，滑移量显著减小。因此，能有效抑制坝坡的地震滑移和坍塌变形，提高抗震安全性。
38.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：包括河谷中部重点加固区域（5）的确定、重点加固区域（5）加筋长度的计算以及非重点加固区域（6）加筋长度的计算，具体步骤如下：s1、根据三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变确定重点加固区域（5）；s2、计算重点加固区域（5）的坝壳料（3）加筋长度与非重点加固区域（6）坝壳料（3）的加筋长度；s3、分层填筑、碾压高土石坝筑料到坝体设计高程的4h/5处，h为坝高；s4、根据计算的加筋长度，分别铺设重点加固区域（5）和非重点加固区域（6）的筋材，筋材为抗震筋材；s5、铺设完成后，继续分层填筑、碾压高土石坝筑坝料；s6、重复步骤s4~s5，直至坝体填筑至坝顶设计高程。2.根据权利要求1所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：河谷中部重点加固区域（5）由4h/5以上和三维动力有限元计算的坝顶坝轴线顺河向加速度放大系数出现突变共同确定的坝顶部坝壳料（3）区域。3.根据权利要求1所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：重点加固区域（5）的坝壳料（3）加筋长度l的计算公式为：l=a
×
(0.09h+1)式中：h为坝高；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5。4.根据权利要求1所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：非重点加固区域（6）坝壳料（3）的加筋长度s的计算公式：s=a
×
(0.09h+1)式中：h为非重点加固区域（6）坝顶到岸坡基岩的坝体高度；a为与工程抗震设计烈度相关的系数，a为1~1.5。5.根据权利要求3或4中任意一项所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：当设计烈度为7度时，a取1.0，当设计烈度为8度时，a取1.25，当设计烈度为9度时，a取1.5。6.根据权利要求1所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：重点加固区域（5）与非重点加固区域（6）的加筋长度在用于心墙堆石坝时以不穿过反滤料（2）为限，在用于面板堆石坝时以不穿过垫层料为限。7.根据权利要求1所述深切河谷中高土石坝抗震设计方法，其特征是：所述抗震筋材由预制钢筋混凝土框格梁、钢筋、扁钢和土工格栅中的一种或几种组成。

技术总结
本发明提供了深切河谷中高土石坝抗震设计方法，包括河谷中部重点加固区域的确定、重点加固区域加筋长度的计算以及非重点加固区域加筋长度的计算，充分考虑了深切河谷中高土石坝地震响应的三维河谷效应，考虑了深切河谷中高土石坝由于两岸山体的约束，河谷中部和两岸部位地震响应的差异，提出了重点加固区域和非重点加固区域的确定方法，给出了重点加固区域和非重点加固区域加筋长度的计算公式，并考虑了地震设计烈度的影响，抗震设计方法及所确定的抗震结构更加科学、合理、经济。经济。经济。


技术研发人员：金伟 杨星 姜媛媛 朱先文
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/25