深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法.PDF

第15卷 第3期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.15 No.3 2017年6月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research June，2017 文章编号：1672-3031（2017）03-0200-09 深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法 杨正权1，2，3 ，刘小生1，2，3 ，汪小刚1，2，3 ，赵剑明1，2，3 ，温彦锋1，2，3 （1. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100048； 3. 水利部水工程抗震与应急支持工程技术研究中心，北京 100048） 摘要：当覆盖层地基深度相对其上土石坝坝高较大时，大坝动力分析计算中常将覆盖层地基截断，只取临近坝体 部分覆盖层地基连同坝体一起作为计算分析对象。用黏弹性边界条件代替固定边界条件，可以消除或有效降低由 于截断边界造成外行波无法透过边界而引起的计算误差。本文采用施加等效地震惯性力的方法实现黏弹性边界条 件下的地震动输入、采用等效线性化方法反映覆盖层地基边界上黏弹性边界条件的非线性特性，建立了基于黏弹 性边界条件的深厚覆盖层上土石坝动力反应分析方法。研究表明：施加等效地震惯性力的方法可以简单而有效地 解决黏弹性边界条件下的地震动输入问题；固定边界条件大幅提高了坝体在地震作用下的动力反应水平，使得计 算的结果偏于安全。 关键词：深厚覆盖层；土石坝；动力分析；边界处理方法；黏弹性边界 中图分类号：TV641 文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2017.03.006 1 研究背景 作为大坝地基的河床和山体 ，相对于坝体可视作为无限域。坝体结构的地震响应是由地壳深部 输入的自由场入射地震波和由于河谷地基及坝体存在而产生的外行散射波双重作用的结果。外行散 射波在向山体和河床深部传播过程中，由于几何扩散和地基内部阻尼作用，将有部分外行散射波地 震动能量耗散到远域地基中，远域地基这种对大坝体系动力响应的限制起到了相当于阻尼的作用， ［1］ 称为“辐射阻尼”效应 。 对于深厚覆盖层上的土石坝，当覆盖层厚度相对坝高较大时，大坝动力分析中宜将覆盖层地基 截断，只取临近坝体部分覆盖层作为大坝结构的近域地基，连同坝体一起作为计算分析对象。目 前，对截断边界的处理方式主要是做人工固定，使得外行散射波无法透过模型边界向远域地基扩 散，而被全部反射回模型内部，远域地基的“辐射阻尼”效应无从体现，从而显著增加大坝结构的动 力响应水平。加之，覆盖层材料相对基岩较软弱，截断边界内外土体材料特性接近，固定边界条件 的这一效应相对基岩上大坝更加显著。可以通过在截断边界上施加各种人工边界条件的方法，来消 除或降低由地基截断边界所带来的计算误差。 ［2］ 人工边界条件大体可以分为时空耦联的全局人工边界条件和时空解耦的局部人工边界条件 。局 部人工边界条件虽然不能像全局人工边界条件那样对无限域介质实现精确模拟，但是其和现有计算 方法容易结合、操作简便，得到了广泛的实际应用。透射边界、黏性边界和黏弹性边界是当前结构 动力分析中应用较广的几种局部人工边界条件：模拟波在人工边界上穿过的过程、以有限区域模拟 ［3］ 波向无限域传播的透射边界条件 ，通过多次透射处理可以使得计算结果达到比较高的精度；黏性边 收稿日期：2016-08-01 基金项目：国家自然科学基金项目51679264）；中国水科院基本科研业务费项目（GE01458292017）；国家重点基础 研究发展计划暨973计划课题（2013CB036404）；“十二·五”国家科技支撑计划课题（2013BAB06B02）；水利部公益性 行业科研专项项目（201501035） 作者简介：杨正权（1980-），男，吉林集安人，博士，高级工程师，主要从事土动力学及土工结构抗震研究。