土石坝极限抗震能力的上限有限元法①

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杨昕光1，2， 迟世春3， 饶锡保1， 张伟1， 潘家军1， 周欣华1， 徐晗1

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；

2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏 南京 210029；

3. 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

摘要：基于极限分析上限定理，考虑堆石料内摩擦角较大以及抗剪强度具有非线性的特性，提出一个用于求解土石坝极限抗震能力的有限元计算方法。该方法通过功能平衡条件、位移协调条件、边界条件、屈服条件以及所求极限荷载，形成标准的二阶锥规划数学模型，并用内点法进行优化迭代求解，得到土石坝坡极限抗震能力的上限值。运用该方法对一个典型面板堆石坝进行抗震极限分析。结果表明：按规范设计的土石坝具有较强的抗震能力，且竖向地震力对大坝的极限抗震能力存在一定影响；此外上限有限元法具有较高的计算精度及工程实用价值。

关键词：土石坝； 极限抗震能力； 极限分析； 上限定理

收稿日期：①2015-04-01

基金项目：国家自然科学基金(51309029)；水利部公益性行业专项(201201039)；水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放研究基金(YK914017)

作者简介：杨昕光(1983-)，男，内蒙古赤峰人，博士、工程师，主要从事土石坝地震工程、土工数值计算与分析等方面研究。

中图分类号:TV641； TV312文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0667

Upper Bound FEM to Analyze the Ultimate Aseismic

Capability of Earth-rock Dams

YANG Xin-guang1, 2, CHI Shi-chun3, RAO Xi-bao1, ZHANG Wei1,

PAN Jia-jun1, ZHOU Xin-hua1, XU Han1

(1.KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringofMinistryofWaterResources,YangtzeRiverScientificResearch

Institute,Wuhan430010,Hubei，China; 2.KeyLaboratoryofFailureMechanismandSafetyControlTechniques

ofEarth-rockDamoftheMinistryofWaterResources,Nanjing210029,Jiangsu，China;

3.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning，China)

Abstract：An upper bound limit analysis finite element method is developed to study the ultimate aseismic capacity of earth-rock dams. Considering the large value of the internal friction angle and the non-linear shear strength parameters of earth-rock materials, a static form, which is the corresponding dual problem of the second-order cone programming for upper bound limit analysis, is formulated with constraints based on the yield criterion, flow rule, boundary conditions, and the energy-work balance equation. The upper bound solution of ultimate aseismic capacity is then iteratively obtained by a state-of-the-art interior-point algorithm. The proposed method is applied to the seismic stability problem of a typical earth-rock dam. The results indicate that the earth-rock dams designed according to code have strong seismic capabilities, as the influence of vertical earthquake load is considered. These results also demonstrate the high calculation accuracy and practical value of the proposed method.

Key words： earth-rock dam; ultimate aseismic capacity; limit analysis; upper bound theorem

0引言

我国西部地区水力资源丰富，但同时也是地震高烈度区，地震频发且强度较大。我国已建和在建的土石坝大多位于这一地区。……