本發明涉及土石壩地震液化判斷安全監測
技術領域：
，具體提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡化判斷方法。
背景技術：
：大壩又稱為攔河壩，是堤壩式水電站中的主要壅水建筑物。其作用是抬高河流水位，形成上游調節水庫，大壩可分為混凝土壩和土石壩兩大類。土石壩具體包括土壩、堆石壩、土石混合壩等，具有就地取材、節約水泥、對壩址地基條件要求較低等優點。由于土石壩在水庫、電站工作中起至關重要作用，因此土石壩的安全監測及故障判斷至關重要。由于大壩失事原因是多方面的，其表現形式和可能發生的部位因各壩具體條件而異。因此，在大壩安全監測系統的設計中，應根據壩型、壩體結構和地質條件等，選定具體監測方法，不同壩型的主要觀測項目如下。1)土壩、土石混合壩失事的主要原因常是滲透破壞和壩坡失穩，主要觀測項目有垂直和水平位移、裂縫、浸潤線、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等。2)混凝土壩:失事的主要原因是壩體、壩基內部應力和揚壓力超出設計限度，主要觀測項目有變形、應力、溫度、滲流量、揚壓力和伸縮縫等。此外，對泄水建筑物應進行泄流觀測和必要的水工建筑物觀測。我國土石壩抗震設計時，考慮到絕大多數為中小水庫，無法廣泛采用動力分析，且其需要的計算參數及工程安全判據方面尚不充分，因此現有技術中仍然以擬靜力法作為主要分析方法，擬靜力方法也稱為等效荷載法，即通過反應譜理論將地震對建筑物的作用以等效荷載的方法來表示，然后根據這一等效荷載用靜力分析的方法對結構進行內力和位移計算，以驗算結構的抗震承載力和變形。但目前擬靜力法分析方法中僅對高烈度區大型土石壩和地基中存在可液化土的土石壩，提出了動力計算綜合判斷的要求，沒有動力計算成果安全標準，因此對于目前的判斷方法具有優化評判方法的空間，更好地應用于具體實際情況有必要意義。技術實現要素：本發明的目的在于解決現有技術的不足，優化現有土石壩地震液化檢測判斷方法，具有與常用的商業軟件良好結合，簡化判斷方式，實現理論與實際結合的特點，方便應用性強。本發明提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法抗剪參數簡化方法，它包括以下步驟：(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷；(1-2)滿足液化邊界條件時，計算土石壩壩基二維擬靜力法參數，所述參數包括土體抗剪強度與抗滑穩定性，所述土體抗剪強度采用有效應力法計算；所述有效應力計算公式為：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'式中：τ為土體的抗剪強度；c'、φ'有效應力抗剪強度指標，對于液化砂土，c'＝0；σ、σ'分別為土體法向總應力、有效應力；u為孔隙水壓力。所述抗滑穩定性計算采用圓弧條分法計算；所述抗滑穩定性計算公式為式中：w為土條重力；q、v分別為地震水平、垂直慣性力；u為作用于土條底面的孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；mc為地震水平慣性力對圓心的力矩；r為滑弧半徑；(1-3)根據計算的土石壩壩基二維擬靜力法參數進行土石壩壩基液化檢測判斷。進一步的方案，所述步驟(1-1)包括初判步驟(1-1-1)及復判步驟(1-1-2)，且根據初判及復判步驟計算出土石壩壩基液化邊界條件。進一步的方案，所述初判步驟(1-1-1)采用年代法或粒徑法或地下水位深度法判斷。進一步的方案，所述復判步驟(1-1-2)采用動力試驗法，采用動三軸試驗得到土石壩壩基土體動力參數，結合seed剪應力對比法判斷。進一步的方案，所述動力試驗法實驗過程中測量出土石壩壩基土體實際超靜孔隙水壓力的分布和地震殘余位移。進一步的方案，所述復判步驟(1-1-2)之后，建立土石壩壩基三維有限元，輸入土體動力參數、地震動參數，計算土層液化度，判斷液化發生程度；當液化度大于0.8時判斷發生液化。進一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當超靜孔隙水壓力對計算浸潤線造成影響時，計算滑面各土石壩壩基土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，所述抗滑穩定性公式中的u為計入超靜孔隙水壓力的實際值；進一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當超靜孔隙水壓力對計算浸潤線造成影響時，采用內摩擦角等效替換法：將所述抗滑穩定性公式進行變換，設，則將超靜孔隙水壓力影響包含在液化層土體內摩擦角中，此時，液化層土體計算內摩擦角為：式中ζ為有效應力與總應力之比。進一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當超靜孔隙水壓力對計算浸潤線造成影響時，基于液化度理論的計算方法，取k＝(β/d)tanφ'。按照此折減系數公式可反算出液化后計算需要的內摩擦角：本方案的有益效果體現在：1、本方案首先針對土石壩壩基液化邊界條件判斷，滿足液化邊界條件后在計算土石壩壩基二維擬靜力法參數，所述參數包括土體抗剪強度與抗滑穩定性，應用于二維擬靜力法計算中，由于行業規范中對擬靜力法成果有明確的判斷標準，將參數技術應用于標準中即可實現土石壩壩基液化的判斷，實現了與常用的商業軟件良好結合，并且合理考慮地震作用下的孔隙水壓力上升導致抗剪參數的降低問題，具有簡單有效、實用性強的特點。2、本方案采用多種方法與算法的結合實現了實踐與理論數據及規范標準的統一結合，集結合多種判別方法的優勢，具有結果可靠性強，可實現商業化軟件操作的技術優點，因此具有便捷效果特點。3、本方案中，在土石壩壩基二維擬靜力法參數計算時，考慮到超靜孔隙水壓力對計算浸潤線造成影響時，提出不同計算方案，具有理論結合實際使得判別結果更貼合實際，效果更為說服力。實際計算完成三維動力計算，根據其成果中的超靜孔隙水壓力分布，進行二維擬靜力法計算，再按照規范標準進行判斷。然而對于地基中存在可液化土的土石壩，如何在二維擬靜力法計算中與常用的商業軟件良好結合，合理考慮地震作用下的孔隙水壓力上升導致抗剪參數的降低問題。附圖說明圖1為本發明一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡化判斷方法步驟流程框圖；圖2為本發明二維擬靜力法抗滑穩定計算時圓弧條分法時簡化畢肖普法圖示；圖3為本發明具體實施例土石壩壩基砂層振動孔壓與上覆荷載比值λ分布示意圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方式，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。參看圖1-圖2所示，本發明提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡化判斷方法，包括以下步驟：(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷(s1)，包括初判步驟(1-1-1)及復判步驟(1-1-2)，且根據初判及復判步驟計算出土石壩壩基液化邊界條件。所述初判步驟(1-1-1)采用年代法或粒徑法或地下水位深度法判斷。所述復判步驟(1-1-2)采用動力試驗法，采用動三軸試驗得到土石壩壩基土體動力參數，結合seed剪應力對比法判斷。所述動力試驗法實驗過程中測量出土石壩壩基土體實際超靜孔隙水壓力的分布和地震殘余位移。在此過程中還可以結合肉眼觀察試樣變化，判斷是否可能發生液化。水電規范和建筑規范中地震液化的判斷方法基本一致，均分為初判、復判兩個階段，初判均采用年代法、粒徑法和地下水位深度法判斷，可以采用三種中的一種，也可以結合兩種或多種一起判斷，復判步驟(1-1-2)均以標準貫入試驗為主要依據。不同之處在于水電規范在初判條件上更為嚴格審慎，更重視多種方法的綜合評判，且有所側重的修改；而建筑國標在復判方法上更為明晰。本實施中，參考建筑規范中液化指數劃分方法進行液化等級判斷，作為分析液化邊界條件嚴重程度的定量依據。在完成(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷之后，符合液化條件的土石壩壩基，再進一步計算其參數。第二步驟，(1-2)計算土石壩壩基二維擬靜力法參數，所述參數包括土體抗剪強度與抗滑穩定性(s2)，所述土體抗剪強度采用有效應力法計算；所述有效應力計算公式為：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'式中：τ——土體的抗剪強度；c'、φ'——有效應力抗剪強度指標，對于液化砂土，c'＝0；σ、σ'——土體法向總應力、有效應力；u——孔隙水壓力。所述抗滑穩定性計算采用圓弧條分法計算；計算公式為：式中：w為土條重力；q、v為地震水平、垂直慣性力；u為作用于土條底面的孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；mc為地震水平慣性力對圓心的力矩；r為滑弧半徑；實際上，土體液化的發生，就是因為地震情況下，砂土中排水不暢，孔隙水壓力不斷上升，形成超凈孔隙水壓力，當其大于土體法向總應力時，有效應力為零，出現土體顆粒懸浮，這就是液化產生的微觀理論，實際中即發現冒砂、等液化現象。所述復判步驟(1-1-2)之后，建立土石壩壩基三維有限元，輸入土體動力參數、地震動參數，計算土層液化度，判斷液化發生程度；當液化度大于0.8時判斷發生液化。地震土體液化時，超靜孔隙水壓力對計算浸潤線造成影響，可以按照下面三種方式進行處理：1)計算滑面各土石壩壩基土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，所述抗滑穩定性公式中的u為計入超靜孔隙水壓力的實際值；計算滑面各土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，則公式中的u應為計入超靜孔隙水壓力的實際值；2)內摩擦角等效替換法：將式進行變換設σtanφ0'＝(σ-u)tanφ'，則τ＝c'+σtanφ0'即條分計算時，計算公式不變，將超靜孔隙水壓力影響包含在液化層土體內摩擦角中，僅改變計算參數即可，此時，液化層土體計算內摩擦角為：式中ζ為有效應力與總應力之比。3)基于液化度理論的計算方法砂層液化后的殘余強度與上部土體應力的關系可按0.05σv～0.15σv考慮，其中σv為上覆有效荷載。對于具有不同液化度的砂層，假定其剩余強度為βσv/d(β取0.05～0.15)，d為液化度，當d＝1即完全液化。靜力狀態下砂土內摩擦角為φ，穩定分析時其抗剪強度為σntanφ，采用靜力狀態下砂土內摩擦角進行壩坡擬靜力法分析時，為了考慮砂土液化引起的強度降低，折減系數按下式考慮k＝(βσv/d)/σntanφ'。壩基砂層中，近似認為σv與σn相等，則k＝(β/d)tanφ'。按照此折減系數公式可反算出液化后計算需要的內摩擦角：以上方法均需得到計算滑面各土體中液化土層的孔隙水壓力或液化度，該值一般需要通過建立三維動力模型進行分析，因此，采用以上方法時，均需在三維動力模型計算基礎上方能進行。其中：方法1)需要計算該液化砂層的孔隙水壓力，并分條塊計入，計算過程較為復雜，不易利用已有計算軟件進行分析計算；方法2)與方法3)則在三維計算成果基礎上，將液化土層按照有效應力與總應力之比或液化度分區，按照等效抗剪參數進行簡化計算，目前，可利用河海大學的《土石壩邊坡穩定分析系統》hh—sloper1.2或其他計算程序直接輸入計算，操作性較強。完成(1-2)計算土石壩壩基二維擬靜力法參數計算后，即可進行(1-3)根據計算的土石壩壩基二維擬靜力法參數進行土石壩壩基液化檢測判斷(s3)。具體判斷標準可以結合行業規范中對擬靜力法成果判斷標準，因為行業里對于擬靜力法成果判斷標準已有明確規定，在此不做贅述。下面結合本發明方案及實際工程應用進一步對本發明方案及效果進行詳細闡述，以某水電站土石壩壩基為例，經地質初判步驟及復判步驟后查明，滿足地震液化邊界條件，并采用反壓平臺方案進行處理。未考慮超靜孔隙水壓力時，根據試驗成果確定出該層抗剪參數的內摩擦角為27°。經過三維有限元動力分析，設計地震工況下。剖面內土層砂層最大振動孔壓約為57kpa，振動孔壓與上覆荷載的比值分布見圖3，按照上述實施例方法1)，簡化分析計算有效應力與總應力之比ζ＝1-λ，得到液化后不同部位殘余強度如圖3所示。按照上述實施例中方法(2)計算土體液化后有效應力參數見表1：表1土石壩壩基液化后有效應力參數φ(°)tan(φ)λξφ(°)270.510.80.25.82270.510.50.514.29270.510.30.719.63相應三維成果中對液化砂層進行液化度分區為：下游壩坡反壓平臺上游壩體下部，液化度綜合為0.3；反壓平臺下面至其下游5m范圍，綜合液化度0.5；反壓平臺下游5m以外，液化度綜合為0.8。考慮按照上述實施例方法3)進行地震液化情況下折減，殘余強度βσv/d中的β分別取0.05、0.1、0.15進行，覆蓋層土層液化后殘余強度見表2。表2土石壩壩基液化后有效應力參數可以看出，當β取0.1時，此計算結果與方法2)成果接近，可以作為抗剪參數計算值進行擬靜力抗滑穩定分析。通過以上分析及工程應用可以看出，本方案提出的方法結果合理，可以對比分析，作為壩基液化條件下土石壩擬靜力法進行抗滑穩定分析的依據，滿足規范要求，由于該方法可直接應用已成軟件計算，因此是一種實用性強的有效方法。應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。當前第1頁12