基于多尺度损伤模型的堆石坝动力分析方法及试验验证

To built high rockfill dam in high intensity areas, the seismic safety is one of the key technical problems. At present the equivalent linear analysis, as well as macroscopic damage model, which is based on the continuous theory used commonly on practice, cannot accurately describe process from slight damage to whole destruction for rockfill dams. Although the mesoscopic method can better simulate damage process, but due to the huge number of units and nodes, it is difficult to be used on practice. Multi-scale method can solve the contradiction well. In this research, statistical damage theory will be proposed into discrete element method, mesoscopic damage constitutive model for rockfill will be built. DEM will be adopted in dam crest, while FEM will be adopted in dam body. The FEM-DEM coupling method, which is based on the concurrent multi-scale methods, will be applied. The damage model and method will be verified by dynamic triaxial test and large-scale shaking table tests. Besides, the sensitivity of the multi-scale grid will be discussed. And by using the prototype dam analysis, the damage characteristics, the mechanism of earthquake disasters, as well as seismic measures of both earth core rockfill dam and concrete-faced rockfill dam will be analyzed. This research will provide theory and reference to seismic design and safety evaluation for high rockfill dams.

在高烈度地震区修建高堆石坝，其抗震安全性是关键技术难题之一。目前工程上常用的等效线性分析方法以及基于连续理论的宏观损伤模型无法准确描述堆石从细微损伤到破坏的全过程。细观方法虽然可以较好的模拟其损伤破坏过程，但由于细观单元和结点的数量过于庞大，故难以在工程实践中得到应用。多尺度方法可以很好的解决这个矛盾。因此，本研究拟将统计损伤理论引入离散元，构造堆石料细观损伤本构模型；坝体分区域离散，坝顶部分采用颗粒离散元方法，坝身采用有限元方法，建立基于一致多尺度的离散元-有限元耦合方法，并开发堆石坝的多尺度损伤动力分析程序；利用动三轴试验和大型振动台模型试验结果验证损伤模型和程序，探讨多尺度计算网格的敏感性；然后利用原型坝分析比较心墙堆石坝和面板堆石坝在地震作用下的损伤破坏特征，分析和揭示其震灾机理，提出合理的抗震减灾措施，为高土石坝抗震设计及安全评价提供科学依据和参考。

本项目针对土石坝和边坡的安全稳定问题，开展了堆石损伤和边坡大变形的研究。主要的研究进展有：（1）建立了堆石体基于统计损伤理论的邓肯-张修正模型，该模型在传统邓肯张模型基础上，结合了统计损伤理论。与传统邓肯-张模型、统计损伤模型、弹塑性模型及试验结果相比较，其形式简单，参数少，且能反映堆石料损伤软化的全过程；（2）在Abaqus平台上开发了邓肯-张统计损伤模型程序，并通过模拟三轴压缩试验对该程序进行了验证；（3）分析了模型参数的敏感性，讨论了在不同坝高、坝坡情况下，堆石体损伤对应力位移的影响，分析可知坝高对损伤变量的影响较大，从设计偏于安全考虑，坝高大于250m时需要计入堆石料的损伤对坝体沉降的影响，并以糯扎渡工程为例进行了坝体应力变形分析；（4）考虑到有限元法计算结构大变形的局限性，建立了隐式物质点方法，在开源的显式物质点法程序的基础上开发了静动力计算程序，程序中加入了邓肯张模型和等效线性模型，更适用于岩土工程静动力分析，并利用振动台模型试验对程序进行了验证；（5）利用物质点法分析了某水电站的边坡稳定问题，并讨论了边坡稳定对厂房的影响，进而提出了边坡加固措施。(6) 在本项目资助下，已发表论文4篇，其中1篇待刊，培养研究生4名。