土石坝动力分析的剪切楔法研究

陈正

【摘 要】通过分析剪切楔法的原理和发展规律，归纳剪切楔法的优点和不足如下：剪切楔法优点主要是能够较准确的估算坝体的自振特性，能够计算出土石坝在地震作用下的动位移、加速度等，为坝体的抗震稳定分析提供依据；剪切楔法的不足主要有不能充分反应土的非线性动力特性，没有考虑坝料的分区，不能求得大坝在实际地震波作用下坝体内部各点的动力响应等。

【关键词】土石坝；动力分析；剪切楔法

中图分类号： TU411 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0188-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.077

Study on the shear wedge method for dynamic analysis of earth rock dam

CHEN Zheng

（Zhenjiang source building design Consulting Co.， Ltd.， Jiangsu Zhenjiang， 212000， China）

【Abstract】By analyzing the principle and development law of the shear wedge method， the advantages and disadvantages of the shear wedge method are summarized as follows： the advantages of the shear wedge method are mainly to estimate the self vibration characteristics of the dam more accurately， and can calculate the dynamic displacement and acceleration of the earth dam under the earthquake action， and provide the basis for the seismic stability analysis of the dam； The main shortcomings of the method are that the nonlinear dynamic characteristics of the soil can not be fully reflected， the partition of the dam material is not considered， and the dynamic response of the dam in the dam body can not be obtained by the actual seismic waves.

【Key words】Earth rock dam； Dynamic analysis； Shear wedge method

土石坝的地震动力响应分析主要是计算坝体的反应加速度、动位移、动应力以及动剪应变等，从而为土石坝的抗震稳定性评价或坝体与坝基的液化分析提供依据。

1 剪切楔法的原理和发展规律

剪切楔法最早由日本Mononobe于1936年提出[1]，该方法将土坝近似假定为一维线性的剪切振动体系，假设坝体断面为三角形，且任一高程上剪应力均匀分布，坝体只产生剪应变，提出了估算土坝地震动力反应的近似解法。该方法存在一些缺陷，如忽略了坝体的弯曲变形，且仅能得到不同坝高水平截面上各种响应量的平均值，不能得到同一水平截面上不同部位的动力响应。但是由于计算比较简便，结果比较准确，此后各国学者对该方法进行了大量的研究和改进工作，使得剪切楔法得到了广泛的应用。

国外学者Gazetas[2-3]将剪切楔法用于求解坝体的竖向和坝轴向动力响应，分析比较了剪切模量变化、河谷不规则性以及土体非线性对动力响应的影响，后来又推导出了半椭圆形河谷中土石坝横向地震响应的精确解。Dakoulas et al[4-5]建立了剪切模量与坝高呈2/3次方成正比的指数分布剪切楔模型，以及能够分析河谷形状中堤坝（例如矩阵、半圆形、半椭圆形等）的动力反应二维剪切楔模型。Elgamal et al[6]对土石坝进行了一维和二维分析，分析筑坝材料的非线性动力滞回特性。

国内学者栾茂田等[7]建立了能够考虑坝坡形状的剪切楔模型，及相应的地震反应分析方法。张克绪等[8]将剪切楔法和有限元法结合起来，提出一个可以手算土石坝等效地震系数和水平剪应力幅值的简便方法。徐志英等[9]在三维剪切楔理论的基础上，建立了V形河谷内均质土石坝横向振动分析简化方法。沈振中等[10-11]又导出了V形河谷内非均质土石坝的坝轴向和竖向地震反应的简化解析解，导出了土石坝前三阶振型自振频率的计算公式。孔宪京等[12-13]建立了水平成层地基上土石坝的一维计算模型和相应的简化计算方法，将剪切楔理论推广应用到坝体-坝基动力相互作用分析和面板堆石坝动力响应的计算中，对面板堆石坝的防渗面板進行了计算，并与一般土石坝的地震反应进行了对比分析。何蕴龙等[14]和于跃等[15]又将剪切楔理论应用于Hardfill坝，推导了自振频率和振型以及各地震反应量的计算公式。

2 剪切楔法的优缺点

剪切楔法能够较准确的估算坝体的自振特性，结合振型叠加法，从而能够计算出土石坝在地震作用下的动位移、加速度等，进而为坝体的抗震稳定分析提供依据。但是，剪切楔法也存在一些不足之处：

（1）不能充分反应土的非线性动力特性；

（2）坝体和河谷的形状考虑得过于简单；

（3）没有考虑坝料的分区；

（4）只能计算出坝体各高程响应量的平均值，不能求得大坝在实际地震波作用下坝体内部各点的动力响应。

3 结论

（1）剪切楔法能够较准确的估算坝体的自振特性，结合振型叠加法，从而能够计算出土石坝在地震作用下的动位移、加速度等，进而为坝体的抗震稳定分析提供依据。

（2）剪切楔法的不足之处主要有不能充分反应土的非线性动力特性；坝体和河谷的形状考虑得过于简单；没有考虑坝料的分区；不能求得大坝在实际地震波作用下坝体内部各点的动力响应等。

【参考文献】

[1]Mononobe N， Takata A， Matamura M. Seismic stability of the earth dam[C]. Proceedings of 2nd Congress of Large Dams， Washington D.C， 1936.

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