多目标约束下的土石坝抗液化措施数值建模与优化分析方法.pdfVIP

水利学报

2020年12月SHUILIXUEBAO第51卷第12期

文章编号：0559-9350（2020）12-1462-11

多目标约束下的土石坝抗液化措施数值建模与优化分析方法

1112

李明超，杨琳，任秋兵，赵宇

（1.水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津大学，天津300350；2.天津水务投资集团有限公司，天津300200）

摘要：土石坝坝基地震液化问题严重威胁工程安全。现阶段的液化研究主要集中于液化机理分析，而在抗液化措

施的设计优化方面，现有土石坝工程主要依靠以往的工程经验来处理坝址的液化土层。本文构建了以土石坝坝体

坡面水平位移梯度、坝顶震陷和抗液化措施成本最小化为优化目标的数学模型，提出了以静动力抗滑稳定安全系

数、地基最大液化范围、液化深度、典型点地震过程中平均液化度和震后永久水平位移为约束条件的土石坝压重

平台和坝基置换参数优化设计方法；采用完全非线性动力算法和多目标遗传算法，通过VC++集成FLAC3D进行

开发，实现了综合考虑土石坝抗液化措施的安全性能与经济效益的多目标优化设计。该方法应用于工程实例中，

采用存档微遗传算法对压重平台及地基开挖置换的9个控制性设计参数进行优化。结果表明，优化后的方案相较

初始方案使上下游坝体坡面水平位移梯度指标降低了16.59%和24.33%，坝顶震陷减少了21.03%，工程造价节约

了18.53%。所提出的模型与方法为改善土石坝坝基液化问题提供了新的思路。

关键词：土石坝；抗液化措施；多目标优化；地震液化；数值模拟；FLAC3D

中图分类号：TU435文献标识码：Adoi：10.13243/ki.slxb

1研究背景

地震是一种影响极大的自然灾害，同时会伴随着严重的次生灾害，其中地基液化问题较为突

出。土石坝作为当今应用最广泛的坝型，其坝基液化问题不容忽视。一旦坝基发生液化，土体中的

孔隙水压力短时间内迅速升高，有效应力急剧降低，土体的抗剪强度严重削弱，导致沉降不均匀、

［1］

地基失效、坝体滑坡、土坝溃决等一系列灾害，对地基、岸坡和坝体等造成极大的破坏。

［2］

在目前的土石坝工程中，对于可能发生液化的土层，常常采用挖除、置换、压重等处理措施。

在已有工程中，长河坝砾石土心墙堆石坝挖除坝基几十米埋深范围内的可液化砂层；黄金坪沥青混

凝土心墙堆石坝的基础液化砂层基本挖除，并在下游设置压重。设置压重增加了坡脚下的竖向应

力，提高了坝基土的抗液化能力；同时也增大了坝体和坝基的整体抗滑稳定性，防止了坝基土体从

坡脚挤压而出。该方式施工简单，且可以利用开挖的土石料，造价低，经济有效，因此被广泛用于

［3-4］

我国的中小型土石坝的坡脚加固。

［5］

近年来，针对土石坝抗液化措施的分析国内外进行了很多研究。Mulunda等主要通过改善液化

土的性质和初始应力来控制液化，提出了地表开挖回填、设置压力平台、防渗平台和加强排水设计

［6］

等液化控制措施；付磊等采用拟静力法和动力反应分析法相结合确定土石坝深水条件下抛石压坡的

［7］

抗震加固断面；Ye等利用大坝自重固结来提高土石坝抗液化性能，并使用有效应力方