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研究生:李俊男
研究生(外文):Jun-Nan Li
論文名稱:土石壩地震反應二維數值分析
論文名稱(外文):Two-Dimensional Numerical Analyses of Earthquake Response of Earthdam
指導教授:馮正一馮正一引用關係蔡佩勳蔡佩勳引用關係
指導教授(外文):Zheng-Yi FengPei-Hsun Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:156
中文關鍵詞:有限差分法土石壩等值線性滲流分析動態反應
外文關鍵詞:seepagelinear equivalentfinite difference methodearthdamearthquake response
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本研究以有限差分法FLAC5.0程式進行鯉魚潭水庫土石壩受到集集地震作用之動態反應分析。鯉魚潭之壩高為96m。模擬鯉魚潭壩滾壓之築壩過程、土石壩滲流分析、滲流後之靜力平衡分析與最終之土石壩動態分析等一貫化分析。滲流分析係以集集地震來襲時的水位60m水位來分析。滲流分析後,再進行靜力平衡求起始應力。在鯉魚潭因為集集地震的垂直向震動明顯,故垂直向與水平向的加速度歷時均輸入至水壩底部進行50秒的動態分析。地震加速度在輸入前先將高於5Hz的頻率濾除。動態分析的土壤模式採用等值線性的FLAC內建模式(Sigmoidal 4)與莫爾-庫倫模式加上5%雷利式阻尼來指定。本研究數值分析結果很符合壩體的加速度與位移監測紀錄。壩頂與下游殼層的永久變形與測量資料之比較差異值均在合理範圍內。本研究再以鯉魚潭水壩受到集集地震分析結果為基準案例,針對土石壩之築壩材料進行動態反應影響參數分析,分析結果發現,影響大壩位移及加速度之主要影響因子包括剪力模數G、動態組成律、水位、阻尼與地震加速度輸入之方式。本分析發現,雙向加速度輸入方式比單水平加速度及單垂直加速度輸入方式佳。
This study used FLAC5.0 to analyze the dynamic response of Li-yu-tan earthdam subjected to the 1999 Chi-Chi earthquake (ML=7.3) in Taiwan. The dam is 96m high. Seepage analysis was performed considering a 60-meter water level which was the level while the earthquake struck. After the seepage analysis, the initial stress state of the dam before applying the earthquake was obtained by computation for static equilibrium. Because the up-down shaking of Chi Chi earthquake is notable, both the horizontal and up-down monitored acceleration time histories were input to the base of the dam for 50 seconds in the dynamic analyses. The frequencies of accelerations were filtered to be under 5 Hz before input. The FLAC built-in “Sigmoidal 4” linear equivalent dynamic model and Mohr-Coulomb soil model were simultaneously adopted with a 5% Rayleigh damping assignment. The numerical results are close to the acceleration/ displacement time histories monitored at the top of the dam. Permanent displacements at the top, upstream and downstream shells were also evaluated with the theodolite data. The comparisons are satisfied with reasonable ranges of differences. This research use the analysis results of Li-yu-tan Dam subjected to Chi-Chi earthquake as the baseline case for parametric study. It is found that the major factors influence the displacement and acceleration of dam including shear modulus G, constitutive model, water level, damping and the way applying earthquake acceleration. This study found that bi-axial (horizontal and vertical) input of acceleration is better than only single (horizontal) input of acceleration.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒 論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究方法與內容 1
第二章 文獻回顧 3
2.1分析原理與方法 3
2.1.1有限元素法分析 3
2.1.2有限差分法分析 4
2.1.3 Newmark法 5
2.1.4 VELACS計畫 6
2.1.5其他分析方法 7
2.2數值分析模式 8
第三章 土石壩分析方法 10
3.1 FLAC程式簡介 10
3.2土壤模式 11
3.2.1 Mohr-Coulomb Model 11
3.2.2 等值線性模式(Equivalent-linear method) 14
3.2.3 Finn Model 15
3.3土石壩材料參數 17
3.3.1壩體材料之物理性質 17
3.3.2壩體材料靜態強度性質 18
3.3.3壩體材料動態性質 18
3.4分析方法步驟 18
3.4.1鯉魚潭水庫監測數據整理 19
3.4.2 Makdisi and Seed (1978) 分析法 20
3.4.2.1 STABL 5M分析 21
3.4.2.2 Makdisi and Seed (1978) 21
3.4.3 FLAC5.0數值模型 23
3.4.3.1靜態反應模擬 23
3.4.3.2蓄水後穩態滲流分析 24
3.4.3.3動態分析 26
第四章 鯉魚潭水庫土石壩動態分析 28
4.1鯉魚潭水壩簡介 28
4.2Makdisi and Seed (1978) 分析結果 28
4.2.1 STABL 5M分析結果 29
4.2.2 Makdisi and Seed (1978)分析結果 29
4.3數值模型-基準案例 31
4.3.1靜力分析 31
4.3.2滲流分析 33
4.3.3動態反應分析 33
4.4數值模型確認與校正 35
4.4.1靜力分析 35
4.4.2滲流分析 35
4.4.3動態反應分析 35
第五章 動態反應影響因子分析 38
5.1築壩材料 38
5.2築壩材料動態性質 39
5.3水位之變化 41
5.4輸入地震加速度之變化 41
5.5土石壩動態反應參數分析結果討論 42
第六章 結論 44
參考文獻 45

表目錄
表3.1大壩各築壩材料之基本物理性質參數 49
表3.2 土壤性質與柏松比之關係表 49
表3.3大壩材料力學試驗資料 50
表3.4中興大學報告所採用之力學參數 50
表3.5鯉魚潭大壩埋設監測儀器項目與用途 51
表3.6 Default、Sig4及Hardin等分析所需之參數表 51
表4.1靜態分析所輸入之參數 52
表4.2等值線性模式Sig4 model所需之 a、b、 及 參數值 52
表4.3動態分析之壩體表面最終位移量與現場監測值比對 52
表5.1本研究所改變之參數與比較項目 53
表5.2柏松比因剪力模數改變之變化情形 53
表5.3柏松比因體積模數改變之變化情形 54
表5.4 Default model與Hardin model近似曲線之參數值 54



圖目錄
圖1.1本研究土石壩靜態與動態反應分析流程 55
圖2.1合成分析法(Synthesized approach)分析階段與理想曲線視為簡易線性示意圖(Beaty and Byrne, 1999) 56
圖2.2 Pore-Pressure Generation Model運算原理程序示意圖(Dawson et al. 2001) 57
圖2.3採用滲流分析、靜力分析、動力分析與變形評估等步驟之評估方法流程 (陳錦清等, 1999) 58
圖2.4 VELACS計畫土壤結構動態離心機之模型試驗Model#7 59
圖3.1 FLAC計算土壤內部應力應變分佈流程(FLAC, 2005) 59
圖3.2 Mohr-Coulomb在臨界破壞情形(FLAC,2005) 60
圖3.3 Mohr-Coulomb模式定義諧合流法則的區域(FLAC,2005) 60
圖3.4上游殼層材料有效應力 (引用自中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 61
圖3.5心層材料有效應力 (引用自中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 62
圖3.6下游殼層材料有效應力 (引用自中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 63
圖3.7上游殼層材料動態剪力模數比( )及阻尼比(λ)與剪應變之關(依據中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 64
圖3.8心層材料動態剪力模數比( )及阻尼比(λ)與剪應變之關(依據中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 65
圖3.9下游殼層材料動態剪力模數比( )及阻尼比(λ)與剪應變之關(依據中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995)。 66
圖3.10壩體材料最大剪力模數與平均應力之關係(依據中區水資源局鯉魚潭水庫管理局大壩分析報告, 1995) 67
圖3.11本研究對鯉魚潭大壩進行分析項目流程圖 68
圖3.12鯉魚潭壩體監測儀器埋設位置圖所示(依據中區水資源局鯉魚潭水庫定期監測分析, 2000) 69
圖3.13大壩施震前監測之孔隙水壓力分佈圖(依據中區水資源局鯉魚潭水庫定期監測分析, 2000) 70
圖3.14壩體斷面傾斜儀之變位情形(鯉魚潭水庫地震觀測及維護服務報告, 2000) 71
圖3.16壩體記錄地震之垂直加速度、速度及位移量與歷時之關係圖(鯉魚潭水庫地震觀測及維護服務報告, 2000) 73
圖3.17 Makdisi and Seed 分析法經求得剪力波速(V)與壩頂最大加速度( )示意圖(Makdisi and Seed, 1977&1978) 74
圖3.18本研究所進行Makdisi and Seed分析法運算流程 75
圖3.19 STABL 5M所建構壩型與輸入地下水位示意圖所示 76
圖3.20面積平均分配法運算壩體剪力模數 77
圖3.21剪力模數比及阻尼比與剪應變之關係 (Makdisi and Seed, 1978) 78
圖3.22加速度反應譜與週期關係 (Makdisi and Seed, 1978) 79
圖3.23加速度比與滑動厚度比之關係 (Makdisi and Seed, 1978) 80
圖3.24加速度比與壩頂沈陷位移量之關係 (Makdisi and Seed, 1978) 81
圖3.25求取剪力模數G之AutoCAD繪製出各區域形心至壩體表面之高度(S) 82
圖3.26實際監測未修正之加速度歷時數據,所造成的位移偏差曲線 83
圖4.1鯉魚潭水庫921集集地震所受之東西向地震加速度分佈(E-W) 84
圖4.2鯉魚潭水庫921集集地震所受之垂直向地震加速度分佈(U-D) 85
圖4.3鯉魚潭水庫溢洪道與壩體照片(馮正一攝) 86
圖4.4鯉魚潭水壩大壩主體照片(馮正一攝) 86
圖4.5鯉魚潭大壩壩體剖面圖(八十九年四月經濟部中區水資源局鯉魚潭水庫定期監測分析總報告) 87
圖4.6 STABL 5M運算結果示意圖 88
圖4.7平均後剪力模數比與剪應變和阻尼比與剪應變之關係 89
圖4.8鯉魚潭壩底(T4)數據經運算之加速度反應譜與週期之關係 90
圖4.9本研究土石壩動態分析FLAC運算流程 91
圖4.11壩體靜力平衡後變位向量圖[單位:Pa] 93
圖4.12壩體靜力平衡後X方向位移分佈圖[單位:Pa] 94
圖4.13壩體靜力平衡後Y方向位移分佈圖[單位:Pa] 95
圖4.14壩體靜力平衡後 分佈圖[單位:Pa] 96
圖4.15壩體靜力平衡後 分佈圖[單位:Pa] 97
圖4.16壩體靜力平衡後 分佈圖[單位:Pa] 98
圖4.17滲流分析後孔隙水壓分佈圖[單位:Pa] 99
圖4.18依深度分配水之重量於水與壩體之交界面[單位:Pa] 100
圖4.19壩體滲流分析後變位向量圖[單位:Pa] 101
圖4.20壩體滲流分析後X方向位移分佈圖[單位:Pa] 102
圖4.21壩體滲流分析後Y方向位移分佈圖[單位:Pa] 103
圖4.22壩體滲流分析後 分佈圖[單位:Pa] 104
圖4.23壩體滲流分析後 分佈圖[單位:Pa] 105
圖4.24壩體滲流分析後 分佈圖[單位:Pa] 106
圖4.25水平方向地震加速度歷時曲線(量測值:T4) 107
圖4.26垂直方向地震加速度歷時曲線(量測值:T4) 107
圖4.27水平方向地震加速度歷時基線修正前與修正後之位移曲線 108
圖4.28垂平方向地震加速度歷時基線修正前與修正後之位移曲線 108
圖4.29剪力模數G(上)與體積模數B(下)重新分佈之分佈 [單位:Pa] 109
圖4.31心層Sig4 model所趨近之曲線 110
圖4.32下游殼層Sig4 model所趨近之曲線 111
圖4.33壩體受地震力後之變位向量 112
圖4.34壩體受地震力之X方向位移分佈 113
圖4.35壩體受地震力之Y方向位移分佈 114
圖4.36壩體受地震力後 有效應力分佈 115
圖4.37壩體受地震力後 有效應力分佈 116
圖4.38壩體受地震力後 有效應力分佈 117
圖4.39壩頂所擷取之水平方向加速度歷時曲線 (FLAC分析) 118
圖4.40壩頂所擷取之垂直方向加速度歷時曲線 (FLAC分析) 118
圖4.41壩體受震過程之水平方向最大加速度分佈 [ ] 119
圖4.42壩體受震過程之垂直方向最大加速度分佈 [ ] 120
圖4.43上游壩殼表面水平與垂直位移量歷時曲線 121
圖4.44心層壩頂水平與垂直位移量歷時曲線 121
圖4.45下游壩殼表面水平與垂直位移量歷時曲線 122
圖4.46壩體數值網格變形(100倍) 123
圖4.47現場監測(T1)X向壩頂加速度歷時曲線與本分析之比較 124
圖4.48現場監測(T1)Y向壩頂加速度歷時曲線與本分析之比較 125
圖4.49現場監測(T2)X向壩頂加速度歷時曲線與本分析之比較 126
圖4.50現場監測(T2)Y向壩頂加速度歷時曲線與本分析之比較 127
圖4.51水平方向相對位移量歷時曲線 128
圖4.52垂直方向相對位移量歷時曲線 129
圖4.53地震歷時過程中最大孔隙水壓激發分佈圖[單位:Pa] 130
圖4.54壩心與上游壩殻所擷取之孔隙水壓歷時曲線 131
圖5.1上游壩殼表面最終水平垂直位移量 132
圖5.2壩頂最終水平垂直位移量 132
圖5.3下游壩殼表面最終水平垂直位移量 133
圖5.4壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 133
圖5.5壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 134
圖5.6上游壩殼表面最終水平垂直位移量 135
圖5.7壩頂最終水平垂直位移量 135
圖5.8下游壩殼表面最終水平垂直位移量 136
圖5.9壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 136
圖5.10壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 137
圖5.11壩頂及上下游壩殼表面最終水平位移量 138
圖5.12壩頂及上下游壩殼表面最終垂直位移量 138
圖5.13壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 139
圖5.14壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 139
圖5.15 上游壩殼與壩心所激發之最終孔隙水壓 140
圖5.16 Default model近似之上游殼層剪應變與剪力模數比關係曲線 141
圖5.17 Default model近似之心層剪應變與剪力模數比關係曲線 141
圖5.18 Default model近似之下游殼層剪應變與剪力模數比關係曲線 142
圖5.19 Hardin model近似之上游殼層剪應變與剪力模數比關係曲線 142
圖5.20 Hardin model近似之心層剪應變與剪力模數比關係曲線 143
圖5.21 Hardin model近似之下游殼層剪應變與剪力模數比關係曲線 143
圖5.22壩頂及上下游壩殼表面最終水平位移量 144
圖5.23壩頂及上下游壩殼表面最終垂直位移量 144
圖5.24壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 145
圖5.25壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 145
圖5.26上游壩殼表面最終水平垂直位移量 146
圖5.27壩頂最終水平垂直位移量 146
圖5.28下游壩殼表面最終水平垂直位移量 147
圖5.29壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 147
圖5.30壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 148
圖5.31壩頂及上下游壩殼表面最終水平位移量 149
圖5.32壩頂及上下游壩殼表面最終垂直位移量 149
圖5.33壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 150
圖5.34壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 150
圖5.35滲流與滲流後靜力平衡之孔隙水壓分佈 151
圖5.36壩頂及上下游壩殼表面最終水平位移量 152
圖5.37壩頂及上下游壩殼表面最終垂直位移量 152
圖5.38壩頂水平與垂直相對位移歷時最大值 153
圖5.39壩頂水平與垂直加速度歷時曲線最大值 153
圖5.40壩底輸入之水平與垂直加速度歷時曲線 154
圖5.41壩頂運算所擷取之水平與垂直加速度歷時曲線 155
圖5.42壩頂運算所擷取之水平與垂直位移歷時曲線 156
[1]FLAC5.0 “Fast Largrangian Analysis of Continua”, User’s Manual, HCItasca Consulting Group, Inc. 2005.
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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