論水工混凝土結構抗震研究進展的回顧和展望

　　摘要:全面概述了中國水利水電科學研究院近50年來在水工混凝土結構抗震研究領域的主要創(chuàng)新性思路和成果的進展，包括其抗震安全評價的三個相互配套的方面。在地震動輸入方面為:大壩抗震設防水準框架的制定、場址相關地震動參數(shù)的合理確定、壩址地震動輸入機制的理解。在結構地震響應方面為:結構抗震的動力分析、結構抗震的動力模型試驗、現(xiàn)場測振試驗和地震監(jiān)測、水工抗震設計規(guī)范的編制和修訂。在大壩混凝土動態(tài)抗力方面為:大壩混凝土全級配大試件動態(tài)抗折試驗、對試驗結果的理論探討、大壩混凝土三維動態(tài)細觀力學分析、CT技術在混凝土動態(tài)抗力研究中的應用。闡述了研究群體形成的主要工作理念為:突出工程觀點、強調全面綜合評價、重視實踐檢驗、發(fā)揚團隊協(xié)作精神。最后，提出了今后研究的展望。

　　關鍵詞:水工混凝土結構;抗震安全評價;地震動輸入;結構地震響應;混凝土動態(tài)抗力

　　1 研究的工程背景我國人均水資源極為短缺且時空分布又很不均勻，通過水庫大壩等水代寫論文工程建設，盡可能調節(jié)利用汛期洪水，對抗旱防洪都有重大意義。我國的水能資源位居世界之首，水電作為可再生清潔能源，在我國進入全面小康社會過程中，對改善我國以煤電為主的二次能源結構、減輕煤電造成的巨大環(huán)境影響及資源和運輸緊張，起到無可替代的重要作用。

　　因此，在充分重視生態(tài)和環(huán)境影響的前提下，積極有序的進行水庫大壩建設是切合國情和經(jīng)濟社會發(fā)展所急需的，特別是我國大江大河的源頭和水能資源集中在西部高山崇嶺的陡峻河谷中，地形地質條件適宜于修建移民淹地相對較少而調節(jié)性能好的高壩大庫。

　　在高壩建設中，目前以混凝土壩為多，特別是我國西部在建和近期擬建的200至300m級的高壩，絕大部分取拱壩方案。我國大陸位于世界兩大地震活動帶之間，是一個多地震國家，是世界上地震災害最為嚴重的國家。而西部地區(qū)是我國主要地震區(qū)，地震的強度和發(fā)震頻度都很高，近代我國82%的強震都發(fā)生在該地區(qū)。修建于該地區(qū)的大壩設計地震加速度(ag)都很高，地震往往成為設計中的控制工況，諸如:錦屏(H=305m，ag=0·197g)，二灘(H=240m，ag=0·20g)，龍羊峽(H=178m，ag=0·23g)，小灣(H=292m，ag=0·308g)，溪洛渡(H=273m，ag=0·321g)，白鶴灘(H=275m，ag=0·325g)，龍盤(H=278m，ag=0·408g)，大崗山(H=210m，ag=0·557g)等，這些工程都是高拱壩。因此，水工混凝土結構中的大壩的抗震安全一直是我國水利水電建設中的一個必須面對和急需解決的關鍵技術問題，當前特別是對高拱壩的抗震安全，尤為迫切。

　　2 研究的歷程在我國建國初期，水工混凝土結構抗震設計主要沿襲美國和前蘇聯(lián)采用的擬靜力法。1959年廣東新豐江大壩蓄水后頻發(fā)地震，需要進行抗震加固。

　　當時在黃文熙副院長倡導下，我院在結構材料研究所組建了抗震研究組，開始了水工混凝土結構抗震的研究工作。“文化大革命”后1978年與土工研究所有關抗震和爆破專業(yè)合并成立抗震防護研究所，1997年該所解散，成立了專門從事水工混凝土結構抗震研究的工程抗震研究中心，研究隊伍由當時抗震組的不足10人發(fā)展至今的20人左右。近50年來，從新豐江大壩抗震加固開始，我院先后承擔了我國各個重大工程的水工混凝土結構，特別是大壩的抗震科研任務，主持和負責了國家科技攻關項目、國家自然科學基金委員會重大計劃項目及部級的重點項目。主動積極地在我國邢臺、海城、唐山等各次大地震中及時趕赴現(xiàn)場，對水工建筑物的震害進行考察調研。在對工程抗震的研究實踐中，逐步形成了包括水庫地震和場址地震動輸入、各類水工混凝土結構主要是大壩的動力分析和模型試驗、現(xiàn)場測振和強震觀測、混凝土材料動態(tài)特性等一整套系統(tǒng)、全面的研究體系;負責主編及修訂我國《水工建筑物抗震設計規(guī)范》;建立了包括國內首臺大型三向六自由度地震模擬振動臺、微機群高性能并行計算平臺、和籌建中的大型全級配混凝土動態(tài)試驗機等設備的較先進完整的研究基地;培育了眾多碩士、博士研究生和博士后研究人員和成長了一個以中青年為中堅的較穩(wěn)定團結的科研群體。研究成果在工程中被普遍應用。先后獲得國家級和省部級科技進步獎30余項，以及第一次全國科技大會先進集體、建設部頒發(fā)的全國抗震工作先進單位，近期由中國地震局、中國科學院、國防科工委、科技部、國家自然科學基金委聯(lián)合頒發(fā)的全國地震科技工作先進單位。具有中國地震局頒發(fā)的甲級“建設工程地震安全性評價許可證書”。廣泛開展了國際學術交流和協(xié)作活動，包括由美國自然科學基金委連續(xù)支持的、與國際知名學者Ray W·Clough共同就拱壩抗震進行的長達20年的中美合作研究。積極參加國際學術會議，筆者在這些會上多次作特邀和主題報告，連續(xù)作為國際大壩委員會有關抗震的專委會成員近30年，近年來被選為專委會副主席迄今，參與主持和組織了首次在我國舉辦的第14屆“世界地震工程大會”中為期一天的“大壩抗震”專門分會的工作。所有這些使我院抗震研究在國內外同行中具有一定影響。

　　3 研究工作的主要創(chuàng)新性思路及進展水工混凝土結構抗震是涉及多種學科交叉的應用性邊際學科，其分析依據(jù)的理論和求解方法，試驗采用的儀器設備和測試方法，大多是在借鑒、吸收、和消化相關領域成果的基礎上，進行集成再創(chuàng)新的。

　　因此，首先力求對基本概念上深入理解和理清，并緊密結合本專業(yè)特點和要求，提出解決問題的開拓性思路，這是引領研究成果取得突破性進展的關鍵。當然，在思路付之實踐的過程中，總需要作艱辛的探索和在實踐檢驗中不斷完善。鑒于工程結構的地震安全性評價都必須包括地震動輸入、結構地震響應、結構抗力這三個不可或缺且相互配套的方面，現(xiàn)就我院在近50年來在水工混凝土結構，特別是大壩抗震研究工作中在這三個方面主要的創(chuàng)新性思路及其進展，分別簡述如下。

　　3·1 在地震動輸入方面 工程的場址地震動輸入是抗震安全評價的前提。

　　多年來，在地震動輸入方面的工作主要包括以下三個相互關連的內容，即:大壩抗震設防水準框架的制定、場址相關地震動參數(shù)的確定、壩址地震動輸入機制。

　　3·1·1 大壩抗震設防水準框架的制定[1] 在深入了解地震部門有關規(guī)定基礎上，自行研發(fā)基于概率理論的地震危險性分析軟件;經(jīng)分析比較國內外有關規(guī)定導則后，結合我國國情和水工建筑物的特點和要求，建立和逐步改進了與功能目標相匹配的水工建筑物抗震設防標準的框架體系，先后被列入由我院主編在1978年頒布的我國第一本《水工建筑物抗震設計規(guī)范》和1997年頒布的其修編版中。鑒于近期在強震區(qū)修建的眾多高壩大庫，國內外都尚缺乏先例，為防止其發(fā)生潰壩的嚴重地震災變，建議在準備修訂的水工抗震規(guī)范中，對重要的高壩大庫，應增加對壩址預期可能發(fā)生的最大可信地震、按不潰壩的性能目標進行校核的規(guī)定。我國西部重大工程存在近斷裂大震的問題。基于概率法確定的最大可信地震，由于其所依據(jù)的基礎資料中少有近場大震記錄，外延至屬于很小概率事件的最大可信地震，具有較大的不確定性。因此宜采用確定性方法求得設定地震。但現(xiàn)行確定性方法中將近斷裂大震的最大可信地震作為點源處理有本水工混凝土結構抗震研究進展的回顧和展望 陳厚群僅適用于V形河谷和三心圓壩型的局限性進行了改進和擴展，使之適用于多種河谷和壩型。其后又進一步拓展至能考慮沿壩基的不均勻地震動輸入[11]。成為當時我國拱壩抗震設計中有限元法動力分析的有力工具。

　　我國混凝土壩的抗震設計從傳統(tǒng)的、不計地震動和結構動態(tài)性能的擬靜力法分析，進入到了更符合實際的動力分析的階段。拱壩歷來被作為不規(guī)則殼體的整體結構，但隨著我國在地震區(qū)眾多高拱壩建設的發(fā)展，地震工況下的高拱向應力值，愈益成為設計中的難題。當時國外已開始注意到拱壩壩體中的橫縫，在強震時會因不能承受拉力而反復開合，使之不再成為整體結構，從而高拱向應力將被顯著釋放。我們結合拉西瓦拱壩工程，在國內首次引進可考慮橫縫張開的美國拱壩有限元法動力分析程序ADAP-88，并對其中的因考慮橫縫設有鍵槽而不能滑移的假定，作了可按摩爾-庫侖準則滑移的改進，使之更符合有鍵槽橫縫在張開時仍可能滑移的實際情況，在修正了其中一些差錯后，首次實際應用于我國拱壩工程抗震設計中[12]。

　　應當說，這對高拱壩抗震設計是具有突破意義的進展。拱壩抗震設計也更進一步從線性發(fā)展到非線性的動力分析。但該方法中采用邊界彈簧處理橫縫接觸問題，不能完全滿足接觸條件，且以動態(tài)子結構法迭代求解的工作量也較大。

　　無論是采用取伏格特(Vogt)地基系數(shù)的試載法或取無質量地基的有限元法求解，都只能計入地基的彈性影響并作為封閉的振動體系求解。而對于大體積的混凝土壩，隨著壩高的增大，壩體-地基-庫水間的動力相互作用已愈顯重要，不能被忽略。大壩的結構與地基相互作用主要體現(xiàn)在振動能量向遠域地基逸散和沿壩基地震動輸入的不均勻性以及與之相應的地基邊界條件和地震動輸入機制的確定。

　　為此，在20世紀90年代，我們和我國學者廖振鵬院士協(xié)作，有效應用其提出的人工透射邊界體現(xiàn)大壩地基輻射阻尼的影響[13]。同時，為避免ADAP-88程序存在的諸多問題，在和劉晶波教授協(xié)作下，應用其提出的基于Lagrangian乘子的動接觸理論處理接縫邊界問題。在此基礎上，自主研發(fā)了能同時計入各項更切合實際狀況的因素的、在時域內作為波動問題顯式求解的、完整有效的拱壩非線性動態(tài)分析的方法[14]，其中同時考慮的因素包括:壩體-地基-庫水間的動力相互作用、壩體和地基內接縫開合、近域地基內各類地質構造和遠域地基輻射阻尼影響，以及沿壩基地震動的不均勻影響等。[Page]

　　由于不需要形成總剛矩陣和可以遞推求解，并解決了收斂和穩(wěn)定性問題，顯著地簡化了計算并提高了其效率。此外，為了考慮在拱壩應力集中的薄弱部位的開裂，在這些部位設置了計入材料抗拉和抗剪的強度的接觸縫面。這個方法和程序已在我國眾多高混凝土壩，特別是高拱壩，實際工程的抗震設計研究中被廣泛應用，并受到國際同行的關注。

　　此外，為進行比較檢驗，還開發(fā)了國外采用的、以設置彈簧-阻尼器的邊界模擬輻射阻尼、需輸入包括邊界應力、速度和位移的自由場地震動的相應程序[15]。庫水對混凝土壩動態(tài)性能有重要影響。壩體-庫水流固耦合問題的關鍵在于對庫水可壓縮性的考慮。已有研究表明，只有當壩體的自振頻率(fd)，庫水的共振頻率(fr)以及地震動加速度的卓越頻率(fa)三者相互接近時，庫水可壓縮性導致的共振才有實質性的意義。當fa>fr時，由動水壓力中的虛數(shù)分量所體現(xiàn)的能量逸散會導致反應減小。庫水的第1階共振頻率可由fr=C/4H求得，其中C是水中音速，H則是水庫平均深度，一般可取為最大水深的0·7倍。巖基的卓越頻率約為5Hz。因此，我們的研究認為:對高度超過100m的拱壩，fa將大于fd、fr，加上并非剛性平坦的庫底吸能和散射效應，使庫水共振難以發(fā)生，特別對中國眾多的多泥沙河流更是如此。

　　實際上，在現(xiàn)場測振試驗和大壩地震震例中，也還從未見庫水共振的報導。所以，從工程觀點看，庫水可壓縮性是可以忽略的，從而庫水地震動水壓力可以以壩面的附加質量形式體現(xiàn)。在庫水不可壓縮的前提下，我們通過白山拱壩模型試驗，實測壩面動水壓力和壩體滿庫頻率，驗證了壩體和庫水流固耦合有限元模型求解的壩面動水壓力值。進而發(fā)現(xiàn)并提出:將按Westergaard對剛性平面壩面公式換算得的附加質量折半，作為拱壩壩面附加質量進行計算的結果，無論是壩體前幾階滿庫頻率和振型或壩面動水壓力值都能和實測及用有限元模擬庫水的結果較好符合[17]。這就使拱壩地震響應的動力分析簡化了很多。這個建議已在我們?yōu)楹芏喙皦芜M行的動力分析和試驗中得到應用和驗證。拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的校核對其抗震安全評價的首要問題。

　　目前都仍把壩肩潛在滑動巖塊作為剛體，將其與壩體分割開來，采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡法進行。這實際是一種不計壩體和地基動態(tài)變形耦水工混凝土結構抗震研究進展的回顧和展望陳厚群以期增強團隊凝聚力。同時十分重視和有關單位的協(xié)作和國際交流，不斷進行了擴大協(xié)作面的探索和努力，1990年成功爭取為中國科學院系統(tǒng)內唯一的一個院外開放實驗室。認真貫徹了“開放、流動、協(xié)作、聯(lián)合”的指導方針，評估結論中被建議列入國家重點試驗室建設系列。

　　近年來，進一步遵循胡錦濤同志“產(chǎn)、學、研相結合形成科技創(chuàng)新整體合力”的要求，通過國家級支撐項目、部級創(chuàng)新項目和國家自然科學基金委員會的重點項目，緊密配合實際工程設計單位，聯(lián)合河海大學和西安理工大學的有關單位，初步形成了相對固定的“產(chǎn)、學、研”相結合的創(chuàng)新團隊，取得了統(tǒng)一規(guī)劃、有機協(xié)作、資源共享、優(yōu)勢互補的明顯效果。可以說，所有重大研究成果都體現(xiàn)了集體勞動和智慧的結晶，各類優(yōu)秀人才也都是從團隊中脫穎而出的。

　　4展望和結語近期我國將在強地震區(qū)建設一系列具有300m級高拱壩的重大水電工程。對這些高拱壩工程，國內外都既缺乏工程實踐的先例，又無遭受震害的實例。而高壩大庫一旦遭受強震發(fā)生嚴重破壞將導致不堪設想的次生災害。在當前科研進展趕不于工程建設規(guī)模發(fā)展的情況下，必然存在一定風險。為此，設計人員、業(yè)主及社會都更加高度關注重大工程的抗震安全保障及嚴重地震災變的應對。因此，在我們回顧和認真總結近50年來在水工混凝土結構抗震方面所取得成果的同時，也深感正面臨嚴重挑戰(zhàn)，要使科研進展適應工程發(fā)展需要，還存在著較大差距，任重道遠、需警鐘長鳴。

　　首先，為應對嚴重地震災變，在地震動輸入方面要解決近斷層大震的最大可信地震估計及其地震動參數(shù)的合理確定。需要基于能反映我國板內地震特點的強地震資料，進一步深入研究:沿發(fā)震斷層斷裂面的破裂拓展模式、震源地震動特性及其傳播規(guī)律、回歸位錯、應力降等斷裂參數(shù)與地震矩的關系式;合理考慮場址地形、地質條件的影響;探求主、余震的時空和強度規(guī)律、以及確定對不同發(fā)震斷裂的最小避讓距離。

　　其次，在結構地震響應方面，需要深化研究:各類結構控制地震災變的潰壩機理及其可定量化的性能目標;繼續(xù)改進更能反映工程實況、損傷發(fā)展過程和率效應的非線性動力分析模型及其有效求解方法;大力推進高性能并行計算技術的應用及有自主知識產(chǎn)權的軟件的研發(fā)和推廣;突出解決混凝土壩體系動力模型破壞試驗中的關鍵技術;加強對工程抗震措施及抗震設計規(guī)范修編的研究;逐步成為全國混凝土高壩強震資料觀測分析研究中心。

　　最后，在大壩混凝土動態(tài)抗力方面，為揭示大壩混凝土損傷演化規(guī)律，及為改進模型和確定相應力學參數(shù)提供依據(jù)，需要對全級配大壩混凝土及其組成介質、進行本構曲線全過程的試驗研究;繼續(xù)改進大壩‘數(shù)字混凝土’三維細觀力學動態(tài)分析方法;深化CT圖像分析和三維動態(tài)顯示技術的研發(fā);完善三向加載大型材料試驗裝置和其試驗技術，建立與之配套的專用工業(yè)CT裝置，以期對大壩混凝土內部結構及其動態(tài)損傷破壞機理和性能的研究能有新的提升和跨越。相信在領導支持和團隊共同努力下，一定能再接再勵迎接挑戰(zhàn)，克服障礙，為重大工程的抗震安全保障及嚴重地震災變的防止、為我院爭取建立國家試驗室和建成國際一流科研機構作出應有貢獻。

　　參 考 文 獻:

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