高土石壩抗震研究新進展

土石壩的築壩歷史悠久，由於其對地形地質的良好適應性、能就地就近取材、施工簡便且造價較低等優點，成為世界壩工建設中應用最廣泛、發展最快的一種壩型。

近十年來，世界範圍內連續發生了多次近場大地震，導致重大工程嚴重破壞。我國地處環太平洋地震帶和歐亞地震帶兩大地震帶的交匯處，是世界上地震災害最嚴重的國家之一。根據歷史地震資料統計，20世紀我國大陸地區共發生7級以上地震44次，8級以上特大地震5次，造成50多萬人死亡和大量基礎設施的破壞。2008年汶川地震、2010年青海玉樹地震等都造成了重大災害。

隨著水電戰略的實施，我國已建、在建或擬建一大批高壩。由於土石壩具有適應不同的壩址條件、就地取材、結構簡單、便於施工等優點，已成為高壩建設中的主要壩型。土石壩的建設高度不斷增加，其中雙江口大壩高達314米，兩河口、古水、馬吉、如美以及茨哈峽水電站壩高都將超過或接近300米。

西部地區是我國水能資源豐富的地區，而地質條件複雜、地震頻發、強度大，這些高壩如果遭受地震破壞，會產生一系列嚴重後果，一旦大壩因地震而潰決，不僅會造成重大經濟損失，而且對下游所形成的次生災害將造成難以估量的人民生命財產損失。我國重大基礎設施建設中高壩大庫「無可替代」的重要作用、地震區建高壩「難以避讓」的抗震安全問題以及一旦發生嚴重災變「不堪設想」的次生災害後果，突顯了確保高壩抗震安全的極端重要性。

然而，目前高土石壩動力分析方法仍在線性或等效線性範圍內，各種相互作用的影響研究大多被簡化並孤立進行，難以對強震作用下高土石壩動力災變過程、耦合效應及其影響進行深入研究和科學認識。因此，面向國家重大工程需求，開展高土石壩地震災變模擬與工程應用研究，重點突破築壩材料強非線性、混凝土防滲體局部損傷和漸進破壞、大壩-地基-庫水動力相互作用、地震破壞全過程模擬以及高性能、精細化計算軟體等方面的科學問題和技術難題，對提升我國高壩抗震設計水平、保障能源安全和社會經濟可持續發展具有十分重要的意義。

孔憲京、鄒德高的新作《高土石壩地震災變模擬與工程應用》系近十年來作者課題組在高土石壩地震災變模擬與工程應用方面的研究成果。

01

《高土石壩地震災變模擬與工程應用》第1章為緒論，第2章到第9章主要介紹高土石壩地震災變模擬與工程應用。

02

目前土石壩動力分析廣泛採用等效線性分析方法，該分析方法將堆石料視為黏彈性材料，僅能反映中、低強度地震的加速度反應，對大壩的地震永久變形則需要藉助殘餘變形分析方法進一步計算大壩的地震永久變形，不能滿足大壩在強震時可能出現的強非線性乃至破壞過程分析要求。彈塑性分析方法能夠較好地反映土體的實際狀態，可以模擬靜、動力全過程並能夠直接計算壩體的永久變形，在理論上相對更為合理。因此，從等效線性分析轉向強非線性和彈塑性分析是十分必要的。本書第2章對不同初始密度和圍壓時的紫坪鋪大壩築壩堆石料的剪脹特性進行了系統研究，首先分析單調荷載下堆石料剪脹的基本規律，然後分析循環荷載下堆石料的剪脹規律。在顆粒破碎、臨界狀態和剪脹特性試驗研究基礎上，基於廣義塑性模型的框架，吸取了邊界面理論和臨界狀態理論的優點，發展了一個單調和循環荷載下與顆粒破碎狀態相關的堆石料廣義塑性模型。

03

土與結構剛度的差異使兩者界面處存在一定厚度的不同於一般土體的區域。面板堆石壩中面板與堆石之間、壩肩與堆石之間均存在這樣的區域。這些接觸面在大壩變形過程中伴隨著滑移、張開和閉合等非連續變形，其變形特性對結構物的受力變形有重要影響，但目前常用的接觸面本構模型大都假定兩個剪切方向相互獨立，而三維接觸面試驗表明這是不合理的。本書第3章採用邊界面理論，提出了一個三維彈塑性接觸面模型，並採用文獻中的試驗結果進行了驗證。

04

地震時,庫區的地面運動將會使面板堆石壩上游壩面承受附加的動水壓力，充分認識壩面動水壓力對壩體地震反應的影響,對於新建大壩抗震設計和已建大壩抗震安全評估具有重要的意義。目前關於庫水動水壓力對壩體地震反應影響的問題仍然沒有合理解決，工程計算中最常用的方法是將庫水按照Westergaard建議的將庫水附加質量計入，但沒有考慮大壩的三維河谷效應、庫水的可壓縮性以及涌浪的影響。本書第4章綜合有限元法、有限體積法和比例邊界有限元分析方法，建立了面板壩-庫水流固耦合精細分析模型，可以精確考慮庫水可壓縮性、涌浪、複雜河谷條件下的動水壓力及其對面板應力的影響。

05

混凝土面板作為一種准脆性材料，強震時將發生損傷開裂，並表現出剛度退化和應變軟化的特性。目前分析面板堆石壩面板應力時，基本都採用線彈性模型，導致計算的應力往往遠超過混凝土的強度，難以評價大壩的破壞模式和極限抗震能力。本書第5章實現了混凝土塑性損傷本構模型的數值方法，通過對高面板壩的彈塑性有限元動力反應分析，研究了混凝土面板在地震荷載作用下損傷的發生和發展過程。此外，為了研究面板抗震措施及其效果，還實現了普通混凝土和超韌性混凝土的旋轉裂縫模型，並發展了鋼纖維混凝土塑性損傷模型，為定量評估面板抗震措施及其效果提供了理論和技術支撐。

06

地震動輸入是大壩抗震安全性評價的重要前提，目前土石壩動力有限元計算中採用的地震動輸入方式主要是均勻一致的輸入方式，即直接對壩體施加地震慣性力，能量系統是封閉的，不能反映壩體、河谷和地基之間的動力相互作用以及無限地基的輻射阻尼。本書第6章通過集成黏彈性人工邊界和等效節點荷載的方法，實現了高土石壩-河谷-地基系統能量開放的動力相互作用分析，並系統地分析了地震動輸入方法、地震波類型和入射方向對高土石壩動力響應的影響。

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計算機數值模擬作為一種重要的科學研究手段，在土石壩抗震防災方面得到日益廣泛的應用。但傳統的土石壩抗震計算軟體僅適合非線性彈性問題，難以對強震作用下高土石壩動力災變過程、耦合效應及其影響進行深入研究和科學認識。本書第7章在自主開發的大型岩土工程靜、動力分析軟體GEODYNA的基礎上，進一步綜合築壩材料強非線性、混凝土防滲體損傷分析方法、大壩-地基-庫水動力相互作用，以及高性能、精細化計算等方面的最新研究成果，實現了高土石壩的地震災變全過程模擬，為準確評價大壩抗震性能、優化安全控制方法等提供了有效的技術手段。

08

為了驗證高土石壩地震災變全過程模擬軟體平台的合理性，本書第8章採用該軟體平台對紫坪鋪面板堆石壩在汶川地震中發生的震害現象進行彈塑性數值分析，並根據數值計算結果，對大壩沉降、面板擠壓破壞、面板施工縫錯台和面板脫空等實際地震破壞現象進行模擬及對比分析。

09

面板壩的抗震安全性主要依賴於上游防滲面板的動力響應，對高面板壩面板應力特性的準確把握和預測，明確面板高應力區的分布情況，並提出有效的地震安全控制方法，是保證強震區高面板壩安全的重要基礎。本書第9章建議了具有延性破壞特性的鋼纖維混凝土面板及超高韌性水泥基複合材料-鋼筋混凝土面板，並採用彈塑性動力有限元分析方法研究上述兩類面板材料對面板動力響應和損傷開裂過程的影響。

本文由王芳摘編自《高土石壩地震災變模擬與工程應用》（孔憲京、鄒德高著. 北京：科學出版社，2016.9） 一書緒論部分。

ISBN 978-7-03-050034-2

《高土石壩地震災變模擬與工程應用》系高土石壩抗震研究方面的專著，主要介紹近十年來作者課題組在高土石壩地震災變模擬與工程應用方面的研究成果。

本書共分9章。內容包括：緒論；築壩堆石料剪脹特性和本構模型；三維廣義塑性接觸面本構模型及其應用；考慮庫水及涌浪的流固耦合精細分析方法；混凝土面板破壞發展過程和加固措施分析方法；高土石壩-河谷-地基動力相互作用分析；高土石壩三維地震災變模擬平台集成；紫坪鋪面板堆石壩靜、動力彈塑性有限元分析；高面板壩面板地震安全控制方法。

本書可作為水工結構工程、防災減災工程、岩土工程專業的研究生教材和教學參考書，也可以作為水利水電工程、土木工程及相關專業的設計、施工和科研的參考用書。

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