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陈厚群:西部高拱坝抗震安全前沿性基础科学问题研究 
http://www.iwhr.com     2010-03-31 08:35     来源:      作者:
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陈厚群

    我国将在西部强震区建设一批尚无先例的300m级高拱坝工程,高拱坝抗震安全是亟待解决的工程关键技术难题和学科前沿课题。“西部高拱坝抗震安全基础前沿性基础科学问题研究”是在国家自然科学基金委资助下,由中国水利水电科学研究院负责,河海大学、西安理工大学共同参与完成。该项目研究内容紧密结合西部优势水能资源利用中实际高拱坝工程当前亟需解决的前沿性基础科学问题,坚持“各单位要在统一规划下,资源共享、相互配合、优势互补、体现“产、学、研”相结合团队的有机关联特色”的指导思想,针对高拱坝抗震安全中相互配套、不可分割的三个组成部分,即:坝址场地输入地震动参数的选择、拱坝坝体-库水-地基体系的地震反应、全级配大坝混凝土动态特性,进行综合和系统的应用基础性研究,探讨地震作用下的高拱坝的实际性状和安全裕度、及其破坏机理,为高拱坝的工程抗震设计提供理论基础、切合实际的分析方法及其科学依据,以保证我国西部强震区水电建设工程的安全,推动水工抗震学科的发展。研究内容主要包括以下三方面的内容:高拱坝抗震分级设防水准和其相应性能目标的确定及地震动参数的选择,高拱坝抗震设计中拱坝-库水-地基体系地震破损过程分析理论、方法及整体抗震安全评价准则的研究,高拱坝抗震功能设计中大坝混凝土的动态抗力特性试验与数值模拟方法及其动态破坏机理的研究。
    1. 高拱坝抗震分级设防水准和其相应性能目标的确定及地震动参数的选择
    针对当前我国高拱坝抗震设计中的地震动输入中存在的一系列共性和基础性的关键技术问题,就适当确定设防水准框架、合理选择地震动参数和正确理解输入机制等方面,进行了较全面系统的深化研究。分析和澄清了工程应用中存在的诸多基本概念上的混淆,提出和探讨了解决的途径及其理论依据,为坝址地震动输入提供了一整套紧密结合我国国情和高坝工程特点的、更合理和可操作的新的思路、方法和自主研发的应用软件。成果已经在我国西部众多重大水电工程的高拱坝工程抗震设计中都被应用,并为水工抗震规范的修订提供了基础性资料和科学依据。
    1.1高拱坝抗震分级设防水准和其相应性能目标的确定
    根据水工建筑物的特点,研究高拱坝工程抗震分级设防水准和其相应性能目标的基本框架。抗震设防水准需和性能目标相对应,采用分级设防和多重性能目标以及性能目标的具体量化。本项研究对修订我国大坝设防水准,提出了如下初步建议:
    (1)我国现行的按最大设计地震的单级大坝抗震设防水准是基本合理和可行的。
    (2)对于设计峰值加速度超过0.3g、高度超过200m或库容大于100亿m3的高坝,应对其在最大可信地震时不溃坝的性能目标进行专门研究和校核。
    (3)大力深化对最大可信地震的合理确定和对各类大坝溃坝准则定量化的研究。
    该研究在汶川大地震发生以前,所提出的“对修订我国抗震设防水准的建议”的合理性和必要性,已经在2008年我国汶川大地震大坝的震情中得到了检验和体现。按现行规范设计的位于强震区的4个不同类型的百米以上高坝,都经受住了这次特大地震的考验,保持了整体的完整性,汶川地震以后,国家发展和改革委员会下发文件,提出要对重大水利水电工程在极限地震下的抗震性能进行校核的要求。
    有关水库地震的研究成果,汶川大地震后,在对解释和澄清国内外有关“汶川地震是否与紫坪铺水库和三峡工程水库蓄水有关?”的问题中得到了应用,受到国内外的重视。
    1.2坝址场地相关设计地震动参数的确定
    1)以与反应谱相关的“有效峰值加速度EPA”替代传统的峰值加速度PGA;
    2)以基于与场地设计峰值加速度相应的 “设定地震”求得的“坝址场地相关设计反应谱”以替代现行规范中的标准设计反应谱和“一致概率反应谱”;
    3)在对美国“新一代衰减关系(NGA)” 分析研究基础上,探讨并建议了适用于我国大坝抗震设计的地震动加速度衰减关系,以替代通过烈度转换的地震加速度和反应谱衰减关系;
    4)为适应高坝体系地震响应非线性动力分析的需求,研发了基于渐进功率谱生成幅值和频率都非平稳的人工模拟地震动加速度时程的方法,并回归了较适合我国国情的目标渐进功率谱与震级和距离的关系,以替代现有通过多重滤波方法和基于日本地震的目标渐进功率谱与震级和距离的关系;
    5)为解决西部重大高坝工程极限地震的地震动输入问题,研发了基于能反映近断裂大震地震动特征的“随机有限断层法”软件,并通过实际工程的应用,验证了其可行性,为合理确定“最大可信地震”创造了条件,以替代目前不得已以重现期为10,000年的地震作为“最大可信地震”的办法。
    1.3坝址地震动输入机制
    地震动输入机制包括场址设计地震动峰值加速度的基本概念和坝址地震动的输入方式两个方面。目前,在一些重要大坝的抗震设计中,对于作为表征坝址地震作用强度基本参数的设计地震动加速度,就常因存在不同的理解,而使对同一工程中不同单位采用不同方法提供的抗震分析成果,难以在同一个地震动输入基础上进行相互比较和校核,并直接影响到对工程抗震安全评价的结果。因此,有必要从工程抗震的角度,就设计地震动输入方式中有关设计地震峰值加速度的基本概念,以及目前在其应用中存在的某些概念上的混淆进行探讨以取得共识。
    (1)对地震危险性分析给出的设计峰值加速度的理解;
    (2)沿用无质量地基假定直接输入设计地震动峰值加速度;
    (3)对近域地基底边取刚性边界输入设计地震动峰值加速度;
    就地震动输入而言,方程的求解主要有作为封闭系统的振动问题和作为开放系统的波动问题两种方式。对于重要的大坝工程,由于坝体尺寸和重量都很大,在其地震响应分析中,坝体结构和地基动态相互作用的重要性已愈益被认识到,需要把坝体结构和地基作为整个体系来分析其地震响应。坝体结构体系一般都作为开放系统的波动问题求解,辐射阻尼效应是坝体结构和地基动态相互作用的主要内容,在大坝抗震分析的应用中,总起来可归纳为两类:
    (1)人工透射边界法,基于以人工波速传播的水平向和竖向平面波叠加的假设,采用从边界直接输入自由场入射地震位移波的方式。
    2)基于动态子结构方法,该方法将坝体和近域地基作为子结构从无限域地基中隔离出来,以其满足辐射条件的动态阻抗和对自由场入射地震波的响应表征远域地基效应。通过子结构和远域地基接触面上相互作用的内力平衡和位移连续的条件,确定其边界条件和地震动输入机制。
    2. 高拱坝-库水-地基体系地震响应分析及抗震安全性评价
    该部分所研发的能基本适应当前高拱坝工程抗震设计的需要的、更加切近工程实际的、突破现行拱坝抗震设计方法的一整套新的高拱坝—地基系统地震响应的分析方法;提出的“以变形为核心的拱坝抗震稳定性及其抗震安全性评价”的思路和方法;所研发的相应软件系统,都已经应用于在我国西部水电开发中建设的所有重大工程中的300m级的高拱坝工程中,并得到了初步验证,成为其抗震设计中的重要参考依据;汶川地震后,在国家发展和改革委员会所要求的,对重大水电工程高拱坝进行抗震复核的工作中,被广泛应用;并为正进行中的水工抗震规范的修订提供了科学依据。所开创的在高坝抗震领域应用的高性能并行计算环境已应用于高拱坝工程地震响应的分析中,取得了显著效果,拓展了高坝抗震深化研究的空间,具有广阔的应用前景。
    2.1高拱坝体的三维非线性动力分析
    针对高拱坝的抗震特点,将坝体及地基作为一个体系的前提下,开发和完善能同时反映更切近工程实际诸因素的三维数学模型、非线性动力分析方法和计算程序。并对不同途径开发的软件结果相互比较和验证。
    1)建立了能同时考虑拱坝、地基和库水间的动力相互作用、坝体内横缝间的往复开合、地基的质量和能量向远域地基逸散的辐射阻尼、邻近坝体的近域地基的地形和包括潜在滑动岩块在内的各类地质构造、沿坝基地震动输入的空间不均匀性等因素的高拱坝体系的地震响应分析模型;
    2)对包括人工透射边界和粘弹性阻尼边界的高拱坝开放体系,研发了其地震响应的时域显式非线性动态求解方法和软件系统;
    3)基于动接触理论建立了拱坝坝体横缝、坝基面、坝肩岩体潜在滑块的滑动面的接触界面模型,以替代现行不能精确满足接触条件和切向滑移状况的、刚度系数的确定有任意性的接触单元法。
    2.2高拱坝坝肩拱座岩块稳定性及其抗震安全性评价
    高拱坝坝肩拱座岩块的稳定性是整个工程抗震安全的关键和评价的主要依据,以传统的“刚体极限平衡”校核坝肩稳定,难以对震害作出合理解释。实际可能远在坝肩岩体作整体滑移前,因其局部开裂、滑移引起的坝肩变形就导致拱座坝基面的薄弱部位严重开裂。震害主要体现在坝体薄弱部位强度不足而开裂。沿用的坝肩抗震稳定安全系数并不能反映工程实际抗震性态,只是基于工程经验的作为相对类比的设计取值标准。因此该部分主要做了以下两个方面的工作:
    1)提出并实现以变形为核心的拱坝抗震稳定性分析方法,从替代不能反映实际状况的传统的“刚体极限平衡法”;
    2)提出了以拱坝体系地震位移响应突变确定其抗震稳定性和整体失效溃决的评价定量准则的新思路和方法,以替代不能反映拱坝体系实际地震性状的基于安全系数的传统准则。
    2.3高拱坝地震响应分析的高性能并行计算
    300m级的重大高拱坝是复杂的空间结构,其地震响应分析需要同时计入坝体-地基-库水的动态相互作用、坝体伸缩横缝开合的边界非线性、远域坝基的振动能量逸散、近域地基复杂地形和地质构造、坝体和地基岩体的材料非线性、沿坝基地震动的不均匀性、在拱座和地基动力耦合作用下坝肩潜在滑动岩块的动态稳定性等复杂问题。整个体系的有限元数值计算需要求解几十万甚至上百万个自由度的方程组。特别是作为非线性动力学问题,为保证数值计算的收敛性和稳定性,时域计算中的时间步长常需取万分之几秒,甚至在一个时间步长内还要进行迭代,而输入地震动的持续时间长达数十秒。在时域内求解如此大规模的非线性动力问题,计算速度已成为高拱坝地震动分析和抗震安全评价的瓶颈。目前,高性能并行计算已经成为解决大规模科学计算的最主要手段之一,本项目为解决高拱坝地震动分析和抗震安全评价的瓶颈问题,以及满足全级配大坝混凝土三维细观力学分析计算的要求,开创了在高坝抗震领域应用的并行计算环境,包括平行计算平台的构建和相应软件的研发。
    1)为解决高拱坝地震动分析中计算工作量过大的瓶颈问题,从应用基础性研究出发,在和中科院梁国平教授协作下,选择采用其开发的有限元自动生成系统(FEPG),用有限元语言编制计算程序,并基于(FEPG)串行程序平台,可较方便地进行并行改造后转换到并行程序的(PFEPG)平台。
    2)对小湾拱坝和溪洛渡拱坝分别采用自编串行程序和并行程序计算比较,验证了所开创的并行计算软硬件平台显著效果。同时也表明在高拱坝地震响应分析中,应用高性能并行计算技术具有广阔的推广应用前景。
    3高拱坝混凝土动态抗力特性试验、数值模拟及机理研究
    强烈地震作用下混凝土高拱坝的动力反应和破坏过程极其复杂,大坝结构的抗震设计是否安全、合理,不仅取决于地震动输入的合理性和抗震动力分析方法的正确性,而且还取决于设计采用的大坝混凝土材料动态力学特性,而对大坝混凝土动力特性的研究却滞后得多,进展很小,存在不少基础性问题需要进—步探索和深化研究,已成为公认的结构动力分析的“瓶颈”。针对当前我国高拱坝抗震设计中的大坝混凝土动态抗力确定中存在的基础性关键技术问题,对大体积全级配混凝土、混凝土组成材料进行静动态试验,采用先进的声发射、CT技术对混凝土静动态损伤演化、破坏机理进行试验研究,研究全级配大坝混凝土三维细观力学非线性动态分析方法,并基于并行计算平台自主研制计算程序。解决大坝混凝土动态抗力试验研究的关键技术,获得了大坝混凝土动态抗力的基本规律,探讨了混凝土损伤演化无损监测、数值模拟及其动态破坏机理的研究方法,揭示了大坝混凝土动态抗力部分内在机理。成果推动混凝土动态试验技术的发展,已经在我国西部重大水电工程的高拱坝工程抗震设计中都被应用,并为水工抗震规范的修订提供了基础性资料和科学依据。
    3.1大坝混凝土动态弯拉力学特性试验研究
    1)自行设计出适合进行往复拉压加载系列装置(湿筛、三级配和四级配混凝土试件),能够实现多种类型荷载(如冲击、三角波、正弦波以及任意波形)的施加,形成了规范的混凝土动态弯拉试验方法。
    2)通过改变初始静载比例和加载方式,系统地进行了高拱坝混凝土动态弯拉力学特性试验研究。研究发现混凝土三个重要特性:<1>合适比例的初始静载对三级配混凝土动态弯拉强度提高有利,当超过其上限后变为不利;<2>低周循环加载也会引起混凝土损伤累积;<3>混凝土材料的损伤具有强度应变率强化与损伤劣化的双面性特性。
    3)湿态三级配混凝土对抗震有利;同90天龄期相比,三级配混凝土后期静动态弯拉强度增长缓慢;三级配混凝土静动态弯拉强度以及动强度提高因子DIF均随试件尺寸增加而减少;
    4)全级配与其湿筛混凝土两者动态弯拉强度提高因子DIF相关性差,高拱坝抗震设计应通过全级配混凝土大试件动态试验确定弯拉力学特性参数。
    3.2大坝混凝土及其组成材料静、动态拉伸试验研究
    1)探索混凝土类脆性材料静动态直接拉伸试验技术,建立规范的混凝土类脆性材料静动态直接拉伸全曲线试验方法,实现了混凝土动态直接拉伸全曲线试验。
    2)实现了混凝土静态直接拉伸残余全曲线试验,为构建基于试验的混凝土及其组成材料损伤本构提供了基础。
    3)进行了混凝土及其组成材料(骨料、砂浆、界面)动态强度率效应试验研究,为混凝土细观力学数值模拟提供依据,为揭示大坝混凝土动态强度破坏机理奠定了基础。
    3.3基于声发射技术的大坝混凝土静动态损伤破坏试验研究
    1)提出了一种基于穷举法的声发射源定位新算法,该算法的数据利用率、定位精度和计算效率高。
    2)对声发射波形功率谱图进行分类并采用统计分析方法识别混凝土中的细观损伤破坏机制。
    3)发现声发射能够在混凝土轴拉软化阶段记忆开始进一步卸载时的应力值和受载历史中的最大应变值,混凝土在轴拉软化阶段存在应变“Kaiser效应”。
    4)发现并总结了混凝土破坏过程声发射特性的应变率效应,指出混凝土破坏过程的声发射响应是一个依赖于时间的过程,证实了在高应变率下混凝土微裂缝将“来不及”扩展的特点。
    3.4基于CT技术的大坝混凝土静动态损伤破坏试验研究
    1)成功研制出“便携式与CT配套的混凝土专用加载设备”。
    2)首次较为系统地进行了混凝土静、动、拉、压破裂过程的在线CT扫描,初步揭示了混凝土细观破坏机理。
    3)混凝土动力加载在线CT扫描过程的动画演示和混凝土加载破坏过程的动画演示。
    4)探索运用工业CT研究大尺寸混凝土试件损伤、破裂过程的方法。
    5)建立基于CT技术的混凝土分区破损理论。
    6)采用支持向量机对混凝土CT图像中的骨料、砂浆、裂纹或孔洞进行辨识,以便进行混凝土细观力学研究。
    7)建立基于CT技术,采用分维数作为表征材料损伤状态的参数,以损伤分维数的演化规律反映材料损伤演化规律。
    3.5基于并行计算平台的全级配大坝混凝土三维细观力学非线性动态分析方法和程序编制
    1)提出“占位剔除”的随机骨料投放算法,实现了按混凝土实际级配和骨料含量高效投放。
    2)研究圆形骨料模型、凸多边形骨料模型、球形骨料模型以及凸多面体骨料模型的剖分方法,编写了网格自动剖分程序和可视化程序。
    3)基于CT图像建立混凝土损伤本构方程、三维重建混凝土试件三维细观力学模型,进行了混凝土损伤破坏过程数值模拟。
    4)建立可考虑界面连接不完好和基体非线性效应的混凝土宏细观本构关系。
    5)建立了预静载作用下的混凝土材料动态损伤非线性有限元动力学方程及其非线性计算方法;
    6)通过细观力学数值分析,研究混凝土材料损伤弱化和应变率强化效应,揭示了预静载对混凝土材料动态性能影响的机理。
    3.6混凝土动态强度提高、损伤演化及破坏机理研究
    探索性地建立了混凝土静动态抗拉强度微观结构机理统一模型,解释了水灰比、养护条件、龄期、含水量以及不同加载速率等影响因素微观机理,混凝土静动态抗拉强度由固体材料效应(干强度+率效应)、自由水效应(毛细水吸力+Stefan效应)和惯性效应三部分组成,各部分在不同应变率阶段影响程度不同。
    4.重大创新性成果
    该项目经过四年时间的潜心研究,按计划高质量全面完成了研究任务,研究取得下列三个方面重大创新性成果:
    (1)坝址场地地震动输入参数的合理选择
    研发了基于渐进功率谱生成幅值和频率都非平稳的人工模拟地震动加速度时程的方法,并回归了较适合我国国情的目标渐进功率谱与震级和距离的关系,以替代现有通过多重滤波方法和基于日本地震的目标渐进功率谱与震级和距离的关系;研发了基于能反映近断裂大震地震动特征的“随机有限断层法”软件,并通过实际工程的应用,验证了其可行性,为合理确定“最大可信地震”创造了条件,以替代目前不得已以重现期为10,000年的地震作为“最大可信地震”的办法;研发了以基于与场地设计峰值加速度相应的“设定地震”求得的“坝址场地相关设计反应谱”以替代现行规范中的标准设计反应谱和“一致概率反应谱”。分析和澄清了工程应用中存在的诸多基本概念上的混淆,提出和探讨了解决的途径及其理论依据,为坝址地震动输入提供了一整套紧密结合我国国情和高坝工程特点的、更合理和可操作的新的思路、方法和自主研发的应用软件。
    (2)高拱坝体系地震响应分析方法
    提出了突破现行拱坝抗震设计方法的一整套新的高拱坝—地基系统地震响应的分析方法,建立了能同时考虑各项因素的高拱坝体系的地震响应分析模型。可以同时考虑拱坝-地基-库水动力相互作用、坝体横缝动态接触非线性、地基的质量和能量向远域地基逸散的辐射阻尼效应、近域地基地形和包括潜在滑动岩块在内的各类地质构造、沿坝基地震动输入空间不均匀性等基础关键问题。为了更合理解决在“最大可信地震”作用的极端情况下高拱坝工程抗震安全性评价定量指标的关键技术问题,提出了以变形为核心的拱坝抗震稳定性分析方法,替代不能反映实际状况的传统 “刚体极限平衡法”;提出了以拱坝-地基体系地震位移响应突变确定其抗震稳定性和整体失效溃决的评价定量准则的新思路和方法,替代不能反映拱坝体系实际地震性状的基于安全系数的传统准则。为解决高拱坝地震动分析中计算工作量过大的瓶颈问题,开创了在高坝抗震领域应用的并行计算环境,包括平行计算平台的构建和适应高拱坝地震动分析特点的软件研发。通过对实际高拱坝工程的应用高性能并行计算实例,验证了所开创的并行计算软硬件平台显著效果。
    (3)大坝混凝土动态特性和机理
    实际工程大坝混凝土材料宏观试验研究:结合小湾拱坝和大岗山拱坝,自行设计出能够进行往复动态加载的弯拉系列装置(湿筛、三级配和四级配混凝土试件)和混凝土类脆性材料静动态直接拉伸全曲线(包括软化段、反复加载)试验装置,制定了规范的混凝土动态试验方法,并采用先进的声发射技术对混凝土的动态损伤过程进行实时监测。系统的试验研究发现:<1>合适比例的初始静载对全级配混凝土动态弯拉强度提高有利,当超过其上限后变为不利;<2>全级配与其湿筛混凝土两者动态弯拉强度提高因子DIF相关性差,目前工程中采用湿筛混凝土的试验结果是偏于不安全的,高拱坝抗震设计应通过全级配混凝土大试件动态试验确定弯拉力学特性参数。并且发现混凝土材料的损伤具有强度应变率强化与损伤劣化的双面性特性,混凝土在轴拉软化阶段存在应变“Kaiser效应”。
    全级配混凝土三维细观力学动态分析:用蒙特卡罗法,对多级配骨料空间分布位置及各介质抗拉强度和弹性模量在试件空间随机投放,提出“被占区域剔除法”,使骨料随机投放能满足实际配合比的要求。研发混凝土试件作为由骨料、水泥砂浆及两者界面三种复合介质的三维细观力学数学模型及其有限元网格剖分,借鉴“复合材料多尺度算法”理论,研发求解最细骨料和砂浆作为双相复合材料的等效力学参数,基于试验资料,引入混凝土强度和弹性模量的应变率效应系数和损伤变量演化模型,在时域中对试件的抗折强度进行了非线性动态分析,数值分析结果和试验相互印证。
    应用CT技术探索混凝土内部破坏机理:成功研制出“便携式与医用CT配套的混凝土专用加载设备”,解决了动态加载的一系列关键技术问题,首次较为系统地进行了混凝土静、动、拉、压破裂过程的在线CT扫描。研究了混凝土CT图像识别和分析技术,进行了其细观裂纹形态特征和损伤的定量分析。揭示了静、动载下内部结构细观破坏形态的差异,印证了对破坏机理的解释,初步揭示了混凝土细观破坏机理。基于CT图像建立混凝土损伤本构方程、三维重建混凝土试件三维细观力学模型,进行了混凝土损伤破坏过程数值模拟。


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