陳厚群

（ 中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100048）

高混凝土壩抗震設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

陳厚群

（ 中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100048）

高壩建設(shè)在我國的水資源和水能利用中有無可替代的重要作用，但面臨難以避讓的抗震安全問題的挑戰(zhàn)，其震災(zāi)的次生災(zāi)害可能導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果。目前我國已是高壩建設(shè)的世界大國，但尚難稱更新高壩設(shè)計(jì)中現(xiàn)行常規(guī)理念和方法的強(qiáng)國。本文探討了對200m高壩已不切實(shí)際的某些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和方法。從地震動(dòng)輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、材料抗力等三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面，闡述了高壩抗震設(shè)計(jì)中創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和方法的進(jìn)展。提出了基于更切近實(shí)際的分析模型的、把抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定校核融為一體的、高壩地震損傷破壞過程分析的綜合方法。

抗震設(shè)計(jì)；高混凝土壩；損傷破壞過程；地震動(dòng)輸入；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；材料抗力

1 盡力確?？拐鸢踩珵楦邏谓ㄔO(shè)當(dāng)務(wù)之急

當(dāng)前在我國已是世界上當(dāng)之無愧的高壩建設(shè)大國之際，必須立足我國國情，認(rèn)識到確?？拐鸢踩珵楦邏谓ㄔO(shè)中的當(dāng)務(wù)之急，深刻理解其社會責(zé)任和歷史使命。

1.1 高壩建設(shè)在我國水能和水資源利用中無可替代的重大作用

眾所周知，水和能源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，直接關(guān)系到社會和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、人民物質(zhì)和精神生活的提高與改善，同時(shí)也是影響中國經(jīng)社會發(fā)展的重要制約因素。在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化和全面小康的宏偉目標(biāo)過程中，中國正面臨著人口、資源和環(huán)境的巨大挑戰(zhàn)。

水是生命之源，我國人均水資源極為短缺，僅為世界人均占有量的1/4。而且受季風(fēng)氣候條件影響，時(shí)空分布極不均勻，洪旱災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響生態(tài)環(huán)境。我國經(jīng)濟(jì)規(guī)?？偭看?，而能源資源相對貧乏，人均擁有量只相當(dāng)于世界平均水平一半；特別是以煤電占近70%的二次能源結(jié)構(gòu)，已日益受到環(huán)境和水資源容量的制約而難以持續(xù)，降低其占有比例已刻不容緩。

匱乏且時(shí)空分布不勻的水資源的調(diào)蓄利用、以煤為主的能源結(jié)構(gòu)的急需改善、居世界首位的水能資源的充分開發(fā)等我國國情的迫切需求，賦予了我國高壩大庫建設(shè)在防洪、發(fā)電、供水、糧食和生態(tài)安全等方面以無可替代的重要作用。

據(jù)2013年全國調(diào)研統(tǒng)計(jì)，在我國200m以上的高壩中，混凝土壩占有62%，其中88%為拱壩。在壩高250m以上的高壩中，混凝土壩占有80%，大多是拱壩。這些工程主要屬于要求有較好調(diào)節(jié)性能的高壩大庫的水電工程。

1.2 應(yīng)對高壩建設(shè)中難以避讓的抗震安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

我國大陸位于世界上兩個(gè)最活躍的環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶交匯部位，是全球蒙受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的多地震國家，震情嚴(yán)峻、震害嚴(yán)重。近代我國大陸82%的強(qiáng)震都發(fā)生在西部。而我國主要大江大河的源頭方也都位于西部山區(qū)，集中了約占全國80%的水能資源。因此，我國高壩建設(shè)，特別是水電工程的高壩大庫建設(shè)，必須面對難以避讓的抗震安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.3 防止高壩大庫地震災(zāi)變導(dǎo)致次生災(zāi)害的不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果

我國人口密集，當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。而高壩大庫，特別是流域梯級開發(fā)中作為龍頭水庫的高壩，萬一潰壩失事關(guān)系到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國際影響的大局，可能導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重次生災(zāi)變后果。隨著近年來我國的超大型高壩建設(shè)的迅速發(fā)展，安全風(fēng)險(xiǎn)隨壩高和庫容的增加而加大，加上在及早搶占市場、追逐利潤的驅(qū)使下，導(dǎo)致一些工程的前期工作不足，更增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。而我國西部強(qiáng)震區(qū)的眾多300m級的超大型高壩大庫，既少有國內(nèi)外先例的工程經(jīng)驗(yàn)可資借鑒，更缺乏經(jīng)受過強(qiáng)震的震例檢驗(yàn)。因此，對高壩大庫的抗震安全，必須給予高度重視。確保其抗震安全的任務(wù)十分緊迫。

為此，汶川大地震后，國家發(fā)展與改革委員會針對高壩抗震安全問題，要求對諸多重要高壩工程，需按“防止在極端地震時(shí)，發(fā)生庫水失控下泄、導(dǎo)致嚴(yán)重次生災(zāi)害的潰壩災(zāi)變”的目標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。盡力確保高壩大庫抗震安全，已是當(dāng)前我國西部眾多高壩建設(shè)中的突出重點(diǎn)和當(dāng)務(wù)之急。但如何合理確定極端地震及其地震動(dòng)輸入?yún)?shù)及壩體地震損傷破壞過程中導(dǎo)致災(zāi)變的定量判別準(zhǔn)則，成為當(dāng)前必須面對的關(guān)鍵難點(diǎn)和嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

我國高壩以混凝土壩居多，本文主要論述了高混凝土壩抗震設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，但就壩址的地震動(dòng)輸入而言，高土石壩的情況也基本類同。

2 當(dāng)前在高混凝土壩的設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前我國已建在建和擬建的高壩數(shù)量、壩高記錄已全面處于世界前列。根據(jù)中國大壩協(xié)會資料，至2010年，我國已建在建的30m以上大壩為5564座，占同期國際13629座中的40%。壩高是代表壩工建設(shè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。我國200m以上高壩數(shù)量已位居世界第一，且包括諸多類型的世界最高大壩工程，如：錦屏一級的混凝土拱壩（305m）、糯扎渡的心墻堆石壩（261.5m）、水布埡的面板堆石壩（223m）、龍灘的碾壓混凝土重力壩（216.5m）等都屬于有里程碑意義的世界一流工程。應(yīng)當(dāng)稱得上是世界高壩建設(shè)大國了。但能否稱得上是世界高壩建設(shè)強(qiáng)國，但仍存可待商榷之處。之所以“大而尚不能算強(qiáng)”的原因是因?yàn)樯忻媾R以下的主要挑戰(zhàn)：

（1）眾多少有先例的超高混凝土壩無可避讓地要建在西部強(qiáng)震區(qū)，而確保其遭遇極端地震時(shí)不發(fā)生潰壩導(dǎo)致的嚴(yán)重次生災(zāi)變，仍是高壩抗震安全研究突出的重點(diǎn)目標(biāo)。

（2）為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的主要障礙是如何合理確定極端地震及其地震動(dòng)輸入?yún)?shù)，并建立壩體—地基—庫水體系地震損傷破壞過程中導(dǎo)致災(zāi)變的定量判別準(zhǔn)則。

（3）但現(xiàn)行設(shè)計(jì)基本卻仍沿用20世紀(jì)50年代以前的傳統(tǒng)框架，難以符合和解釋實(shí)測結(jié)果和震情，導(dǎo)致至今仍無200m以上高壩的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 傳統(tǒng)的大壩設(shè)計(jì)框架必須有所突破

高壩的抗震安全必須要在與靜載作用效應(yīng)綜合分析后進(jìn)行評價(jià)，其設(shè)計(jì)理念和方法不能不受現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計(jì)理念和方法的制約，但這些理念和方法已難以切合高混凝土壩的實(shí)際。

3.1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基本假定已難切合高壩實(shí)際

在當(dāng)前混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范中，對設(shè)計(jì)框架采用的基本假定為：

（1）壩體結(jié)構(gòu)分析基于平截面假定的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。

（2）壩體混凝土材料在線彈性范疇內(nèi)。

（3）壩體作為整體結(jié)構(gòu)，忽略縱、橫縫及孔口等影響。

（4）近似地以Vogt系數(shù)計(jì)入地基巖體均勻的彈性變形而不計(jì)其強(qiáng)度。

（5）對重力壩采用“壩踵無拉應(yīng)力”準(zhǔn)則，對拱壩壩體限定與混凝土等級無關(guān)的1.2MPa和1.5MPa的靜、動(dòng)態(tài)允許抗拉強(qiáng)度。

（6）基于“剛體極限平衡法”將壩基（肩）中由不連續(xù)面構(gòu)成的潛在滑動(dòng)巖塊假定為剛體的穩(wěn)定與壩體強(qiáng)度和分開校核；對拱壩拱座的潛在滑動(dòng)巖塊，在移走壩體而代之以傳至巖塊的推力系，但卻不計(jì)該受壓接觸面上的阻滑力，并假定潛在滑動(dòng)巖塊的沿拱端上游面切向的巖面為拉裂面。

顯然，以上這些受制于當(dāng)時(shí)技術(shù)和工程實(shí)踐水平而不得不采用的傳統(tǒng)基本假定并不完全切合實(shí)際，對迅速發(fā)展的高壩，問題更為突出。國內(nèi)外已有的不少壩體觀測資料表明，一些實(shí)測值與按常規(guī)設(shè)計(jì)的計(jì)算值比較，在量值和規(guī)律上，都存在著按現(xiàn)行設(shè)計(jì)理念和方法難以解釋的明顯差異。我國三峽重力壩、蘇聯(lián)薩揚(yáng)舒申斯克重力拱壩、美國方坦那重力壩等的實(shí)際觀測資料表明：在大壩壩踵部位都呈現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，甚至實(shí)測的壩踵部位的壓應(yīng)力值超過了壩趾部位的壓應(yīng)力值，且實(shí)測的因水位上升而導(dǎo)致的壩踵壓應(yīng)力的減少量，也遠(yuǎn)小于相應(yīng)的設(shè)計(jì)值。這些都是采用傳統(tǒng)的基于平截面假定的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所難以解釋的（王志遠(yuǎn)，2001）。

3.2 現(xiàn)行假定下的有限元法導(dǎo)致的壩踵應(yīng)力集中問題是一個(gè)偽命題

近年來，基于彈性理論的、能更合理反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的有限元方法已日益普及，因分析模型中計(jì)入了鄰近壩體一定范圍內(nèi)的地基巖體，可以反映其不同部位巖性和構(gòu)造的不均勻變形模量的影響。但由于仍限于線彈性材料和不計(jì)地基巖體強(qiáng)度的假定，無法避免在壩體的壩踵部位因“角緣效應(yīng)”而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且其值隨網(wǎng)格尺寸而改變，以致難以據(jù)以確定壩體強(qiáng)度安全準(zhǔn)則。這導(dǎo)致了有限元法始終未能成為高混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范中作為依據(jù)的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果僅能作為設(shè)計(jì)中的輔助性參考。實(shí)際上，作為按有限元分析評價(jià)壩體強(qiáng)度安全主要障礙的壩踵應(yīng)力集中現(xiàn)象，本身就是一個(gè)偽命題。因?yàn)槿绻黄苽鹘y(tǒng)的線彈性和不計(jì)巖體強(qiáng)度的假定，在分析中考慮了多裂隙巖體的強(qiáng)度低的影響，則當(dāng)壩踵部位受拉后，由于裂隙巖體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于壩體混凝土及保證施工質(zhì)量的壩基接觸面的抗拉強(qiáng)度，地表巖體將首先開裂并向深部發(fā)展，因而使壩體壩踵部位的高拉應(yīng)力被釋放，實(shí)際不可能出現(xiàn)線彈性假定下的壩踵拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為解決此虛假的壩踵應(yīng)力集中問題，現(xiàn)行規(guī)范要求按有限元計(jì)算的壩底應(yīng)力求出相應(yīng)的壩基截面內(nèi)力后，再按平截面假定求得壩踵的所謂“等效應(yīng)力”，以此評價(jià)壩體強(qiáng)度安全。似屬多此一舉的倒退。實(shí)際上，被奉為經(jīng)典的平截面假定緣于材料力學(xué)中梁的理論，它僅適用于垂直于中和軸的截面。壩體梁向斷面的中和軸是傾斜的，壩體的水平截面并不垂直于中和軸，因而將其作為平截面的假定，并不符合梁的基本理論。此外，由于“角緣效應(yīng)”而產(chǎn)生的壩踵應(yīng)力集中隨距離衰減很快，因而在規(guī)范中規(guī)定，可不顧壩踵的拉應(yīng)力集中數(shù)值，而僅要求其拉應(yīng)力延伸范圍要小于7%的壩底寬度，使防滲帷幕不致被拉開。這實(shí)際仍囿于并不存在的應(yīng)力集中問題的制約。

3.3 當(dāng)前的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)難以反映拱壩真實(shí)的整體安全性

拱壩的整體安全性主要取決壩肩拱座巖體的穩(wěn)定，這已成為業(yè)內(nèi)共識。目前，規(guī)范規(guī)定，對高壩或地質(zhì)條件復(fù)雜的拱壩，應(yīng)采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，以提高水壓力容重的超載倍數(shù)，作為綜合評價(jià)拱壩整體安全性的依據(jù)。在這類試驗(yàn)中，把壩體強(qiáng)度和拱座穩(wěn)定融為一體以校核拱壩的整體安全性，體現(xiàn)了兩者不應(yīng)分隔校核的合理方向。試驗(yàn)中，壩體及地基巖體的抗拉強(qiáng)度的相似模擬，是判斷壩體的起裂超載及其后喪失承載能力的關(guān)鍵因素。但由于混凝土，尤其是裂隙巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，且其損傷本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜性，目前尚難有滿足混凝土和巖體的抗拉強(qiáng)度及損傷本構(gòu)關(guān)系相似要求的模型材料。這就導(dǎo)致確定壩體體系在超載后逐漸開裂直至失去承載能力的關(guān)鍵因素并不滿足試驗(yàn)的相似原則，使由此求得的超載安全系數(shù)難以反映拱壩真實(shí)的整體安全性度。更何況，規(guī)范也未能對試驗(yàn)結(jié)果的超載值，給出作為設(shè)計(jì)依據(jù)的定量控制準(zhǔn)則。

4 抗震設(shè)計(jì)中對常規(guī)設(shè)計(jì)理念和方法的突破尤為迫切

由于高壩抗震安全需要依據(jù)在迭加基本設(shè)計(jì)工況的靜載作用效應(yīng)后才能綜合評價(jià)。其抗震設(shè)計(jì)除受基本設(shè)計(jì)規(guī)范的靜載作用效應(yīng)制約外，還影響到地震動(dòng)的輸入和壩體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。因此，上述在基本工況的靜載作用下的高壩壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定分析中，一些難經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的、不切合實(shí)際的理念和方法，在高壩抗震設(shè)計(jì)中面臨更為突出的需要突破常規(guī)的挑戰(zhàn)。對高壩的抗震安全性評價(jià)，主要需在以下兩個(gè)“綜合分析”上，突破現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)計(jì)理念。第一是：必須基于壩址地震動(dòng)輸入、壩體—地基—庫水體系的地震響應(yīng)、壩體和地震巖體動(dòng)態(tài)特性這三個(gè)相互配套、不可或缺環(huán)節(jié)的綜合分析。第二是必須基于考慮在地震作用過程中壩體和拱座巖體間的動(dòng)態(tài)變形耦合，將壩體強(qiáng)度和拱座巖體穩(wěn)定在整個(gè)體系中綜合分析，以評定高壩體系的整體抗震安全性。這些需要突破的傳統(tǒng)理念主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)振動(dòng)方式的地震動(dòng)輸入機(jī)制不符合實(shí)際的開放系統(tǒng)的波動(dòng)方式

地震動(dòng)輸入機(jī)制與高壩地震響應(yīng)分析方法緊密相關(guān)，并對其具有不可忽略的顯著影響。在目前的傳統(tǒng)的高壩設(shè)計(jì)中，無論是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法中采用的Vogt地基，或有限元法中采用的無質(zhì)量地基的分析模型，由于都只能考慮地基的彈性變形，因而其地震響應(yīng)只能是作為封閉系統(tǒng)的振動(dòng)問題，從壩基均勻輸入設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度求解。實(shí)際上，高壩體系（包括高土石壩在內(nèi)）的地震響應(yīng)必須考慮實(shí)際存在的地基質(zhì)量的慣性作用、地震波能量向遠(yuǎn)域地基的逸散的輻射阻尼，以及沿壩基地震動(dòng)輸入的幅值和相位都不均勻分布等因素的影響，從而應(yīng)作為開放系統(tǒng)的波動(dòng)問題求解。

4.2 忽略縱、橫縫影響的高壩整體結(jié)構(gòu)假定不能反映其實(shí)際地震應(yīng)力狀態(tài)

目前的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將壩體作為忽略壩內(nèi)縱、橫縫的整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)震區(qū)高拱壩的拱向地震動(dòng)拉應(yīng)力值會很高，根本無法滿足規(guī)范規(guī)定的在地震工況下不超過1.5MPa的要求。實(shí)際上，計(jì)算給出的高拱向拉應(yīng)力是并不存在的虛假值，因?yàn)閴误w各壩段間存在橫縫，這些橫縫經(jīng)灌漿后可以傳遞壓力，但很難抗御受拉開裂，在地震作用下經(jīng)受往復(fù)拉、壓的過程中，必然會因其反復(fù)開合而釋放壩體的拱向拉應(yīng)力。由于不同壩段的橫縫及橫縫的上、下游面都不一定同時(shí)張開，作為高次超靜定的拱壩結(jié)構(gòu)，其某些壩段的橫縫的局部張開，只是導(dǎo)致拱、梁應(yīng)力間的重新調(diào)整，而整個(gè)壩體仍能維持其將庫水壓力傳向兩岸的功能。

對于按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)有縱縫的重力壩，其整體模型也無法反映在施工階段，因縱縫導(dǎo)致在上游壩體存壩踵部位產(chǎn)生的高壓應(yīng)力值。

縱、橫縫對強(qiáng)震區(qū)高壩的地震應(yīng)力狀態(tài)有著不可忽略的顯著影響。采用基于平截面假定的線彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，很難求解考慮計(jì)入縱、橫縫影響的接觸非線性問題。為此，必須采用基于接觸理論的非線性有限元法求解壩體的地震響應(yīng)。這就導(dǎo)致目前因按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的基于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的壩體靜載應(yīng)力，無法與基于非線性有限元法求解的地震應(yīng)力綜合，而陷入難以對高混凝土壩抗震安全性做出合理評價(jià)的困境。

4.3 “剛體極限平衡法”完全不適用于往復(fù)地震作用下的高壩整體穩(wěn)定性

傳統(tǒng)的不計(jì)壩體壩肩巖體動(dòng)態(tài)變形耦合和壩基巖體的地震動(dòng)態(tài)效應(yīng)的“剛體極限平衡法”，對往復(fù)地震作用的設(shè)計(jì)工況，更是完全不能反映高壩的實(shí)際穩(wěn)定性態(tài)的。因?yàn)椋?/p>

（1）壩體的滑動(dòng)失穩(wěn)是一個(gè)超越極限平衡狀態(tài)后，沿滑動(dòng)面變形增長和局部開裂的發(fā)展過程。在往復(fù)的地震作用下，瞬間達(dá)到極限平衡狀態(tài)，由于往復(fù)的地震作用方向的交變，并不一定導(dǎo)致高壩體系的最終失穩(wěn)。而即使?jié)撛诨瑒?dòng)巖塊的整體并未達(dá)到極限平衡狀態(tài)，而僅發(fā)生沿其滑動(dòng)面的局部開裂或滑移，但由于壩體和壩基巖體間的動(dòng)態(tài)耦合變形，也可能導(dǎo)致壩體嚴(yán)重開裂損傷。

（2）在地震往復(fù)作用過程中，拱壩壩體對拱座潛在滑動(dòng)巖塊間接觸力的大小和方向，以及巖塊各滑動(dòng)面的應(yīng)力和接觸狀態(tài)都在動(dòng)態(tài)變動(dòng)之中。

（3）拱座潛在滑動(dòng)巖塊本身并非剛體，其動(dòng)態(tài)變動(dòng)中的地震慣性力的大小和方向，并不一定與壩體傳遞的接觸力同時(shí)達(dá)到最大值或處于最不利方向的組合。

綜上所述，傳統(tǒng)的高壩設(shè)計(jì)理念和方法已難切合實(shí)際狀況，不能經(jīng)受監(jiān)測資料的檢驗(yàn)，在其抗震設(shè)計(jì)中尤為突出，已成為編制200m級高混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范的障礙，制約了我國高壩建設(shè)的發(fā)展和在世界高壩建設(shè)中由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前高壩抗震設(shè)計(jì)，乃至整個(gè)高壩建設(shè)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

5 科技進(jìn)展和工程實(shí)踐已為應(yīng)對挑戰(zhàn)創(chuàng)造基本條件

5.1 在地震動(dòng)輸入方面

正確理解壩址地震動(dòng)輸入機(jī)制和合理選擇壩址相關(guān)的地震動(dòng)輸入?yún)?shù)是高壩抗震設(shè)計(jì)的前提，對高壩抗震安全性的評價(jià)有著極端重要的意義。在高壩建設(shè)的實(shí)踐中，幾經(jīng)探討論爭，才逐漸澄清了諸多概念上的混淆，初步取得了以下的基本共識。

5.1.1 壩址地震動(dòng)輸入機(jī)制

在高壩抗震設(shè)計(jì)中，對壩址地震動(dòng)輸入機(jī)制曾存在的較普遍的誤解是，把地震部門給出的設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度直接沿壩基面均勻輸入；也有將其作為拱壩壩頂高程處平坦地基的地震動(dòng)，反演至壩底后，再沿壩基面均勻輸入?；蛘哂邪褖位鶞y點(diǎn)的實(shí)測地震動(dòng)沿壩基面均勻輸入。由于壩體和地基的相互作用，壩基的地震動(dòng)加速度的頻率組成和幅值都不同于平坦地表的地震動(dòng)加速度，更有別于由地殼深部輸入的設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度。這些基于封閉系統(tǒng)振動(dòng)問題的傳統(tǒng)概念，完全不能反映實(shí)際的地震動(dòng)輸入機(jī)制。

對于作為開放系統(tǒng)波動(dòng)問題求解高壩地震響應(yīng)時(shí)，對地震動(dòng)的輸入機(jī)制正確的理解，需要明確作為地震動(dòng)輸入的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的性質(zhì)、方向、數(shù)值及其輸入位置和類型。

（1）性質(zhì)：輸入到200m級高壩工程場區(qū)的地震動(dòng)設(shè)計(jì)峰值加速度，按規(guī)范要求，都要由對高壩工程所在場地作專門的地震安全性評價(jià)后給出。其所給出的地震動(dòng)設(shè)計(jì)加速度值是：在平均剪切波速為500m/s的理想地殼表層均質(zhì)彈性介質(zhì)巖體中傳播的標(biāo)準(zhǔn)平面定型波，傳遞到的半無限空間平坦自由地表后的水平向地震動(dòng)峰值加速度。它既未考慮工程場址實(shí)際的地形和巖體中存在的地質(zhì)構(gòu)造，也不涉及在該場址要建造的壩體結(jié)構(gòu)類型。

（2）方向：由震源在地殼復(fù)雜巖體介質(zhì)中向上傳播的地震波，經(jīng)多次折射、反射，到達(dá)地表時(shí)包含了壓縮波、剪切波和表面波等不同波速的波形。在傳播過程中其綜合的幅值、頻譜組成及傳播和振動(dòng)方向都在不斷改變。但由于地殼介質(zhì)的密度由地表往下隨地層深度而增大，按物理學(xué)中波在不同介質(zhì)中傳播的折射和反射定律，由地殼深部往地表傳播的地震波，特別是主要的剪切波，其入射方向?qū)⒅饾u接近垂直水平地表的豎直向。

（3）數(shù)值：在理想的無阻尼均質(zhì)介質(zhì)中傳播假定下，在巖體平坦自由地表的地震動(dòng)迭加了與入射波等值的反射波。因此，輸入地震動(dòng)峰值加速度可取為其地表值的1/2。需要指出的是，這個(gè)地表絕非是某個(gè)具體場址的地表。因?yàn)樵诘卣鹞ｋU(xiǎn)性分析中，確定輸入地震動(dòng)峰值加速度值的衰減關(guān)系，是取不同巖體地表加速度記錄的平均值，并不了解每個(gè)記錄場址的具體地層情況。由于多數(shù)記錄取自中硬巖體地表，因而只能取壩址為剪切波速約為500m/s的均質(zhì)巖層。為考慮衰減關(guān)系的不確定性，在正態(tài)分布的假定下，進(jìn)行了±3σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)差）的校正，使設(shè)計(jì)峰值加速度的值增大。因此，地震部門給出的設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度值，實(shí)際是從地殼深部的上傳播的假設(shè)的均質(zhì)巖體地表值的1/2。若將此值按壩址給定地層結(jié)構(gòu)計(jì)算的地表值，當(dāng)然不同于地震部門給出的假設(shè)巖體的地表值。目前對此存在諸多概念上的混淆和模糊。

（4）輸入位置和類型；由地殼深部傳向壩址地基的地震動(dòng)，其輸入機(jī)制與高壩地震響應(yīng)分析模型中地基的模擬密切相關(guān)。為計(jì)入壩體和地基的動(dòng)態(tài)相互作用，高壩地基可被劃分為近域和遠(yuǎn)域兩部分。對鄰近壩體（通常為由壩基向上、下游及深部延伸1～2倍壩高）的近域地基，為計(jì)入地基巖體的質(zhì)量及各類場地土及地質(zhì)構(gòu)造的影響。應(yīng)將入射的地震動(dòng)在近域地基的底部基巖輸入，把近域地基連同壩體、庫水作為整個(gè)體系對由其進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。對遠(yuǎn)域地基應(yīng)考慮其吸收地震時(shí)高壩體系逸散的振動(dòng)能量的所謂輻射阻尼影響。為此，較早就有采用無限元、比例邊界有限元等體現(xiàn)遠(yuǎn)域地基的技術(shù)途徑。但由于是在頻域內(nèi)建立遠(yuǎn)域無限地基的動(dòng)剛度，對時(shí)域內(nèi)非線性問題的求解，需要作近似擬合或復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，在實(shí)際高壩工程中較少被實(shí)際應(yīng)用。近年來，在實(shí)際工程應(yīng)用較廣的是：在近域地基邊界設(shè)置體現(xiàn)遠(yuǎn)域地基動(dòng)態(tài)阻抗的黏滯阻尼邊界或滿足單向外行的散射條件的人工透射邊界（見圖1）。兩者都適用于時(shí)域內(nèi)非線性問題的求解。前者需要在近域地基邊界輸入由地震動(dòng)加速度求得的地震動(dòng)位移、速度波以及自由場應(yīng)力。后者僅需輸入由地震動(dòng)加速度求得的地震動(dòng)位移波。相應(yīng)于近域地基的人工邊界的選取，其地震動(dòng)輸入?yún)?shù)的類型也有所不同。

圖1 體現(xiàn)向遠(yuǎn)域地基能量逸散的人工透射邊界Fig.1 Artificial boundaries embodies the energy dissipation of far field foundation

5.1.2 場地相關(guān)地震動(dòng)輸入?yún)?shù)

對甘薯淀粉/魔芋膠復(fù)配凝膠體系進(jìn)行應(yīng)變掃描，以確定其線性粘彈區(qū)，結(jié)果如圖2所示。應(yīng)變能夠反映體系在應(yīng)力作用下的變形程度。隨應(yīng)變增加，體系的儲能模量（G'，圖 2-a）、損耗模量（G"，圖 2-b）在 0.01%～500%的應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的變化趨勢。可以發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變較高時(shí)儲能模量呈下降趨勢，而損耗模量先上升再下降，當(dāng)儲能模量和損耗模量不再隨應(yīng)變發(fā)生改變時(shí)，說明體系在該應(yīng)變時(shí)處于線性粘彈區(qū)間。最終選擇應(yīng)變?yōu)?.0%進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描。

抗震設(shè)計(jì)中的主要地震動(dòng)輸入?yún)?shù)為表征地震動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)峰值加速度外和反映地震動(dòng)頻率特性的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間這一參數(shù)，對高壩的非線性響應(yīng)分析，特別是對材料強(qiáng)度依賴于振動(dòng)次數(shù)的高土石壩，有相當(dāng)影響。但在目前采用的點(diǎn)源發(fā)震機(jī)制中，僅能依托少量的統(tǒng)計(jì)資料，其規(guī)律尚待深化研究。

地震動(dòng)峰值加速度通常是指地表地震動(dòng)加速度時(shí)程中的最大的尖峰值。反應(yīng)譜Sa（T，ξ）是自振周期為T、阻尼比為ξ的單質(zhì)點(diǎn)體系在水平地震作用下反應(yīng)的最大值隨周期T而變化的函數(shù)。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜通常都以其與地震動(dòng)峰值加速度ap的比值歸一化后的體系響應(yīng)對輸入的無量綱的放大倍數(shù)β（T）表征。規(guī)范中對其統(tǒng)計(jì)平均值概化處理后，其對應(yīng)于阻尼比ξ=5%的平臺值通常都取為2.5。

由于地震動(dòng)加速度時(shí)程中尖峰值為高頻脈沖，其對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響很小。因而目前在地震安全性評價(jià)中都采用更為合理的、對應(yīng)于選定的反應(yīng)譜平臺段內(nèi)的平均值除以2.5的有效峰值加速度，作為表征地震作用強(qiáng)度的主要抗震設(shè)計(jì)參數(shù)。

目前，在場地相關(guān)地震動(dòng)輸入?yún)?shù)方面，也已取得了對傳統(tǒng)理念和方法有所突破的研究成果：

（1）設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度隨場地類別的調(diào)整。

我國地震部門明確規(guī)定了對地表的地震動(dòng)峰值加速度值，并可根據(jù)通常以剪切波速劃分的場地類別對其加以調(diào)整。我國規(guī)范規(guī)定了主要以壩基表層場地土的平均剪切波速劃分的5類場地（見表1），我國地震部門對不同類型場地的地震動(dòng)峰值加速度值的調(diào)整系數(shù)見表2。場地地震安全性評價(jià)給出的地震動(dòng)峰值加速度值是對應(yīng)剪切波速為500m/s的Ⅰ1類場地的?！吨袊卣饎?dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》給出的地震動(dòng)峰值加速度值，是在場地地震安全性評價(jià)基礎(chǔ)上，針對Ⅱ類場地的50年超越概率為10%的高混凝土壩的地震動(dòng)峰值加速度值。在我國的大壩抗震設(shè)計(jì)中，近期經(jīng)研究才基本明確了：對壩基巖體的剪切波速的值一般都高于800m/s的高混凝土壩，或建于較軟場地土的地基上的高土石壩，其場地的地震動(dòng)峰值加速度值可相應(yīng)乘以小于或大于1.0的調(diào)整系數(shù)。其實(shí)，在蘇聯(lián)的抗震規(guī)范和美國建筑抗震規(guī)范中都早已規(guī)定了設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度隨場地類別的調(diào)整（R. Dobry et al.，2000，СНиП-Ⅱ -7-81*，2000）。

表1 場地土類型劃分Tab.1 Soil profile types

表2 場地地震動(dòng)峰值加速度值的調(diào)整系數(shù)Tab.2 Site coefficients of ground motion peak acceleration

（2）基于壩區(qū)地震安全性評價(jià)的場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

目前規(guī)范中給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是對依據(jù)已有實(shí)測的強(qiáng)震記錄求得的統(tǒng)計(jì)平均值加以整理而成，因而只是籠統(tǒng)地考慮了工程場址的場地土類型，而與其具體的地震條件并不相關(guān)的。對于進(jìn)行壩區(qū)地震安全性評價(jià)的高壩工程，需采用與場地地震地質(zhì)條件相關(guān)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，為此，曾提出了所謂“一致概率反應(yīng)譜”或稱“等危險(xiǎn)反應(yīng)譜”的概念。這是在地震安全性評價(jià)基礎(chǔ)上，對Sa（T）的每個(gè)周期分量都求出類同ap的概率曲線后，取和ap相同概率的各點(diǎn)組成的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。這在理論上明顯不合理，因?yàn)榉磻?yīng)譜Sa（T）的概率是的作為獨(dú)立的隨機(jī)變量ap和β（T）的概率乘積，如果Sa（T）和ap的概率一致，則β（T）就成確定性的了。在實(shí)際應(yīng)用中，由于“一致概率反應(yīng)譜”實(shí)際是諸多不同震中距R和震級M的地震反應(yīng)譜的包絡(luò)線，既不反映實(shí)際反應(yīng)譜的特性，又使反應(yīng)譜不切實(shí)際地偏大很多。尤其在我國，因尚缺乏足以統(tǒng)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度衰減關(guān)系的強(qiáng)震記錄，只能基于不同地區(qū)的地震烈度Ⅰ與地震動(dòng)峰值加速度ap衰減規(guī)律的差異類同的假定，參照美國的烈度和地震動(dòng)峰值加速度的間衰減關(guān)系差異，由我國的烈度衰減關(guān)系轉(zhuǎn)換得出地震動(dòng)峰值加速度的間衰減關(guān)。但將此假定推廣到反應(yīng)譜的每個(gè)周期分量的衰減關(guān)系，是顯然難以接受。所以，目前我國似應(yīng)尚無適用于反應(yīng)譜的衰減關(guān)系。

為此，在我國高壩工程抗震設(shè)計(jì)中，采用了基于壩區(qū)地震安全性評價(jià)的設(shè)定地震確定場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的技術(shù)途徑。由于在壩區(qū)地震安全性評價(jià)中，已對設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度進(jìn)行了不確定性校正，歸一化的反應(yīng)譜β（T）只取其統(tǒng)計(jì)平均值，不再作不確定性校正。因此，設(shè)定地震的確定，需以在壩址產(chǎn)生不確定性校正前的設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為前提，選取對場址的該設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度的超越概率貢獻(xiàn)最大的潛在震源，作為設(shè)定地震的發(fā)生區(qū)域。在設(shè)定地震的發(fā)生區(qū)域內(nèi)的若干可能的設(shè)定地震中，遵循發(fā)生概率最大的原則，確定設(shè)定地震的震級M和震中距R。由于我國目前尚無適用于反應(yīng)譜的衰減關(guān)系，可選取美國最新的“下一代地震動(dòng)衰減關(guān)系（NGA）”中由Abrahamson和Silva建立的AS08反應(yīng)譜衰減關(guān)系（Abrahamson，N.A.and W.J. Silva，2008）求得與場地地震地質(zhì)條件相關(guān)的阻尼比為5%的與設(shè)定地震相應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜，并將其對峰值加速度值進(jìn)行規(guī)一化后的β（T），作為場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

（3）適應(yīng)高壩體系損傷強(qiáng)非線性分析的頻率非平穩(wěn)反應(yīng)譜。

實(shí)際地震動(dòng)時(shí)程的幅值和頻率組成都具有隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)特性。但在基于傳統(tǒng)的反應(yīng)譜理論的線彈性地震響應(yīng)分析中，反應(yīng)譜并不能反映地震動(dòng)過程中的頻率非平穩(wěn)性。對強(qiáng)非線性的高壩損傷分析，特別是主震損傷后再遇強(qiáng)余震的高壩抗震安全性評價(jià)，需要考慮地震動(dòng)的頻率非平穩(wěn)性對高壩損傷破壞的影響。因此，應(yīng)采用基于地震動(dòng)頻率組成隨時(shí)間變化的漸進(jìn)譜理論替代反應(yīng)譜理論，以生成幅值和頻率都非平穩(wěn)的人工地震加速度時(shí)程。

為了生成幅值和頻率都非平穩(wěn)的人工地震加速度時(shí)程，首先，把地震動(dòng)作為非平穩(wěn)的復(fù)隨機(jī)地震過程∫ A（t，ω）eiωtdZ（ω），引入復(fù)時(shí)變的調(diào)制函數(shù) A（t， ω），采用漸進(jìn)功率譜dG（t，ω）=A（t，ω）2dZ（ω）概念（Priestley M. B.，1965，1967）和通過窄帶和低通濾波技術(shù)生成復(fù)調(diào)制函數(shù)（Nakayama T. et.al，1994），求解如圖2所示的漸進(jìn)功率譜。此外，還要按給定震級M和震中距R，給出需擬合的目標(biāo)漸進(jìn)功率譜（見圖3）。為此，可參照地震動(dòng)加速度時(shí)程強(qiáng)度包絡(luò)線形式，給出由功率譜各頻率分量的起始時(shí)刻ts（f），其峰值時(shí)刻和起始時(shí)刻的時(shí)差tP（f），及功率譜峰值的方根am（f）等三個(gè)參數(shù)的多項(xiàng)式組成的目標(biāo)漸進(jìn)功率譜的統(tǒng)計(jì)回歸經(jīng)驗(yàn) 模 型（Kameda H， Sugito M， Asamara T，1980）。模型中的各項(xiàng)系數(shù)，可依據(jù)較接近我國國情的、美國西部M≥6.4、R≤45km的共80條實(shí)測基巖地震動(dòng)加速度記錄，經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸給出（Zhang Cuiran， Chen Houqun， Li Min，2007）。

圖2 漸進(jìn)功率譜Fig.2 Evolutionary spectrum

圖3 目標(biāo)漸進(jìn)功率譜的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Target evolutionary spectrum based on experience

（4）反映近場大震特征的最大可信地震的面源發(fā)震機(jī)制。

在場地地震地質(zhì)條件下可能發(fā)生的極端地震常為近場大震。例如大崗山拱壩工程距震級上限為8.0的鮮水河發(fā)震斷層僅4.5km。對近場大震必須按照面源發(fā)震機(jī)制，考慮其在發(fā)震過程中斷層的破裂模式、時(shí)序、震源深度及其與場址空間相對位置、非線性的傳播過程的影響，以及上盤效應(yīng)和破裂的方向性效應(yīng)等的面源特征。

目前，對高壩近場強(qiáng)地震動(dòng)的預(yù)測的主要有：

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析的概率方法的結(jié)果，將地震動(dòng)參數(shù)超越概率曲線外推至萬年一遇的小概率。但這種外推具有很大的不確定性，且難反映大震的面源特性。也有建議按地震學(xué)中震源錯(cuò)動(dòng)引發(fā)的地震波在地殼介質(zhì)中傳播的理論，求解壩址強(qiáng)震地震動(dòng)的。但因其在對震源的地震矩張量解、震源時(shí)間函數(shù)、從震源到壩址的三維介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)等對結(jié)果很敏感的參數(shù)確定方面存在相當(dāng)?shù)牟淮_定性和難度，迄今尚少見其存求解工程地震動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用。

還有建議從發(fā)生在場址附近的小震記錄推求壩址強(qiáng)震地震的，這就要求有足夠數(shù)量和信噪比高的小震實(shí)測記錄，且與預(yù)測的壩址處于同一發(fā)震斷層、具有相同震源機(jī)制，這些要求實(shí)際也是難以滿足的。

當(dāng)前較為現(xiàn)實(shí)可行的解決途徑是：依據(jù)地震學(xué)物理模型和基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)確定有關(guān)參數(shù)的半理論、半經(jīng)驗(yàn)的“隨機(jī)有限斷層法”，直接生成壩址地震動(dòng)參數(shù)。其基本思路為將潛在震源的主干斷層劃分為一系列可作為點(diǎn)源的子斷裂，其破裂具有一定的模態(tài)和時(shí)間序列。順序疊加各點(diǎn)源對壩址作用，給出近場強(qiáng)震的壩址地震動(dòng)（圖4）。其中各點(diǎn)源對壩址的隨機(jī)地震動(dòng)，由以隨機(jī)相位擬合震源頻譜模型、傳播途徑效應(yīng)和場地效應(yīng)給出的頻譜所生成（中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部，中國水利水電科學(xué)研究院，2014）。

圖4 隨機(jī)有限斷層法示意圖Fig.4 Sketch map of finite stochastic fault method

5.2 在壩體的材料動(dòng)態(tài)抗力試驗(yàn)方面

已有研究表明：作為準(zhǔn)脆性、非均質(zhì)復(fù)合材料的混凝土，具有其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較靜態(tài)強(qiáng)度提高的應(yīng)變率效應(yīng)特性；且當(dāng)非均質(zhì)性高、強(qiáng)度弱時(shí)更較明顯。大壩混凝土與建筑行業(yè)的鋼筋混凝土相比，具有大骨料和多級配等更高的非均勻性，且其作為影響大壩抗震安全的關(guān)鍵因素的抗拉強(qiáng)度很低，應(yīng)變率效應(yīng)當(dāng)更為明顯。近年來，我國對高壩抗震設(shè)計(jì)中對大壩混凝土材料動(dòng)態(tài)特性最為關(guān)切的幾個(gè)關(guān)鍵問題，已進(jìn)行了較深入的研究，取得了顯著進(jìn)展（陳厚群，吳勝興，黨發(fā)寧，2012）。

5.2.1 開展全級配試件的動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

高混凝土壩的抗拉強(qiáng)度主要受剪切和彎曲受拉的應(yīng)力狀態(tài)控制，需要采用基于抗折試驗(yàn)得出的彎拉強(qiáng)度作為壩體抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。為此，對實(shí)際工程的大壩混凝土，開展了以切近實(shí)際地震作用的往復(fù)循環(huán)加載的、全級配大試件的抗折試驗(yàn)（見圖5）。結(jié)果表明：大壩混凝土的地震抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)約為20%。由于低周疲勞影響，往復(fù)加載的三角形循環(huán)波動(dòng)態(tài)加載下的動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度要比沖擊型動(dòng)態(tài)加載下的相應(yīng)值小約10%～15%。

圖5 大壩混凝土全級配試件抗折試驗(yàn)及變幅三角形波循環(huán)動(dòng)態(tài)加載過程Fig.5 Rupture test of full graduated specimen of dam concrete and process of dynamic cyclic loading with amplitude changed triangle wave

5.2.2 測定單軸拉伸應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程的損傷本構(gòu)關(guān)系

大壩混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程的損傷本構(gòu)關(guān)系是高壩在強(qiáng)震作用下?lián)p傷破壞過程分析的主要依據(jù)。為驗(yàn)證2008年汶川大地震中沙牌拱壩的震情，在壩體鉆取芯樣后加工制作成直徑為200mm的圓柱體試件，分別由中國水利水電科學(xué)研究院在MTS的15000kN試驗(yàn)機(jī)和河海大學(xué)在MTS的1000kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行其單軸拉伸的損傷本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究（見圖6）。

圖6 大壩混凝土全級配試件動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)單軸拉伸的損傷本構(gòu)關(guān)系Fig.6 Dynamic test machine for full graduated specimen of dam concrete and damage constitute law of uniaxial tension

5.2.3 探討靜態(tài)預(yù)加荷載對動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的影響

高壩通常在承受正常靜載的運(yùn)行中遭遇地震，因而十分關(guān)注靜態(tài)預(yù)加荷載對動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的影響。為此，在已有不同的靜態(tài)預(yù)加載的情況下，進(jìn)行了大壩混凝土全級配試件的動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究。圖7為結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行的、在靜態(tài)預(yù)加載作用下，大壩混凝土動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)初始靜載與極限荷載比在一定限度內(nèi)時(shí)，初始靜載對動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度還會有所提高。

圖7 初始靜載下動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of dynamic rupture tensile strength with static preloading

為解釋試驗(yàn)結(jié)果，對試件進(jìn)行了計(jì)入損傷和應(yīng)變率效應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)分析。試驗(yàn)和分析結(jié)果得到了相互驗(yàn)證（見圖8）。由此，對結(jié)果的機(jī)理可初步解釋為：在初始靜載下形成的混凝土微裂隙拓展的損傷導(dǎo)致強(qiáng)度降低、變形增加，但使動(dòng)載應(yīng)變率效應(yīng)有所增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨之增大。當(dāng)初始靜載與極限荷載比值超過一定限度時(shí)，損傷迅速擴(kuò)展，其影響超過地震作用的應(yīng)變率效應(yīng)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度很快下降。為偏于安全計(jì)，目前在設(shè)計(jì)中并不計(jì)入初始靜載對動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度的影響。

5.3 在高混凝土壩體系的地震響應(yīng)分析方面

近年來，工程建設(shè)實(shí)踐需求、地震工程學(xué)科和計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，為高混凝土壩體系的地震響應(yīng)分析的深化研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖8 對受彎拉試件考慮損傷和率效應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)分析Fig. 8 Meso-mechanic analysis of rupture tensile specimen with consideration of damage and rate effect

5.3.1 建立切近實(shí)際的地震響應(yīng)分析模型

在高混凝土壩，特別是高拱壩的抗震設(shè)計(jì)中，建立了更切合實(shí)際的地震響應(yīng)分析模型，使之能同時(shí)考慮了下列諸多相互影響的重要因素（見圖9）：

圖9 未含人工邊界的高拱壩地震響應(yīng)分析模型Fig. 9 Analytical model of high arch dam seismic response without artificial boundaries

（1）拱壩、地基和庫水間的動(dòng)力相互作用。

其中涉及的庫水和壩體之間相互作用的“流固耦合”問題，由于我國多泥沙的河流在庫底的淤沙，不大可能發(fā)生可壓縮庫水在固定邊界的共振現(xiàn)象，因而庫水可作為不可壓縮性流體，而壩面的動(dòng)水壓力就可以作為附加質(zhì)量考慮，從而大為簡化了庫水和壩體之間相互作用的“流固耦合”的模擬。況且已有研究表明，計(jì)入庫水可壓縮性后必須引入的庫底邊界的反射系數(shù)， 實(shí)際是十分復(fù)雜和難以確定的（Yusof Ghanaat， Houqun Chen et al.，1999）。

（2）壩體內(nèi)橫縫間往復(fù)開合的法向和切向動(dòng)接觸力。

基于相應(yīng)于泛函極值問題中的拉格朗日（Lagrange）乘子的動(dòng)接觸理論，可更精確模擬縫接觸面間的開合和滑移的接觸邊界條件（劉晶波，1995）。

（3）鄰近壩體近域地基的地形、巖性和各類地質(zhì)構(gòu)造影響。

（4）兩岸壩肩的關(guān)鍵潛在滑動(dòng)巖塊的各滑動(dòng)面的開裂和滑移。

（5）地基巖體質(zhì)量的慣性效應(yīng)。

（6）采用從近域地基邊界直接輸入入射地震位移波的人工透射邊界（廖振鵬，2002）或輸入其自由場應(yīng)力和位移、速度的黏滯阻尼邊界。以體現(xiàn)地震能量向遠(yuǎn)域地基逸散的輻射阻尼效應(yīng)。

（7）沿壩基地震動(dòng)空間分布的不均勻性。

針對該分析模型，研發(fā)了在時(shí)域內(nèi)對非線性波動(dòng)問題的顯式求解方法和軟件（陳厚群，李德玉，郭勝山，張翠然，王海波，周繼凱，俞言祥，2015）。

5.3.2 研發(fā)基于損傷力學(xué)的高混凝土壩的地震破壞過程分析方法

大壩混凝土和壩基巖體都屬非均質(zhì)準(zhǔn)脆性材料，其損傷機(jī)理為隨機(jī)分布的初始微裂縫的萌生和擴(kuò)展，逐漸發(fā)展成宏觀裂紋而最終導(dǎo)致失效破壞，其損傷機(jī)理既有別于基于晶體滑移或錯(cuò)位的金屬材料的塑性力學(xué)，也因其在縫端存在的破碎區(qū)而難以確定斷裂力學(xué)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子。因而宜采用由各向同性損傷變量（0≤D≤1）表征的連續(xù)介質(zhì)中彌散裂縫演化的損傷力學(xué)基本理論和力學(xué)模型。損傷演化過程僅以材料的彈性模量和強(qiáng)度隨損傷變量D值增大而退化來表征。

目前僅能通過混凝土的軸向拉、壓試驗(yàn)，了解其損傷演化規(guī)律為:

（1）受拉和受壓損傷規(guī)律有顯著差異。

（2）在卸載和再加載至歷史最大應(yīng)變前的損傷過程中，損傷不發(fā)展， 可假定起始卸載時(shí)的損傷彈性模量E保持不變，但在完全卸載后存在殘余應(yīng)變。

（3）在受拉損傷后轉(zhuǎn)為受壓損傷時(shí)不影響抗壓的強(qiáng)度和彈性模量，具有所謂的“單邊效應(yīng)”。

（4）由損傷應(yīng)力σ與非線性位移w曲線包含的面積給出的斷裂能是材料固有特性。

由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，混凝土壩壩體的損傷主要表現(xiàn)為受拉開裂。

圖10為混凝土單軸受拉循環(huán)加載下的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程實(shí)測和簡化曲線。

地基巖體的損傷破壞是壩體—地基—庫水體系的損傷破壞分析中不可忽視的重要因素。壩基巖體作為多裂隙隨機(jī)分布的非均勻介質(zhì)，其損傷應(yīng)與混凝土類似。但由于無法對巖體進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，目前只能借鑒混凝土的損傷演化規(guī)律，但需取巖體的變形模量E0，及按Mohr-Coulomb準(zhǔn)則由摩擦角φ、黏著力c推求其峰值強(qiáng)度。在對壩體—地基—庫水體系的損傷破壞分析中，還必須計(jì)入巖體的滲透應(yīng)力場和地應(yīng)力場。

圖10 混凝土單軸受拉循環(huán)加載下的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程實(shí)測和簡化曲線Fig. 10 Test and simplified models for full process of concrete under uniaxial tension

為把單軸試驗(yàn)的材料一維損傷本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于高壩為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的三維空間結(jié)構(gòu)體系，目前只能在每一時(shí)步中，求得高壩體系的主應(yīng)變及其表征主拉、壓應(yīng)變權(quán)重的系數(shù)后，轉(zhuǎn)向相應(yīng)于主應(yīng)變的材料拉、壓損傷演化規(guī)律；求得損傷過程中退化后的強(qiáng)度和等效割線彈性模量后，重新返回到高壩的地震響應(yīng)分析中（見圖11）。為避免現(xiàn)行方法必須在等效應(yīng)力體系中引入以塑性應(yīng)變表述殘余應(yīng)變的損傷—塑性耦合（J．Lee，1996），研發(fā)了可直接根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，求解在地震往復(fù)作用下，考慮殘余應(yīng)變的高壩體系損傷破壞過程。從而使研發(fā)的分析方法不僅在概念上更清晰合理，而且在方法上更是大為簡捷實(shí)用（陳厚群，李德玉，郭勝山，張翠然，王海波，周繼凱，俞言祥，2015）。

5.3.3 確立高拱壩整體抗震穩(wěn)定的定量判別準(zhǔn)則

圖11 高壩體系損傷過程求解步驟示意Fig. 11 Sketch map of solving damage process for concrete system

拱壩的安全，尤其是其抗震安全，關(guān)鍵在于確保其整體穩(wěn)定性。如前所述，傳統(tǒng)的‘剛體極限平衡法’完全不能反映混凝土壩在地震作用下的實(shí)際狀態(tài)。壩體的局部受拉或剪的破壞、個(gè)別橫縫張開過大導(dǎo)致的止水失效、壩肩巖體的瞬間達(dá)到極限狀態(tài)等，都不足以表征其整體失穩(wěn)。應(yīng)當(dāng)以體系的位移響應(yīng)反映其整體穩(wěn)定性。由于各個(gè)工程的結(jié)構(gòu)、地形、地質(zhì)等條件不同，不可能給出一個(gè)評判整體失穩(wěn)的定量位移準(zhǔn)則。因此，建議了以高壩體系在強(qiáng)震作用下產(chǎn)生的、包括壩體和地基局部開裂和滑移在內(nèi)的位移響應(yīng)突變的拐點(diǎn)，作為體系由量變到質(zhì)變的整體失穩(wěn)的極限狀態(tài)。圖12為溪洛渡拱壩在超載地震作用下的體系位移響應(yīng)突變（中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部，中國水利水電科學(xué)研究院，2014）。

高混凝土壩體系的地震響應(yīng)分析中的一些方法和成果，在大型三向六自由度的地震模擬振動(dòng)臺的動(dòng)力模型試驗(yàn)和中美長期科研協(xié)作的現(xiàn)場測振試驗(yàn)中得到了相互驗(yàn)證。

5.3.4 應(yīng)用高性能并行計(jì)算技術(shù)

為按上述途徑進(jìn)行整個(gè)拱壩—地基—庫水體系非線性地震響應(yīng)分析，數(shù)值計(jì)算的機(jī)時(shí)和存儲量都十分龐大，常規(guī)串行計(jì)算技術(shù)已難應(yīng)對，高性能并行計(jì)算技術(shù)和“云計(jì)算”的應(yīng)用勢在必行。目前，已研發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于高性能并行計(jì)算的成套系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用曾位列世界第一的“天河一號”（TH-1A）超級計(jì)算機(jī)的大系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，通過其高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟件編譯與調(diào)試，環(huán)境變量配置，作業(yè)提交，文件編輯，結(jié)果查看等遠(yuǎn)程操作（見圖13）。對一個(gè)模型節(jié)點(diǎn)、單元、自由度總數(shù)分別達(dá)425568、404090、1276704高拱壩工程進(jìn)行抗震計(jì)算的實(shí)例表明：在單個(gè)PC機(jī)上，采用常規(guī)的串行方式的運(yùn)行時(shí)間為949.4h；而在超級計(jì)算機(jī)上，采用并行方式分析的相應(yīng)運(yùn)行時(shí)間僅需18.9h，成效多十分顯著。

圖12 溪洛渡拱壩在超載地震作用下的體系位移響應(yīng)突變Fig. 12 Sudden change of displacement responses of Xiluodu arch dam under seismic overloading

圖13 超級計(jì)算機(jī)的大系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境示意Fig. 13 Sketch map of large system operation of supercomputer

目前已研發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于高性能并行計(jì)算的成套系統(tǒng)軟件。研究成果已成為強(qiáng)震區(qū)諸多高壩工程抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)（Chen Houqun， Li Deyu，Guo Shengshan，2014）。

綜上所述可以認(rèn)為：目前我國在高壩抗震設(shè)計(jì)研究中，已完全可以：①建立把含有分縫和孔口的壩體、計(jì)入質(zhì)量和各類地質(zhì)構(gòu)造的地基寓于一體的精細(xì)的數(shù)值分析模型；②將整個(gè)壩體—地基—庫水體系作為考慮地震波能量逸散的開放式波動(dòng)問題求解其更切近實(shí)際的地震響應(yīng)，綜合校核靜載與動(dòng)載作用下的強(qiáng)度與穩(wěn)定。已足以突破常規(guī)，應(yīng)對當(dāng)前因靜、動(dòng)載分析方法不同而難以迭加、壩體強(qiáng)度和基巖穩(wěn)定因分隔校核而忽略其動(dòng)態(tài)變形耦合影響等的制約性挑戰(zhàn)，使高壩工程抗震安全的評價(jià)更為科學(xué)，反映了當(dāng)前的學(xué)科前沿研究水平。

6 當(dāng)前需要深化研究的高混凝土壩抗震安全課題

鑒于對影響高壩抗震安全問題的復(fù)雜性和緊迫性，當(dāng)前應(yīng)首先在已有研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)廣泛論證，取得基本一致的共識，并在此基礎(chǔ)上，對尚待解決的深層次難題作進(jìn)一步的深化研究。為此建議當(dāng)前需要對高壩抗震安全深化研究的課題如下：

6.1 在地震動(dòng)輸入方面

（1）主震后強(qiáng)余震對壩址的地震危險(xiǎn)性的評估。

（2）近場大震的面源發(fā)震斷層面中的應(yīng)力降和障礙體分布。

（3）流域梯級中水庫群高壩的地震危險(xiǎn)性的評價(jià)和設(shè)防要求。

6.2 在強(qiáng)地震作用下對高壩的地震災(zāi)變定量判斷準(zhǔn)則方面

（1）庫區(qū)近壩址巖體大規(guī)?；?、崩塌等兩岸山體的抗震穩(wěn)定性及其在強(qiáng)震時(shí)對高壩抗震安全性影響的評判。

（2）地基巖體的損傷機(jī)理和演變規(guī)律。

（3）強(qiáng)震區(qū)高壩在經(jīng)受主震后遭遇強(qiáng)余震的抗震能力評估。

6.3 在高壩大庫強(qiáng)震災(zāi)變的應(yīng)急控制對策方面

（1）地震災(zāi)變導(dǎo)致嚴(yán)重次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急控制對策。

（2）流域梯級水庫群的抗震安全、特別是作為梯級中龍頭水庫的高壩大壩地震災(zāi)變的連鎖反應(yīng)后果的風(fēng)險(xiǎn)評估和控制。

（3）各類高壩大庫工程的高效工程抗震新措施。

7 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法已難以切合高混凝土壩的實(shí)際。在其抗震設(shè)計(jì)中對突破傳統(tǒng)的要求尤為迫切。當(dāng)前高混凝土壩抗震設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)可概括為：

（1）凸顯一個(gè)重點(diǎn)的要求，即防止高壩在遭遇極端地震時(shí)因其地震災(zāi)變而導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

（2）破解兩個(gè)關(guān)鍵的難題，即確定反映近場大震特征的地震輸入和制定體現(xiàn)壩體的整體地震失穩(wěn)的定量準(zhǔn)則。

（3）綜合三類學(xué)科的交叉，即基于場地相關(guān)地震輸入、體系地震響應(yīng)分析和材料動(dòng)態(tài)抗力試驗(yàn)間相互配套的理念。

（4）突破四個(gè)層面的傳統(tǒng)，即：在求解概念上，由封閉系統(tǒng)的振動(dòng)問題轉(zhuǎn)向開放系統(tǒng)的波動(dòng)問題；在校核思路上，把分別對靜、動(dòng)載作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定的分開校核轉(zhuǎn)向寓靜、動(dòng)載作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定的于一體的整體校核；在分析方法上，從基于平截面假定的線彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)法轉(zhuǎn)向計(jì)入接觸和材料非線性的有限單元法；在計(jì)算技術(shù)上，由常規(guī)的串行計(jì)算轉(zhuǎn)向高性能并行計(jì)算。

總之，為應(yīng)對抗震設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，需要基于“突出重點(diǎn)、抓住關(guān)鍵、明確理念、突破傳統(tǒng)” 的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。這就既要基于對傳統(tǒng)的正確繼承而非推倒重來，又應(yīng)敢于對傳統(tǒng)的有所突破而非故步自封。當(dāng)前，我國在高壩建設(shè)中的科技進(jìn)展和工程實(shí)踐，已為對現(xiàn)行高壩設(shè)計(jì)常規(guī)的突破創(chuàng)造了基本條件，目前迫切需要的是進(jìn)一步對深層次問題的深化研究并盡早形成共識，以制定200m級高壩設(shè)計(jì)規(guī)范，爭取成為引領(lǐng)世界高壩建設(shè)躍上新臺階的規(guī)則制定者。使我國在世界高壩建設(shè)中向“由大轉(zhuǎn)強(qiáng)”邁進(jìn)，為世界高壩建設(shè)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[2] 中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，北京：中國電力出版社，2015.

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Challenge Confronted in Seismic Design of High Concrete Dams

CHEN Houqun
（China Institute of Water Resources and hydropower research，Beijing 100048，China）

The construction of high dams plays an important and irreplaceable role in utilization of water and hydropower resources in China. However， it has to face the challenge of seismic safety problem difficult to avoided as its consequences of secondary catastrophe resulted in severe earthquake once happened is unthinkable. China is now becoming a world giant in construction of high dams，but is yet to be power in updating the conventional design idea and methodology. Some having been impracticable traditions for dams higher 200m are discussed in this paper. Also the progresses of the creative innovated seismic design idea and methodology for high concrete dams in three closely connected each other aspects of seismic inputs， structural responses and material resistances are described. A comprehensive approach of analyzing the seismic damage-rupture process of high concrete dams to merge with strength and stability checking into an organic whole based on the model more fitted in with practical conditions is introduced.

seismic design; high concrete dam; damage-rupture process; seismic input; structural responses; material resistances

TV642.1

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.001

2016-11-13

2017-03-12

陳厚群（1932—），水工結(jié)構(gòu)專家，江蘇省無錫人，中國工程院院士。歷任水利水電科學(xué)研究院工程師，抗震防護(hù)研究所副所長、所長、高級工程師，中國科學(xué)院結(jié)構(gòu)振動(dòng)開放實(shí)驗(yàn)室主任等職。主要研究方向：大壩地震安全性評價(jià)及壩址場地相關(guān)地震動(dòng)參數(shù)選擇，高拱壩地震響應(yīng)的非線性動(dòng)態(tài)分析方法及高性能并行計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)、三維細(xì)觀力學(xué)分析和其內(nèi)部損傷破壞機(jī)理的CT技術(shù)應(yīng)用等研究。