陳厚群

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 引言

1959年廣東省河源縣新豐江水庫蓄水后，頻繁發(fā)生地震。這是一個庫容115億m3、壩高105 m的大型混凝土大頭支墩壩工程。由于壩址的基本地震烈度僅為Ⅵ度，壩體設(shè)計并未考慮抗震設(shè)防。萬一壩體失事，對下游影響很大。水電部門領(lǐng)導(dǎo)決定，按照可能發(fā)生Ⅷ度地震的要求，立即在大壩下游面開敞的支墩間修建支撐墻以抗震加固。當(dāng)加固工程接近完工時，1962年3月庫區(qū)發(fā)生6.1級的強震，震中烈度為Ⅷ度。由于對大壩及時加固，大壩整體穩(wěn)定，僅在一些壩段高程108 m附近發(fā)生上下游貫穿的裂縫。為此，震后又做了在支墩腹腔內(nèi)回填一定高度混凝土的二期加固，以進一步增加壩體的整體穩(wěn)定性，并對上部裂縫進行化學(xué)灌漿及上游貼防滲面板等處理。大壩正常運行至今，成為迄今世界上少有的、因及時采取工程措施而成功減輕水庫地震災(zāi)害的范例。

當(dāng)時，我國對大壩抗震的研究還很少。時任副院長黃文熙先生從我國是多地震國家，今后我國大壩建設(shè)會隨經(jīng)濟發(fā)展而加速的國情，敏銳覺察到大壩抗震安全研究的重要性。在和結(jié)構(gòu)材料所領(lǐng)導(dǎo)研究后，決定要在所內(nèi)建立抗震組，指定要本人負(fù)責(zé)籌建，并立即結(jié)合新豐江大壩的抗震加固開展研究。從此吹響了我院混凝土壩抗震研究的進軍號角。

為確保新豐江大壩的抗震安全，在前后長達4年的時間里，集中全國各有關(guān)部門力量，進行了前所未有的廣泛而深入的研究，從此開創(chuàng)了我國大壩抗震安全系統(tǒng)研究的先河。結(jié)構(gòu)所的抗震組，也正是依托積極參與其中的很多工作而開始逐步成長的。

60年來，我國在地震區(qū)混凝土高壩的建設(shè)發(fā)展迅速，正是在這樣的背景下，在部、院領(lǐng)導(dǎo)的培育和支持下，在與國內(nèi)外的協(xié)作中，我院的混凝土壩抗震研究，從結(jié)構(gòu)所的抗震組、抗震防護所的結(jié)構(gòu)抗震室，發(fā)展到現(xiàn)今的工程抗震研究中心，取得了一批滿足國家水利水電工程抗震設(shè)計急需、追蹤學(xué)科發(fā)展前沿的科研成果，逐步形成了在國內(nèi)外大壩工程抗震領(lǐng)域中有一定影響的科研基地和團隊。

在整個發(fā)展過程中，始終激勵我們團隊的，是對保障高壩抗震安全的國家急需和社會責(zé)任的理解：匱乏且時空分布不均勻的水資源的調(diào)蓄利用、以煤為主的能源結(jié)構(gòu)的急需改善、居世界首位儲量的水能資源的開發(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)安全等方面無可替代的重要作用；我國是全球蒙受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的多地震國家，高壩大庫建設(shè)都位于西部強震區(qū)，必須面對難以避讓的抗震安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；萬一潰壩失事關(guān)系到人民群眾生命財產(chǎn)安全、經(jīng)濟發(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)重后果。

基于在成長過程中的不斷探索和總結(jié)，逐步厘清和形成了我們在科研工作中始終堅持的基本理念：一是突出工程觀點，始終把“為工程服務(wù)”作為研究工作的出發(fā)點和落腳點；二是強調(diào)任何工程結(jié)構(gòu)的地震安全性評價，都應(yīng)包括對地震動輸入、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力這三個不可或缺且相互配套要素的全面綜合評價；三是重視實踐檢驗，要始終堅持“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的原則，科研成果力求通過室內(nèi)外的試驗和現(xiàn)場實測進行驗證，并接受震害實例和強震監(jiān)測的檢驗；四是提高自主創(chuàng)新能力，在借鑒、吸收和消化相關(guān)交叉學(xué)科的科研成果的基礎(chǔ)上，進行集成和再創(chuàng)新，自主研發(fā)所有主要的分析軟件，并敢于突破陳規(guī)，開拓新思路。

為慶賀我院建院60周年，應(yīng)邀約，不揣冒昧，就60年來我院對混凝土壩的抗震研究，試作一個全面的概要回顧和展望。

2 征途中3個階段跨越4個臺階的回顧

回首我院混凝土壩抗震研究的科研征途，大致可以劃分為3個階段，每個階段大致各占20年左右。其間，沿著“結(jié)合國情、跟蹤前沿”的方向，先后跨越了若干臺階，標(biāo)志了我們的科研工作，從“啟蒙”、“跟跑”、“并跑”到“向往引領(lǐng)”的歷程［1-3］。

2.1 邊干邊學(xué)摸索探路的啟蒙階段第一階段是從1959年在結(jié)構(gòu)材料所開始組建抗震組，到1977年“文革”剛結(jié)束的年代。這段時期，對水工抗震這門邊緣學(xué)科，由于對其了解極少，是處在邊干邊學(xué)摸索探路的啟蒙階段。

開始結(jié)合新豐江大壩的加固，限于在剛性地基的假定下，作為二維體系，采用電磁激振器激勵空庫的單個壩段，求得其主要低階振型特性后，用振型分解反應(yīng)譜法求解其地震響應(yīng)。以后結(jié)合建于狹窄河谷中147 m高的劉家峽混凝土重力壩工程，為考慮其各壩段間的相互作用，首次探索了三維結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測試技術(shù)。為在模型中模擬庫水與壩體間的流固耦合作用對壩體動力特性的重要影響，需要測定滿庫時的壩體振型特性。由于試驗中只能采用天然水體模擬庫水。為此，為滿足相似律要求，我們和北京橡膠六廠協(xié)作，研發(fā)了容重與混凝土相同，而彈性模量遠較混凝土低、且能防水的加重橡膠，作為水彈性試驗材料，已在國內(nèi)不少研究單位和高校的試驗中廣泛應(yīng)用至今。這類材料對應(yīng)變量測的局部剛化及對溫度敏感等影響研發(fā)了補償措施。這些都使我們的抗震模型試驗取得了一個新的突破。

在壩體地震響應(yīng)的分析方面，仍局限于基于結(jié)構(gòu)力學(xué)平截面假定的二維壩段空庫振型求解。但在黃文熙先生的指引下，已開始了對剛興起的電子計算機的應(yīng)用和編程進行了探索。此外，為了從用振型分解反應(yīng)譜法進展到直接輸入地震動時程求解結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，在各級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，在國內(nèi)首次建置了引進的可以模擬地震時程輸入的電磁振動臺。參與了由中國科學(xué)院工程力學(xué)研究所主持的，在新豐江大壩加固前后，基于地脈動的實測壩體基本振型的現(xiàn)場試驗；并開始了在壩體設(shè)置強震臺站進行監(jiān)測的探索。1966年邢臺地震后，對震區(qū)水利工程進行了現(xiàn)場震情調(diào)研。

在“文革”前的啟蒙階段初期，在邊干邊學(xué)中開始了對混凝土大壩抗震研究的全方位探索。當(dāng)時全國正處于“以階級斗爭為綱”、極左思潮日益高漲期，從“三面紅旗”、“反右傾”到“四清”，各類政治運動陸續(xù)不斷，實際能用于科研的時間并不多。到“文革”時期，更達到了極點，單位被解散、人員全下放，設(shè)備遭拆走，科研業(yè)務(wù)完全中止。

邢臺地震后不久，在“保衛(wèi)毛主席、黨中央和京津地區(qū)抗震安全”的要求下，我作為我院遭解散后待下放的留守人員，在長達十年的“文革”期間，有幸還能斷續(xù)地進行了一些抗震科研工作。包括：

運動初期參與了京津地區(qū)一些大壩工程的抗震復(fù)核和山東地震中一些土壩的震害調(diào)研。到運動進入“斗、批、改”時期，又基于新豐江水庫地震和大壩抗震加固研究的成果，負(fù)責(zé)組織有關(guān)單位，共同完成了首次提交國際大壩會議論文的任務(wù)，得到了國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。在當(dāng)時的國家基本建設(shè)委員會抗震辦公室統(tǒng)一組織領(lǐng)導(dǎo)下，負(fù)責(zé)組織有關(guān)單位，共同編制了我國首部《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范（SDJ 10-78）》。1975年在參加水電部對海城地震災(zāi)區(qū)工程的慰問團之際，對海城地震中水利工程的震情作了粗略調(diào)查。1976年參加了內(nèi)蒙和林格爾的水利工程的震情調(diào)研，特別是參加了在希臘雅典舉行的，通過投票接納中國為國際大壩委員會會員的國際大壩委員會大會，及會后對南斯拉夫的姆拉丁其高拱壩工地的考察。1975年參加了由國家地震局組團的在加拿大舉行的國際誘發(fā)地震會議和會后考察訪問。

在“文革”中科技界一片蕭條落寞的情況下，水科院已遭解散期間，水工結(jié)構(gòu)抗震的這些斷續(xù)的科研活動，標(biāo)志了在這個啟蒙階段，“文革”前剛起步不久的我院混凝土壩抗震科研工作，在長達十年的“文革”中并未完全中斷。

2.2 乘改革開放東風(fēng)的“跟跑”階段第二階段是1978年到1997年的歷程。在“文革”中被解散的水利水電科學(xué)研究院在1978年又恢復(fù)重建，并新成立了抗震防護研究所。沐浴在改革開放東風(fēng)中的科研氛圍已生機盎然，科研條件陸續(xù)改善。隨著我國高壩建設(shè)的進展，我院的水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究，緊密結(jié)合實際工程抗震設(shè)計的需求，在應(yīng)用基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法和計算程序的掌握、結(jié)構(gòu)動態(tài)模型試驗和大壩現(xiàn)場測振的開展，壩體強震動監(jiān)測、水庫地震研究等開展全方位的科研活動。完成了創(chuàng)建水工結(jié)構(gòu)抗震研究的基本隊伍和基地的任務(wù)，取得了一系列具有里程碑意義的進展。

1982年我院開展了由張光斗先生和國際知名權(quán)威美國加州大學(xué)伯克利分?？藙诜颍≧.Clough）教授領(lǐng)銜、由我所具體負(fù)責(zé)的為期近20年、在兩國5個拱壩現(xiàn)場測震的中美政府間科研合作協(xié)議項目［4］。部分現(xiàn)場試驗成果獲得了國家科技進步二等獎。1985年經(jīng)部批準(zhǔn)，建置了以引進大型三向六自由度地震模擬振動臺為核心的結(jié)構(gòu)抗震試驗基地，該振動臺在美國國家科委的報告中，被評為：“世界上最好的混凝土壩抗震模型試驗設(shè)備”［5］。建成后已為諸多水利水電工程、以及包括核電站核島設(shè)備、大型儲油罐、高層建筑、高壓電器等進行了抗震試驗研究。這些科研成果，使我院水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震的室內(nèi)外試驗技術(shù)跨上了一個新的臺階。

在此階段，我們完成了《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（DL 5973-1997）和（SL 203-97）編制工作。實現(xiàn)了混凝土壩抗震計算分析從基于“擬靜力法”轉(zhuǎn)向動力法的跨越。同時又爭取到了由我院主持的“九五”國家重點科技攻關(guān)“300 m級高拱壩抗震關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，自主研發(fā)了更完善的混凝土壩地震響應(yīng)動力分析程序。該程序基于線彈性有限元法、同時計入諸多工程實際條件、把壩體-地基-庫水體系在時域內(nèi)作為開放的波動問題求解，并在混凝土高壩工程抗震設(shè)計中被普遍推廣應(yīng)用，成果再次獲得國家科技進步二等獎。使我們在混凝土高壩地震響應(yīng)的動力分析方面，也跨上了一個新的臺階。

試驗和分析兩個臺階的跨越，標(biāo)志了我院混凝土壩的抗震研究，已開始瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展前沿、跟上國際先進行列的步伐。

此外，在此期間，我院在工程抗震領(lǐng)域，積極參與了國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流活動：參加了引進的結(jié)構(gòu)分析的商業(yè)程序SAP的學(xué)習(xí)培訓(xùn)；深入開展了可靠度設(shè)計理論的研究；先后多次派出人員到國外短期工作、進修和訪問；首次自行成功研發(fā)了拱壩的三分向“拱梁分載法”的動力分析程序，在眾多高拱壩工程的抗震設(shè)計中被推廣應(yīng)用。

1991年我院被中國科學(xué)院批準(zhǔn)列入其開放實驗室系列中唯一的科學(xué)院外的結(jié)構(gòu)振動開放實驗室，并在1996年的檢查評估中被確認(rèn)為：“在學(xué)術(shù)上和解決重大工程實際問題方面達到國際先進和國內(nèi)一流水平，建議中國科學(xué)院和國家有關(guān)部門盡快將該實驗室列入國家重點實驗室建設(shè)系列”?？上浜笥捎谒碗娏刹课茨芫吐?lián)合提供開放課題基金達成協(xié)議而不了了之，從而錯失良機。

在積極學(xué)習(xí)和參與我國地震部門的有關(guān)學(xué)術(shù)交流中，我院成為取得地震部門頒發(fā)的、工程部門從事場址地震安全性評價的甲級資格證書的極少數(shù)單位之一。此外，在此期間本人于1995年當(dāng)選為中國工程院的院士。所有這些都標(biāo)志了我院在工程抗震領(lǐng)域中的研究進展被國內(nèi)外同行所認(rèn)可。

綜上所述，經(jīng)歷了這個階段，總體上可認(rèn)為，我院對水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究，已經(jīng)從入門的“啟蒙”階段，逐步進入到了初步與國際接軌的“跟跑”階段。

2.3 抓住機遇追趕前沿的“并跑”和沖刺階段第三階段是從1997年以后至今的又一個20年的歷程。1997年我院組建“工程抗震研究中心”，又正逢我國在水能資源集中的西部，高速興建了一系列300 m級超大型高壩，為水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究提供了更有利的條件，是我院水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究進展的關(guān)鍵階段。2008年在四川發(fā)生了汶川大地震，國家和社會對高壩大庫的抗震安全更加關(guān)注和重視。國家發(fā)展改革委員會對重大高壩工程提出了為“防止在極端地震下高壩地震災(zāi)變導(dǎo)致的嚴(yán)重次生災(zāi)害”進行抗震復(fù)核的要求。我們以此國家急需和學(xué)科前沿作為研究的重點，涉及到如何確定極端地震的地震動輸入和高壩工程地震災(zāi)變（潰壩）的定量判別準(zhǔn)則的兩大關(guān)鍵性難題。

為此，由我們牽頭負(fù)責(zé)，聯(lián)合了河海大學(xué)、西安理工大學(xué)，申請了國家自然科學(xué)基金委員會重大項目《西部能源利用及其環(huán)境保護的若干關(guān)鍵問題》中的重點項目《西部高拱壩抗震安全》的資助。以自主研發(fā)的、能體現(xiàn)“近斷裂大震”特點的“隨機有限斷層法”計算軟件，重建了汶川地震時沙牌和紫坪鋪大壩的輸入地震動時程。初步解決了確定工程場址極端的“最大可信地震”的地震動輸入難題；并開展了大壩混凝土材料全級配試件動態(tài)特性、損傷演化規(guī)律及預(yù)加靜載影響的研究。

隨后，我們又爭取到中國工程院的重點咨詢項目“西部強震區(qū)高壩大庫抗震安全研究”，開展了基于損傷力學(xué)理論和高性能“云計算”技術(shù)的壩體和地基巖體損傷破壞過程的研究。用自主研發(fā)的非線性并行計算軟件，驗證了沙牌拱壩在汶川地震中的震情，基本解決了確定混凝土高壩工程地震災(zāi)變定量判別準(zhǔn)則的難題［6］。

這些研究使我院混凝土高壩的抗震設(shè)計和研究，跨越了兩個新的臺階，其成果在200 m以上混凝土高壩工程中廣泛應(yīng)用，并在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表，還獲得了中國水力發(fā)電工程學(xué)會首次授予的科技進步特等獎，并被納入由我們主編的我國首部國家標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB 51247）》。由部分研究成果，撰寫成《高拱壩抗震安全》專著［7］，作為“十二五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目出版后，成為中國電力出版社唯一入選國家新聞出版廣電總局第四屆“三個一百”原創(chuàng)圖書出版工程，并榮獲中國出版協(xié)會第五屆中華優(yōu)秀出版物圖書提名獎。此外，又被國際知名的出版科學(xué)著作的愛思維爾Elsevier出版社在國外以英文出版［8］。

在此期間，隨著改革開放的不斷深入，我們積極參加了國際大壩委員會、世界地震工程學(xué)會等國際交流活動，從而更有利于擴寬視野，跟蹤前沿。本人獲得了國際大壩委員會2011年度唯一的終身成就獎，這體現(xiàn)了我們團隊的科研成果被國際同行的認(rèn)可。

所有這些標(biāo)志了我院的水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究，開始從“跟跑”進入了與國際同行“并跑”的階段，并為局部能攀上引領(lǐng)的階梯創(chuàng)造了條件。

3 對60年主要科研成果的概括

回顧60年在科研征戰(zhàn)的歷程，沿著所遵循的理念，在團隊群體的齊心協(xié)力共同努力下，逐步把混凝土壩的抗震科研不斷推上了新臺階。以下簡要概括了由我們主持、加上有關(guān)單位的協(xié)作下所取得的、涉及大壩抗震安全的諸多前沿性科研成果。

3.1 場址的地震動輸入針對水工建筑物的特點，與地震部門緊密協(xié)作，對場址的地震動輸入進行了深化研究。

3.1.1 地震動輸入的理解和機制［9］對應(yīng)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)突破傳統(tǒng)的封閉體系到開放體系的波動體系的進展，相應(yīng)壩址地震動輸入機制從壩底振動轉(zhuǎn)為從與壩下一定深度內(nèi)的近域地基底部入射的波動，澄清了在大壩工程界長期存在的對輸入地震動理解的混淆和爭議，基本形成了以下共識：（1）作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中主要設(shè)防依據(jù)的設(shè)計峰值加速度，是以其在基巖平坦自由地表的最大水平向分量表征的工程場區(qū)的地震動輸入?yún)?shù)，它既未考慮任何實際場址的地形、場地土類別、工程近域地基的地質(zhì)構(gòu)造，更不涉及要建造的結(jié)構(gòu)類型。（2）因地殼介質(zhì)的密度隨地層深度而增大，以剪切波為主的地震波，從震源傳播至地表時接近豎直向入射。（3）因自由地表的地震動迭加了與入射波等值的反射波，豎向入射的地震動峰值加速度可取為其地表值的1/2。（4）作為開放波動體系的大壩地震動輸入?yún)?shù)類型，需與其響應(yīng)分析模型中所采用的模擬地震波能量向遠域地基逸散的透射式黏滯阻尼等人工邊界的類型相適配。

3.1.2 場地相關(guān)的地震動輸入?yún)?shù) 提供了更合理的場地相關(guān)的地震動輸入?yún)?shù)，包括：（1）高壩抗震設(shè)計中需要采用場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜和現(xiàn)有的“一致概率反應(yīng)譜”因其過于保守的包絡(luò)特性、且我國尚無反應(yīng)譜衰減規(guī)律而難以實際應(yīng)用。為此，提出了更合理的、基于壩區(qū)地震安全性評價、確定發(fā)生概率最大的設(shè)定地震，再根據(jù)中、美地震活動的可比性，按美國最新的“下一代地震動衰減關(guān)系（NGA）”中的反應(yīng)譜衰減關(guān)系，求得規(guī)一化的場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜［10-11］。（2）為適應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷過程非線性分析需要，研究了以更切合實際的幅值和頻率都非平穩(wěn)的漸進功率譜，替代假定頻率平穩(wěn)的傳統(tǒng)反應(yīng)譜［12-13］，并給出接近我國國情的、由震級和震中距確定目標(biāo)漸進功率譜的統(tǒng)計回歸模型中的各項系數(shù)［14-15］。（3）為反映極端的最大可信地震的近場大震特征的面源發(fā)震機制替代傳統(tǒng)的點源發(fā)震機制，采用半理論、半經(jīng)驗的“隨機有限斷層法”，將發(fā)震斷層劃分為子斷裂點源群，按其破裂模式、時間序列，順序疊加通過相應(yīng)傳播途徑和場地效應(yīng)，直接生成壩址地震動參數(shù)。（4）自主研發(fā)了確定上述各項地震動輸入?yún)?shù)的整套計算軟件。

3.2 大壩混凝土材料的動態(tài)試驗

3.2.1 動態(tài)強度和損傷本構(gòu)

（1）為突破大壩混凝土僅依賴濕篩試件的陳規(guī)，結(jié)合不同實際工程，進行了全級配試件在往復(fù)變幅加載下的抗壓和彎拉動強度及其應(yīng)變率效應(yīng)的試驗研究。（2）建置了引進的適用于大壩混凝土全級配試件的15MN的靜、動態(tài)材料試驗裝置。（3）成功測定了難度很大、至今尚少見的混凝土拉、壓損傷全過程的本構(gòu)關(guān)系，為材料非線性分析提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

3.2.2 已有靜載對地震應(yīng)變率影響及內(nèi)部開裂過程

（1）針對工程運行后遭受地震時，已有靜載對大壩混凝土應(yīng)變率效應(yīng)影響的問題，進行了在預(yù)加不同靜載下的動態(tài)強度試驗，試驗結(jié)果表明忽略靜載影響稍偏安全。（2）把大壩混凝土作為符合實際配合比的骨料、水泥漿、及其界面的復(fù)合材料，對試件進行計入損傷和應(yīng)變率效應(yīng)的細觀力學(xué)動態(tài)分析，與預(yù)加靜載的試驗結(jié)果相互驗證并探討了其機理。（3）應(yīng)用“動態(tài)聲發(fā)射”及X射線CT設(shè)施進行試驗，研究了混凝土材料內(nèi)部的開裂過程，并研發(fā)了適用于CT試驗的動態(tài)拉、壓加載設(shè)備。

3.3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的分析研發(fā)了大壩體系地震災(zāi)變高效分析的求解途徑和定量判別準(zhǔn)則［16-17］。

3.3.1 分析依據(jù)的理論和建模的進展

（1）從基于結(jié)構(gòu)力學(xué)平面假定的擬靜力法，到基于有限元法的動力法。 （2）從把壩體作為整體結(jié)構(gòu)的線彈性問題，到基于“動接觸理論”計入其縱、橫縫開合和滑移的接觸非線性問題，再進展到基于損傷力學(xué)的、同時考慮壩體和地基巖體的損傷演化的材料非線性問題。（3）針對我國多泥沙河流的水庫底部的吸能邊界，及其反射系數(shù)很難確定的現(xiàn)場測試成果［18］，論證了可忽略庫水可壓縮性、把壩面動水壓力作為附加質(zhì)量，使其模擬大為簡化。（4）建立了可同時計入壩體分縫等細部結(jié)構(gòu)、鄰近壩體地基內(nèi)各類地質(zhì)條件及其人工邊界、壩面動水壓力等復(fù)雜因素的更切合工程實際的壩體—地基—庫水體系的地震響應(yīng)分析模型。

3.3.2 分析思路和求解方法的改進

（1）把地震響應(yīng)的分析從在頻域內(nèi)，只計地基彈性的封閉體系的振動問題，改進到在時域內(nèi)，考慮實際存在的地基的質(zhì)量和地震波能量向遠域地基逸散的開放體系的波動問題。（2）研發(fā)了根據(jù)損傷演化試驗成果計入殘余變形，求解體系損傷、破壞過程的簡捷新方法。（3）從對體系分別作拉、壓強度校核和基于剛體極限平衡法的抗滑穩(wěn)定校核，改進到把強度和穩(wěn)定耦合一體的綜合分析，提出以位移響應(yīng)突變作為判別工程地震災(zāi)變的定量準(zhǔn)則。

3.3.3 高性能分析技術(shù)的應(yīng)用 從沿用基于小型臺式計算機進行的串行分析，發(fā)展到基于“云計算”技術(shù)和自主研發(fā)的分析軟件對海量自由度精細體系進行高效并行計算。

3.4 室內(nèi)外的試驗驗證為驗證大壩地震響應(yīng)分析計算成果，進行了壩體-地基-庫水體系的室內(nèi)外模型試驗驗證。

3.4.1 大壩線彈性體系的室內(nèi)動力模型試驗研究

（1）從以激振器測定模態(tài)特性，到建置地震模擬電磁振動臺以分別測定結(jié)構(gòu)的水平向和豎向的地震響應(yīng)，再到建置國際先進的三向六自由度大型地震模擬液壓振動臺，并研究了相應(yīng)于小變形的相似準(zhǔn)則。（2）從應(yīng)用石膏模型材料，進展到研制滿足相應(yīng)水彈性相似要求的加重橡膠和基本滿足混凝土材料拉壓強度特性的脆性模型材料。（3）研發(fā)了體現(xiàn)壩體橫縫和近似模擬地基的關(guān)鍵潛在滑塊、滲壓和輻射阻尼等效應(yīng)的試驗技術(shù)。

3.4.2 大壩現(xiàn)場的原型測振試驗研究

（1）從利用地脈動、爆破等手段的現(xiàn)場原型測振，發(fā)展到近20年的中美長期科研協(xié)作中對不同拱壩的現(xiàn)場測振試驗。（2）從應(yīng)用我院研制的4臺同步起振機，再進展到中美共同開創(chuàng)的可重復(fù)使用的下游多孔水封爆破和上游水下淺層巖表爆破技術(shù)，生成在巖體傳播的能激發(fā)壩體-地基-庫水體系的地震動。（3）試驗驗證了拱壩自振特性的分析程序，根據(jù)實測結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)了對庫水可壓縮性效應(yīng)十分敏感的庫底反射系數(shù)是“與頻率及時空顯著相關(guān)、遠非通常假定的固定常數(shù)”的重要特性。

3.5 編制和修訂了我國的水工抗震設(shè)計規(guī)范由我院作為主編單位，先后編制和修訂了我國的水工抗震設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

（1）1978年頒布的水利電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SDJ 10-78）。

①采用的“擬靜力法”地震響應(yīng)分析中，引入并闡明了設(shè)計地震動峰值加速度的綜合影響系數(shù)。②改進了動力分析中的設(shè)計反應(yīng)譜的高頻段形態(tài)。③基于初步的動力分析確定地震慣性力沿結(jié)構(gòu)高程的分布；并對各類水工建筑物提出抗震工程措施要求。

（2）1997年完成水電和水利兩部門《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（DL 5973-1997）和《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SL 203-97）。

①抗震設(shè)計的校核分析從“擬靜力法”基本轉(zhuǎn)向以動力法為主。②在對可靠度設(shè)計理論研究的基礎(chǔ)上，使水利和水電部門統(tǒng)一采用由單一安全系數(shù)法向以分項系數(shù)表達的多安全系數(shù)法的轉(zhuǎn)軌。③抗震設(shè)計從著重校核計算向校核計算與工程措施并重跨越。

（3）2015年國家發(fā)展改革委員會能源局頒布的《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（NB 35047-2015）和2018年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51247-2018）。

①突出了以“防止高壩在極端地震下發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)變”為重點的國家急需。②對重要工程，規(guī)定了在最大可信地震作用下，抗震安全要進行專題論證及其內(nèi)容的原則要求，為突破現(xiàn)行壩工設(shè)計規(guī)范只適用于200 m壩高的限制創(chuàng)造了條件。③擴充了邊坡、渡槽、升船機等抗震的內(nèi)容。

以上成果表明，我院對水工混凝土結(jié)構(gòu)抗震進行了較為全面和系統(tǒng)的研究，建立了先進的試驗設(shè)備、自主研發(fā)了所有主要分析軟件，并始終緊密結(jié)合國情和工程應(yīng)用，追蹤學(xué)科前沿和與國際接軌。從而先后獲得了國內(nèi)外諸多獎勵。1978年團隊被評為全國科學(xué)大會先進集體；1986年以來，獲得了30余項國家級和省部級以上的科學(xué)技術(shù)進步獎項；2007年我院和我個人分別被中國地震局、科技部、國防科工委、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合授予全國地震科技工作先進集體和個人稱號；1992年我被建設(shè)部評為全國抗震防災(zāi)先進工作者，2002年被選為中國建筑學(xué)會抗震防災(zāi)分會理事長。我個人分別于2004年當(dāng)選國際大壩委員會地震專業(yè)委員會副主席、于2011年獲得國際大壩委員會終身成就獎。這一切都標(biāo)志了國內(nèi)水利水電、地震和抗震界及國際大壩工程界，對我院的水工抗震科研成果的高度認(rèn)可，彰顯了我院在水工抗震領(lǐng)域的國內(nèi)外影響。

4 創(chuàng)新驅(qū)動激發(fā)突破陳規(guī)的引領(lǐng)愿景

在60年的漫長征途中，我院雖已為我國高壩抗震安全提供了技術(shù)支撐，但面對確保位于強震區(qū)的超大型高壩工程在極端地震下不發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)變、突破陳規(guī)編制200 m以上高壩設(shè)計規(guī)范等需求，仍然任重道遠，面臨必須應(yīng)對的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

4.1 對混凝土高壩常規(guī)設(shè)計現(xiàn)狀的質(zhì)疑高壩的抗震安全必須要在與靜載作用效應(yīng)綜合分析后進行評價，其設(shè)計理念和方法不能不受現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計理念和方法的制約。但國內(nèi)外已有的觀測資料表明，即使在正常運行中，一些表征壩體狀態(tài)的重要參數(shù)的設(shè)計計算值與實際監(jiān)測值，存在著按現(xiàn)行設(shè)計理念和方法難以解釋的明顯差異。

4.1.1 我國迄今尚無200 m以上高壩的設(shè)計規(guī)范 當(dāng)前我國的壩工設(shè)計，其理念和方法仍基于1930—1950年代歐美在大壩建設(shè)中創(chuàng)建的框架。主要依托中、小工程的實踐經(jīng)驗，受當(dāng)時技術(shù)水平和條件的制約。因而對200 m以上高壩工程難以適用。

4.1.2 難符合實際的現(xiàn)行混凝土壩的設(shè)計理論、方法和基本假定

（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圍內(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)計入地基巖體的彈性變形而不計其強度；（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1.5 MPa的靜、動態(tài)允許抗拉強度；（6）在忽略壩體與地基變形耦合和其它諸多假定下，以“剛體極限平衡法”以及與壩體強度分開校核的穩(wěn)定。

國內(nèi)外一些高混凝土壩的觀測資料［19］都表明，在壩踵部位都呈現(xiàn)出較大的壓應(yīng)力。有些重力壩的實測結(jié)果顯示，壩踵的壓應(yīng)力甚至超過壩趾的。這是基于上述傳統(tǒng)設(shè)計中的陳規(guī)所難以解釋的。

4.1.3 有限元法導(dǎo)致的混凝土壩踵應(yīng)力集中是一個偽命題 基于彈性力學(xué)的有限元方法之所以難以替代基于平截面假定的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法作為主要設(shè)計的依據(jù)，主要因其線彈性假定導(dǎo)致無法回避的壩踵“角緣效應(yīng)”必然產(chǎn)生的隨網(wǎng)格尺寸變化的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。實際上，壩基的多裂隙巖體在壩踵部位受拉后，其抗拉強度遠低于壩體混凝土及保證施工質(zhì)量下的壩基接觸面的抗拉強度，將首先導(dǎo)致向巖體深部的開裂，從而壩踵部位的應(yīng)力被釋放，因而混凝土壩踵應(yīng)力集中是一個偽命題。為確定地震災(zāi)變的定量判別準(zhǔn)則，勢必首先要突破傳統(tǒng)的線彈性分析，進行壩體和鄰近巖體損傷破壞過程的非線性分析。

4.1.4 地質(zhì)力學(xué)模型試驗不能反映拱壩真實的整體安全性 現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范規(guī)定，對高壩或地質(zhì)條件復(fù)雜的拱壩，應(yīng)采用數(shù)值計算或地質(zhì)力學(xué)模型試驗，以提高水壓力容重的超載倍數(shù)，綜合評價拱壩整體安全性。這類試驗把壩體強度和拱座穩(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。但試驗中，壩體及地基巖體的抗拉強度及損傷本構(gòu)關(guān)系的無法滿足相似要求，實際也不可能發(fā)生水壓力容重增長的超載。因而試驗不能反映真實的拱壩整體安全性。

4.2 抗震設(shè)計中對陳規(guī)的突破尤為迫切高壩抗震安全的評價需基于與正常工況的靜載作用效應(yīng)的疊加。因在抗震設(shè)計中，還要進一步突破與抗震有關(guān)的不合理陳規(guī)。

4.2.1 封閉系統(tǒng)振動方式不能體現(xiàn)壩體-地基-庫水開放體系的動態(tài)相互作用 按現(xiàn)行規(guī)范的高壩設(shè)計中，無論是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法中采用的Vogt地基或有限元法中的無質(zhì)量地基的分析模型，都僅考慮地基的彈性變形，并從壩底輸入設(shè)計地震動加速度。因而只能作為封閉系統(tǒng)的振動問題求解，無法計入實際存在的地基質(zhì)量的慣性作用、地震波能量向遠域地基逸散的輻射阻尼、以及沿壩基地震動輸入的幅值和相位都不均勻分布等因素。

4.2.2 作為整體結(jié)構(gòu)的高拱壩假定下不能求解真實的地震應(yīng)力狀態(tài) 作為整體結(jié)構(gòu)的高拱壩在強震作用下，其拱向地震動拉應(yīng)力值很高，根本無法滿足規(guī)范規(guī)定的在地震工況下不超過1.5 MPa的要求。實際這樣的高拱向拉應(yīng)力并不存在。因為拱壩中抗拉能力很低的橫縫，在地震的往復(fù)作用過程中，受拉稍大的橫縫必然會因其反復(fù)開合和滑移而釋放壩體的拱向拉應(yīng)力，使作為高次超靜定結(jié)構(gòu)的壩體重新調(diào)整其應(yīng)力狀態(tài)。用現(xiàn)行規(guī)范中基于平截面假定的線彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，很難求解這類非線性接觸問題。

4.2.3“剛體極限平衡法”完全不能反映往復(fù)地震作用下的高拱壩整體穩(wěn)定性 傳統(tǒng)的不計壩體壩肩巖體動態(tài)變形耦合和壩基巖體的地震動態(tài)效應(yīng)的“剛體極限平衡法”，之所以完全不能反映高壩的實際抗震穩(wěn)定性，是因為：（1）在往復(fù)的地震作用下，瞬間達到極限平衡狀態(tài)，并不一定導(dǎo)致高壩體系最終失穩(wěn)。而即使?jié)撛诨瑒訋r塊的整體并未達到極限平衡狀態(tài)，而僅有其滑動面的局部開裂或滑移，但由于壩體和壩基巖體的動態(tài)變形耦合，也可能導(dǎo)致壩體嚴(yán)重受損。（2）在地震往復(fù)作用過程中，拱壩壩體對拱座潛在滑動巖塊間接觸力的大小和方向、以及巖塊各滑動面的應(yīng)力和接觸狀態(tài)都在動態(tài)變化之中。（3）拱座潛在滑動巖塊本身并非剛體，其動態(tài)變動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達到最大值或處于最不利方向。

4.3 成為敢于擔(dān)當(dāng)引領(lǐng)世界高壩抗震設(shè)計規(guī)則制定的積極參與者綜上所述，當(dāng)前傳統(tǒng)的設(shè)計理念和方法已難以切合高混凝土壩的實際。在其抗震設(shè)計中對突破已難切合實際、不能經(jīng)受監(jiān)測資料檢驗陳規(guī)的要求尤為迫切。當(dāng)前，我國已成為世界高壩建設(shè)的大國。我國對高壩抗震的科技進展和工程實踐，已為現(xiàn)行高壩設(shè)計的突破常規(guī)創(chuàng)造了基本條件，需要進一步深化研究并盡早形成共識，爭取成為引領(lǐng)世界高壩設(shè)計躍上新臺階的規(guī)則制定者。使我國在世界高壩建設(shè)中向由大轉(zhuǎn)強邁進，為世界高壩建設(shè)做出更大貢獻。為制定300 m級高壩設(shè)計的規(guī)范，以應(yīng)對高混凝土壩抗震設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，冒昧提出下列建議以供參考：（1）凸顯一個重點的要求，即防止極端地震下，高壩地震災(zāi)變導(dǎo)致的次生災(zāi)害；（2）破解兩個關(guān)鍵的難題，即確定反映近場大震特征的地震動輸入和制定體現(xiàn)壩體整體地震失穩(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)分析和材料動態(tài)抗力試驗間的相互配套；（4）突破四個層面的傳統(tǒng)，即在求解概念上，由封閉系統(tǒng)的振動問題轉(zhuǎn)向開放系統(tǒng)的波動問題；在校核思路上，把分別對靜、動載作用下的強度和穩(wěn)定的分開校核轉(zhuǎn)向靜、動載作用下的強度和穩(wěn)定于一體的整體校核；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)向計入接觸和材料非線性的有限單元法；在計算技術(shù)上，由常規(guī)的串行計算轉(zhuǎn)向高性能并行計算。

相信正向世界一流科研機構(gòu)邁進的我院，已成功爭取到“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目《300 m級特高壩抗震安全評價與控制關(guān)鍵技術(shù)》的立項，勢將持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)我院工程抗震研究中心，在創(chuàng)新驅(qū)動的激勵下，成為敢于擔(dān)當(dāng)引領(lǐng)世界高壩抗震設(shè)計規(guī)則制定的積極參與者。