一等奖成果响但遭遇地震时情况有所变化, 横河向地震作用下, 大坝整体性的削弱将会对大坝在强震作用下的动力反应带来影响如何合理分析论证这一影响, 确保大坝的抗震安全, 成为强震区碾压重力坝工程设计者十分关心的迫切需要解决的关键技术问题为在更为合理的基础上论证接缝处理方式对龙开口大坝动力反应和抗

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闯赵
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1 中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编 2.6 龙开口水电站重力坝动力分析及抗震安全评价研究简要信息获奖类型应用一等奖任务来源中国水电顾问集团华东勘测设计研究院课题起止时间 2007 年 10 月 ~2010 年 5 月完成单位中国水利水电科学研究院主要完成人涂劲李德玉侯顺载欧阳金惠王海波张伯艳立项背景龙开口水电站位于云南省境内的金沙江中游河段上, 是金沙江中游河段规划梯级电站的第六级工程规模为大 (Ⅰ) 型, 工程等别为一等工程区位于青藏地震区的鲜水河 - 滇东地震带内, 西南部邻接滇西南地震带外围地震活动强烈, 空间分布不均, 中强地震震中条带性分布明显, 坝址主要受鲜水河滇东地震带影响中国地震地质研究所通过主要潜在震源区对坝址场地地震危险的概率分析, 给出 100 年超越概率 2% 相应的基岩峰值加速度为 0.394g 经国家地震烈度评定委员会审查, 将龙开口水电站场地地震基本烈度定为 Ⅷ 度根据水工建筑物抗震设计规范 DL 规定, 挡水建筑物设防烈度提高一度, 按 Ⅸ 度设防本研究在内容上有重力坝全坝段整体地震反应分析和重力坝极限抗震能力分析评价两个要点, 以下分别阐述其立项背景 : (1) 重力坝全坝段整体地震反应分析碾压混凝土重力坝是近年来发展起来的新坝型由于其施工快速的特点得到越来越广泛的应用然而, 对于碾压重力坝坝段诱导缝以及分仓横缝的灌浆问题, 由于灌浆设计和施工极其复杂, 甚至会严重影响工期从而使得碾压混凝土坝施工快速的优势不复存在, 且灌浆质量也难以保证等因素, 一些碾压混凝土重力坝工程在设计或施工中对这些接缝并未采取灌浆处理措施温度荷载作用下随着混凝土收缩这些接缝会产生微小张开从而削弱了大坝的整体性静态荷载作用下, 由于大坝不承受横河向荷载作用, 这种整体性的削弱不会对其静态应力带来多大影 56

一等奖成果响但遭遇地震时情况有所变化, 横河向地震作用下, 大坝整体性的削弱将会对大坝在强震作用下的动力反应带来影响如何合理分析论证这一影响, 确保大坝的抗震安全, 成为强震区碾压重力坝工程设计者十分关心的迫切需要解决的关键技术问题

进行非线性地震波动反应分析, 研究揭示大坝抗震的薄弱部位, 分析评价大坝抗震安全性给出不同横缝不同灌浆高程对大坝动力反应和抗震安全的影响, 为设计决策提供参考依据 (2) 重力坝极限抗震能力分析评价 5.

另一方面, 汶川地震中, 不少地区的地震烈度已远超出我国现行地震区划图的相应烈度以及大坝的地震设防水平最为典型的是按照我国现行的水工抗震设计规范设计的紫坪铺面板堆石坝和沙牌碾压混凝土拱坝, 其抗震设防的基岩峰值加速度分别为 0.26g 和 0.

根据水电水利规划设计总院水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定要求, 对于 1 级挡水建筑物, 应分析校核其在校核地震工况下的结构整体稳定性, 以达到不溃坝的功能目标 ; 对于处于高烈度区特别重要的

2 一等奖成果响但遭遇地震时情况有所变化, 横河向地震作用下, 大坝整体性的削弱将会对大坝在强震作用下的动力反应带来影响如何合理分析论证这一影响, 确保大坝的抗震安全, 成为强震区碾压重力坝工程设计者十分关心的迫切需要解决的关键技术问题为在更为合理的基础上论证接缝处理方式对龙开口大坝动力反应和抗震安全的影响, 本研究对大坝地基体系进行全坝段整体三维有限元网格剖分, 按设计拟定的坝段间横缝状态, 考虑坝体横缝的非线性接触作用及坝基交界面非线性开裂的影响, 输入三方向地震波, 进行非线性地震波动反应分析, 研究揭示大坝抗震的薄弱部位, 分析评价大坝抗震安全性给出不同横缝不同灌浆高程对大坝动力反应和抗震安全的影响, 为设计决策提供参考依据 (2) 重力坝极限抗震能力分析评价 5.12 汶川特大地震对震区水电水利工程的影响范围和程度之大, 在我国建国以来还是第一次尽管未出现由于地震致使大坝溃决的情况, 但有些工程还是受到严重破坏, 甚至面临溃坝风险, 给下游人民生命财产和社会经济发展带来严重威胁, 需要尽快采取措施应急除险另一方面, 汶川地震中, 不少地区的地震烈度已远超出我国现行地震区划图的相应烈度以及大坝的地震设防水平最为典型的是按照我国现行的水工抗震设计规范设计的紫坪铺面板堆石坝和沙牌碾压混凝土拱坝, 其抗震设防的基岩峰值加速度分别为 0.26g 和 0.14g, 而此次汶川地震在该两座大坝坝址区的基岩峰值加速度估计远超过了上述设计值这说明了地震本身的极大不确定性为防止强震发生时引发的大坝严重破坏给下游梯级电站以及人民生命财产和社会经济发展带来的巨大威胁, 必须确保类似龙开口这样重大工程的抗震安全根据水电水利规划设计总院水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定要求, 对于 1 级挡水建筑物, 应分析校核其在校核地震工况下的结构整体稳定性, 以达到不溃坝的功能目标 ; 对于处于高烈度区特别重要的失事后可能产生严重次生灾害的挡水建筑物, 应分析评价其极限抗震能力在实际操作中, 虽然对于校核地震工况的地震动参数有明确规定, 但其设防目标为定性概念的不溃坝, 尚难以给出与之对应的定量判据对于极限抗震能力的分析评价, 目前也由于对大坝在地震荷载作用下的破坏机理和溃决过程缺乏明确的定量的判别标准而没有统一的规定, 尚处于探索阶段因此, 需要通过研 57

3 中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编究建立重力坝的非线性动力分析的计算模型重点抓住对大坝抗震安全影响最大的可能破坏模式通过逐级加大地震作用的方式分析大坝在地震作用下起始破坏破坏发展直至完全丧失承载能力溃坝的过程研究其地震破坏模式给出大坝最终溃决的相应地震动水平建立评价重力坝极限抗震能力的方法和准则因此对龙开口碾压混凝土重力坝进行设计校核地震工况下的抗震安全分析和极限抗震能力评价也是回答工程实际问题的需要 ¾ 详细科学技术内容 1 依据现行抗震规范进行大坝动力分析和抗震安全评价根据现行水工抗震规范所确定的原则方法和评价标准选取挡水坝段中孔坝段溢流坝段及厂房坝段分别采用悬臂梁法和平面有限元进行静动态分析评价大坝坝体抗震强度安全和坝体沿不同水平层面及建基面的抗滑稳定安全 2 大坝全坝段整体三维非线性有限元动力分析为更真实地模拟大坝的实际工作情况进行了大坝地基体系进行全坝段整体三维有限元网格剖分考虑坝体横缝的非线性接触作用影响输入三方向地震波进行非线性地震波动反应分图 1 坝体地基三维有限元模型析在计算方法上研究采用人工透射边界模拟无限地基辐射阻尼作用采用动接触力模型模拟坝体横缝间的动态开合并结合显式有限元的内点计算建立完全解耦的大坝非线性波动分析方法为模拟缝间不同处理方式研究开发了考虑缝间不同初始间隙考虑设置键槽时对切向相对位移的限制及某些切缝键槽在水平向起作用而竖向不起作用等接触缝面的计算功能在研究中考虑了坝段间是否考虑相互作用分仓缝的不同处理模式地震输入的不同组合等条件组合进行了多工况的计算分析通过对比坝体静动态位移应力响应坝段间缝面的开合及滑移情况等分析论证了采取工程措施加强地震过程中坝段间相互作用的必要性和设置键槽方案与横缝灌浆方案相比较 58

4 一等奖成果的有效性 (3) 大坝校核地震作用下抗震安全及极限抗震能力探讨对龙开口重力坝典型坝段, 进行了设计地震和校核地震作用下的二维地震非线性波动反应分析, 评价和比较分析其在设计地震和校核地震作用下的静动力反应及抗震安全性, 并采用超设计地震荷载的方法探索研究了大坝的极限抗震能力同时进行了校核地震作用下线弹性方法的计算分析研究采用以具有初始强度的接触单元采用动接触力模型模拟大坝头部及建基面的接触非线性的影响通过对设计地震等比例放大的超载方式, 计算大坝位移应力缝面开裂及抗滑稳定等因素进行综合分析和评判大坝的极限抗震能力并建议了以下 4 项判据作为重力坝达到极限抗震能力的多指标评价标准 : 1) 大坝典型部位位移急剧增加或出现不可恢复的残余变形 2) 大坝沿建基面 ( 深层滑动面 ) 的开裂已超过灌浆帷幕 3) 大坝头部水平缝出现贯穿性开裂破坏 4) 动力求解过程不收敛图倍设计地震作用下坝顶顺河向位移时程对于龙开口重力坝, 对其坝高最大而体型较为单薄的典型坝段, 经分析表明校核地震作用下大坝的总体刚度没有明显变化, 大坝的非线性损伤无显著发展大坝头折坡部位所设缝面未出现开裂大坝坝体应力坝基交界面开裂范围及建基面抗滑稳定性都能满足抗震安全要求, 不存在溃坝的危险对大坝进行的极限抗震能力研究表明, 在 1.5 倍设计地震荷载作用下, 坝体处在小位移范畴, 震后基本回复静力平衡位置, 坝头折坡部位未出现开裂, 坝基交界面的抗滑稳定有足够的安全裕度, 开裂范围未达到帷幕, 坝体应力亦在强度允许范围内 ; 而在 1.6 倍设计地震荷载作用下, 坝体在头部折坡部位可能因断裂发展而上部坝体发生位 59

5 中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编移突变, 在数值计算上表现为位移的不断放大, 且建基面的开裂已超过帷幕, 因此取大坝的极限抗震能力取为 1.5 倍的设计地震荷载作用发明及创新点本项研究主要创新点在于 (1) 首次采用整体三维全坝段地震波动反应分析方法进行重力坝非线性地震反应分析和评价 ; (2) 结合工程实际, 首次具体研究比较了碾压混凝土重力坝的分仓缝和诱导缝的不同缝面处理方式对加强大坝整体性的作用 ; (3) 建立了有效可行的进行重力坝极限抗震能力评价的计算分析体系和评价标准, 为重力坝校核地震下安全性的复核及极限抗震能力的评价提供了基本方法和判据与当前国内外同类研究同类技术的综合比较重力坝作为一种简单实用的坝型在国内外大坝建设中得到了广泛采用重力坝在横河向尺寸远远大于顺河向尺寸对于修建于强震区的重力坝, 常常要求坝段间横缝进行灌浆使其成为整体 ( 称之为整体式重力坝 ) 从而提高其抗震性能地震作用可分解为沿顺河向横河向和竖向的三个分量, 在通常的抗震性能研究中, 对于整体式重力坝, 由于其横河向刚度远远大于顺河向及竖向, 横河向地震作用产生的大坝变形和应力较其它两个方向地震作用要小很多, 因此在大坝抗震设计计算与安全评价中, 常常忽略横河向地震作用, 仅仅计入顺河向和竖向地震作用, 选取典型坝段采用简便实用且偏于安全的一维悬臂梁法和二维有限单元法进行, 只是对于结构型式较为复杂的溢流厂房坝段等, 为了准确反映闸墩孔口及管道附近结构的局部应力状态, 有时需要补充进行针对一个坝段的坝段三维有限元计算 ( 此时同样不考虑横河向地震影响 ) 碾压混凝土重力坝是近年来发展起来的新坝型由于其施工快速的特点得到了越来越广泛的应用然而, 对于碾压重力坝坝段诱导缝以及分仓横缝的灌浆问题, 由于灌浆设计和施工极其复杂, 甚至会严重影响工期从而使得碾压混凝土坝施工快速的优势不复存在, 且灌浆质量也难以保证等因素, 一些碾压混凝土重力坝工程在设计或施工中对这些接缝并未采取灌浆处理措施温度荷载作用下随着 60

6 一等奖成果混凝土收缩这些接缝会产生微小张开从而削弱了大坝的整体性横河向地震作用下, 大坝整体性的削弱将会对大坝在强震作用下的动力反应带来影响如何合理分析论证这一影响, 确保大坝的抗震安全, 是强震区碾压重力坝工程设计者十分关心的迫切需要解决的关键技术问题针对这一问题, 有的研究者选取一个坝段, 坝段两侧施加自由边界条件, 计算其在三向地震作用下的动力反应, 结果表明由于单个坝段的横河向十分薄弱, 其在横河向地震作用下的地震反应十分显著, 大坝地震应力明显增大, 难于满足抗震安全要求 ; 也有选取 2~3 个坝段作为一个坝段群, 在坝段群两侧同样施加自由边界条件进行计算分析实际上未经灌浆处理的坝段间接缝在地震作用下可能会发生接触碰撞, 地震过程中始终处于接触滑移张开等各种状态的交变过程中从而成为复杂的接触非线性问题将坝段群两侧作为自由边界处理, 完全忽略了地震作用下相邻坝体之间的接触约束作用, 显然不符合实际情况本研究采用大坝全坝段整体计算分析对大坝地基体系进行全坝段整体三维有限元网格剖分, 按设计拟定的坝段间横缝状态, 考虑坝体横缝的非线性接触作用及坝基交界面非线性开裂的影响, 输入三方向地震波, 并考虑无限地基辐射阻尼作用, 进行非线性地震波动反应分析, 分析评价大坝抗震安全性, 在分析模型方法的全面性合理性上与已有研究相比都是有所进步的对于校核地震下大坝安全性及极限抗震能力的复核问题, 自 2008 年汶川地震后, 随着暂行规定的出台, 国内多家研究单位也开展了相应的研究工作关于校核地震及极限抗震能力的分析方法, 由于地震荷载的提高, 大坝地基的一些抗震薄弱部位势必会发生开裂滑移等非线性反应, 采用非线性分析方法是合理的尽管目前的一些混凝土材料非线性本构模型可以进行重力坝的动力非线性分析, 但这些模型中的参数很难合理确定, 甚至无法获得, 即便在某些假定的基础上可以建立相应的本构模型, 其计算结果也可能不尽合理如清华大学徐艳杰等采用 D-P 模型模拟坝体混凝土, 进行宝珠寺重力坝的校核地震复核及极限抗震能力评价, 计算结果显示大坝在主要坝段在校核地震下即发生头部屈服区贯穿本项研究重点抓住对大坝抗震安全影响最大的可能破坏模式, 针对抗震能力相对较弱的典型坝段, 以具有初始抗拉抗剪强度的接触单元模拟大坝头部附近碾压层面和建基面, 以人工透射边界模拟地震动能量向无限远域逸散的辐射阻尼效应, 采用非线性有限元手段进行设计校核地震工况及地震超载下的大坝动 61

7 中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编力分析, 分析其开裂滑移破坏等发生的范围和程度, 评价大坝的抗震安全性, 并建立多指标判断准则探讨大坝的极限抗震能力成果应用情况及社会经济效益本项研究通过对龙开口重力坝进行多层次, 多角度的抗震计算分析, 为设计上确保大坝抗震安全提供了科学依据, 对大坝抗震设计具有十分重要的现实指导意义研究成果被设计部门全面采纳和应用, 也为类似工程提供了借鉴和指导, 亦为抗震规范的修编提供了有益的参考, 其中部分方法和判据已被纳入修编规范的相关条文中另外, 本项研究对于重力坝坝段间接缝处理方式对加强大坝抗震中的整体性的效果进行了分析比较, 研究证明缝间设置键槽的工程措施可有效增加大坝横河向刚度, 提高大坝抗震能力设计部门依据这一成果, 首次在碾压混凝土混凝土横缝缝面采用切割机现场切割的键槽式横缝 + 球形键槽分仓缝的处理方式, 能起到与横缝灌浆相同的抗震效果这一优化设计不仅降低了施工难度, 加快了施工, 缩短了工期, 还可节省工程投资约 3000 万元 62

中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编详细科学技术内容研究目标 : 以紫坪铺工程震害资料为基础, 对工程震害进行系统总结和评估, 对紫坪铺工程进行地震安全性复核, 并通过动力破损特征研究地震安全评价与震害预测理论和方法研究抗震加固措施研究原型 - 模型 - 数值分析的联合验证, 明

中国水科院科学技术奖 2012 年度获奖成果汇编详细科学技术内容研究目标 : 以紫坪铺工程震害资料为基础, 对工程震害进行系统总结和评估, 对紫坪铺工程进行地震安全性复核, 并通过动力破损特征研究地震安全评价与震害预测理论和方法研究抗震加固措施研究原型 - 模型 - 数值分析的联合验证, 明一等奖成果 2.7 紫坪铺水库震损评估与抗震减灾技术研究简要信息获奖类型应用一等奖任务来源十一五国家科技支撑计划课题编号岩 0121012010 课题起止时间 2009 年 1 月 ~2011 年 12 月完成单位中国水利水电科学研究院主要完成人贾金生温彦锋赵剑明刘小生陈宁郝巨涛刘启旺杨正权鲁一晖郑璀莹立项背景 5.12 汶川大地震中接近震中的紫坪铺面板堆石坝堪称目前世界上唯一一座遭遇强震的坝高大于