中国工程院院士陈厚群:白鹤滩工程地震动设计参数选择符合相关标准

白鹤滩水电站工程大坝坝高289m,属300m级特高拱坝。坝址位于基本烈度为Ⅷ度的高地震区,其抗震安全为工程的关键技术问题之一。白鹤滩坝址区位于康滇地轴与上扬子台褶带两个二级构造单元的过渡带,属于凉山构造带东侧与莲峰—巧家构造带相挟持的三角形区域内,地震危险性主要来自外围强震影响,区内断裂规模普遍较小,地壳稳定性条件总体较好,历史地震对白鹤滩工程坝址的最大影响烈度为Ⅷ度。针对白鹤滩大坝坝址位于高地震区的实际情况,坝址场地相关设计地震动参数的选定是大坝抗震设计的前提。当前,混凝土坝工程设计地震动参数主要是设计地震动峰值加速度和反应谱。

设定地震场地相关设计反应谱的研究

我国现行国家标准《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)规定,场地相关设计反应谱宜采用与基于《工程场地地震安全性评价》(GB 17741—2005)的设计地震动峰值加速度相应的“设定地震”确定。为便于工程技术人员理解和应用,本文进行了确定设定地震内涵和步骤的高级科普性阐述,将按《〈水电工程水工建筑物抗震设计规范〉(NB 35047—2015)设定地震确定场地相关设计反应谱补充说明》,以“最大发生概率原则”的确定方法加以说明。我国缺乏直接由强震记录统计的加速度反应谱衰减关系,权且采用美国“下一代衰减关系(NGA)”,其中涉及到震中距和断层距的转换,本文对转换过程进行了进一步论述,以期形成共识。此外,考虑到不同“NGA”衰减关系给出的加速度反应谱差异较大,提出确定设定地震反应谱的新思路。建议汇集已有岩基上较近距离的实测强震记录的反应谱资料,对其按震级和距离进行适当分档,然后插值确定设定地震的场地相关设计反应谱,这样既可以免除当前我国缺乏反应谱衰减关系的困难,还能使确定场地相关设计反应谱的过程大为简化和合理。

单轴压缩条件下混凝土细观破裂过程的X射线CT实时观测

应用X射线CT对单轴压缩条件下混凝土的细观破裂过程进行了实时扫描观测,获得了混凝土试件内部CT尺度裂纹开裂、扩展、连通的全过程CT图像。分析混凝土试件各扫描断面大统计区域平均CT数变化,表明静力压缩条件下混凝土在强度峰值前的CT数呈均匀变化,表现为整体压密和扩容。小统计区域平均CT数变化则对裂纹萌生更敏感。对CT图像进行等密度分割,可以精确地显示裂纹萌生部位和扩展过程。CT图像显示,混凝土材料进入屈服阶段的现象是不同的CT尺度裂纹各自变形和扩展,裂纹发生部位在砂浆与骨料之间。进入软化阶段的现象是不同的CT尺度裂纹相互贯通。分析结果表明,非线性阶段CT尺度裂纹的扩展和变形对混凝土强度和变形有决定性影响。

汶川大地震和大坝抗震安全

本文从大坝抗震安全角度概述了四川汶川8.0级地震的特点,简要介绍和分析了地震中大坝的震情,特别是震区几个百米以上高坝的震害,初步归纳了此次地震的启迪和教训。对于此次地震后国内外提出和关注的若干问题,诸如:是否要在多地震的我国进行高坝建没;如何评价在我国西部强震区兴建一系列高坝的抗震安全性以及汶川地震是否有可能与紫坪铺及三峡等工程水库蓄水有关等等,阐明了作者的观点和认识。最后,提出我国高坝水库抗震安全的重点应是防止其严重地震灾变,探讨了其存在的主要问题及解决途径,并提出了相应的建议。

有横缝拱坝的非线性动力模型试验和计算分析研究

本文通过在大型三向地震模拟振动台上进行的设置伸缩横缝的某拱坝非线性动力模型试验,应用非线性有限元动力分析程序同时进行计算分析,全面系统地研究了拱坝横缝对坝体动力特性和地震反应的影响,并对计算程序进行了改进。试验与计算结果相互印证,验证了试验成果的可靠性和计算分析模型、计算程序与计算结果的合理性。

基于设定地震的重大工程场地设计反应谱的确定方法

场址设计地震动参数的合理确定是重大工程抗震安全分析的重要环节之一。本文分析了基于地震危险性概率分析方法所得到的一致概率反应谱所存在的问题和不足,提出了一个新的反应谱确定方法,其直接采用不经烈度转换的反应谱衰减关系式且以场地相应设防概率水平的地震动峰值加速度为前提,采用发生概率最大的原则和与潜在震源中主干断裂相关联的原则确定场地相关设计反应谱。实例分析表明,该方法所确定的设计地震及场址反应谱参数较为合理,易于为工程设计人员所接受,并能满足工程抗震设计需求。

2008年汶川地震中沙牌拱坝的震情检验和分析

为对2008年汶川地震中沙牌拱坝的震情进行检验和分析,本文提出了一个基于损伤力学对高混凝土坝地震损伤破坏过程分析的新方法,可计入残余变形但避免损伤—塑性耦合。由于汶川地震中未能取得坝址的地震动输入记录,为此,采用随机有限断层法,通过邻近台站的加速度记录,对汶川地震中断层破裂模型参数进行校准后,重建了汶川地震中沙牌拱坝坝址的地震动输入加速度时程。为上述计算研发了高性能并行计算程序,在"天河一号"超级计算机上进行了高效运算,并对都经受过强震的沙牌拱坝和美国帕柯依玛拱坝的震情进行了对比分析。计算结果表明,所建议的方法能可靠应用于混凝土坝的地震损伤破坏过程的分析。

浅论拱坝坝肩抗震稳定

本文从拱坝震害,分析了拱坝抗震的特点、薄弱部位和坝肩动力失稳的过程,指出了拱坝坝肩抗震稳定分析与边坡稳定分析的不同之处,探讨了失稳安全系数的定义和意义,最后,回顾了基于现行抗震规范要求的刚体极限平衡方法并指出了其局限性,以及“九五”攻关期间所采取的改进措施,提出了更切近实际,能反应拱坝抗震稳定诸特点,从概念和方法上都有别于传统的刚体极根平衡法的新的拱坝坝肩抗震稳定分析方法,以及与之相配套的以坝体为主体的坝肩岩体稳定的工程安全准则。

三峡升船机塔柱结构抗震试验研究

通过在大型三向六自由度振动台进行三峡升船机塔在结构的抗震试验，并辅以动力计算分析研究，确定了升船机塔柱结构的固有频率、振型及阻尼比等动力特性，得到了升船机塔柱结构沿主轴方向的设计地震作用下的动力反应，按《水工建筑物抗震设计规范》的要求，评价三峡升船机塔柱结构的抗震安全性，对影响机房设备安全运行的各塔柱顶部最大地震相对位移进行论证。

地震条件下拱坝库水相互作用的试验研究

本文第一部分简要介绍通过室内模型试验研究可压缩库水共振效应的初步成果。试验是对固定在3倍于坝高的矩形水槽中的筒形拱坝进行的。考虑了库底淤砂效应,并和用边界点法进行计算的结果作了比较,进一步探讨了在实际工程中影响库水共振效应的各项因素。 第二部分,通过在白山拱坝模型实测,以及用三向电拟试验求得的振型动水压力,校验了用流固耦合有限元法及目前常用的修正威氏(Westergaard)公式求得的结果。验证表明:流固耦合的有限单元数学模型给出的结果与试验结果很符合,而修正威氏公式给出的结果偏大。

拱坝多点输入动力反应的试验研究

本文叙述了东江拱坝现场基岩钻孔爆破模拟人工地震动，实测坝体、地基河谷的动力反应，研究了坝址河谷多点地震动输入的拱坝与地基动力相互作用及其对坝体动力反应的影响．通过实测资料分析，其结果初步验证了拱坝多点输入动力反应分析的数学模型基本合理．

水电工程抗震设防概率水准和地震作用概率模型

本文基于我国已有的二十余个重大水利水电工程场地地震危险性分析的结果,运用概率分析方法探讨了水电工程抗震设防的概率水准和地震作用的概率模型,以便为正在修订中的《水工建筑物抗震设计规范》提供依据。

拱坝自由场地震输入和反应

本文阐述通过地震自由场地表运动的反演分析、正演计算确定坝址河谷自由场地震运动的途径和拱坝自由场地震输入多点激振的合理的抗震分析方法。在编制完成计算程序的基础上,选取东江双曲拱坝进行了实际地震记录的自由场输入反应分析,探讨了多种因素对拱坝自由场反应的影响,取得了拱坝抗震分析自由场反应的初步结果。

地震危险性分析和地震动输入机制研究

结合溪洛渡、小湾等水电工程 ,研究 30 0m级高拱坝抗震设计中的基础性问题 :场址地震危险性分析中不确定性因素的影响分析、重大工程设定地震的确定、设计地震动输入机制等 ,建立了中国水利水电强震记录数据库 ,首次将地理信息系统 (GIS)高新技术用于水库诱发地震危险性预测分析。本专题成果为大型高拱坝工程的抗震设计提供了一套更合理。

混凝土CT图像中等效裂纹区域的定量分析

从细观尺度观察,混凝土材料可看作由骨料、砂浆及其结合面构成的不均匀复合材料。为研究加载时裂纹在混凝土内部结构中扩展的过程,采用X射线CT扫描技术获得单轴动载条件下混凝土破裂过程的系列CT图像。对于CT图像中裂纹信息的提取,传统的方法是将CT图像中的低密度区作为裂纹区域,无法准确地识别裂纹和判定裂纹具体形态。本文根据差值CT图像是否出现线状或环状影像判断裂纹的存在。通过变换差值CT图像中像素值的阈值范围分析裂纹的分布特点。根据CT物理原理确定等效裂纹区域。探讨了混凝土CT图像中裂纹及其形态的判定时存在的问题。

坝址地震动输入机制探讨

本文首先对坝址地震危险性分析给出的设计地震动峰值加速度的基本概念进行了阐述,讨论了采用封闭的振动体系和开放的波动体系的两种不同地震动输入方式进行建筑物抗震分析的适用范围。论述了作为坝体和地基相互作用中主要因素的地基辐射阻尼的本质,及其在坝体地震响应分析中应予考虑的必要性。总结归纳了与考虑地基辐射阻尼的坝体抗震分析模型相应的两类更合适的入射自由场地震动输入的方式和机制,指出了目前在一些大坝抗震分析中采用地震动输入方式,需要澄清和探讨的问题。最后,对当前在坝址地震动输入方面需要关注和深入探讨的重点问题提出了建议。

评判混凝土高坝地震灾变的关键问题探讨

针对当前我国在西部强震区建设的一系列重大高坝工程的抗震安全问题,提出以"遭遇最大可信地震时不发生严重次生灾变"为确保重大工程抗震安全的战略重点,简要阐述相关工程背景、关键问题及目前已有的基础条件。指出其主要难点在于如何对溃坝的极限状态给出可操作的定量准则。认为基于损伤力学求解坝体-地基体系在强震作用下的损伤破坏过程是可行的。探讨了直接基于试验资料建立计入残余变形的损伤演化规律和力学模型的新思路,避免了损伤与塑性耦合,使分析更贴近实际、计算工作大幅度简化。通过对试件试验结果的实例分析,初步验证了本文方法的可行性。

混凝土高坝强震震例分析和启迪

强震作用下的高坝抗震安全性广受关注。但迄今坝址的地震动输入却仍有较多不确定因素,且高坝的地震响应也相当复杂。对经受强震作用的高坝震害的现场详尽调查和深入分析研究,对改进现行抗震设计理念和推动高坝抗震安全的研究极为重要。本文对全球经受过Ⅷ度以上强震的百米以上混凝土高坝的震害实例进行了较详尽的分析研究,其中包括在中国发生的汶川大地震中对沙牌碾压混凝土拱坝和宝珠寺混凝土重力坝震害的初步调研分析,探讨了从这些震害实例中得到的启迪。

当前我国水工抗震中的主要问题和发展动态

就当前我国水工结构抗震研究中的主要问题和发展动态，诸如：结构－库水－地基的动力相互作用、地震输入机制、坝体和地基的非线性影响，以及地震反应的动态设计和水工结构的抗震可靠度设计等，作了概要阐述。介绍了近年来在这一领域中取得的重要进展并讨论了需要进一步研究的若干关键课题。