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1、我国的水能资源又位居世界之首。水电作为可再生清洁能源，在我国进入全面小康社会过程中，对改善我国以煤电为主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨大环境影响及资源和运输紧张，起到无可替代的重要作用。,我国人均水资源极为短缺且时空分布又很不均匀。通过水库大坝等水工程建设，尽可能调节利用汛期洪水对抗旱防洪都有重大意义。,1260,852,536,376,180,114,90,54,72,54,36,20,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,China,Russia,Canada,USA,Norway,Japan,Sweden,Austria,France,Italy,Switz
2、erland,Germany,(2002),21.5%,80%在西部,在充分重视生态和环境影响的前提下，积极有序的进行水库大坝建设是切合国情和社会经济发展所急需。特别是我国大江大河的源头和水能资源集中在西部高山崇岭的陡峻河谷中，地形地质条件适宜于修建移民淹地相对较少而调节性能好的高坝大库。,我国是一个多地震国家，是世界上地震灾害最为严重的国家。而西部地区是我国主要地震区，近代我国82的强震都发生在该地区。,在高坝建设中，目前以混凝土坝为多，特别是我国西部在建和近期拟建的200至300米级的高坝，绝大部分取拱坝方案。,修建于该地区的大坝设计地震加速度都很高，地震多成为设计中的控制工况，,水工混凝
3、土结构中的大坝、特别是高拱坝的抗震安全，是我国当前水电水利建设中急待解决的一个关键技术问题。,修建中世界最高的拱坝 坝高292m,澜沧江小湾拱坝,装机容量1260万千瓦，仅次于三峡工程,大坝的抗震安全评价必须建立在坝址地震动输入、坝体-地基-库水体系的地震响应、和体系结构及其材料的动态抗力这三个相互配套的基础上。,混凝土大坝的抗震问题是一个由水工结构、力学、水力学、混凝土材料、地震学、地质学等诸多学科交义的十分复杂的问题。尤其是其所涉及到的力学问题，复杂程度和难度更为突出。,以最具代表性的拱坝为例，概述其当前工程抗震设计中关注的某些主要力学问题,高拱坝抗震安全评价方法,高拱坝是一个复杂的高次超
4、静定不规则壳体结构，其地震响应涉及到坝体和库水的动态流固耦合问题，以及坝体结构和地基的动力相互作用问题。必须将坝体、库水及其地基作为整个体系，充分考虑坝体、地基和库水三者的动力相互作用。,拱坝坝体受施工条件和大体积混凝土温度控制要求所限，必须以宽度约20多米的坝段分段浇筑，各个坝段间设置横向伸缩缝，待混凝土冷却至稳定温度时，通过缝内埋置的设施进行灌浆，使之在承受库水静压时，成为整体的传力结构。但横缝难以承受拉力，因而在强震时，必将随往复的地震作用而开合，是一个动态接触非线性力学问题。,两岸紧邻坝肩的近域地基中，通常都存在各类不同岩性及裂隙、断层等地质构造，其软弱部分属于材料非线性力学问题。,由
5、于两岸地形和地质条件的差异，导致沿坝基各点的地震动输入相位和幅值都不同，是多点非均匀地震动输入问题。,通过延伸很宽的坝基，坝体振动能量将向远域无限地基逸散而形成所谓辐射阻尼，是一个开放系统的波动力学问题。,混凝土是一种抗拉强度很低的准脆性材料，强震作用下，在坝体拉应力较大的薄弱部位，特别在坝体和地基交接面存在应力集中的角缘效应部位，材料的力学性能，将呈现损伤演化以至反复开裂和闭合的断裂特性。,坝肩岩体的稳定性是保证拱坝安全的决定性因素，在强震时更是如此。任何岩块的失稳都是沿其诸滑动面局部变形累积及由此导致应力调整的发展过程。在地震作用下还随时间变化。迄今拱坝设计中的坝肩岩体稳定校核，都沿用传统
6、的刚体极限平衡法，这只是基于工程经验的一种设计标准，尤其在地震作用下，很难反映拱坝坝肩岩体稳定的真实情况。,将坝体强度与坝肩岩体稳定分开核算，并将坝肩岩体作为刚体，不考虑它与坝体的变形耦合；把拱座推力和坝肩岩体地震惯性力都作为与时间不相关的常量而取其最大值，实际上，作用于坝肩可能滑动岩块的合力大小及方向、从而岩块滑动的类型都是时变的；忽略地震时两岸岩体的动力放大效应；,刚体极限平衡法存在的诸多问题,地震是短时往复运动，坝肩岩块达到极限平衡导致瞬间失稳引起的往复滑移，在地震结束后，可能导致一定残余位移，但如块体抗剪强度产生的抗力仍大于其所承受的静态作用效应时，局部瞬时的动态失稳不一定导致整体最终
7、失稳。岩体变形的发展，不仅改变了拱座推力，而且对坝体应力也影响显著，以致岩体本身虽未发生整体失稳也可能导致坝体破坏。,1971 年及1994 年两次强震中，岩体本身虽未整体失稳，但在左岸顶部坝基处，坝体却都因坝肩岩体变形而严重开裂。,美国Pacoima 拱坝震害验证,1971年地震左拱端接缝张开,1994年左拱端接缝张开,研究拱坝坝肩岩体抗震稳定，应从其对坝体抗震安全的影响出发，评价坝体抗震安全才是其最终目标。研究的主体是坝体，而非坝肩岩块本身。这是探讨坝肩岩体抗震稳定性定义、失稳判据、破坏类型、分析方法等问题的前提。,拱坝的地震响应分析包含了一系列极为复杂因素的非线性动力学问题。由于这些因素
8、间的相互影响，需要同时予以考虑，更增加了求解的难度。,为了要将坝体、地基和库水作为整个系统，同时计入上述影响高拱坝抗震安全评价的诸因素，在集成有关的力学前沿研究成果的基础上，提出了新的抗震安全评价思路和准则，研发了相应的求解方法和计算程序。,高拱坝体系地震破坏过程,开发和完善同时反映下列因素的高拱坝体系三维非线性动力分析方法和程序,坝体、地基、库水体系动力相互作用,坝体伸缩横缝,近域地基内各类地质构造,远域地基辐射阻尼,沿坝基不均匀地震动输入,坝肩各潜在滑动岩块滑动面局部开裂和滑移,坝基抗震薄弱部位局部开裂,将整个系统划分为：包括坝体及计入邻近坝体的各类主要地质构造和其形成的关键潜在滑动岩块的
9、近域地基在内的内部区，以人工透射边界替代的、能体现辐射阻尼影响的远域地基。内部区在空间上以集中质量的有限元法离散，在时间上以中心差分法离散。对由此得出时空解耦方程，作为波传播问题,沿人工边界底部输入三分向地震动位移时程，用逐步积分法，在时域内显式递推求解。因而不需要建立总刚度矩阵，又能适用于各类非线性问题。,开发了拱坝系统时域显式有限元波动求解方法相适应的模拟横缝的动接触力模型。应用接触面的位移协调和应力平衡接触边界条件求解接触力，在时间步长满足积分数值稳定条件下，直接在时步内,求解接触力对结点位移的修正增量。接触力考虑了法向和两个切向分量，采用静、动态不同的摩擦系数，保证法向不嵌入和切向满足
10、Mohr-Coulomb抗剪强度准则，给出横缝法向张开度和切向滑移方向、幅值及地震后的残余滑移量。将横缝动接触面条件推广应用于坝肩潜在滑动岩块的滑动面和坝体薄弱部位的坝基面，以考虑坝肩岩体滑动面的局部开裂、滑移及其对坝体薄弱部位的影响。,结合实际高拱坝工程抗震设计，研究结果修正了通常认为在拱坝设计模型中只需在横缝张开最大处（如拱冠梁处）设置3条横缝的概念。实际上，设置3条以上横缝虽然对坝体应力的变化已不显著，但对工程设计中关心的、影响坝体止水结构安全的横缝最大张开度而言，横缝设置的部位，数量，特别是其关键部位的间距有显著影响。在此基础上，研究了坝体上部设置抗震钢筋和各类减震装置的效果，为采取合
11、理工程抗震措施提供了依据。,人工透射边界和动接触理论计算公式,计算规模庞大，需采用并行算法进一步提高精度和效率,基干有限元模型语言(PFEPG)的专用并行计算程序,非线性动态问题并行求解流程框图,计算10秒，时间增量步为0.0001秒，共10万步,并行效率统计,共有28285个节点，1075个接触点对，总共23862个单元,为最终评价拱坝抗震安全，还需要给出其可定量的失效准则。考虑到坝肩岩体局部非线性变形引起的坝基拱端位移和变形，会导致危及工程安全的坝体应力状态严重恶化，以致坝体丧失蓄水功能而溃决，造成严重次生灾害。因此提出，以导致坝体位移开始发生突变的地震作用作为坝体丧失承载能力的极限值，以
12、其与设计值的比值定义为坝体工程整体的抗震安全系数,小湾拱坝在地震动有效峰值加速度达到0.54g 时，开始突变的坝顶拱冠和两岸拱座的位移时间历程。以其与设计值0.30g 的比值，确定坝体整体的抗震安全系数为1.8。,上述抗震安全评价方法，目前已在实际工程设计中得到了广泛应用。,LDDA 方法(Lagrange Discontinuous Deformation Analysis),动接触边界条件,提高接触力求解精度,容许非点对大滑移,采用非协调边界网格,混凝土坝随机地震响应和抗震可靠度,混凝土坝的抗震可靠度分析研究,我国水利水电工程结构可靠度设计统一标准(GB50199-94)要求结构设计由确定
13、性法转向可靠度法,修编的水工抗震规范(DL5073-1997)进行了大坝抗震可靠度设计的初步探索。,混凝土坝的抗震计算采用以基于概率论的作用和抗力的分项系数和引入结构系数 d 表达的极限状态方程,把地震动的峰值加速度和规一化的设计反应谱坝体和地基材料的动态都作为随机变量考虑,基于全概率原理，用一次二阶矩方法进行抗震可靠度分析,基于随机变量的分析,考虑到地震作用实际上不只是随机变量，而是随时间变化的随机过程。因此，基于首次超越概念和随机振动的均值反应谱方法，对由22 个重力坝系列在地震加速度作为平稳随机过程的假定下，进行了抗震的动态可靠度分析。在其最大反应首次超越概率的公式中,对地震动持时、包括
14、初始静态反应在内的门槛值等参数的不确定性都作了考虑。,基于随机过程的分析,同时考虑地震动持续时间、材料抗力和地面加速度峰值等参数的随机性时，采用了 和 提出的扩展一次二阶矩。在把所有有关参数(x)转换为标准正态变量 U=T(X)后，引入了一个辅助标准正态变量 Un+1=-1Pf(X)，在变换后的空间中的功能函数可生成为：gu(U,Un+1)=Un+1-1Pf T-1(X)式中Pf 是在给定参数X 时的条件破坏概率。这种形式的可靠度问题仍然可以用一次二阶矩法求解。,考虑到随机过程带宽的影响，还按照由Vanmark E.H.提出的方法，根据带宽参数 对结果进行了修正(2=1-12/02，其中0、1
15、、2 分别为零阶、一阶和二阶谱矩)。,考虑参数不确定性的结构随机过程可靠度分析,22个重力坝在 7、8、9地震作用下的最小抗 拉可靠度指标曲线,比较了静态随机变量法、动态的考虑和不考虑带宽修正的均值反应谱法。从比较结果可见，在可靠指标不超过2.0 时，按随机变量计算的结果偏于保守。由于地震加速度的变异性很大，在设计地震作用下坝的地震可靠指标一般都是小于 2.0 的。带宽参数的影响似并不显著。,基于对一系列大坝工程场地所作的地震危险性分析资料，峰值加速度可假定为变异系数 VA=1.38 的极值型概率分布函数，而规一化的反应谱，则可假定为周期在(0.2-2.0)秒范围内的平均变异系数 V=0.3
16、的极值型概率分布函数。,鉴于迄今对坝体和地基材料的动态特性尚缺乏足够的统计资料，因此，借用了其静态特性的对数正态概率模型和参数，只是根据以前的研究结果，将混凝土的动态强度较其静态值提高 30%。,重力坝和拱坝的结构系数 d 的确定，则是在其抗震可靠分析基础上，根据和确定性分析方法结果保持连续性的原则进行校准的。为此，对一系列重力坝和拱坝同时进行了确定性和可靠度的抗震分析。在这种套改基础上提出的分项系数，已经被纳入了修编的水工抗震规范(DL5073-1997)中。,鉴于地震动沿河谷的空间不均匀性对拱坝地震可靠度的影响很显著，因此，对坝址地震动场的随机模拟进行了研究，并提出了把地震学中确定性的低频
17、模拟和地震工程学中随机的中、高频模拟结合起来的速度和位移都有界的杂交模型，其功率谱密度函数可表为：式中：D是表征岩石特性的谱参数，0 是高通滤波的角频率，g、g 和 So 分别是场地的卓越频率、阻尼比和白噪声谱强度。参数D、0 与震源机制有关，可按地震学确定，而g、g、So 则可以很容易根据设计地震的震级M 和震中距R 从强震记录中标定。,基于随机地震动场的分析,为最终形成输入地震动功率谱矩阵SXX()还需引入一个基于强震台网记录求出的空间相关函数和随河谷高程放大的经验函数。对SXX()进行分解后可以得出一组虚拟激励谐波X()，即SXX()=X Xi，用前述多点输入技术可以求出在虚拟谐波激励下
18、的一组虚拟坝体反应。将虚拟反应自乘后可给出反应的功率谱函数。由此可按基于首次超越概念的下列公式求得坝体拉应力的可靠概率：式中：是平均零超越率，是激励持时，为材料抗力，s为最不利组合时的静态应力，是主应力的标准差。,对小湾拱坝(高292m)用随机变量和随机地震动场求得的拉应力等值线比较结果表明：由随机地震动场方法求得的可靠指标比按随机变量求得的要低，尤其是上部拱座处。这是由于随机地震动场方法中，计入了沿坝基输入地震动空间不均匀性，产生拟静模态分量所致。,采用随机过程分析的小湾拱坝抗震可靠度等值线,采用随机变量分析的小湾拱坝抗震可靠度等值线,实际地震动的幅值和频率都是非平稳的。因此，对非平稳特性时
19、坝体可靠度的影响进行了研究。首先，建立了坝址河谷自由场运动的概率模型。在这个模型中考虑了地震动场的一些主要特征，诸如：空间相关性、相位特性、随机性、谱密度系数沿河谷高度的放大、以及沿水平方向的衰减等。其中衰减比是基于对SMART-1强震台阵记录资料的分析确定的。然后，提出了一个生成河谷地表各点随机加速度时程的方法。,结合重力坝，初步探讨了在同时考虑地震动幅值和频率非平稳特性的情况下，按多自由度体系首次超越概率理论求解坝体抗震可靠度的方法。首先通过复解调技术和用低通及Ormsby带通泸波求得地震输入的复调制函数A(t，)，然后再基于频域中输出和输入的关系,计算反应的渐进谱(evolutionar
20、y spectrum)。最后,基于首次超越的概念求得坝体的抗震可靠度,只是这里位移和速度的反应间是相关的。,目前，针对混凝土坝非线性地震反应分析的需要，正进一参研发考虑幅 值和频率都非平稳的场地相关人工模拟随机地震动的生成方法。,大坝混凝土地震动态强度和破坏机理,大坝混凝土以其多级配骨料导致更大的不均匀性而有别于一般混凝土。迄今，大坝混凝土的动强度研究主要通过湿筛小试件试验，比较在单纯的静态和动态加载时的强度。,大坝混凝土的动态抗力是大坝抗震安全评价中的“瓶颈”问题,(2)高拱坝多在运行情况下遭遇地震，震前坝体各部位都已有不同静态应力。需要了解在承受静态预载下的混凝土动态性能强化的变化。,目前
21、迫切需要解决的主要问题是：,(1)大坝混凝都采用三、四级配骨料，需要了解替代大坝混凝土湿筛试件的全级配试件动态性能。,坝体开裂的主要取决于混凝土弯拉强度。大坝混凝土的弯拉强度，反映其在受弯、剪扭作用下开裂破坏的特点，更接近大体积混凝土实际受力状况。因而弯拉(抗折)强度试验是坝工混凝土最广泛的试验方法，其试验结果比较稳定、离散性小，很多国家都列入国家标准，是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。因此，在地震作用下，静态预载对全级配大坝混凝土动态弯拉强度的影响，是国内外工程人员十分关注、而又长期未能解决的关键技术问题。,研究内容(二),混凝土细观力学非线性动力分析,基于试验资料的率效应和损伤本构模型,
22、非线性动力数值分析方法和程序研发,骨料的随机投放及多尺度分析法的应用,二维和三维各类介质有限元网格的生成,技术路线,目 标,大坝混凝土动静态破坏过程及机理,静态预载对动强度影响的机理,数学模型参数敏感性分析,与试验结果相互验证,不同初始静载和加载方式对全级配混凝土动态极限弯拉强度影响,大坝混凝土破坏机理探讨,与均匀的金属材料不同，大坝混凝土作为非均质多相介质复合材料，承载后破坏过程是在各相介质相互作用下微裂纹的萌生、扩展以致形成宏观裂纹，最终导致失效破坏。首先在骨料和水泥砂浆界面薄弱部位的弧立点开裂，然后，骨料和砂浆面咬合作用减弱、可能有相对滑移而使裂纹扩展至砂浆内。当众多微裂纹相互贯通，形成
23、宏观裂纹，并不稳定扩展至最终失去承载能力。其应力应变曲线呈现下降的软化特性，反映的并非塑性而是微裂纹不断形成、扩展的破坏发展过程。,坝体混凝土材料动态强度较静态强度增长机理探讨,静载作用下，某些初始微裂纹尖端的应力集中，使之沿材料最薄弱部位扩展，而在邻近次薄弱部位应力有所减小。裂纹始终追踪最薄弱部位逐渐顺延扩展。直至形成相对集中的宏观裂纹而导致最终破坏。动载作用下，某些次薄弱部位的应力增量，随应变率的加大而快速增长，其值超过了由最薄弱部位开裂而释放的值及其与最薄弱部位初始应力差值之和，导致某些次薄弱部位的微裂纹也同时扩展，逐渐形成多条宏观裂纹共同吸纳外载能量，使破坏时间缩短，材料抗力得以更充分
24、发挥，使动态强度增长。,大坝混凝土动态弯拉强度有明显的率效应。率效应是指其动态弯拉强度随材料的应变率增大而提高，并非仅取决于加载速率。在静态预载超过极限强度一定百分比值，例如30%以上时，混凝土材料内部已经有某些损伤。使之在同样的荷载增量下，应变增量加大，即应变率较无静态预载时为高，应变率效应对动态强度的提高超过了损伤对强度削弱的影响，从而使动态强度的增长有所加大。,坝体混凝土材料动态强度随静态预载增长机理探讨,混凝土细观力学非线性动力分析,水化硅酸钙,微观,宏观,细观,晶体原子结构,混凝土颗粒,实验室尺寸,结构,细观力学动态分析将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥胶体以及两者之间的界面粘结带组成的
25、三相非均质复合材料；在满足配合比要求下考虑骨料单元空间分布的细观层次上划分单元；计入各相介质单元材料的本构模型和应变率效应及其力学参数的随机性；利用非线性动态数值分析方法探索和验证混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态。,混凝土的层次结构示意图,依据国内外大量试验结果，混凝土的动态抗拉强度随应变率提高的规律可以指函数表示。在强震作用下，混凝土高坝的动态应变率大致在10-3-10-2 的量级，其相应的动态抗拉强度强化系数约为1.30 左右。混凝土弹性模量的强化系数可采用类似于强度的表达式，但其随应变率变化的幅度较前者为小。,率应变效应,损伤力学是对混凝土在荷载作用下微裂纹不断萌生、逐渐扩展、贯通等导
26、致介质非连续性的损伤过程，以连续介质中其力学性能随损伤发展而变化的方式体现。从而避免因初始缺陷的存在，裂纹位置、方向、数量及相对缺口深度和端部应力状态的不均匀性、不连续性和随机性，以及大量微裂纹区存在使断裂切口失去敏感性等断裂力学迄今尚无法解决的困难。特别是在三维复杂应力状态时更为突出。,内部损伤效应,动载增量,动力学微分形式：,式中,动力学方程的积分形式,(a)两级配(骨料含量47%),(b)三级配(骨料含量59%),(c)四级配(骨料含量66%),随机球骨料分布模型,按混凝土实际级配的骨料比例，骨料颗粒的空间定位，是建模中的主要困难之一，提出了一种“被占区域剔除”法能够较有效地完成在一定区
27、域内高含量骨料的投放。,(b)三级配随机凸体骨料模型,(a)两级配随机凸体骨料模型,随机凸体骨料模型,三级配随机球骨料模型有限元网格图,随机凸多面体细观有限元剖分,1）混凝土黏结带区域薄，一般在40-50微米2）全级配混凝土试件尺寸大,在三级配试件静动态弯拉强度三维细观力学分析中，即使对细骨料采取分尺度方法处理后，仍有24257个节点，113920个单元。在最新配置的PC机上，计算耗时 291小时57分钟，约12天时间。对于四级配混凝土和扩大细观划分区的试件，存储量和计算机时更将大幅度增长。必须进行并行计算研究。,PFEPG有限元程序自动生成技术,PFEPG 有限元程序自动生成系统,并行计算环
28、境(1)硬件环境：以主频3G、内存1G 以千兆以太网连接的 4台PC机(2)软件环境：Linux操作系统,PFEPG并行有限元程序自动生成系统平台采用MPICH通信。最大控制位移为5.010-4，非线性迭代位移误差范数控制为10-15，最大迭代次数为15次。,湿筛混凝土弯拉三维数值模型,空间网格,对称面网格切面,骨料单元,固化水泥砂浆单元,界面单元,三维随机骨料分布,并行计算分区设定,按坐标共分4个区，x方向剖分数为2，y方向剖分数为2，z方向剖分数为1。,静力计算耗时约15.6小时；动力计算耗时约21小时,预静载对静动综合强度的影响,裂缝扩展过程,静载作用下的开裂过程,动载作用下的开裂过程,静载作用下除少数零星单元破坏外，仅有一个较多破坏单元连通裂缝，而动载作用下有多条单元连通裂缝,动、静载作用下混凝土开裂过程比较,高应变率HEN-16（1.210-2/s)扫描,低应变率HEN-12（1.210-3/s)扫描,破坏前扫描,不同应变率时混凝土试件破坏过程CT扫描图象比较,在当前我国水电和水利建设大好形势下，混凝土大坝抗震安全性面临一系列挑战性的力学难题。需要不断学习和跟踪力学学科发展前沿动态，将其研究成果集成应用于水工结构这一传统学科中混凝土大坝抗震研究的再创新中。希望得到力学界专家、学者的指教、支持和协作。,谢谢,
