西部强震区高混凝土坝抗震安全关键技术

任务来源：

技术领域：水利工程建设与管理

技术来源：国家计划,自主研发。2019 年, “西部强震区高混凝土坝抗震安全关键技术及应用” 项目获中国大坝工程学会科技进步特等奖。发明专利: 一种静动态黏结滑移全过程曲线试验装置及其试验方法;一种混凝土裂缝扩展仿真方法。实用新型专利:抗滑稳定的重力坝;一种静动态黏结滑移全过程曲线试验装置;一种四级配混凝土试件往复弯拉试验装置。软件著作权:混凝土坝地震损伤破坏分析并行计算软件;混凝土大坝地基系统非线性地震波动反应分析程序;LDDA 结构波动分析通用软件;混凝土结构静动态三维非线性有限元软件;重力坝坝体裂缝扩展两阶段预测分析并行计算软件。

技术原理

以防止遭遇最大可信地震时发生库水失控下泄导致严重次生灾害为核心, 创建了一整套集“坝址地震动输入-坝体混凝土动态性能-大坝地震损伤破坏机理 抗震安全定量评价准则” 于一体的混凝土坝抗震安全评价体系, 具体包括:①采用随机有限断层模型确定坝址最大可信地震参数。②采用15MN 动态材料试验机测得坝体混凝土动态性能。③采用基于云计算平台的并行计算技术计算最大可信地震下大坝的损伤破坏状态。④通过10余座高混凝土坝抗震分析, 建立了最大可信地震下高混凝土坝-地基体系抗震安全定量评价准则。成果为国家标准 《水工建筑物抗震设计标准》的制定提供了技术支撑。

技术特色

（1）采用随机有限断层模型构建了确定坝址最大可信地震参数的方法, 研发了相应计算软件,合理反映了近场大震面源破裂的特征, 模拟并重现了汶川地震时沙牌和紫坪铺大坝坝址的地震动。  （2） 研发了大坝芯样和全级配混凝土试件动态轴拉试验的试件可靠连接方法、动态往复加载控制及量测技术,首次获得了动态循环加载下大坝混凝土单轴拉伸应力-应力全过程曲线, 揭示了大坝混凝土动态损伤演化规律。（3）提出了基于试验资料确定残余应变的大坝混凝土动态损伤模型,自主研发了基于云计算平台的超大规模混凝土坝抗震分析模型、方法和相应并行计算软件,并通过对遭遇强震的印度柯以那重力坝和我国沙牌拱坝的实际震情的模拟分析,验证了该模型的合理性,突破了高混凝土坝动力非线性计算中由于规模过大难以实现的瓶颈。（4） 揭示了最大可信地震作用下高混凝土坝的损伤破坏模式及其相应的抗震安全极限状态, 建立了最大可信地震下高混凝土坝-地基体系抗震安全定量评价准则。提出了大坝震损分级、震害评价准则和防止高坝大库强震灾变的对策措施。（5）成果解决了大坝场址最大可信地震、大坝混凝土动态性能、大坝地震损伤破坏机理、抗震安全评价准则等方面基础理论与关键技术。

技术指标

（1）研发了基于随机有限断层法确定坝址最大可信地震参数的计算软件。 （2）研发了全级配混凝土试件动态轴拉试验的可靠连接方法、动态往复加载控制及量测技术,获得试件静态和应变率10-2以下的动态应力应变全过程曲线。（3）研发了基于云计算平台的超大规模混凝土坝抗震分析并行计算软件,实现总自由度数百万的混凝土坝地震损伤破坏过程模拟。（4）通过对4座高重力坝和6座高拱坝在最大可信地震作用下的坝体损伤和整体稳定非线性动力分析计算,提出了评价最大可信地震下大坝不出现库水下泄灾变的安全裕度定量评价准则。

应用范围及前景

适用于国内外强震区混凝土坝工程的抗震安全评价。该成果已在白鹤滩、溪洛渡、沙牌、孟底沟、JH、QBT、印尼 Cisokan、托巴等国内外混凝土坝工程中得到成功应用。典型应用案例:案例1:该技术应用于白鹤滩工程的抗震设计,在合理考虑坝址地震动输入、横缝张开效应、无限地基辐射阻尼、坝体-坝肩整体稳定等的基础上,通过分析计算,论证了抗震设防参数提高后拱坝保持原设计体型的可行性,避免了修改剖面导致的大量设计和勘测试验工作量, 加快了设计进度,新增销售额共17168万元。案例2:该技术应用于溪洛渡工程的抗震设计,深入分析强震作用下的横缝张开、地基辐射阻尼、地震动输入等因素的影响,提出了可靠的分析成果,优化了钢筋布置,节省坝面抗震钢筋量820t、闸墩及孔口抗震钢筋量2210t。论证表明,大坝不设置横缝跨缝钢筋的情况下, 横缝张开度及大坝抗震安全满足要求,大坝抗震设计中取消跨缝钢筋节省钢筋用量6399t。共计节约投资5094万元。

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郭胜山

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中国水利水电科学研究院/中国地震局地球物理研究所/水电水利规划设计总院

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