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口 汪小刚
高坝大库对水资源的有效调控，对保证国民经济可持续发展有着不可替代的作用，但一旦失事，其后果是灾难性的。要实现高坝大库长期安全运行的目标，需解决以下两大难题：一是震灾机理和有效评价，这是确保非常情况下大坝安全的基础；二是大坝混凝土耐久性和合理使用年限的量化指标，这是大坝安全运行寿命的评价依据。 要实现上述目标，必须开展以下三方面的基础科学研究：①震灾机理和安全评价的基础理论和方法，②大坝混凝土耐久性和多因素作用下安全寿命的基础理论和量化评价，③大坝健康、亚健康诊断和智能防护。 1．震灾机理及安全评价的基础理论和分析方法 首先要解决地震对高坝大库的作用问题，即地震动的输入机制。坝址地震动输入机制是研究高坝大库抗震问题的前提和基础。地震动的输入机制的研究是一个跨学科、跨领域的前沿课题，不仅涉及工程抗震领域，而且涉及地震学、地质学、防灾和环境等学科，难度较大，至今没有得到很好的解决。 其次，对强震区的高坝，还要解决地震荷载作用下大坝的动力响应行为和破坏机理，以及大坝系统的地震承受能力两方面的问题。目前，对强震作用下坝体材料的非线性动力本构模型和参数的研究尚不深入，关于库水一坝体一地基耦合体系的动力相互作用的非线性反应特征、多耦合效应以及非线性求解方法等方面的理论尚未成熟，还不能通过理论分析和数值计算得到地震作用下高坝的真实动力响应，难以搞清楚在地震作用下结构是如何破坏的，即高坝地震灾害机理尚不完全清楚，从而不能够很好地对地震作用下高坝的抗震安全性作出准确的评价，严重影响了高坝大库抗震设计的可靠性、经济性和科学性，制约了高坝大库建设的发展。关于这方面需解决的关键科学问题可概括为：①高坝大库坝址地震动的输入机制，②强震作用下高坝坝体、库水和近域地基耦合体系动力响应的分析理论和方法，③复杂高应力状态下全级配大坝混凝土的动态性能，④高坝地震灾害机理及抗震安全评价的基本理论和方法。 2．大坝混凝土耐久性和多因素作用下安全寿命的基础理论和评价准则 大坝混凝土是人造材料，从拌和制备、浇筑成型、养护到投入服役使用为抗力发育成长期，在成长期内混凝土的各项性能应达到设计指标。在随后服役期内混凝土在环境因素(如冻融、冻胀、温度和湿度变化、水流冲磨等)、化学介质(如水质侵蚀、溶蚀、氯离子侵蚀、碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应等)和交变荷载(周期性荷载作用等)作用下，其性能会逐渐发生变化，抗力随时间而衰减，直到不能满足安全运行要求。混凝土大坝安全运行寿命的评价，首先要搞清服役期内，在环境因素、化学介质和交变荷载等多因素作用下，大坝混凝土材料抗力随时间的演变、衰减规律和机理。在此基础上建立混凝土大坝安全运行寿命的量化指标和评价准则。这一问题不仅限于水工结构领域，而且涉及材料学、防灾和环境等学科，是跨学科的前沿课题。其关键科学问题是：大坝混凝土老化衰变机理以及安全寿命的设计理论与评价准则。 3．大坝健康、亚健康诊断和智能防护理论 我国对大坝的安全评价，分为“正常坝”“病坝”和“险坝”。从大坝质量保证的角度，大坝健康即大坝及其基础的安全状况，在大坝运行寿命期内处于动态变化的过程中。为了确保大坝实现设定的安全经济运行的目标，必须对大坝健康状态进行实时监测并适时诊断提供有效及时的防护。因此，在上述几方面基础理论研究的基础上，通过大坝CT、大坝主因素反分析、大坝动力诊断技术的开发研究及已建坝的症候总结，建立大坝健康、亚健康状态指标体系，形成基于正分析、反分析、观测资料智能处理的大坝健康、亚健康诊断和智能化预警防护系统，这是非常必要的。其关键科学问题是：大坝健康、亚健康诊断和智能防护的基础理论。 二、高坝大库震灾机理及安全寿命基础研究的现状、趋势和工作展望 有关高坝大库震灾机理及安全寿命基础研究的研究现状和发展趋势可以总结为以下几方面： (1)已有的强震资料为大坝地震动输入机制的研究提供了科学依据。 根据以上研究现状和发展趋势，针对高坝大库震灾机理及安全寿命基础研究的若干关键问题，建议在以下方面开展深入全面的研究工作： 1．高坝大库坝址地震动输入机制研究 该项工作主要是研究与坝址河谷相关的地震动传播模型、破坏参数及其分布特征，为合理地确定坝址设定地震提供依据。具体研究内容包括： (1)研究不同震源作用下坝区场地地震动的三维空间相关性、频谱特性、地震动强度特性及其变化规律；研究不同地形地质条件下坝址河谷两岸基岩散射自由场地震动的分布及其传播规律等，深入探索坝址地震动的输入机制和合理的模拟方法。 (2)收集整理我国已建高库大坝相关的地震资料，建立基于Web技术的地震资料数据库；加强对我国已有水工建筑物强震台阵的管理，建置通过网络进行数据收集、分析监测的信息系统，并根据需要选择全国重要的大坝及重点抗震设防的库区，布置新的体现坝址特点的强震观测台阵。 (3)用现有密集台阵的强震记录，分析地面运动强度、地面运动持续时间和地面运动功率谱的空间变化特性，分别建立地面运动强度、运动持续时间和运动功率谱随空间坐标变化的数学模型。 (4)建立我国不同地区峰值加速度衰减关系的数学模型库，在此基础上，利用CIS平台，形成我国主要水系、构造区域、潜在震源区、峰值加速度区划以及水工建筑物所在位置等基础性专题图层，并建立强震对水工建筑物影响程度的等级划分及其相应的数学模型，初步形成对一些重要大坝的快速预测预警的数字减灾系统。 2．强震作用下高拱坝耦合体系的动力响应分析理论和变形破坏机理研究 该项研究主要是建立高拱坝坝体、库水和近域地基耦合体系的动力响应分析理论和方法，揭示强震作用下高拱坝坝体和坝肩的变形破坏机理。具体研究内容包括： (1)研究拱坝-基础-水库耦合系统在强震作用下的非线性动力响应理论，建立可反映坝体材料非线性、接触非线性、位移非线性的动力分析模型和相应的数值仿真模拟系统，并通过大型振动台上的模型试验加以完善和验证。 (2)研究拱坝-基础-水库系统在强地震作用下的破坏特征及破坏过程，重点研究拱坝坝体横缝，坝肩断层、节理及坝肩岩体变形对拱坝坝体地震非线性响应的影响；研究坝体及坝肩岩体在地震作用下沿非连续界面的破坏过程及其基本规律，探索强震作用下高拱坝坝体和坝肩的变形破坏机理。 (3)研究控制拱坝损伤发展的关键因素，包括坝体开裂的临界条件，坝肩沿断层、节理面的动态滑动对坝体安全的影响，建立评价坝体安全和控制坝肩稳定的客观指标，针对不同的情况，提出合理、可靠的抗震加固措施。 3．复杂高应力状态下全级配大坝混凝土的动态性能研究 该工作主要是研究复杂高应力状态及与高坝振动相匹配的加载速率下，全级配混凝土的动态性能和数字仿真模拟技术。具体研究内容包括： (1)应用三维声发射技术、光纤传感量测技术、CT扫描技术和微波内部成像技术，研究大坝全级配混凝土试件在动静复杂应力条件下的变形破坏机理，在微观、细观和宏观不同层次上建立相应的动力响应模型。 (2)建立三维混凝土随机骨料模型，研究全级配混凝土骨料、硬化水泥砂浆和界面三个物理区域的有限元结构性网格的自动生成技术，包括数学模型及可视化编程技术。 (3)采用数字仿真模拟技术，对全级配混凝土试件进行三维动静力分析，深入研究随机骨料模型中各类材料的力学特性及其对宏观力学特性的影响，进行力学参数敏感性分析，以便更加全面地把握全级配混凝土的动态性能。 4．高土石坝地震灾害机理及抗震安全性基本理论研究 该项研究主要是建立高土石坝多耦合非线性动力分析的理论，揭示高土石坝在地震作用下的破损特征与灾害机理，形成地震安全评价与震害预测的实用方法，提出高土石坝抗震设计的基本原则以及抗震减灾的对策。具体研究内容包括： (1)高土石坝多耦合非线性动力分析理论的研究。通过试验研究和理论分析，重点研究复杂应力条件下的非线性动静本构模型，孔压计算模式，地震残余变形计算模式，接触面模拟及边界条件处理方式，库水-坝体-地基等的动力相互作用，固体-流体、线性-损伤(非线性)、连续-离散等的多耦合效应，高精度数值模拟和非线性计算方法等，建立高土石坝多耦合三维非线性地震反应分析的理论和方法，并通过震害实例分析和动力模型试验对分析方法进行验证和改进。 (2)高土石坝在地震作用下破损特征与灾害机理的研究。在对典型震害进行深入分析和研究的基础上，通过室内试验(包括动力模型试验)和现场测试等，重点研究土石料的非线性动力特性和结构的非线性地震反应及动力损伤、破坏特征。研究不同场地类别、地震动参数、坝型、坝料特性等基本控制参数与土石坝地震反应和抗震安全性的各主要指标的相互关系，以及上述基本控制参数和地震反应指标与坝体主要震害形式之间的内在联系，研究和揭示高土石坝在地震作用下的灾害机理。 (3)地震安全评价与震害预测实用方法的研究。结合最新研究成果，进一步揭示土体液化机理及其对坝体地震破坏的影响；完善和发展坝体抗震稳定分析的动力法；重点探索和建立基于坝体残余变形的安全评价理论和方法，在揭示土石坝地震破坏机理的基础上，建立高土石坝地震安全评价与震害预测的基本理论和方法。 (4)土石坝抗震设计基本原则以及抗震减灾对策措施的研究。总结多年来的工程经验，利用相关的土石料动力特性资料和地震反应分析，系统地归纳总结各种抗震方法和工程抗震措施，研究其针对性、可靠性、经济性和作用机理。根据结构的破坏特征和工程的破坏机理，提出合理的高土石坝抗震设计的基本原则和抗震减灾对策。 5．大坝混凝土安全运行寿命设计及评价的基础研究 该项研究主要是建立多因素作用下大坝混凝土的老化机理模型和多因素作用下大坝混凝土安全运行寿命的定量分析与评价方法。具体研究内容包括： (1)大坝混凝土的传输性能与耐久性关系的研究。流体、气体等介质在混凝土中传输，使混凝土内部产生一系列的物理化学反应，造成混凝土的抗力逐渐衰减。这一衰减的过程与混凝土传输性能密切相关。通过室内试验和现场试验掌握混凝土渗漏溶蚀，二氧化碳的碳化，氯离子以及硫酸盐、镁盐等侵蚀性离子的渗透规律及对混凝土安全运行寿命的影响规律，建立与寿命相关的数学模型和定量化评价准则。 (2)大坝混凝土在环境因素作用下疲劳损伤机理的研究。周期性变化的冻融、温度、湿度、库水位会引起混凝土的疲劳损伤。同时混凝土细微观尺度上的不均匀性会引起细微观尺度上应力分布的严重不均，从而引起损伤。本项研究通过模拟试验研究在各项周期性因素变化作用下大坝混凝土的疲劳损伤机理，根据理论和试验研究成果通过数值模拟对混凝土的细观应力变化和损伤过程进行仿真，在此基础上建立大坝混凝土在周期性环境因素变化作用下的疲劳损伤数学模型。 (3)多因素作用下大坝混凝土安全运行寿命的设计理论和评价方法。在以上各项研究成果的基础上，进行多因素作用下混凝土随时间破坏规律的研究。如渗漏和冻融、荷载与侵蚀、冻融与碱骨料、冻融与冲磨等，通过研究，建立混凝土在多因素综合作用下安全运行寿命的数学模型和初步的设计准则及评价准则。 6．大坝健康、亚健康诊断及智能防护理论研究 本项研究主要是建立大坝健康、亚健康状态的指标体系和大坝健康状况的实时监测、及时诊断及预警预报的理论与方法。具体研究内容包括： (1)大坝亚健康症候分析及其指标体系。通过对大坝亚健康症候全面深入的分析，并在其他几个科学问题研究成果的基础上，建立刻画大坝亚健康状态的指标体系。 (2)大坝亚健康状态无损检测方法研究。研究大坝内部孔洞、裂缝、缺陷等与大坝CT图像间的映射理论，研究大坝健康动力诊断的敏感度理论和基于动力方程的反演问题理论。 (3)基于原位监测和无损检测的反分析。根据坝体及基础的监测资料，结合CT以及动力诊断的结果，建立主控因素的反分析模型。 (4)大坝智能防护模式。在上述研究成果的基础上，研究大坝的智能防护模式和智能决策支持理论。 ■ (作者为中国水利水电科学研究院副院长) |