張楚漢教授等完成的“高壩動靜力超載破損機理與安全評價方法”項目獲2012年度國家科技進(jìn)步二等獎
積厚流光 助力中國高壩水電站安全運行
實習(xí)記者 潘慧
項目名稱
高壩動靜力超載破損機理與安全評價方法
主要完成人
張楚漢 金峰 王進(jìn)廷 徐艷杰 潘堅文 周元德 王光綸等
項目簡介
項目提出了高壩—地基—庫水系統(tǒng)非線性動力損傷開裂分析模型，可以綜合考慮無限地基輻射阻尼、橫縫幾何非線性等關(guān)鍵影響因素；提出了高壩動靜力超載破壞的非連續(xù)全過程仿真分析模型，實現(xiàn)了高壩結(jié)構(gòu)在動靜力荷載作用下連續(xù)—斷裂—非連續(xù)—破壞的全過程仿真；提出預(yù)測新建高壩安全性態(tài)的工程類比法以及三級承載評價指標(biāo)，建立了科學(xué)性與工程實用性相結(jié)合的高壩安全評價體系；建立了模擬混凝土骨料、砂漿與界面的細(xì)觀力學(xué)仿真模型，加深了對混凝土材料動力特性的認(rèn)識。項目成果全面應(yīng)用于我國高壩工程，解決了高壩安全評價的關(guān)鍵技術(shù)難題，推動了我國高壩水電站建設(shè)的發(fā)展。
高壩建設(shè)對水能資源開發(fā)和水資源綜合利用來說至關(guān)重要，高壩安全問題也是舉世關(guān)注。近年來，我國的高壩建設(shè)迎來了前所未有的契機，在西部地區(qū)興建的一批高混凝土壩不僅規(guī)模史無前例，而且壩高、庫大，大多位于高地震烈度區(qū)，壩址區(qū)地質(zhì)條件之復(fù)雜、地震烈度之高世界罕見，使高壩安全的關(guān)鍵技術(shù)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。但是，目前高壩安全問題國內(nèi)外可借鑒的經(jīng)驗極少，現(xiàn)有理論和工程經(jīng)驗已經(jīng)不能完全滿足不同需求，開展高壩安全性研究成為我國高壩工程建設(shè)迫在眉睫的任務(wù)。
為了填補這些技術(shù)空白，我校水利系教授、中科院院士張楚漢帶領(lǐng)科研團隊迎難而上，悉心鉆研高壩抗震，多年來為我國高壩安全事業(yè)獻(xiàn)計獻(xiàn)力。在國家973計劃、國家自然科學(xué)基金以及其他科研項目經(jīng)費的支持下，團隊結(jié)合我國高壩建設(shè)和水工結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展需求，經(jīng)過多年努力，在高壩動靜力破損機理和安全評價問題的應(yīng)用基礎(chǔ)理論、分析模型和評價體系等方面取得了一系列突破性進(jìn)展。2013年1月，“高壩動靜力超載破損機理與安全評價方法”項目獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。
圖為張楚漢（中）和團隊成員合影。
秉承研究傳統(tǒng) 填補科研空白
但凡大型水利工程，首先要考慮的一個關(guān)鍵因素就是安全性問題。張楚漢曾說，安全是水電站安身立命之本，研究高壩抗震的主要目的就是保證大壩的安全，這對水利建設(shè)來說至關(guān)緊要。
早在1999年，張楚漢團隊在這一科研領(lǐng)域就曾獲得國家自然科學(xué)獎三等獎，本次獲獎項目也是在之前基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化的結(jié)果。這不僅是一個科研項目，更是清華水利人對10余年研究工作的回顧和總結(jié)。
項目團隊主要成員、水利系系主任金峰表示，項目的大部分研究都是歷屆水利系師生累積下來的。“大壩抗震安全評價工作已經(jīng)開展好幾十年了，這幾十年來不斷地有更好、更準(zhǔn)確、更符合實際的辦法來對大壩的安全性進(jìn)行評價，我們就是在評價方法不斷完善和改進(jìn)的過程中，做了應(yīng)該做的那一部分工作。”金峰說。
上世紀(jì)80年代以來，張楚漢團隊結(jié)合工程建設(shè)和學(xué)科發(fā)展需求，系統(tǒng)地開展了高壩破損機理與安全評價方法研究。此前，國際上高拱壩地震分析主要為線彈性模型，迄今也僅有少數(shù)學(xué)者考慮了壩體橫縫非線性和無限地基輻射阻尼效應(yīng)，更沒有充分考慮材料非線性與鋼筋加固措施等相關(guān)問題。
而張楚漢團隊認(rèn)為，研究高壩抗震時不能簡單地將高壩地基“一刀切”。高壩與大地相連，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，振動的能量傳導(dǎo)是在壩體與大地之間進(jìn)行的。另外，高拱壩還有很多橫縫，在遭受強烈地震作用時，壩體橫縫可能滑移和張開，壩體混凝土可能損傷開裂，且不同時刻的狀態(tài)不盡相同。因此，高壩動靜力分析是十分復(fù)雜的“非線性”系統(tǒng)問題，為了真實客觀地反映大壩的抗震動力響應(yīng)特性，必須綜合考慮影響壩體動力行為的多重關(guān)鍵因素。
我國的第一個無限元—有限元線性耦合模型在1986年中美拱壩抗震研討會和1988年第九屆世界地震工程大會上發(fā)表，比歐美學(xué)界整整早了6年。這個模型的提出者正是張楚漢團隊。如今經(jīng)過20多年的不懈研究，他們已做到全面考慮高壩地震反應(yīng)的各項關(guān)鍵因素，建立了迄今最為完整，可以模擬橫縫非線性、材料損傷開裂、鋼筋加固、庫水可壓縮性以及無限地基輻射阻尼的高壩—地基—庫水系統(tǒng)非線性動力損傷開裂分析模型，是該項研究領(lǐng)域的先行者。國際大壩協(xié)會抗震專業(yè)委員會主席馬丁?威蘭（Martin Wieland）曾評價說：“這些非線性方法將在世界范圍內(nèi)顯示其重要性。”
一直以來，張楚漢每周都會在學(xué)校舉行一次研究組研討會，就科研工作的進(jìn)展和存在問題進(jìn)行交流和討論。“科研攻關(guān)中，我們遇到的難題多得不得了，就跟每天吃飯一樣。”金峰幽默地說，“做研究肯定是要做別人沒有做過的事，有難度才有價值。”在這樣的科研精神的指導(dǎo)下，張楚漢團隊取得了多項突破和創(chuàng)新。
走遍祖國各地 科研結(jié)合實際
本項目從數(shù)值和計算機模擬仿真出發(fā)，解決的最大問題是數(shù)值方法的模擬和改進(jìn)，而張楚漢團隊不只停留在模擬階段，團隊研究成果的最大意義在于其實際應(yīng)用，并在應(yīng)用中繼續(xù)總結(jié)和完善理論。
不同的高壩建設(shè)，地質(zhì)狀況和設(shè)計要求不一樣，地震烈度也不盡相同。我國正在新建的小灣和溪洛渡拱壩，正在設(shè)計的白鶴灘和龍盤拱壩，都是壩高近300米的超高壩，庫容數(shù)十億甚至數(shù)幾百億立方米，設(shè)計地震烈度在8~9度以上。這就突出了實地考察調(diào)查的意義。從年逾古稀的張楚漢，到“學(xué)術(shù)新人獎”獲得者王進(jìn)廷，團隊的主力成員幾乎走遍了祖國的大江南北。基于項目研究所建立的模型，團隊研發(fā)了功能強大的有限元計算系統(tǒng)，進(jìn)行了小灣、溪洛渡等20多座高壩的地震反應(yīng)分析和破損機理研究。項目研究成果得到了廣泛應(yīng)用，在我國高混凝土壩的安全評價、抗災(zāi)率評價等方面取得了很大成效，為高壩的抗震設(shè)計和安全性評價提供了可靠依據(jù)。
但是，團隊成員們心里還有一個擔(dān)憂：絕大部分的抗震研究只停留在經(jīng)驗統(tǒng)計方面，因為沒有發(fā)生地震災(zāi)害，因此高壩地震行為無法驗證。
誰也沒有料到，2008年汶川發(fā)生了地震，8級的大地震對四川境內(nèi)的水利工程設(shè)施造成了嚴(yán)重破壞。地震發(fā)生后，張楚漢團隊迅速作出反應(yīng)，多次趕赴災(zāi)區(qū)，對震區(qū)的所有高壩都做了抗震復(fù)核。“整個汶川地震，垮了這么多房子，卻沒有垮一座大壩。從汶川地震來看，我們做的研究還是比較符合實際情況的。”金峰說。
與此同時，張楚漢團隊還邀請了幾十位與抗震相關(guān)領(lǐng)域的專家，負(fù)責(zé)完成了中科院“唐家山堰塞湖整治與北川地震遺址保護(hù)”咨詢項目。咨詢報告上報國務(wù)院后，時任總理溫家寶等國家領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行了批示，成為相關(guān)部門在處理唐家山堰塞湖整治的重要參考依據(jù)，為汶川災(zāi)后重建提供了重要的技術(shù)支持。
在不斷將理論應(yīng)用到現(xiàn)實的過程中，成員們從未停止繼續(xù)科研的腳步，繼續(xù)完善理論成果，得到了一系列規(guī)律性的工程結(jié)論，例如輻射阻尼減小壩體應(yīng)力水平25%~40%，便可較大幅度地降低橫縫開度，使壩體損傷開裂狀況得到明顯緩解，這一成果已正式列入最新修訂的《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》中。
心懷國計民生 助力高壩事業(yè)
高壩抗震是關(guān)乎國民經(jīng)濟發(fā)展的大事，高壩建設(shè)能帶動其他工程，拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，有利于提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏健Ｍ瑫r高壩遇震而不倒，能經(jīng)受住地震的考驗，才能保證下游城鎮(zhèn)的安全，因此維護(hù)高壩的安全也是至關(guān)重要的。
張楚漢團隊的研究成果對于我國高壩建設(shè)和安全運行起到了關(guān)鍵的推動作用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，迄今為止，項目已完成小灣、溪洛渡、白鶴灘、大崗山、拉西瓦、向家壩等20余座高壩的動靜力安全性分析與評價，應(yīng)用率達(dá)90%以上，節(jié)省了大量工程投資，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟與社會效益。汶川地震后，又完成了強震區(qū)大壩震害調(diào)查分析，金沙江、雅礱江、大渡河等流域高壩的抗震復(fù)核，為保障災(zāi)后高壩安全建設(shè)與運行作出了貢獻(xiàn)，取得了巨大的社會效益。
迄今，團隊已發(fā)表期刊論文300余篇，其中SCI收錄70余篇；多次受邀在世界地震工程等國際學(xué)術(shù)大會做主旨報告；出版學(xué)術(shù)專著3部，授權(quán)國家發(fā)明專利12項，撰寫科研報告百余份，培養(yǎng)博士50余人……
這些累累碩果填補了多項科研技術(shù)的空白，為我國的高壩事業(yè)作出了卓越貢獻(xiàn)。而光環(huán)的背后，正是一代代清華水利人努力的汗水。“實際上這是一個不斷改進(jìn)的工作。我們現(xiàn)在也還在改進(jìn)，它就是一項世世代代、漸進(jìn)的、延續(xù)的事業(yè)。”張楚漢表示。
來源：新清華 2013-09-13 第1929期
