高坝动静力超载破损机理与安全评价方法

2017-12-22

  一、项目名称:高坝动静力超载破损机理与安全评价方法

  二、获奖年份、奖项名称及等级:2012年国家科学技术进步奖二等

  三、主要完成单位:清华大学,南华大学,中国长江三峡集团公司,二滩水电开发有限责任公司,华能澜沧江水电有限公司,中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院

  四、主要完成人员:张楚汉,金  峰,王进廷,徐艳杰,潘坚文,樊启祥,吴世勇,黄光明,周元德,王光纶

  五、成果介绍:

  我国高坝已进入300米级建设时代,但设计与安全评价方法仍停留在100米级的线弹性理论,不能满足工程建设需求。为此,从上世纪90年代末开始,项目团队在线弹性研究的基础上,系统地开展了高坝非线性破损机理与安全评价方法研究,在理论模型、评价体系和工程应用等方面取得了重大突破。

  主要创新成果包括:

  1. 提出了横缝非线性拱坝-地基动力相互作用的时域模型,得到了国内外同行的广泛关注和高度评价;在高拱坝地震反应分析中考虑坝体材料的损伤开裂和性能老化,以及钢筋加固等关键因素,引领了高坝抗震研究的发展方向。建立了可模拟横缝非线性、材料损伤开裂、钢筋加固、地基辐射阻尼和库水可压缩性的高坝-地基-库水系统非线性动力分析模型,研发了功能强大的有限元系统。完成了我国200米以上众多高坝的地震反应分析和破损机理研究,得到了一系列规律性的工程结论,为我国300米级高坝的抗震设计和安全性评价提供了技术支撑。

  2. 提出了离散块体系统以刚度、强度、荷载三等效原则的刚体弹簧元方法,和以位移模态求解变形的三维模态离散元方法,建立了结构由小变形到大变形破坏模拟的统一模型;进一步将变形体离散元与损伤断裂模型耦合,首次实现了结构在动静力荷载作用下连续-断裂-非连续-破坏的全过程仿真。结合溪洛渡、锦屏、拉西瓦等高拱坝的坝体-地基整体稳定性分析,揭示了高拱坝-地基系统的破损模式和破坏机理。

  3. 提出了利用国内外已有工程成功运行和破损开裂实例的原型监测资料,采用相同的模型本构、单元网格尺寸和加载方式来预测新建高坝安全行为的工程类比法;提出了高拱坝帷幕安全k1、变形拐点k2与系统稳定极限k3的三级安全系数指标,解决了我国10多座200米级高坝坝踵开裂及坝体极限承载能力评价的难题。此外,还初步建立了基于性能的高坝抗震安全风险评价体系,促进了高坝抗震设计方法的发展。

  4. 建立了能够模拟混凝土骨料、砂浆与界面的三相有限元和颗粒离散元细观力学模型,采用数值仿真与物理试验相结合的方式,研究了混凝土的细观力学性能。首次通过数值仿真方法研究不同应变率条件下混凝土材料的动力特性,揭示了混凝土动力强度提高的机理。

  项目成果初步得到二滩、Kölnbrein等国内外实际高坝工程原型监测成果的验证,在我国新建200米以上高坝工程中的应用率90%以上,完成二滩、小湾、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、锦屏、拉西瓦、大岗山、龙滩、向家坝等20余座高坝的动静力安全分析与评价。在部分完成工程中已节省工程投资2.14亿元,产生了巨大的社会经济效益,对我国高坝建设起到了关键的推动作用。部分成果已列入我国最新修订《水工建筑物抗震设计规范》,成果应用前景广阔,潜在社会经济效益巨大。