[00132683]高土石坝地震灾变模拟和工程应用

本成果属于水工结构抗震领域。我国西部修建具有调节性能好的高坝大库是国家重大战略需求,已建、在建或拟建一大批高土石坝,高度将超过或接近300米。但西部地区地震频发、强度大,这些高坝如果遭受地震破坏,会产生一系列严重后果,一旦因地震而溃决,不仅会造成重大经济损失,而且对下游所形成的次生灾害将造成难以估量的人民生命财产损失。基于我国国情,高坝大库“无可替代”的重要作用、地震区建高坝“难以避让”的抗震问题以及一旦发生严重灾变“不堪设想”的次生灾害后果,突显了确保高土石坝抗震安全的极端重要性。 在国家自然科学基金（重大研究计划等）支持下,依托一批世界级的高土石坝工程,针对筑坝材料特性和本构模型、面板与堆石体结构面本构模型、高土石坝-河谷/地基-库水动力相互分析方法、混凝土防渗体损伤演化分析方法、高土石坝地震灾变全过程高性能计算软件系统、高面板坝面板抗震安全控制方法开展了系统、深入的研究。主要研究内容和科技创新包括： （1）首次揭示了筑坝堆石料在循环荷载下的剪胀规律,阐明了单调和循环荷载下颗粒破碎率与塑性功关系;解决了非三轴应力循环荷载下加载方向确定及加卸载判别的难题,发展了考虑颗粒破碎的状态相关广义塑性模型;联合边界面和状态相关理论,提出了三维的广义塑性接触面模型,解决了传统模型难以考虑接触面空间变形耦合效应的难题。研究成果促进了堆石料本构理论的深入研究,为高土石坝地震破坏机理研究提供了先进的本构模型。 （2）考虑库水的可压缩性,建立了基于有限元-比例边界有限元-有限体积法的面板坝-库水流固耦合动力分析方法,可精确模拟坝面动水压力和地震涌浪;发展了混凝土塑性损伤本构模型,实现了高土石坝混凝土防渗体损伤及开裂模拟分析,阐明了防渗体的损伤渐进发展过程和分布规律;发展了人工边界和等效荷载的波动输入方法,实现了高土石坝-河谷/地基系统能量开放的非线性动力分析方法。 （3）采用GPU加速等先进计算技术,集成和发展了大规模、非线性、非连续和多场耦合分析方法,实现了高土石坝施工、运行和地震全过程分析的高性能软件平台,动力计算规模突破了1000万自由度,解决了高土石坝地震灾变全过程计算难题,揭示了高土石坝的地震破坏机理。 （4）揭示了坝体几何特征参数对面板应力分布的影响规律,确定了面板地震高应力区域;提出了释放面板地震应力的组合措施-局部设置永久水平缝及柔性加筋结构,确定了永久水平缝的合理有效区域;提出了采用钢纤维混凝土面板以及局部设置超韧性混凝土复合面板的抗震安全控制方法并进行了验证。研究成果为提高面板坝的抗震性能和极限抗震能力提供了理论依据。 研究成果应用于两河口、猴子岩、阿尔塔什等近20个重点水利水电工程,通过优化大坝抗震设计,提高了大坝地震安全性,节约了工程投资,经济效益和社会效益显著。培养博士和硕士53名。发表论文69篇,其中SCI和EI收录49篇,出版专著3部,授权专利和软件著作权6项。