张楚汉教授等完成的“高坝动静力超载破损机理与安全评价方法”项目获2012年度国家科技进步二等奖

积厚流光 助力中国高坝水电站安全运行

实习记者 潘慧

　　项目名称

　　高坝动静力超载破损机理与安全评价方法

　　主要完成人

　　张楚汉  金峰  王进廷  徐艳杰　潘坚文  周元德  王光纶等

　　项目简介

　　项目提出了高坝—地基—库水系统非线性动力损伤开裂分析模型，可以综合考虑无限地基辐射阻尼、横缝几何非线性等关键影响因素；提出了高坝动静力超载破坏的非连续全过程仿真分析模型，实现了高坝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；提出预测新建高坝安全性态的工程类比法以及三级承载评价指标，建立了科学性与工程实用性相结合的高坝安全评价体系；建立了模拟混凝土骨料、砂浆与界面的细观力学仿真模型，加深了对混凝土材料动力特性的认识。项目成果全面应用于我国高坝工程，解决了高坝安全评价的关键技术难题，推动了我国高坝水电站建设的发展。

 　　高坝建设对水能资源开发和水资源综合利用来说至关重要，高坝安全问题也是举世关注。近年来，我国的高坝建设迎来了前所未有的契机，在西部地区兴建的一批高混凝土坝不仅规模史无前例，而且坝高、库大，大多位于高地震烈度区，坝址区地质条件之复杂、地震烈度之高世界罕见，使高坝安全的关键技术面临前所未有的挑战。但是，目前高坝安全问题国内外可借鉴的经验极少，现有理论和工程经验已经不能完全满足不同需求，开展高坝安全性研究成为我国高坝工程建设迫在眉睫的任务。

　　为了填补这些技术空白，我校水利系教授、中科院院士张楚汉带领科研团队迎难而上，悉心钻研高坝抗震，多年来为我国高坝安全事业献计献力。在国家973计划、国家自然科学基金以及其他科研项目经费的支持下，团队结合我国高坝建设和水工结构学科发展需求，经过多年努力，在高坝动静力破损机理和安全评价问题的应用基础理论、分析模型和评价体系等方面取得了一系列突破性进展。2013年1月，“高坝动静力超载破损机理与安全评价方法”项目获国家科学技术进步奖二等奖。

图为张楚汉（中）和团队成员合影。

秉承研究传统　填补科研空白

　　但凡大型水利工程，首先要考虑的一个关键因素就是安全性问题。张楚汉曾说，安全是水电站安身立命之本，研究高坝抗震的主要目的就是保证大坝的安全，这对水利建设来说至关紧要。

　　早在1999年，张楚汉团队在这一科研领域就曾获得国家自然科学奖三等奖，本次获奖项目也是在之前基础上进一步深化的结果。这不仅是一个科研项目，更是清华水利人对10余年研究工作的回顾和总结。

　　项目团队主要成员、水利系系主任金峰表示，项目的大部分研究都是历届水利系师生累积下来的。“大坝抗震安全评价工作已经开展好几十年了，这几十年来不断地有更好、更准确、更符合实际的办法来对大坝的安全性进行评价，我们就是在评价方法不断完善和改进的过程中，做了应该做的那一部分工作。”金峰说。

　　上世纪80年代以来，张楚汉团队结合工程建设和学科发展需求，系统地开展了高坝破损机理与安全评价方法研究。此前，国际上高拱坝地震分析主要为线弹性模型，迄今也仅有少数学者考虑了坝体横缝非线性和无限地基辐射阻尼效应，更没有充分考虑材料非线性与钢筋加固措施等相关问题。

　　而张楚汉团队认为，研究高坝抗震时不能简单地将高坝地基“一刀切”。高坝与大地相连，当地震发生时，振动的能量传导是在坝体与大地之间进行的。另外，高拱坝还有很多横缝，在遭受强烈地震作用时，坝体横缝可能滑移和张开，坝体混凝土可能损伤开裂，且不同时刻的状态不尽相同。因此，高坝动静力分析是十分复杂的“非线性”系统问题，为了真实客观地反映大坝的抗震动力响应特性，必须综合考虑影响坝体动力行为的多重关键因素。

　　我国的第一个无限元—有限元线性耦合模型在1986年中美拱坝抗震研讨会和1988年第九届世界地震工程大会上发表，比欧美学界整整早了6年。这个模型的提出者正是张楚汉团队。如今经过20多年的不懈研究，他们已做到全面考虑高坝地震反应的各项关键因素，建立了迄今最为完整，可以模拟横缝非线性、材料损伤开裂、钢筋加固、库水可压缩性以及无限地基辐射阻尼的高坝—地基—库水系统非线性动力损伤开裂分析模型，是该项研究领域的先行者。国际大坝协会抗震专业委员会主席马丁?威兰（Martin Wieland）曾评价说：“这些非线性方法将在世界范围内显示其重要性。”

　　一直以来，张楚汉每周都会在学校举行一次研究组研讨会，就科研工作的进展和存在问题进行交流和讨论。“科研攻关中，我们遇到的难题多得不得了，就跟每天吃饭一样。”金峰幽默地说，“做研究肯定是要做别人没有做过的事，有难度才有价值。”在这样的科研精神的指导下，张楚汉团队取得了多项突破和创新。

走遍祖国各地　科研结合实际

　　本项目从数值和计算机模拟仿真出发，解决的最大问题是数值方法的模拟和改进，而张楚汉团队不只停留在模拟阶段，团队研究成果的最大意义在于其实际应用，并在应用中继续总结和完善理论。

　　不同的高坝建设，地质状况和设计要求不一样，地震烈度也不尽相同。我国正在新建的小湾和溪洛渡拱坝，正在设计的白鹤滩和龙盘拱坝，都是坝高近300米的超高坝，库容数十亿甚至数几百亿立方米，设计地震烈度在8~9度以上。这就突出了实地考察调查的意义。从年逾古稀的张楚汉，到“学术新人奖”获得者王进廷，团队的主力成员几乎走遍了祖国的大江南北。基于项目研究所建立的模型，团队研发了功能强大的有限元计算系统，进行了小湾、溪洛渡等20多座高坝的地震反应分析和破损机理研究。项目研究成果得到了广泛应用，在我国高混凝土坝的安全评价、抗灾率评价等方面取得了很大成效，为高坝的抗震设计和安全性评价提供了可靠依据。

　　但是，团队成员们心里还有一个担忧：绝大部分的抗震研究只停留在经验统计方面，因为没有发生地震灾害，因此高坝地震行为无法验证。

　　谁也没有料到，2008年汶川发生了地震，8级的大地震对四川境内的水利工程设施造成了严重破坏。地震发生后，张楚汉团队迅速作出反应，多次赶赴灾区，对震区的所有高坝都做了抗震复核。“整个汶川地震，垮了这么多房子，却没有垮一座大坝。从汶川地震来看，我们做的研究还是比较符合实际情况的。”金峰说。

　　与此同时，张楚汉团队还邀请了几十位与抗震相关领域的专家，负责完成了中科院“唐家山堰塞湖整治与北川地震遗址保护”咨询项目。咨询报告上报国务院后，时任总理温家宝等国家领导进行了批示，成为相关部门在处理唐家山堰塞湖整治的重要参考依据，为汶川灾后重建提供了重要的技术支持。

　　在不断将理论应用到现实的过程中，成员们从未停止继续科研的脚步，继续完善理论成果，得到了一系列规律性的工程结论，例如辐射阻尼减小坝体应力水平25%~40%，便可较大幅度地降低横缝开度，使坝体损伤开裂状况得到明显缓解，这一成果已正式列入最新修订的《水工建筑物抗震设计规范》中。

心怀国计民生　助力高坝事业

　　高坝抗震是关乎国民经济发展的大事，高坝建设能带动其他工程，拉动当地经济发展，有利于提高当地居民的生活水平。同时高坝遇震而不倒，能经受住地震的考验，才能保证下游城镇的安全，因此维护高坝的安全也是至关重要的。

　　张楚汉团队的研究成果对于我国高坝建设和安全运行起到了关键的推动作用。据相关统计数据显示，迄今为止，项目已完成小湾、溪洛渡、白鹤滩、大岗山、拉西瓦、向家坝等20余座高坝的动静力安全性分析与评价，应用率达90%以上，节省了大量工程投资，产生了显著的经济与社会效益。汶川地震后，又完成了强震区大坝震害调查分析，金沙江、雅砻江、大渡河等流域高坝的抗震复核，为保障灾后高坝安全建设与运行作出了贡献，取得了巨大的社会效益。

　　迄今，团队已发表期刊论文300余篇，其中SCI收录70余篇；多次受邀在世界地震工程等国际学术大会做主旨报告；出版学术专著3部，授权国家发明专利12项，撰写科研报告百余份，培养博士50余人……

　　这些累累硕果填补了多项科研技术的空白，为我国的高坝事业作出了卓越贡献。而光环的背后，正是一代代清华水利人努力的汗水。“实际上这是一个不断改进的工作。我们现在也还在改进，它就是一项世世代代、渐进的、延续的事业。”张楚汉表示。

　　 来源：新清华 2013-09-13 第1929期