混凝土大坝抗震中的力学与实践
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水工混凝土结构中的大坝、特别是高拱坝的 抗震安全，是我国当前水电水利建设中急待 解决的一个关键技术问题。
锦屏一级拱坝 最大坝高：305m 设计地震：0.2g
大岗山拱坝 最大坝高：210m 设计地震：0.557g
二滩拱坝 最大坝高：240m 设计地震：0.2g
小湾拱坝 最大坝高：292m 设计地震：0.31g
混凝土大坝抗震中的力学与实践
我国人均水资源极为短缺且时空分布又 很不均匀。通过水库大坝等水工程建设， 尽可能调节利用汛期洪水对抗旱防洪都 有重大意义。
我国的水能资源又位居世界之首。水电 作为可再生清洁能源，在我国进入全面 小康社会过程中，对改善我国以煤电为 主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨 大环境影响及资源和运输紧张，起到无 可替代的重要作用。
大坝的抗震安全评价必须建立在坝址地震动 输入、坝体-地基-库水体系的地震响应、和 体系结构及其材料的动态抗力这三个相互配 套的基础上。
混凝土大坝的抗震问题是一个由水工结 构、力学、水力学、混凝土材料、地震 学、地质学等诸多学科交义的十分复杂 的问题。尤其是其所涉及到的力学问题， 复杂程度和难度更为突出。
中国水能资源开发潜力巨大
1400 1260
1200
经济可开发量（109kWh/年） 1999年发电量（109kWh）
我国水能蕴藏量分布
中南地区
东北地区
华东地区 4.4%
1.8%
华北地区 1.8%
9.5%
西北地区 12.5%
西南地区 70.0%
1000 800 600 400 200
0
852
21.5%
536 376 180 114 90
54 72
80%在西部
54 36 20
能源以煤为主的格局
2002年中国电力装机容量结构图
核电1.0％
水电24.0％ 2002年中国年发电量结构图
核电1.5％
水电16.5％
火电74.8％
火电81.8％
在充分重视生态和环境影响的前提下， 积极有序的进行水库大坝建设是切合 国情和社会经济发展所急需。特别是 我国大江大河的源头和水能资源集中 在西部高山崇岭的陡峻河谷中，地形 地质条件适宜于修建移民淹地相对较 少而调节性能好的高坝大库。
两岸紧邻坝肩的近域地基中，通常都存在各类不 同岩性及裂隙、断层等地质构造，其软弱部分属 于材料非线性力学问题。
由于两岸地形和地质条件的差异，导致沿坝基各 点的地震动输入相位和幅值都不同，是多点非均
匀地震动输入问题。
通过延伸很宽的坝基，坝体振动能量将向远域无 限地基逸散而形成所谓‘辐射阻尼’，是一个开 放系统的波动力学问题。
混凝土是一种抗拉强度很低的准脆 性材料，强震作用下，在坝体拉应 力较大的薄弱部位，特别在坝体和 地基交接面存在应力集中的角缘效 应部位，材料的力学性能，将呈现 损伤演化以至反复开裂和闭合的断 裂特性。
坝肩岩体的稳定性是保证拱坝安全的决定性 因素，在强震时更是如此。任何岩块的失稳 都是沿其诸滑动面局部变形累积及由此导致 应力调整的发展过程。在地震作用下还随时 间变化。迄今拱坝设计中的坝肩岩体稳定校 核，都沿用传统的刚体极限平衡法，这只是 基于工程经验的一种设计标准，尤其在地震 作用下，很难反映拱坝坝肩岩体稳定的真实 情况。
拱坝坝体受施工条件和大体积混凝土温度控 制要求所限，必须以宽度约20多米的坝段分 段浇筑，各个坝段间设置横向伸缩缝，待混 凝土冷却至稳定温度时，通过缝内埋置的设 施进行灌浆，使之在承受库水静压时，成为 整体的传力结构。但横缝难以承受拉力，因 而在强震时，必将随往复的地震作用而开合， 是一个动态接触非线性力学问题。
龙羊峡拱坝 最大坝高：178m 设计地震：0.24g
拉西瓦拱坝 最大坝高：250m 设计地震：0.20g
溪洛渡拱坝 最大坝高：273m 设计地震：0.32g
白鹤滩拱坝 最大坝高：275m 设计地震：0.325
澜沧江小湾拱坝 修建中世界最高的拱坝 坝高292m
装机容量1260万千瓦，仅次于三峡工程
以最具代表性的拱坝为例，概述其当前工 程抗震设计中关注的某些主要力学问题
高拱坝抗震安全评价方法
高拱坝是一个复杂的高次超静定不规 则壳体结构，其地震响应涉及到坝体 和库水的动态流固耦合问题，以及坝 体结构和地基的动力相互作用问题。 必须将坝体、库水及其地基作为整个 体系，充分考虑坝体、地基和库水三 者的动力相互作用。
刚体极限平衡法存在的诸多问题
将坝体强度与坝肩岩体稳定分开核算，并将坝 肩岩体作为刚体，不考虑它与坝体的变形耦合； 把拱座推力和坝肩岩体地震惯性力都作为与时 间不相关的常量而取其最大值，实际上，作用 于坝肩可能滑动岩块的合力大小及方向、从而 岩块滑动的类型都是时变的； 忽略地震时两岸岩体的动力放大效应；
我国是一个多地震国家，是世界上地震灾害最为严 重的国家。而西部地区是我国主要地震区，近代我 国82％的强震都发生在该地区。
wenku.baidu.com
在高坝建设中，目前以混凝土坝为多，特别 是我国西部在建和近期拟建的200至300米级的 高坝，绝大部分取拱坝方案。
修建于该地区的大坝设计地震加速度都很高， 地震多成为设计中的控制工况，
拱坝的地震响应分析包含了一系列极为复杂因 素的非线性动力学问题。由于这些因素间的相 互影响，需要同时予以考虑，更增加了求解的 难度。
地震是短时往复运动，坝肩岩块达到极限平 衡导致瞬间失稳引起的往复滑移，在地震结 束后，可能导致一定残余位移，但如块体抗 剪强度产生的抗力仍大于其所承受的静态作 用效应时，局部瞬时的动态失稳不一定导致 整体最终失稳。
岩体变形的发展，不仅改变了拱座推力，而 且对坝体应力也影响显著，以致岩体本身虽 未发生整体失稳也可能导致坝体破坏。
美国Pacoima 拱坝震害验证
1971 年及1994 年两次强震中，岩体本身虽未整体失稳，但
在左岸顶部坝基处，坝体却都因坝肩岩体变形而严重开裂。
1994年左拱端接缝张开
1971年地震左拱端接缝张开
研究拱坝坝肩岩体抗震稳定，应从 其对坝体抗震安全的影响出发，评 价坝体抗震安全才是其最终目标。 研究的主体是坝体，而非坝肩岩块 本身。这是探讨坝肩岩体抗震稳定 性定义、失稳判据、破坏类型、分 析方法等问题的前提。
锦屏一级拱坝 最大坝高：305m 设计地震：0.2g
大岗山拱坝 最大坝高：210m 设计地震：0.557g
二滩拱坝 最大坝高：240m 设计地震：0.2g
小湾拱坝 最大坝高：292m 设计地震：0.31g
混凝土大坝抗震中的力学与实践
我国人均水资源极为短缺且时空分布又 很不均匀。通过水库大坝等水工程建设， 尽可能调节利用汛期洪水对抗旱防洪都 有重大意义。
我国的水能资源又位居世界之首。水电 作为可再生清洁能源，在我国进入全面 小康社会过程中，对改善我国以煤电为 主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨 大环境影响及资源和运输紧张，起到无 可替代的重要作用。
大坝的抗震安全评价必须建立在坝址地震动 输入、坝体-地基-库水体系的地震响应、和 体系结构及其材料的动态抗力这三个相互配 套的基础上。
混凝土大坝的抗震问题是一个由水工结 构、力学、水力学、混凝土材料、地震 学、地质学等诸多学科交义的十分复杂 的问题。尤其是其所涉及到的力学问题， 复杂程度和难度更为突出。
中国水能资源开发潜力巨大
1400 1260
1200
经济可开发量（109kWh/年） 1999年发电量（109kWh）
我国水能蕴藏量分布
中南地区
东北地区
华东地区 4.4%
1.8%
华北地区 1.8%
9.5%
西北地区 12.5%
西南地区 70.0%
1000 800 600 400 200
0
852
21.5%
536 376 180 114 90
54 72
80%在西部
54 36 20
能源以煤为主的格局
2002年中国电力装机容量结构图
核电1.0％
水电24.0％ 2002年中国年发电量结构图
核电1.5％
水电16.5％
火电74.8％
火电81.8％
在充分重视生态和环境影响的前提下， 积极有序的进行水库大坝建设是切合 国情和社会经济发展所急需。特别是 我国大江大河的源头和水能资源集中 在西部高山崇岭的陡峻河谷中，地形 地质条件适宜于修建移民淹地相对较 少而调节性能好的高坝大库。
两岸紧邻坝肩的近域地基中，通常都存在各类不 同岩性及裂隙、断层等地质构造，其软弱部分属 于材料非线性力学问题。
由于两岸地形和地质条件的差异，导致沿坝基各 点的地震动输入相位和幅值都不同，是多点非均
匀地震动输入问题。
通过延伸很宽的坝基，坝体振动能量将向远域无 限地基逸散而形成所谓‘辐射阻尼’，是一个开 放系统的波动力学问题。
混凝土是一种抗拉强度很低的准脆 性材料，强震作用下，在坝体拉应 力较大的薄弱部位，特别在坝体和 地基交接面存在应力集中的角缘效 应部位，材料的力学性能，将呈现 损伤演化以至反复开裂和闭合的断 裂特性。
坝肩岩体的稳定性是保证拱坝安全的决定性 因素，在强震时更是如此。任何岩块的失稳 都是沿其诸滑动面局部变形累积及由此导致 应力调整的发展过程。在地震作用下还随时 间变化。迄今拱坝设计中的坝肩岩体稳定校 核，都沿用传统的刚体极限平衡法，这只是 基于工程经验的一种设计标准，尤其在地震 作用下，很难反映拱坝坝肩岩体稳定的真实 情况。
拱坝坝体受施工条件和大体积混凝土温度控 制要求所限，必须以宽度约20多米的坝段分 段浇筑，各个坝段间设置横向伸缩缝，待混 凝土冷却至稳定温度时，通过缝内埋置的设 施进行灌浆，使之在承受库水静压时，成为 整体的传力结构。但横缝难以承受拉力，因 而在强震时，必将随往复的地震作用而开合， 是一个动态接触非线性力学问题。
龙羊峡拱坝 最大坝高：178m 设计地震：0.24g
拉西瓦拱坝 最大坝高：250m 设计地震：0.20g
溪洛渡拱坝 最大坝高：273m 设计地震：0.32g
白鹤滩拱坝 最大坝高：275m 设计地震：0.325
澜沧江小湾拱坝 修建中世界最高的拱坝 坝高292m
装机容量1260万千瓦，仅次于三峡工程
以最具代表性的拱坝为例，概述其当前工 程抗震设计中关注的某些主要力学问题
高拱坝抗震安全评价方法
高拱坝是一个复杂的高次超静定不规 则壳体结构，其地震响应涉及到坝体 和库水的动态流固耦合问题，以及坝 体结构和地基的动力相互作用问题。 必须将坝体、库水及其地基作为整个 体系，充分考虑坝体、地基和库水三 者的动力相互作用。
刚体极限平衡法存在的诸多问题
将坝体强度与坝肩岩体稳定分开核算，并将坝 肩岩体作为刚体，不考虑它与坝体的变形耦合； 把拱座推力和坝肩岩体地震惯性力都作为与时 间不相关的常量而取其最大值，实际上，作用 于坝肩可能滑动岩块的合力大小及方向、从而 岩块滑动的类型都是时变的； 忽略地震时两岸岩体的动力放大效应；
我国是一个多地震国家，是世界上地震灾害最为严 重的国家。而西部地区是我国主要地震区，近代我 国82％的强震都发生在该地区。
wenku.baidu.com
在高坝建设中，目前以混凝土坝为多，特别 是我国西部在建和近期拟建的200至300米级的 高坝，绝大部分取拱坝方案。
修建于该地区的大坝设计地震加速度都很高， 地震多成为设计中的控制工况，
拱坝的地震响应分析包含了一系列极为复杂因 素的非线性动力学问题。由于这些因素间的相 互影响，需要同时予以考虑，更增加了求解的 难度。
地震是短时往复运动，坝肩岩块达到极限平 衡导致瞬间失稳引起的往复滑移，在地震结 束后，可能导致一定残余位移，但如块体抗 剪强度产生的抗力仍大于其所承受的静态作 用效应时，局部瞬时的动态失稳不一定导致 整体最终失稳。
岩体变形的发展，不仅改变了拱座推力，而 且对坝体应力也影响显著，以致岩体本身虽 未发生整体失稳也可能导致坝体破坏。
美国Pacoima 拱坝震害验证
1971 年及1994 年两次强震中，岩体本身虽未整体失稳，但
在左岸顶部坝基处，坝体却都因坝肩岩体变形而严重开裂。
1994年左拱端接缝张开
1971年地震左拱端接缝张开
研究拱坝坝肩岩体抗震稳定，应从 其对坝体抗震安全的影响出发，评 价坝体抗震安全才是其最终目标。 研究的主体是坝体，而非坝肩岩块 本身。这是探讨坝肩岩体抗震稳定 性定义、失稳判据、破坏类型、分 析方法等问题的前提。