■本报记者 甘晓

作为重要的清洁可再生能源，水能资源在改善能源结构、促进经济发展等方面发挥着重要作用。“九五”以来，高达305米的锦屏一级混凝土拱坝、高达294.5米的小湾混凝土拱坝等300米级的大型高坝工程陆续在我国水能资源丰富的西南地区建成。

不过，我国西南地区地质构造复杂、地震活动频繁，是全球少有的高烈度地震区，在世界范围内缺少可借鉴的工程实践经验。因此，高坝抗震安全成为制约我国高坝工程建设的关键因素之一。在研究人员看来，高坝地震灾变过程模拟是亟待解决的关键科学问题。

据介绍，在国家自然科学基金委员会“重大工程的动力灾变”重大研究计划（以下简称“重大计划”）启动前，坝体抗震设计分析一般采用的是强度（混凝土坝）或变形（土石坝）控制理论，考虑坝体、地基材料包括破坏阶段复杂的非线性特性的高坝抗震极限承载能力分析研究刚刚起步。

该重大计划“高坝地震灾变模拟与验证”集成项目负责人、北京工业大学教授杜俢力向《中国科学报》记者介绍：“研究团队完善了高坝地震灾变过程模拟模型，发展了近场非线性波动模拟的时域整体分析方法，建立了高坝、地下结构和大型洞室群破坏性地震反应数值模拟软件平台，提出了多项抗震减震设计方法和工程措施等。”

在“近场非线性波动模拟的时域整体分析方法”研究中，研究人员围绕岩土类材料破坏模拟和界面接触非线性本构模型、截断人工边界条件模拟方法和地震输入模型及大型复杂强非线性问题的高效高精度计算方法等三个问题开展了系统的研究，完善和发展了近场非线性波动模拟的时域整体分析方法。

该重大计划建立了混凝土坝—库水—地基非线性动力损伤开裂分析模型，全面考虑了高混凝土坝抗震的关键因素。通过振动台模型试验和实际震害仿真模拟，验证了分析模型。“重大计划以实际高坝工程背景，研究结构从微裂纹的产生、发展，再到宏观裂纹的出现直至最终破坏的全过程，预测了300米级高混凝土坝在强震作用下可能发生的损伤破坏模式。”杜俢力介绍，在这项研究中发现，坝体中的薄弱层将影响坝体整体抗震性能，特别在坝体结构缝张开或开裂后，即坝体进入悬臂梁模式后，对损伤与破坏的位置与形态影响较大。

同时，研究团队采用考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型和三维广义塑性接触面本构模型，对紫坪铺大坝进行了施工期、运行期和地震时的应力和变形模拟分析，解释了汶川地震后大坝出现变形的原因。

八年来，研究团队在理论计算和工程实践中提出了“混凝土坝梁向配筋”、“面板堆石坝面板抗震”等措施。经过验证以后，研究成果已经应用到我国的20余座高坝工程中，部分成果纳入最新颁布的《水电工程水工建筑物抗震设计规范NB35047-2015》。例如，高度为210米的大岗山拱坝建设中，坝区地震基本烈度为VIII度，如此强烈的设计地震水平对工程建设可行性提出了巨大挑战。研究团队提出的坝面抗震钢筋加固的措施，被设计院采纳并实施。

在杜俢力看来，重大计划的研究成果在解决关键科学问题的基础上，促进了我国水利水电工程的建设和水能资源的开发利用，取得了显著的社会经济效益。