高坝大库水利水电工程抗震关键技术及应用效果评估

一、引言

随着我国水利水电事业蓬勃发展，高坝大库工程不断涌现，在防洪、发电、供水、灌溉等诸多领域发挥着不可替代的作用。但我国部分地区处于地震多发带，地震灾害对高坝大库工程的潜在威胁巨大。一旦工程在地震中遭受破坏，不仅会导致水利设施失效，引发洪水泛滥、电力中断等次生灾害，更会对下游人民生命财产安全造成灾难性影响。因此，深入研究高坝大库水利水电工程抗震关键技术并准确评估其应用效果，对保障工程抗震安全、维护社会稳定具有极其重要的现实意义。

二、抗震设计理论与方法

（一）基于性能的抗震设计

1.性能目标设定

根据工程重要性、所处地震环境以及社会经济影响等因素，将高坝大库工程抗震性能划分为不同等级，如小震不坏、中震可修、大震不倒。针对各性能等级明确具体量化指标，例如坝体在不同地震强度下允许的裂缝开展宽度、位移限值等。

2.地震动输入选取

综合考虑场地地震地质条件、地震活动性以及工程设计基准期等，选取合适的地震动参数。通过对场地进行详细地震勘察，分析潜在震源分布、地震波传播路径，采用概率地震危险性分析方法确定不同超越概率水平下的地震动峰值加速度、反应谱特征周期等。结合工程实际需求，可选用天然地震记录或人工模拟地震波作为输入，利用时程分析方法验证设计方案在不同地震工况下的响应，保证设计的科学性与可靠性。

（二）非线性有限元分析方法

1.材料本构模型构建

针对混凝土、岩石等坝体及地基主要材料，建立能够准确反映其在复杂受力状态下非线性力学行为的本构模型。混凝土考虑其开裂、压碎、损伤累积等特性，采用弥散裂缝模型或塑性损伤模型；岩石材料考虑节理裂隙分布、强度各向异性，运用 Hoek - Brown 准则或摩尔 - 库仑准则修正的本构关系。这些模型通过大量试验数据校准，输入有限元软件，精确模拟材料在地震过程中的刚度退化、强度衰减，为坝体结构地震响应分析提供坚实基础。

2.结构——地基相互作用模拟

考虑坝体与地基之间复杂的动力相互作用，摒弃传统的刚性地基假定。采用接触单元或子结构法，模拟地基的柔性变形以及坝体——地基交界面的能量传递、应力分布。在分析高重力坝时，合理模拟地基无限域特性，避免边界反射对计算结果的干扰，准确捕捉坝体在地震作用下因地基变形而产生的附加应力与位移，提升抗震设计精度。

三、工程结构抗震技术

（一）坝体结构优化

1.体型优化设计

依据不同坝型特点，通过改变坝体轮廓形状来改善抗震性能。拱坝采用变厚度、变曲率设计，使拱圈应力分布更均匀，增强拱向承载能力；重力坝在坝踵、坝趾部位设置折坡、齿墙等构造，改善应力集中现象。运用拓扑优化算法，在满足功能要求前提下，寻找最优结构形式，减少材料用量同时提高结构抗震韧性，如某薄拱坝经优化后，在相同抗震设防标准下，坝体混凝土用量减少 ，而抗震安全系数提升 。

2.抗震构造措施

增设各类抗震构造，如坝体横缝间设置跨缝钢筋、键槽，增强坝段间协同工作能力，防止地震时坝段错动；在坝顶、廊道等部位布置阻尼器，耗散地震能量，减轻结构振动响应。在高烈度区的某混凝土坝，安装黏滞阻尼器后，坝顶加速度反应峰值降低 ，有效提升坝体抗震稳定性。

（二）地基处理技术

1.基础加固

针对软弱地基或破碎岩体地基，采用灌浆、置换、强夯等加固措施。灌浆可填充裂隙、提高岩体完整性与强度；置换法挖除软弱土层或破碎岩体，回填高强度材料；强夯利用冲击能压实地基土。

2.抗震隔震技术

引入隔震理念，在坝体与地基之间设置橡胶隔震垫、滑移隔震层等。橡胶隔震垫利用其高弹性与阻尼特性，延长结构自振周期，避开地震动卓越周期，减少输入坝体的地震能量；滑移隔震层允许坝体在地震时产生一定滑移，通过摩擦耗能。

四、抗震监测与预警技术

（一）实时监测系统

1.监测指标选取

确定反映坝体及地基工作状态的关键监测指标，包括坝体位移、应力应变、渗流渗压、地震动参数等。位移监测反映坝体整体变形趋势；应力应变监测捕捉结构内部受力变化；渗流渗压监测预警坝体及地基渗漏风险；地震动监测提供实时地震信息。

2.监测网络布局

依据坝体结构特点、地质条件及潜在震害部位，合理布局监测点形成立体监测网络。在坝体关键截面、薄弱部位、地基深部等重点区域加密监测点，确保监测全面覆盖且重点突出。利用无线传输、卫星通信等技术，实现监测数据实时传输至监控中心，便于及时分析处理。如某大型水库大坝，在坝踵、坝顶等部位布置 GPS 位移监测点，配合内部应变监测，构建全方位监测体系，数据传输频率达 1 分钟 / 次，保障实时掌控坝体动态。

（二）预警技术

1.地震预警算法

基于地震波传播速度差异，研发快速判别地震震级、震中位置及预计到达时间的算法。利用台网监测到的初至 P 波信息，结合地震动衰减关系，在短时间内估算地震参数。当预测地震强度可能危及高坝大库工程时，立即启动预警。

2.预警发布与响应机制

建立与工程管理部门、下游相关单位联动的预警发布渠道，涵盖短信、广播、警报等多种方式，确保信息及时送达。同时制定完善预警响应预案，明确不同预警级别下工程运行管理、人员疏散等应对措施。一旦收到预警，水库提前预泄降低水位、启动备用电源保障监测系统运行，下游组织群众有序疏散，最大限度减轻地震灾害损失。

五、应用效果综合评估

通过对多个高坝大库水利水电工程实例分析，基于性能的抗震设计有效保障了工程在不同地震工况下达到预定性能目标，降低震后修复成本；非线性有限元分析为优化设计提供精准依据，减少设计保守性。在工程结构抗震方面，坝体结构优化与地基处理技术显著提升坝体抗震稳定性，实际工程监测表明坝体在地震中的位移、应力响应得到有效控制。抗震监测与预警系统实现对工程实时状态掌控与灾害预警，提前预泄、应急响应机制多次在地震模拟演练中成功减轻灾害损失。抗震应急处置技术在震后抢修、人员救援等环节发挥关键作用，快速修复材料与装备保障工程迅速恢复运行。综合来看，各项抗震关键技术相辅相成，大幅提升高坝大库水利水电工程抗震能力，保障工程及周边地区安全。

六、结论

高坝大库水利水电工程抗震关键技术研发与应用是一项系统工程，从设计源头把控、结构抗震强化、监测预警保障到应急处置托底，各环节紧密配合。随着科技不断进步，应持续深化抗震技术研究，拓展应用场景，加强不同技术融合创新，进一步提高工程抗震可靠性。同时，强化工程全生命周期抗震管理理念，将抗震技术贯穿规划、设计、施工、运行各阶段，为水利水电事业稳健发展筑牢安全根基，助力国家基础设施建设在复杂地震环境下长治久安。

未来研究可聚焦智能材料与结构在高坝抗震中的创新应用、基于大数据与人工智能的抗震风险动态评估模型构建以及跨区域高坝抗震技术协同发展策略制定等前沿领域，为行业抗震技术迭代升级注入新动力。

参考文献：

[1] 陈厚群， 马震岳， 金峰等. 高坝抗震安全关键技术研究进展[J]. 水利学报， 2019， 50（07）： 765 - 776.

[2] 杜修力， 金浏， 韩强等. 高坝地震灾变模拟与抗震安全评价方法[J]. 建筑结构学报， 2020， 41（06）： 1 - 12.