土工抗震60年研究進(jìn)展與展望

趙劍明 ，劉小生 ，楊玉生，楊正權(quán)

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.水利部水工程抗震與應(yīng)急支持工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

1 引言

自汪聞韶院士1958年在中國水利水電科學(xué)研究院創(chuàng)立我國第一個土動力學(xué)試驗(yàn)室、開創(chuàng)我國土動力學(xué)和土工抗震學(xué)科以來，土動力學(xué)及抗震減災(zāi)技術(shù)研究成為中國水利水電科學(xué)研究院的傳統(tǒng)和優(yōu)勢學(xué)科。成功完成了國家“六五”“七五”“八五”“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和“十一五”“十二五”“十三五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、省部委重點(diǎn)項(xiàng)目的科研工作；完成了國內(nèi)外包括均質(zhì)壩、面板堆石壩、心墻堆石壩和尾礦壩等各類壩型百余座大中型工程的大壩和地基工程材料動力特性室內(nèi)外試驗(yàn)、地震動力反應(yīng)分析、安全評價(jià)和抗震加固等方面的研究工作；通過水利水電工程震害調(diào)查，積累和匯編了大量震害資料和處理震害的經(jīng)驗(yàn)；編寫和修訂了《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等多部抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程以及水工設(shè)計(jì)手冊等。

本文以2008年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，總結(jié)了該時(shí)間前后的研究成果，并展望未來的研究方向。首先論述我院土工抗震學(xué)科的創(chuàng)立、發(fā)展和創(chuàng)新歷程，重點(diǎn)論述土體動力特性測試技術(shù)、土體地震液化機(jī)理及判別方法、土工振動臺動力模型試驗(yàn)、土體真非線性動力本構(gòu)模型、土石壩及地基抗震安全評價(jià)方法、室內(nèi)外試驗(yàn)聯(lián)合確定土體動力特性參數(shù)、土石壩及地基抗震設(shè)計(jì)理論（思想）和原則等，并對汶川地震后土工抗震研究的新進(jìn)展和主要成果進(jìn)行論述和總結(jié)，包括高土石壩極限抗震能力分析方法、地震破壞模式、覆蓋層地震液化和高土石壩抗震安全評價(jià)體系等。

2 土工抗震學(xué)科的創(chuàng)立、發(fā)展和創(chuàng)新

2.1 土體動力特性測試技術(shù)我國的土動力學(xué)研究起步于1950年代，汪聞韶率先在國內(nèi)采用圓筒振動試驗(yàn)和現(xiàn)場爆炸等試驗(yàn)方法，對砂土地震液化問題的研究。1959年組建了“飽和砂土液化問題研究”課題組，從此在我國啟動和開展砂土液化問題和土壩及地基抗震問題的系統(tǒng)試驗(yàn)研究。1950年代末，經(jīng)黃文熙倡議［1-2］，在汪聞韶主持下，我院于1961年成功研制了世界上第一臺振動三軸儀（即慣性力振動三軸儀），在國際上開創(chuàng)了用振動三軸試驗(yàn)研究飽和砂土中動孔隙水壓力變化規(guī)律和振動液化的新途徑。之后，結(jié)合1961—1976年我國4次大地震中揭示的土工抗震問題，采用振動三軸儀對砂土液化問題和土壩及地基抗震問題開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1962年，汪聞韶［3］首先發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性對砂土振動孔隙水壓力的影響，之后又成功開展了室內(nèi)和現(xiàn)場剪切波速測試方法和原狀砂取樣及試驗(yàn)技術(shù)的研制以及飽和原狀砂動力特性研究，探討剪切波速反映砂土結(jié)構(gòu)性影響的可能性［4-14］。為了適應(yīng)大壩地震動力反應(yīng)分析和安全評價(jià)發(fā)展的需要，1984年進(jìn)口了日本誠研舍株式會社DTC-158-1型共振柱儀，用于土的動力變形特性研究［15-16］。為了克服振動三軸儀試驗(yàn)時(shí)主應(yīng)力方向不斷作90°變換，每一周循環(huán)荷載下拉半周和壓半周加荷方式不對稱帶來的問題，更好地模擬土層的復(fù)雜現(xiàn)場實(shí)際受力條件，試驗(yàn)室于1986年自行研制了DYJ—1型液壓振動扭剪三軸儀。此外，同期還嘗試研制了疊環(huán)式振動單剪儀。

為了反映壩料實(shí)際粒徑和級配性質(zhì)對粗粒土動力特性的影響，1987年，中國水科院與紅山機(jī)械廠合作，研制了100 t大型動、靜力三軸試驗(yàn)機(jī)，該儀器試樣尺寸為直徑Φ300 mm，高Φ750 mm，成為當(dāng)時(shí)國內(nèi)規(guī)模最大、性能最先進(jìn)的粗顆粒土動力試驗(yàn)設(shè)備［17-18］。以后，在“七五”國家科技攻關(guān)期間，又研制了在大三軸試件進(jìn)行波速測試的裝置，提出了在大型動力三軸試驗(yàn)機(jī)上結(jié)合波速測試和大型動力三軸試驗(yàn)聯(lián)合測定粗粒土動力變形特性的試驗(yàn)方法。在“八五”國家科技攻關(guān)期間，進(jìn)一步對波速測試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并采用了高精度的激光傳感器和測試技術(shù)［19-22］。2001年，進(jìn)一步將大型動力三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了升級改造，將側(cè)壓力由原來的2.0 MPa提高到3.0 MPa，增設(shè)了一套控制精度可達(dá)1%以內(nèi)的電液伺服小應(yīng)力-應(yīng)變控制系統(tǒng)，建立了一套檢測精度在0.5%以內(nèi)的粗粒土試樣的體積應(yīng)變自動測試系統(tǒng)。2001年購置了北京水電物探研究所生產(chǎn)的SWS型多道瞬態(tài)面波儀，開展現(xiàn)場面波測試技術(shù)和試驗(yàn)研究。從法國進(jìn)口了梅納G型旁壓儀，該儀器最大加壓可達(dá)10 MPa，開展了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)確定土體靜、動力模型參數(shù)的研究［23-25］。

2.2 土體地震液化機(jī)理及判別方法研究作為世界上早期研究者，早在1952年，汪聞韶就在Taylor教授指導(dǎo)下，在麻省理工學(xué)院從事“動力荷載下土的特性”試驗(yàn)，研究沖擊荷載作用下土的強(qiáng)度特性［2］。1950年代，我國大興水利建設(shè)，開始注意砂土地震液化問題。1959年，汪聞韶在水利水電科學(xué)研究院組建“飽和砂土液化問題研究”課題組，從此在我國逐步啟動和開展砂土地震液化問題和土壩及地基抗震問題的系統(tǒng)研究。由于圓筒振動液化試驗(yàn)不能反映地基和壩坡的應(yīng)力條件，在黃文熙［1-2］的倡議下，汪聞韶主持并與李樹棻、陳慰權(quán)等合作研制了國內(nèi)第一臺振動三軸儀（慣性力振動三軸儀），并首先應(yīng)用于西克爾水庫、岳城水庫等土壩和地基砂土地震液化試驗(yàn)研究。1962年，汪聞韶發(fā)表了“飽和砂土振動孔隙水壓力試驗(yàn)研究”［3］一文，對影響振動孔隙水壓力增長的主要因素進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了預(yù)振對砂土顆粒排列結(jié)構(gòu)性的影響。這是國際上較早專門研究飽和砂土振動孔隙水壓力的論文，國外直到1966年才見類似的成果報(bào)道，而直到1970年，國外才注意到砂土結(jié)構(gòu)性的影響問題?，F(xiàn)在，循環(huán)荷載振動三軸儀和循環(huán)荷載振動三軸試驗(yàn)已成為砂土液化和動強(qiáng)度等動力特性研究的主要儀器和試驗(yàn)方法，在土石壩及地基抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

1962年和1964年，汪聞韶分別發(fā)表了“飽和砂土振動孔隙水壓力擴(kuò)散和消散問題”［26］和“飽和砂土振動孔隙水力的產(chǎn)生、擴(kuò)散和消散”［27］，在國內(nèi)外最先闡述了飽和砂土在往返（循環(huán)）荷載下孔隙水壓力產(chǎn)生機(jī)理，首先考慮了振動孔隙水力的擴(kuò)散和消散影響，并給出了算例，1965年該方法被應(yīng)用于四川映秀灣電站攔河閘深厚覆蓋層振動孔隙水壓力擴(kuò)散和消散影響的計(jì)算。其中的分析思想即為現(xiàn)在動力有效應(yīng)力分析方法的雛形，而國外直到1970年代初才見類似的成果。

1972年開始，汪聞韶結(jié)合山西神頭電廠地基飽和土層地震作用下穩(wěn)定性研究，從安全考慮，首次提出了“初始極限平衡”的試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)、“地震總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度”概念和考慮上層建筑物荷載影響的“地震總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度”地基地震穩(wěn)定性分析方法，1984年發(fā)表在“在某電廠地基飽和砂性土地震穩(wěn)定性試驗(yàn)中提出的原理和方法”［28］的一文中。這些概念和方法被應(yīng)用于我國許多土石壩的抗震計(jì)算中，并被列入國家標(biāo)準(zhǔn)《地基動力特性測試規(guī)范（GB/T50269-97）》。

1980年1月，汪聞韶在英國“循環(huán)和瞬變荷載下的土”國際學(xué)術(shù)討論會上，發(fā)表“土液化特性中的幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)”［29］一文，并作大會報(bào)告。Finn［30］對他在土的液化研究中取得的成就十分欽佩，在會后出版的《Soil Mechanics—Transient and Cyclic Loads，Constitutive Relations and Numerical Treatment》一書中，特別以一章的篇幅介紹中國學(xué)者的研究成果［30］，由此奠定了汪聞韶在國際土動力學(xué)界的學(xué)術(shù)地位和聲譽(yù)。

土的液化機(jī)理及其與極限平衡和破壞間的關(guān)系，曾是長期困擾土工抗震界的問題。對此，汪聞韶于1980年和1981年，分別發(fā)表“往返荷載下飽和砂土的強(qiáng)度、液化和破壞問題”［31］和“土的液化機(jī)理”［32］論文進(jìn)行闡述，引起全國學(xué)術(shù)界熱烈大討論，促進(jìn)了我國土動力學(xué)的發(fā)展。以后又在專著《土的動力強(qiáng)度和液化特性》［33］中進(jìn)行系統(tǒng)論述，特別澄清土體液化與極限平衡和破壞的區(qū)別［34］，指出三者各有不同的判別準(zhǔn)則，不能混為一談，并提出了防止土體液化破壞的原則和方法。對土動力學(xué)的發(fā)展起到了正本清源的作用。

汪聞韶于1982年首先提出利用剪切波速判別地基飽和砂層地震液化可能性的初判方法，并在山東龍口電廠地基的液化可能性評價(jià)中試用，1984年發(fā)表在“關(guān)于飽和砂土液化機(jī)理和判別方法的某些探討”［35］論文中。經(jīng)過多年應(yīng)用，該方法為國家標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB 50287-99》采用。該方法對于減少勘測和試驗(yàn)工作量、節(jié)省投資，有重大的工程意義。

除了砂土振動液化研究，汪聞韶還首先開展了少黏性土、砂礫料和電廠粉煤灰等的液化特性研究。根據(jù)我國1961年新疆巴楚地震中西克爾水庫土壩震害考察和振動三軸試驗(yàn)，1965年發(fā)表“一個飽和粉質(zhì)壤土的振動試驗(yàn)”［36］的一文，在國內(nèi)外首先注意和研究非砂土（少黏性土）地震液化問題。1978年在“水工建筑物抗震設(shè)計(jì)中的地基問題”［37］一文中提出少黏性土液化判別標(biāo)準(zhǔn)，得到國際廣泛討論、引用和應(yīng)用［38-42］，并為我國《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SDJ10-78試行）》和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50287-99》等采用。

早在1960年代初，汪聞韶就注意和研究了飽和砂礫料液化問題［43］，特別是針對1976年唐山地震密云水庫白河主壩上游砂礫料保護(hù)層發(fā)生大規(guī)模液化滑坡（流滑）的現(xiàn)象，開展了圓筒和三軸振動試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層砂礫料粒徑大于5 mm的顆粒含量小于65%（平均為63%），且缺乏中間粒徑，未能形成粗粒骨架結(jié)構(gòu)，其液化特性主要決定于其中的細(xì)顆粒部分，而后者的相對密度又較低，較易液化，是滑坡的主要原因。1984年，他與常亞屏等聯(lián)名在第八屆世界地震工程會議上發(fā)表“飽和砂礫料在振動和往返加荷下的液化特性”［44］，總結(jié)了自1962年以來對進(jìn)行的砂礫料地震液化現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)圓筒振動和三軸振動試驗(yàn)，對砂礫料液化特性提出了系統(tǒng)研究成果。

汪聞韶首先在我國開展了粉煤灰的強(qiáng)度和液化特性試驗(yàn)研究。1981年起與課題組何昌榮、秦蔚琴等一起，先后對遼寧、富拉爾基和渾江等電廠6種粉煤灰進(jìn)行了靜、動強(qiáng)度和液化特性試驗(yàn)研究［45-46］。1986年發(fā)表“電廠粉煤灰的強(qiáng)度和液化特性以及對貯灰壩設(shè)計(jì)的看法”［47］一文，總結(jié)粉煤灰強(qiáng)度和液化特性研究成果，提出降低浸潤線、采用粗灰和人工加密等貯灰壩設(shè)計(jì)的基本原則。

汪聞韶在我國土動力學(xué)的學(xué)科建設(shè)方面發(fā)揮了創(chuàng)建者和推動者的作用［32，48-49］。1979年第三屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議第一次設(shè)“土動力學(xué)”專題研討，土動力學(xué)開始作為獨(dú)立學(xué)科提出，他作了“土動力學(xué)及其它”的學(xué)術(shù)報(bào)告；1980年，他作為學(xué)術(shù)委員會主席，主持了“土的動力特性學(xué)術(shù)討論會”（后被稱為“第一屆全國土動力學(xué)學(xué)術(shù)討論會”），并作“土的液化機(jī)理”［32］的學(xué)術(shù)報(bào)告，會議還發(fā)起和組織了振動三軸儀的全國大比對試驗(yàn)研究，對于普及和提高我國動力三軸試驗(yàn)水平產(chǎn)生了重要影響。

2.3 深厚覆蓋層動力特性研究由于覆蓋層的原位結(jié)構(gòu)性和地層變化復(fù)雜的特點(diǎn)，如何獲取和把握深厚覆蓋層力學(xué)特性是覆蓋層上建設(shè)高土石壩的關(guān)鍵技術(shù)難題。結(jié)合國家電力公司重點(diǎn)科技課題、水利部“948”創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及國家重大工程建設(shè)實(shí)踐，聯(lián)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)，對深厚覆蓋層勘探和靜、動力工程特性測試技術(shù)進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，考慮土體原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)，綜合確定土體靜、動力工程特性的方法和配套技術(shù)［50-57］。相關(guān)方法和技術(shù)已被成功應(yīng)用于包括察汗烏蘇、公伯峽、九甸峽、烏東德、阿爾塔什、雙江口、蘇洼龍等眾多實(shí)際工程，室內(nèi)和現(xiàn)場測試相結(jié)合確定土體動力特性參數(shù)的理念已成行業(yè)共識，并被寫入水工抗震規(guī)范。

（1）覆蓋層層次結(jié)構(gòu)和剪切波速結(jié)構(gòu)測試技術(shù)。綜合采用面波試驗(yàn)和鉆孔原位波速試驗(yàn)測試技術(shù)，結(jié)合彈性波理論分析，有限元-半無限元和非線性優(yōu)化理論，開發(fā)了依據(jù)實(shí)測瑞利波特征曲線（即瑞利波頻率彌散曲線），反演地基各土層剪切波速的分析方法和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，首次考慮了同一土層中剪切波速隨土層埋深連續(xù)變化的關(guān)系，能更真實(shí)地反映剪切波速的分層結(jié)構(gòu)情況［54］。

（2）依據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定覆蓋層原位相對密度的方法。在現(xiàn)場波速試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外成果調(diào)研，研究了依據(jù)實(shí)測剪切波速和標(biāo)貫擊數(shù)確定砂層原位相對密度的方法，并采用室內(nèi)剪切波速測試或足尺貫入試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)條件下剪切波速或標(biāo)貫擊數(shù)與相對密度的關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)定砂層原位相對密度。

（3）考慮原位效應(yīng)的土體動力本構(gòu)模型［52-53］充分考慮現(xiàn)場原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的特點(diǎn)，對考慮原位效應(yīng)建立土體本構(gòu)模型的方法進(jìn)行了有益探討：提出了一種新的土體動力本構(gòu)模式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的最大動剪模量Gmax及室內(nèi)得到的歸一化的動剪模量比隨剪應(yīng)變衰減關(guān)系曲線（Gd/Gmax～gd/gr），聯(lián)合確定原位土體的動力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，該模式能很好地描述試驗(yàn)結(jié)果；提出土體的阻尼比λ與動應(yīng)變gd的關(guān)系曲線可用參考剪應(yīng)變gr歸一，歸一化曲線λ～gr/gr受結(jié)構(gòu)性、顆粒級配及尺寸等因素的影響很小，室內(nèi)得到的λ～gd/gr曲線能可靠地反映實(shí)際土體的阻尼特性，并提出了新的數(shù)學(xué)模式。

2.4 土石壩振動臺動力模型試驗(yàn)研究1986年，汪聞韶在全國土工建筑物及地基抗震學(xué)術(shù)討論會做了“土石壩的抗震計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)及原型觀測”［49］的學(xué)科發(fā)展水平綜合報(bào)告，指出“模型實(shí)驗(yàn)和理論分析相互結(jié)合，相互檢驗(yàn)和相互促進(jìn)，是促使土石壩抗震研究深入發(fā)展的必由之路”。

在“九·五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，開展了高土石壩振動臺模型試驗(yàn)方法和技術(shù)的探索研究，探索建立了面板壩振動臺模型試驗(yàn)的相似律，探討了面板壩大型振動臺模型試驗(yàn)方法和測試技術(shù)［58］。利用具有世界先進(jìn)水平的大型三向模擬地震振動臺進(jìn)行了較系統(tǒng)的土石壩振動模型試驗(yàn)研究，為改進(jìn)和驗(yàn)證面板壩地震動力反應(yīng)分析方法提供了全面系統(tǒng)的基本資料［59-60］。經(jīng)過十多年的發(fā)展和完善，開發(fā)的土石壩振動臺模型試驗(yàn)方法和技術(shù)已被較廣泛的應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)高土石壩的抗震安全評價(jià)和抗震措施比選上，如國內(nèi)的雙江口和兩河口心墻堆石壩抗震安全評價(jià)［61-64］，紫坪鋪面板堆石壩震后抗震安全復(fù)核和加固設(shè)計(jì)措施驗(yàn)證，在高土石壩抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。目前，在已有研究成果基礎(chǔ)上，土石壩振動臺相似模型試驗(yàn)方法和技術(shù)已被納入了《水工建筑物抗震試驗(yàn)規(guī)程》（SL 539-2011）。

2.5 真非線性動力本構(gòu)模型及土石壩抗震安全評價(jià)方法“八五”期間，開展了土石壩的黏彈塑性本構(gòu)模型研究，建立了一個二維的黏彈塑性動力本構(gòu)模型［65-67］，之后根據(jù)土石壩的特點(diǎn)將其推廣到三維問題，建立了適用于土石壩的三維黏彈塑性動力本構(gòu)模型［68-72］，即中國水科院三維真非線性模型。該模型克服了等效線性黏彈性模型和基于Masing準(zhǔn)則的非線性模型的缺點(diǎn)，不僅在理論上有創(chuàng)新，而且其主要參數(shù)可以用常規(guī)應(yīng)力控制循環(huán)三軸儀試驗(yàn)測定，也可用等效黏彈性模型參數(shù)換算，工程實(shí)用性強(qiáng)，為土石壩及地基的地震反應(yīng)分析提供了先進(jìn)、可靠、實(shí)用的動力本構(gòu)模型，中國水科院真非線性模型已成為業(yè)界有影響力的動力模型。在三維真非線性模型基礎(chǔ)上，“九五”期間，進(jìn)一步建立了中國水科院三維真非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析方法和抗震安全評價(jià)方法，并自主開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序SKERD，為土工抗震設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支持［58，68-71］。

2.6 土石壩及地基抗震設(shè)計(jì)理論（思想）和原則土壩及地基抗震研究是我院的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，歷來十分注意實(shí)際地震震害現(xiàn)場調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并根據(jù)我國的實(shí)際情況，首先提出了“工程措施比理論計(jì)算更為可靠，變形分析比穩(wěn)定分析更有意義”等一整套具有中國特色的土壩及地基抗震設(shè)計(jì)理論（思想）和原則。

早在1960年代初，課題組就開始了土壩和地基抗震問題的研究，多次發(fā)表論文總結(jié)土壩抗震計(jì)算方法和抗震工程措施［73-78］。課題組十分重視對實(shí)際地震震害資料的收集、整理和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。參加了邢臺、海城、和林格爾及唐山等我國歷次地震現(xiàn)場震害調(diào)查，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。參加了《唐山大地震震害》編寫工作，主持編寫“水利工程”等。主編完成《中國水利工程震害資料匯編（1961—1985年）》［79］，該書較全面地反映了我國大陸在1961—1986年期間歷次強(qiáng)地震中水利工程的震害經(jīng)驗(yàn)。

參加了我國第一部水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范編制工作，負(fù)責(zé)地基部分。1978年提出了“水工建筑物抗震設(shè)計(jì)中的地基問題”的論文，根據(jù)我國歷次地震中水利工程震害經(jīng)驗(yàn)，提出了水工建筑物地基抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重考慮的六大問題，特別對地基“液化”土層和軟弱黏性土的抗震性能及其評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。這些成果全部被《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SDJ10-78）》（試行）所采納。

1979年，汪聞韶主持編寫了《中小型水工建筑物抗震知識》［80］，對我國廣大地震區(qū)的水工建筑物震害和修復(fù)、安全檢查以及抗震設(shè)計(jì)等方面經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，對普及和推廣水利工程抗震科學(xué)發(fā)揮了重要作用。書中提出的原則、方法和措施，對我國廣大中小型水利工程的抗震設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

汪聞韶于1981年發(fā)表“我國土壩抗震與水庫安全”［75］，對我國土壩抗震與水庫安全中的突出問題進(jìn)行了探討。根據(jù)我國土壩實(shí)際地震震害經(jīng)驗(yàn)和土壩計(jì)算的發(fā)展水平，提出要做到土壩和水庫的抗震安全，應(yīng)該七分依靠工程措施，三分依靠計(jì)算等指導(dǎo)原則。同時(shí)，對土壩抗震的主要工程措施、抗震計(jì)算、震害修復(fù)和抗震加固問題，都提出了具體看法和建議。

針對1976年唐山大地震密云水庫白河主壩上游砂礫料保護(hù)層發(fā)生大規(guī)模液化滑坡暴露出的土石壩設(shè)計(jì)地震穩(wěn)定分析中的缺陷，汪聞韶明確提出了“工程措施比理論計(jì)算更為可靠，變形分析比穩(wěn)定分析更有意義”等重要思想和指導(dǎo)原則，對土石壩抗震設(shè)計(jì)思想和原則的改變產(chǎn)生了重要影響。以后又指導(dǎo)開展了高土石壩地震殘余變形分析的研究工作。

3 汶川地震后土工抗震研究的新進(jìn)展

紫坪鋪面板堆石壩堪稱目前世界上唯一一座遭遇強(qiáng)震的壩高大于150 m的高混凝土面板堆石壩，其抗震安全性和加固措施備受關(guān)注。紫坪鋪大壩當(dāng)時(shí)按地震烈度8度設(shè)防，原設(shè)計(jì)采用100年超越概率2%的峰值加速度為0.26g。紫坪鋪工程距離汶川大地震震中僅17 km，根據(jù)目前的地震資料，此次壩址區(qū)的地震烈度在9～10度。大壩經(jīng)受住了這次超常地震的考驗(yàn)，說明當(dāng)時(shí)的抗震分析和抗震設(shè)計(jì)是成功的。紫坪鋪面板堆石壩也產(chǎn)生了明顯的震害，主要是地震永久變形、面板擠壓破壞和錯臺、壩頂結(jié)構(gòu)及下游壩坡等局部破壞等［81-82］，面板混凝土及接縫止水的局部破壞對大壩防滲系統(tǒng)的止水性能有一定影響，滲流量較之震前有所增加。2008年“5·12”汶川特大地震之后，紫坪鋪大壩震損情況和震后安全備受政府和社會各界關(guān)注，中國水科院抗震專家于震后第二天即到達(dá)紫坪鋪大壩，在水利部抗震救災(zāi)領(lǐng)導(dǎo)小組統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下對紫坪鋪大壩進(jìn)行震損評估，獲得了紫坪鋪大壩震害的第一手資料［81-82］。中國水科院在震前的抗震分析和評價(jià)成果與紫坪鋪面板壩“5·12”震害具有良好的可比性，證實(shí)了動力分析方法的可靠性和動力計(jì)算的必要性?！?·12”汶川特大地震之后，針對汶川地震揭示的高土石壩抗震安全問題，中國水科院結(jié)合“十一五”國家科技攻關(guān)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和973計(jì)劃等國家層面的項(xiàng)目，圍繞高土石壩抗震安全問題，開展了系統(tǒng)的研究工作。在高土石壩極限抗震能力分析方法、地震破壞模式、覆蓋層地震液化、高土石壩抗震安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面取得了一系列進(jìn)展，建立了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，原型震害調(diào)查、振動臺模型試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的高土石壩抗震安全評價(jià)體系。

3.1 紫坪鋪大壩“5·12”震害對真非線性分析方法和抗震安全評價(jià)方法的驗(yàn)證在紫坪鋪面板堆石壩的設(shè)計(jì)階段，按照水工建筑物抗震規(guī)范的要求進(jìn)行了全面的抗震計(jì)算。中國水科院作為設(shè)計(jì)的科研支持單位，通過室內(nèi)大型動、靜三軸試驗(yàn)，詳細(xì)研究筑壩材料和覆蓋層地基的動、靜力工程特性，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用非線性鄧肯-張E-B模型對大壩進(jìn)行了三維靜力分析，采用三維真非線性模型進(jìn)行了8度地震情況下的動力反應(yīng)分析和安全評價(jià)［58］。

中國水科院結(jié)合紫坪鋪面板堆石壩設(shè)計(jì)進(jìn)行的地震反應(yīng)分析與評價(jià)研究工作于2001年完成，主要成果匯總在2005年正式出版的文獻(xiàn)［58］中。根據(jù)目前的地震資料，2008年“5·12”汶川大地震時(shí)，大壩遭受的地震作用在9～10度，地震反應(yīng)量值顯著增大；從大壩震后資料來看，大部分反應(yīng)與原來抗震分析的規(guī)律一致。

圖1 地震殘余變形（震前分析）［58］

圖2 地震殘余變形（實(shí)際震害）

圖3 單元抗震安全系數(shù)等值線和下游坡最危險(xiǎn)滑動面位置（震前分析）［58］

圖4 下游壩坡震損（實(shí)際震害）

根據(jù)震前中國水科院的地震殘余變形計(jì)算結(jié)果（見圖1），壩體垂直震陷和水平變位矢量疊加后均指向壩內(nèi)，輪廓圖顯示壩體在強(qiáng)震作用下整體是收縮的，與5·12震害現(xiàn)象（圖2）一致。根據(jù)當(dāng)時(shí)計(jì)算的加速度反應(yīng)、單元抗震安全性以及壩坡抗震穩(wěn)定性（圖3）分析成果，大壩壩頂和壩頂附近下游坡上部1/4～1/3區(qū)域是抗震的薄弱部位，這與“5·12”震害中壩頂和下游坡破壞區(qū)域（圖4）吻合。當(dāng)時(shí)的計(jì)算分析表明，河床中部以及壩頂附近動力反應(yīng)最為強(qiáng)烈，壩頂及壩頂附近下游坡區(qū)域的加速度反應(yīng)是比較大的，存在地震作用下上述區(qū)域堆石松動、滑落的可能性，也在這次大地震中得到驗(yàn)證。

紫坪鋪大壩震前設(shè)計(jì)階段的抗震計(jì)算成果與“5·12”震害的良好可比性，以及基于計(jì)算成果采取的抗震措施的有效性證實(shí)了中國水科院真非線性分析方法和抗震安全評價(jià)方法的可靠性和先進(jìn)性，表明目前的土石壩抗震計(jì)算方法能夠反映大壩地震反應(yīng)的主要特征，能夠揭示大壩抗震的薄弱環(huán)節(jié)，也為汶川地震后有關(guān)土石壩抗震的規(guī)范修編和制定提供了可靠的科技支撐。中國水科院真非線性模型和方法也得到了顧凎臣等抗震專家的高度評價(jià)［83］。

3.2 高土石壩極限抗震能力分析方法“5·12”汶川特大地震后，強(qiáng)震區(qū)高壩的抗震安全問題倍受關(guān)注，高土石壩的極限抗震能力更是汶川地震后被關(guān)注的焦點(diǎn)。大壩的極限抗震能力成為評價(jià)高壩大庫抗震安全性的重要方面，但由于問題的復(fù)雜性，當(dāng)時(shí)國內(nèi)外還沒有規(guī)范或?qū)t明確規(guī)定土石壩的極限抗震能力分析和評價(jià)方法及相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足這一高壩抗震的新需求，中國水科院率先提出了基于穩(wěn)定、變形、防滲體系安全的高土石壩抗震安全評價(jià)和極限抗震能力分析方法［84-86］。

鑒于對極限抗震能力沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行多種工況、多種角度的綜合分析，考慮到變形、穩(wěn)定和防滲體安全是決定高土石壩抗震安全的關(guān)鍵因素，提出了分別從穩(wěn)定、變形和防滲體安全等方面，對大壩的極限抗震能力進(jìn)行研究和分析，并提出和完善了有關(guān)的判定原則和定量標(biāo)準(zhǔn)，并在紫坪鋪、長河壩、兩河口、大石峽和阿爾塔什等一系列高土石壩中得到應(yīng)用，并被抗震規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊采用。

3.3 高土石壩地震破壞模式通過震害分析、大型振動臺模型試驗(yàn)和離心機(jī)振動臺模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等多種手段，揭示了高土石壩動力破損特征和破壞模式。通過開展振動臺模型系列試驗(yàn)研究再現(xiàn)了壩體地震局部破損到整體破壞的整個過程，首次對壩坡的動力破壞特征進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。根據(jù)大型（離心機(jī)）振動臺模型試驗(yàn)和數(shù)值分析等所揭示的特高土石壩動力反應(yīng)特征、災(zāi)變演化機(jī)制、破壞形態(tài)、破壞模式及關(guān)鍵薄弱部位，提出了提升特高土石壩極限抗震能力的抗震加固工程措施，開展了動力模型試驗(yàn)，研究了抗震加固措施作用機(jī)理，驗(yàn)證提升特高土石壩極限抗震能力的工程措施效果，初步提出了特高土石壩抗震加固設(shè)計(jì)方法。

圖5 通過振動臺模型試驗(yàn)研究大壩的地震破壞模式和破壞機(jī)理

3.4 覆蓋層土體地震液化強(qiáng)震作用下，深厚覆蓋層的地震穩(wěn)定性是決定大壩地震破壞與否最關(guān)鍵的因素，但還沒有成熟的方法對其進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。因此，圍繞深厚覆蓋層地震穩(wěn)定性問題，開展了深厚覆蓋層動強(qiáng)度特性影響機(jī)制研究和地震穩(wěn)定性評價(jià)方法研究。闡明了覆蓋層深埋砂土在高應(yīng)力條件下的動強(qiáng)度特性及復(fù)雜因素作用下的演化規(guī)律，提出了聯(lián)合現(xiàn)場原位室內(nèi)能夠考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)和室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行多種應(yīng)力條件控制，考慮多種因素影響的優(yōu)勢，綜合確定深厚覆蓋層土體動力變形特性參數(shù)和動強(qiáng)度特性參數(shù)的方法。在動強(qiáng)度特性影響機(jī)制研究基礎(chǔ)上，提出應(yīng)采用非線性化方法考慮工程加卸荷條件下上覆有效應(yīng)力對土體抗液化能力的影響，改進(jìn)了筑壩等工程活動引起應(yīng)力條件變化時(shí)評價(jià)覆蓋層地震液化的方法，并在國內(nèi)外歷次地震液化案例基礎(chǔ)上，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層地震液化評價(jià)方法，初步提出了深層砂土地震液化評價(jià)方法［56，88-90］。所建議的新的液化判別公式能夠避免原規(guī)范公式誤判引發(fā)的土石壩地震破壞隱患，已被相關(guān)抗震規(guī)范和勘察規(guī)范采納［91-93］。

圖6 高土石壩極限抗震能力分析方法與抗震安全性評價(jià)體系

3.5 高土石壩及地基抗震安全評價(jià)體系建立及發(fā)展汶川地震后，圍繞國家重大工程建設(shè)需求和國家“十一五”“十二五”和“十三五”國家科技攻關(guān)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、973計(jì)劃等國家級項(xiàng)目，結(jié)合汶川地震中紫坪鋪面板堆石壩原型震害調(diào)查，開展了紫坪鋪水庫震損評估與抗震減災(zāi)技術(shù)研究，通過全面調(diào)查和基本參數(shù)復(fù)核，對紫坪鋪面板堆石壩的震害進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與分析，研究了大壩在地震作用下的破損特征和成因，進(jìn)行了抗震減災(zāi)工程措施加固機(jī)理和不同加固措施減災(zāi)效果研究［67-68，81-82，86，94-96］。建立了如圖6所示的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合、原型震害-數(shù)值模擬-物理模擬相結(jié)合、變形分析和穩(wěn)定分析相結(jié)合、整體穩(wěn)定分析和局部穩(wěn)定分析相結(jié)合的基于變形、穩(wěn)定和防滲體系及地基安全的高土石壩抗震安全評價(jià)體系。這些成果被國家標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51247-2018）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35047-2015）等規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊采納和推廣。

確定合理可靠的筑壩材料特性和計(jì)算參數(shù)是計(jì)算分析與安全評價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，結(jié)合新疆等強(qiáng)震和復(fù)雜地質(zhì)條件下高土石壩建設(shè)的需要，進(jìn)一步開展了在粗粒料力學(xué)特性參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法、高土石壩填筑標(biāo)準(zhǔn)以及土石壩抗震設(shè)計(jì)理論和措施方面的研究工作。為了解決尺寸效應(yīng)的影響問題，中國水科院提出了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定壩體和壩基材料參數(shù)的方法，并率先依托代表性的重大工程，開展了大尺寸、高應(yīng)力的現(xiàn)場大型載荷和大型直剪等試驗(yàn)［97-101］。另一方面，中國水科院首先提出了研制試樣直徑1 m的超大三軸試驗(yàn)機(jī)的思路，目前采用中國水科院研制的1500 T超大型三軸試驗(yàn)機(jī)的土石料靜動力試驗(yàn)正在進(jìn)行之中。

4 研究展望

我國地處世界兩大主要地震帶之間，大部分國土面積為強(qiáng)烈地震區(qū)。我國水庫大壩星羅棋布，其中絕大部分為土石壩，有些土石壩規(guī)模之宏大，壩高之高，地質(zhì)環(huán)境之復(fù)雜是史無前例和世無先例的。高壩大庫一旦地震發(fā)生潰決失事，災(zāi)害后果不堪設(shè)想，土石壩作為一種主要選擇壩型，抗震安全問題十分突出。未來迫切需要開展以下幾個方面研究。

（1）復(fù)雜深厚覆蓋層上土石壩抗震安全關(guān)鍵技術(shù)研究。我國西南、西北等地區(qū)的水利水電工程很多需建在復(fù)雜深厚覆蓋層壩基上，尤其是需要在覆蓋層上建設(shè)土石壩的工程越來越多，規(guī)模越來越大。有的覆蓋層甚至深厚超過400 m，并地處9度地震烈度區(qū)，在世界上亦屬罕見。雖然我國目前在覆蓋層筑壩已取得一些經(jīng)驗(yàn)，但至今還沒有對覆蓋層壩基變形控制和安全性評價(jià)等方面進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，諸如復(fù)雜地形地質(zhì)條件下地震動傳播特性及輸入機(jī)制、考慮原位效應(yīng)的覆蓋層壩基的變形特性參數(shù)確定、復(fù)雜深厚覆蓋層砂層或透鏡體液化判別和壩基穩(wěn)定性評價(jià)、高水頭作用下覆蓋層壩基滲透穩(wěn)定性評價(jià)和防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題一直未能很好解決，深厚覆蓋層上建設(shè)高土石壩的理論技術(shù)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未形成。

（2）超高土石壩地震災(zāi)變行為與安全控制。由于試驗(yàn)尺寸的限制，現(xiàn)行粒徑縮尺方法和密度控制方法難以適用目前筑壩材料顆粒粒徑及施工能量變化情況，本構(gòu)關(guān)系和確定的材料參數(shù)產(chǎn)生了嚴(yán)重的尺寸效應(yīng)影響，需要對動力特性的影響規(guī)律及其合理性等迫切研究；對于300 m級超高堆石壩而言，壩體底部壓應(yīng)力將達(dá)到6 MPa以上，圍壓力也將達(dá)到3 MPa以上，在如此復(fù)雜應(yīng)力及大應(yīng)變條件下粗顆粒的堆石料發(fā)生顆粒破碎和剪脹（縮）的現(xiàn)象將會比較普遍和嚴(yán)重，顆粒破碎對變形、強(qiáng)度的影響也將更為顯著，目前采用的本構(gòu)模型及分析方法不能反映超高壩的變形機(jī)理。

（3）基于性能的高土石壩抗震安全評價(jià)及災(zāi)害控制研究。目前有關(guān)高土石壩抗震分析和安全評價(jià)都是基于確定性方法，實(shí)際上地震作用和筑壩土石材料特性參數(shù)均存在分散性和隨機(jī)性，分析方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在認(rèn)識模糊性和方法不確定性，需要考慮高土石壩筑壩材料和結(jié)構(gòu)動力特性以及大壩工作條件的“時(shí)間效應(yīng)”及非確定性特性，研究筑壩材料和結(jié)構(gòu)動力特性在全生命周期內(nèi)的演變規(guī)律，建立考慮時(shí)間演進(jìn)的大壩全生命周期抗震安全評價(jià)準(zhǔn)則?？紤]筑壩材料和結(jié)構(gòu)動力特性（參數(shù)）確定中的不確定性，以及地震等大壩工作條件的不確定性，研究基于風(fēng)險(xiǎn)防控的高土石壩抗震安全評價(jià)方法和工程應(yīng)用準(zhǔn)則。

（4）水庫大壩抗震監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究。我國大壩抗震的理論水平、抗震技術(shù)和設(shè)計(jì)能力已取得了巨大成績。但我國的水庫大壩抗震監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究仍處在相對滯后的狀態(tài)，水庫大壩抗震監(jiān)測預(yù)警不到位，病險(xiǎn)隱患發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，為后續(xù)的抗震搶險(xiǎn)應(yīng)急處置帶來困難。因此，針對我國水庫大壩抗震和應(yīng)急救災(zāi)條件現(xiàn)狀，開展水庫大壩抗震監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究，對提升我國水庫大壩抗震水平和應(yīng)急處置能力具有重大意義。