作者:高彤 来源:科学时报 发布时间:2010-6-8 15:12:04
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林皋院士:中国大坝抗震学科的开拓者

 
在中国,只要提到大坝抗震学科,你就一定会听到一个名字——林皋。
 
林皋是我国著名水利工程与地震工程专家,主要从事大坝及核电厂等工程建筑物的抗震研究。1951年林皋毕业于清华大学土木工程系,后进入哈尔滨工业大学和大连工学院水能利用专业攻读研究生。1981年成为中国首批博士生导师。1997年当选中国科学院院士。现为大连理工大学水工结构工程国家重点学科学术领导人,是中国大坝抗震学科领域的主要开拓者。
 
林皋院士感到很幸运,他经历了我国坝工建设从初级到高级阶段的发展,他的科研工作在解决实际问题的同时,研究水平也随之逐步提高,直至进入世界先进行列。
 
新中国建立初期至20世纪60年代,我国兴起了坝工建设的第一个高潮。通过发扬自力更生、自主创新的精神,我国自行设计和建造了一批大坝,高度突破100米,使我国跨入了世界近代坝工建设的行列。1956年在广东流溪河上兴建了我国第一座双曲拱坝工程,以潘家铮总工程师为首的著名专家们提出了坝上挑流的泄洪方案,这一方案可节约大量工程投资并使下泄水流远离坝基,保障坝基安全,较当时国外的坝顶滚流方案技术更为先进。但挑流造成的水流脉动振动对大坝安全的影响则成为工程面临的巨大挑战。
 
在我国力学权威钱令希教授和戴宗信教授的支持下,从研究生班毕业仅仅两年的林皋院士勇敢地承担了实验研究的任务。虽然一切都是从零开始,但是林皋院士和他领导的研究队伍充满了信心,通过不懈的努力,他们研制成了橡胶模型材料,建成了我国第一座机械式振动台,在国内首先研制成功了模型振动测量的传感器,提出了拱坝振动的模型相似律,开创了坝顶挑流水流脉动压力的测试和脉动规律的研究,设计了脉动振动引起的坝体振动响应的实验装置。只用不到两年的时间,最终完成了我国第一个拱坝模型振动试验,为坝顶挑流方案的实现提供了技术支持。前苏联书刊的评价认为“进行了精细的模型研究,具有很高的科学水平,应用了先进的量测仪器”。
 
1958年林皋院士又根据云南以礼河毛家村土坝工程的需要,领导开展了我国第一个土坝模型抗震试验,研究成果被水电部选为对外技术交流资料。林皋院士还开展了我国第一个支墩坝模型的纵向弯曲抗震稳定试验,并提出了拱坝与重力坝地震响应的计算模型。这些工作为我国大坝抗震研究打下了基础。
 
20世纪70年代后期进入改革开放年代,我国坝工建设又进入了一个新的高潮。一批100米至200米级的高坝大量兴建,坝工技术又达到了一个新的高度,我国的大坝抗震技术也逐渐走向成熟。
 
林皋院士领导的研究小组承担了当时我国最高的白山拱坝和丰满重力坝抗震安全评价的任务。在一无设备、二缺资金的条件下,提出了直接摄影法这一新的试验技术。研究人员自行设计、自行加工、制成了轻型的电磁式振动台,利用比较简单的设备,获得了直观性强、图像清晰的白山拱坝正反对称共9阶振动模态和振动频率、丰满重力坝4阶振动模态和振动频率。当时日本利用电磁激振法进行模型试验,英国利用有限元法进行拱坝动力分析,只能获得拱坝正反对称3至4阶振动模态和频率,重力坝2至3阶振动模态和频率。在此基础上,林皋院士小组又发展了仿真材料重力坝和拱坝动力模型破坏试验技术,对各种激励水平下的地震破坏形态进行模拟,在国际交流中获得好评。林皋院士等还提出了拱坝动静力分析的拱梁模态法,使计算的效率和计算精度得到进一步提高。
 
新世纪前后,我国水电能源建设跨入腾飞阶段,一批接近和超过世界顶级高度300米的大坝已经和正在我国开工建设。世界建坝中心转向中国,无论从建坝数量、建坝高度、建坝规模与技术难度来说中国都居于世界的首位。这些大坝建于我国长江、黄河上游强地震活动区,大坝的设计地震加速度远远超过历史上的最高水平,大坝抗震安全成为设计中需要解决的关键技术问题之一。20世纪90年代以前,我国建设的大坝,其设计地震加速度一般不超过0.15g~0.16g。但到2000年前后建设300米级超高拱坝小湾拱坝(高292米)和溪洛渡拱坝(高282米)时,设计地震加速度已分别提高到0.308g和0.312g,而将建设的大岗山拱坝(高210米),其设计地震加速度则达到创纪录的0.5575g,翻了一番以上。作为对比可以指出,目前世界上已建的最高拱坝为前苏联的英古里拱坝,高271.5米,其设计地震加速度为0.23g。在如此高烈度地震区修建世界级的超高拱坝,对我国的大坝抗震技术是一个严峻的挑战,国际上也缺乏相关的经验。在三次国家自然科学基金重点项目和国家重点科技攻关课题的支持下,林皋院士领导的科研小组为攻克一道道技术难关作出了不懈的努力。
 
首先需要进行的是对传统的计算模型、计算方法和评价体系的变革,其中包括地基的影响、库水的影响、横缝的影响等一系列复杂的技术问题都需要解决。地基方面现有设计中,一般采用无质量的地基模型来模拟地基对拱坝地震响应的影响,但这忽视了无限地基对振动能量的耗散作用,根据瑞士所进行的一些拱坝的实际地震观测的结果表明,无质量模型将给出过分保守的计算结果。国内外的一些研究者们尝试使用边界元方法、无穷元方法和透射边界等方法来处理这一复杂课题,但也相应地出现了计算工作量大和计算稳定性等许多问题,计算精度也不理想。而且由于计算复杂,只能将地基简化为均匀介质进行处理。但实际上的拱坝地基是复杂而不均匀的,这对拱坝抗震安全性所带来的影响是必须面对的问题。
 
林皋院士认为,我们不能停留在原有的框架内,必须采用新的思想、新的途径来解决问题。通过不断探索,林皋院士等发现了比例边界有限元法这一有效的计算方法。这种方法只需在计算域的边界上进行离散,问题的维数降低一维,计算工作量大量节约。特别是这种方法可以方便地处理地基介质各向不同性的问题,和地基介质模量沿深度按某一定规律发生变化等问题。林皋院士小组据此率先研究了地基中含软弱夹层、地基中存在不连续界面,以及地基模量沿深度增长等复杂不均质地基对拱坝地震响应的影响。通过研究显著加深了对拱坝—地基系统地震响应的认识。
 
拱坝—库水的动力相互作用也是一个复杂的技术领域。多年来大坝抗震设计中一直沿用着按韦斯特加德的简化公式进行地震动水压力的计算。但根据乔普拉等进行的研究,库水的可压缩性以及水库边界对动水压力波的吸收作用都是需要考虑的重要因素。乔普拉等采用有限元的方法进行求解,对于拱坝三维水库的离散工作量很大,而且他提出的计算模型和方法十分复杂而繁琐,难以在实际工程中得到推广和应用。为此,不少研究者作了改进,采用边界元法进行求解,以便使问题降阶一维。但边界元法花费在基本解数值计算方面的工作量,几乎足以抵消降维所节省的工作量,而且最终所得到的计算矩阵是非对称的,并且是满阵,增加了求解的困难。因此,边界元法基本上只在二维重力坝的情况得到一定的推广。
 
林皋院士等所提出的比例边界有限元的求解方法,使这些问题可以迎刃而解。它不仅可以方便地处理库水压缩性和水库边界吸收问题,而且对于三维拱坝——库水动力相互作用问题,在棱柱形水库的条件下只需在坝面进行离散,使计算工作量得到很大程度的节约,极大地方便了工程上的推广应用。林皋院士小组应用这一计算模型率先研究了三维拱坝和二维重力坝水库几何形状对坝水耦合振动产生的效应,阐明了水库几何形状变化以及水库边界对动水压力波的吸收作用,对水坝地震动水压力频响函数以及动水压力沿坝面分布规律的影响等,将坝水耦合振动的研究水平提到了一个新的高度。
 
混凝土坝上游面裂缝浸水后水力劈裂对坝安全的影响是受到广泛关注的问题。林皋院士等应用比例边界有限元法建立的计算模型,可以方便而准确地计算裂缝内水压变化规律对裂缝应力强度因子及断裂特性的影响,从而可对地震作用下裂缝的稳定性进行合理而恰当的评价。
 
传统设计中将拱坝作为整体结构来计算地震响应,但实际上拱坝是分块进行建造的。经受强震作用的美国柏柯依玛拱坝的震害经验表明,强震时拱坝横缝将发生张合作用,拱向拉应力得到释放,拱坝的地震应力随之发生重大调整。林皋院士等在非光滑方程组基础上开发的横缝计算模型,较国内外现有模型计算精度高,收敛性有保证。拱坝的横缝依靠键槽进行连接,但国内外现有的计算模型一般将横缝简化为平缝进行计算。林皋院士等对这种简化的合理性进行了研究,发现横缝键槽的结构形式对横缝开度变化规律和拱坝地震应力变化均产生影响。
 
地震作用下坝基和坝肩潜在滑动体的稳定,国内外规范标准一般采用拟静力的分析方法或纽马克的刚性滑块法进行分析,难以反映地震作用下滑动体变形瞬态、往复的特点。为此,林皋院士等改进了三维DDA模型的接触判断算法,实现了三维楔形滑动体的地震动态稳定分析。结果表明,动态稳定与拟静力稳定有本质差别,而且两者的偏离程度随着地震激励加速度的增大而加大。研究成果应邀在2007年葡萄牙里斯本召开的第5届世界坝工会议上作为主题报告发表。
 
林皋院士等的研究工作还发展了混凝土坝地震损伤破坏进程的数值模拟方法与地震风险的计算模型和方法。
 
可以看出,林皋院士小组对拱坝、重力坝地震作用的计算模型进行了全面的发展改进,使我国的大坝抗震技术进入世界先进行列,他的研究成果获得教育部科学技术进步奖一等奖。
 
混凝土大坝的地震震害主要表现为动态损伤与断裂,混凝土的动态强度与变形特性成为大坝震害的控制性因素,但在当前混凝土坝的抗震研究中这却是一个薄弱环节。混凝土的动态特性表现为其速率敏感性。在地震、撞击和爆炸等不同性质动态荷载的作用下,随着加载速率的巨大变化,混凝土的动态特性也随之发生很大变化。20世纪50~60年代以后,由于军事上的需要,混凝土动态特性的研究在国际上得到很大发展。但这种研究主要偏重于反映核爆炸的特点:单调加载、小试件、以抗压强度为主,应用于抗地震设计有其局限性。林皋院士等通过2000多试件的研究,率先得到了反映地震荷载特点的变幅、循环荷载条件下混凝土的动态强度与变形规律。又通过研究进一步发现了温度、湿度等环境因素,以及初始静态荷载幅度等因素对混凝土速率敏感性的影响。基于不同应变率下试件断裂特性的观察分析,对混凝土速率敏感性的产生机理得到了新的认识。这些研究成果在ACI Materials Journal,Magazine of Concrete Research等著名刊物上发表,并应邀在Cement,Concrete and Composites: Processing, Properties and Applications一书中独立撰写一章介绍研究成果。
 
核电作为重要的清洁能源在我国正在得到蓬勃发展。核电厂地基的抗震适应性评价决定着核岛结构和设备抗震设计的安全,是厂址选择中的重要制约性因素。林皋院士担负着我国许多核电厂址地基抗震适应性评价的任务。辽宁红沿河核电厂3、4号核岛地基开挖过程中发现强风化捕虏体,地基不均匀特性表现比较突出。核岛地基这种复杂地质情况在我国核电建设中首次遇到。国际上缺乏类似经验,处理有相当难度。林皋院士小组提出的计算模型为核电厂复杂地基的抗震适应性评价提供了科学依据,节约了大量工程投资,并保障了施工进度得以按计划进行。在此基础上进一步认定了我国自主研发的压水堆核电机组标准设计的厂址地基参数适应范围,加速了我国核电的自主化进程。参数不确定性对核电结构和设备地震响应的影响也是核电厂地基抗震适应性评价的重要内容,林皋院士小组发展改进了地震动、地基和材料特性不确定性的概率统计计算模型,使地基抗震适应性评价更接近实际,更为合理和科学。这部分研究成果也获得了教育部科技进步奖一等奖。
 
林皋院士还带领学生不断深化比例边界有限元这种高效精确的数值模拟方法研究,进一步开拓了其在电磁学和几何等参等新领域中的应用,在国际交流中获得比较高的评价。
 
林皋院士在国内外学术刊物上共发表研究论文420余篇,专著1部,合著4部。获得国家科技进步奖一等奖,教育部、电力部、中国地震局、云南省科技进步奖一等奖以及其他省部级科技进步奖二等奖共十余项,国家级教学成果奖二等奖一项,并获全国高校先进科技工作者、全国优秀科技工作者、全国模范教师等荣誉称号。
 
《科学时报》 (2010-6-8 C2 人物)
 
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