抽水蓄能电站土石坝抗震技术

本书聚焦抽水蓄能电站土石坝的抗震安全难题，立足全球能源转型背景下抽水蓄能电站的核心储能地位，构建了一套从理论分析到工程实践的完整抗震技术体系。全书系统梳理了抽水蓄能电站发展历程及土石坝应用优势，剖析了电站区域的地震活动特征，建立了适配坝体不同分区材料的静动力本构模型，揭示了土石坝坝坡地震动力响应的特征，明确了水位骤降与地震的叠加失稳效应，界定了拟静力法与动力时程分析法的适用边界及计算要点。针对抽水蓄能电站土石坝不同坝型，整合坝体结构优化、筑坝材料改良、防渗止水强化等综合抗震措施，形成抗震技术方案，结合振动台模型试验验证了技术有效性。最后，本书还展望了高烈度地震区抽水蓄能电站土石坝的抗震技术突破方向，为工程设计、施工及运维提供了全面的理论支撑与实践指导。
本书适合从事水利水电与电站工程设计、勘察、施工、运维等的工程师和技术管理人员阅读，也可供高校水利水电、土木工程、岩土工程等相关专业师生参考。

在全球能源结构向清洁化、低碳化转型的浪潮中，抽水蓄能电站以其独特的调峰填谷、调频调相、储能备用等功能，成为构建新型电力系统的关键支撑。作为目前技术最成熟、经济性最优、装机容量最大的储能方式，抽水蓄能电站在我国“双碳”目标推进过程中扮演着愈发重要的角色。截至2024年底，我国抽水蓄能电站装机容量已突破5000万千瓦，规划至2030年将达到1.2亿千瓦以上，大规模的建设与运营对电站的安全稳定性提出了极高要求。
土石坝作为抽水蓄能电站的核心挡水建筑物，其结构安全直接关系到电站的正常运行及下游人民生命财产安全。相较于混凝土坝，土石坝具有取材广泛、施工简便、造价低廉等优势，在抽水蓄能电站建设中被广泛采用。然而，土石坝属于散体结构，其材料特性、结构形态及受力机制复杂，在地震荷载作用下易发生坝体沉降、裂缝、滑坡甚至溃坝等灾害，提升抽水蓄能电站土石坝的抗震性能是保障电站安全的关键环节。
随着抽水蓄能电站向高水头、大容量、复杂地质条件方向发展，土石坝的抗震技术研究面临着诸多新的问题与挑战。传统的抗震设计方法多基于静力分析或拟静力法，难以准确反映地震荷载的动力特性及坝体材料的动态响应。在强震作用下，土石坝材料可能出现非线性变形、强度劣化甚至液化等现象，坝体结构的动力响应表现出显著的非线性、非弹性特征。此外，抽水蓄能电站土石坝往往采用分区坝结构，不同区域材料的力学性能差异较大，地震作用下各区域的变形协调及相互作用机制复杂，给抗震设计与分析带来了极大困难。
近年来，国内外学者在土石坝抗震领域开展了大量研究工作，取得了一系列重要成果。在理论研究方面，逐步建立了基于损伤力学、断裂力学、孔隙介质力学等的土石坝动力响应分析理论，为揭示坝体地震破坏机理提供了理论基础;在试验技术方面，发展了大型振动台试验、离心振动试验、现场振动测试等先进试验手段，能够更真实地模拟地震作用下坝体的动力响应过程;在数值模拟方面，开发了多种高性能有限元、离散元、有限差分法等数值计算方法，实现了对土石坝地震响应的精细化模拟。同时，在抗震加固技术方面，提出了加筋土技术、防渗墙技术、振冲加密技术等一系列有效的加固措施，显著提高了土石坝的抗震性能。
然而，尽管现有研究取得了一定进展，但针对抽水蓄能电站土石坝的抗震技术仍存在诸多不足。因此，深入开展抽水蓄能电站土石坝抗震技术研究，对于保障抽水蓄能电站的安全稳定运行、推动我国能源结构转型具有重要的理论意义和工程应用价值。本书内容旨在结合抽水蓄能电站土石坝的特点，系统研究其地震动力响应规律、破坏机理及抗震加固技术，建立适用于抽水蓄能电站土石坝的抗震设计方法与安全评估体系，为我国抽水蓄能电站的建设与运营提供技术支撑。
具体而言，本书内容将从以下几个方面展开：首先，分析抽水蓄能电站土石坝的结构特点及运行工况，研究水位波动、循环荷载等因素对坝体材料力学性能的影响，建立考虑多因素耦合作用的坝体材料动态本构模型;其次，通过大型振动台试验和数值模拟相结合的方法，研究强震作用下抽水蓄能电站土石坝的动力响应特性，揭示坝体的地震破坏模式及演化规律;再次，基于破坏机理研究，提出适用于抽水蓄能电站土石坝的抗震加固新技术与新方法，并通过试验验证其有效性;最后，结合工程实际，建立抽水蓄能电站土石坝抗震安全评估指标体系及抗震设计优化方法，为工程实践提供指导。
综上所述，抽水蓄能电站土石坝抗震技术的研究可提升抽水蓄能电站的安全保障能力，为我国能源事业的可持续发展做出重要贡献。
本书得到2024年山西省高等学校科技创新项目(2024L429) “均质土坝渗漏成因分析及处置措施研究”的支持。

山西工程科技职业大学
周国斌

第1章绪论 001
1.1抽水蓄能电站发展历程 001
1.1.1储能发展的必要性 001
1.1.2抽水蓄能电站国内建设历程 003
1.2土石坝在抽水蓄能电站中的应用 009
1.3抽水蓄能电站土石坝抗震国内外研究现状 011
1.4抽水蓄能电站水库运行对土石坝的影响 016
1.5本章小结 019
参考文献 020

第2章抽水蓄能电站大坝地震作用及坝体分区本构模型 025
2.1抽水蓄能电站大坝地震作用 025
2.1.1抽水蓄能电站区域的地震活动特征 025
2.1.2地震动参数选取 028
2.2地震对土石坝的荷载类型及作用机制 033
2.2.1地震对土石坝的荷载类型分类 033
2.2.2地震荷载作用下土石坝动力响应机理 037
2.3土石坝各分区静动力计算本构模型 038
2.3.1静力计算模型 038
2.3.2动力计算模型 042
2.4本章小结 044
参考文献 045

第3章土石坝坝坡地震抗滑稳定失效机理 047
3.1土石坝坝坡地震动力响应核心特征 047
3.2水位骤降与地震的叠加失稳效应 049
3.3土石坝坝坡地震抗滑稳定计算方法 050
3.3.1拟静力法 051
3.3.2动力时程分析法 056
3.4本章小结 061
参考文献 062

第4章抽水蓄能电站黏土心墙堆石坝与面板堆石坝抗震技术 064
4.1抽水蓄能电站黏土心墙堆石坝抗震技术 064
4.1.1黏土心墙堆石坝抗震技术 064
4.1.2某黏土心墙堆石坝抗震设计及措施 066
4.2抽水蓄能电站面板堆石坝抗震技术 075
4.2.1面板堆石坝抗震技术 075
4.2.2某面板堆石坝抗震设计及措施 077
4.3本章小结 090
参考文献 091

第5章土石坝振动台模型试验技术 093
5.1土石坝振动台模型试验技术背景与意义 093
5.2相似理论 094
5.3模型制作 095
5.4某电站面板堆石坝振动台模型试验 097
5.4.1工程概况 097
5.4.2模型试验设计 097
5.4.3坝体加速度反应分析 099
5.4.4面板动力应力应变特性分析 103
5.5本章小结 107
参考文献 107

第6章抽水蓄能电站土石坝抗震措施的综合应用 109
6.1土石坝抗震措施的综合应用 109
6.1.1坝体结构优化设计 109
6.1.2筑坝材料分区与填筑质量提升 113
6.1.3防渗止水系统的抗震强化 114
6.1.4坝体与岸坡接头的抗震加固 115
6.1.5坝基的抗震加固处理 115
6.2典型抽水蓄能电站土石坝的抗震设计与措施应用案例 116
6.2.1溧阳抽水蓄能电站上库坝 116
6.2.2神流川抽水蓄能电站上库坝 118
6.2.3玉原抽水蓄能电站上库坝 120
6.3本章小结 122
参考文献 123

第7章抽水蓄能电站坝体未来研究方向 125
7.1本书内容总结 125
7.2未来研究方向 127
参考文献 130