水工建筑物抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究

陳厚群

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100044，北京）

一、前 言

各國(guó)在發(fā)生一次大地震后，通常都會(huì)對(duì)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范重新進(jìn)行審核和修編。我國(guó)在“5·12”汶川大地震后也是如此。目前，已經(jīng)運(yùn)行十余年的《水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也正在修編中。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是修編中首先需要考慮的問題，包括對(duì)國(guó)外相關(guān)規(guī)范和近年提出的 “抗震功能設(shè)計(jì)（Performance-based Seismic Design）” 概念的參照和思考。《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修編中對(duì)水工建筑物抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提出供探討的初步建議。

二、確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基本原則、概念和指導(dǎo)思想

任何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是為了保證結(jié)構(gòu)在設(shè)定的作用下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能目標(biāo)，這是設(shè)計(jì)的基本原則。從這個(gè)意義上講也可稱之為“功能設(shè)計(jì)”，因?yàn)椴淮嬖跊]有功能目標(biāo)的設(shè)計(jì)?？拐鹪O(shè)計(jì)是為了在設(shè)定的地震設(shè)防水準(zhǔn)下，使結(jié)構(gòu)能滿足相應(yīng)的抗震功能目標(biāo)要求，以保證其抗震安全。因此，合理建立水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架，是其抗震設(shè)計(jì)的首要前提，其中涉及與之有關(guān)的若干基本概念。

首先是關(guān)于“分類設(shè)防”的概念，即工程及其中的建筑結(jié)構(gòu)都要按其所發(fā)揮作用的重要性，尤其是其一旦失效造成后果的嚴(yán)重性，劃分成不同等級(jí)。據(jù)以設(shè)定其需要承受的作用和實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能目標(biāo)的安全裕度。由于無(wú)論是結(jié)構(gòu)承受的作用及其抗力，還是預(yù)期功能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的判斷，都存在一定的不確定性，因而在設(shè)計(jì)中需要對(duì)不同等級(jí)的工程和建筑物設(shè)定不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的安全裕度。我國(guó)對(duì)水利水電工程及其建筑物的等級(jí)劃分都有專門的相應(yīng)規(guī)范。我國(guó)現(xiàn)行水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，根據(jù)工程和建筑物等級(jí)及其所在場(chǎng)址的地震活動(dòng)性，確定其抗震設(shè)防類別。

其次是關(guān)于“多級(jí)設(shè)防”的概念，即對(duì)同一個(gè)工程結(jié)構(gòu)，針對(duì)其不同的功能目標(biāo)要求而提出的不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)要求。這不同于在同一個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)下，需滿足多個(gè)功能目標(biāo)要求的“多功能目標(biāo)設(shè)防”的概念。實(shí)際上，“多級(jí)設(shè)防”也并非是最近提出的新概念。我國(guó)大壩工程一般都需按不同發(fā)生頻率的正常洪水和校核洪水分別按正常工況和特殊工況進(jìn)行校核，并對(duì)應(yīng)不同的安全裕度要求。在抗震設(shè)計(jì)中，核電站最早就提出了按 “安全停堆地震（SSE）”和“運(yùn)行基本地震的（OBE）”兩級(jí)設(shè)防。20世紀(jì)80年代我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)中也提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的多級(jí)設(shè)防概念。

在大壩抗震設(shè)防方面，最近修訂的國(guó)際大壩委員會(huì)（ICOLD）第72號(hào)公報(bào) 《大壩地震動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則（Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams）》中，仍提出大壩按“最大設(shè)計(jì)地震（MDE）”和“運(yùn)行基本地震 （OBE）”兩級(jí)設(shè)防的概念。在綜合分析眾多國(guó)家的大壩抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和導(dǎo)則后，可以看到：雖然多數(shù)國(guó)家的大壩抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或?qū)t中多采用名稱或有不同但實(shí)際與MDE、OBE類同的兩級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，但一些國(guó)家如加拿大、英國(guó)、瑞士等實(shí)際都只按MDE進(jìn)行大壩抗震設(shè)計(jì)。這是因?yàn)镺BE設(shè)防水準(zhǔn)的重現(xiàn)期為100～200年，其性能目標(biāo)為允許產(chǎn)生可修復(fù)的局部損壞，而國(guó)內(nèi)外水壩抗震設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐都表明，它一般不起控制作用。

國(guó)際大壩委員會(huì)和美國(guó)等的導(dǎo)則中還定義了 “最大可信地震(Maximum Credible Earthquake，MCE）”，即根據(jù)庫(kù)壩區(qū)地震地質(zhì)條件實(shí)際可能發(fā)生的最大地震，其功能目標(biāo)為不致潰壩引發(fā)庫(kù)水下泄失控，并要求對(duì)失事后可能引起嚴(yán)重次生災(zāi)害的大壩都將MDE取為 MCE。 “5·12”汶川大地震后，我國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)要求對(duì)重大工程要按“極限地震”或重現(xiàn)期為10000年的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震安全校核，但并無(wú)明確的相應(yīng)功能目標(biāo)要求。

我國(guó)最近修編的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)使用功能或其他方面有專門要求，從而需有更具體或更高抗震設(shè)防目標(biāo)的建筑，新增了《建筑抗震性能化設(shè)計(jì)》一節(jié)，并在原建設(shè)部1990年頒行的 《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》中提出的對(duì)震害定性劃分基礎(chǔ)上，在附錄中增加了關(guān)于分別按中震、大震進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則。

此外，在確定水工抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還涉及所謂“水庫(kù)地震”的特殊問題。“水庫(kù)地震”是指由于水庫(kù)蓄水導(dǎo)致環(huán)境物理狀態(tài)的改變，從而在水庫(kù)正常蓄水位淹沒范圍內(nèi)的庫(kù)壩區(qū)引發(fā)地震的現(xiàn)象。在以往國(guó)際大壩委員會(huì)的《大壩地震動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則》中曾把水庫(kù)誘發(fā)地震列入大壩抗震設(shè)防水準(zhǔn)的框架中。美國(guó)地震地質(zhì)學(xué)者Allen在1982年曾建議，任何水庫(kù)的大壩壩高在80～100m以上時(shí)，其設(shè)計(jì)地震均應(yīng)以可能發(fā)生6.5級(jí)地震為準(zhǔn)。在世界銀行咨詢專家對(duì)我國(guó)小浪底工程咨詢時(shí)，考慮到庫(kù)區(qū)存在活斷層，曾建議以迄今世界上4個(gè)發(fā)生過(guò)6級(jí)以上水庫(kù)地震的工程的平均震級(jí)，作為小浪底工程的設(shè)計(jì)地震震級(jí)。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，小浪底工程蓄水前后，庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)性并未見明顯變化。

迄今全球有30多個(gè)國(guó)家先后報(bào)道了100多個(gè)與水庫(kù)蓄水有關(guān)的事例，但對(duì)其中一些事例是否與水庫(kù)蓄水有關(guān)尚存有爭(zhēng)議，其中被較普遍確認(rèn)的不到一半。在最近國(guó)際大壩委員會(huì)ICOLD頒布的公報(bào) 《水庫(kù)觸發(fā)地震——知識(shí)概述》中，列出了39個(gè)水庫(kù)地震震例。因此，在眾多水壩中發(fā)生水庫(kù)地震的事例所占比率是極小的。迄今，其震級(jí)超過(guò)6級(jí)的僅有4例，最高震級(jí)在6.5級(jí)以下。

水庫(kù)地震的成因機(jī)制很復(fù)雜，至今并未解決。但大致可區(qū)分為兩類：

一類是與巖溶、礦洞、地表巖體應(yīng)力調(diào)整有關(guān)的非構(gòu)造型的淺層微震，其最大震級(jí)不會(huì)超過(guò)3～4級(jí)，對(duì)工程和庫(kù)區(qū)不致造成危害。全球已有水庫(kù)地震的實(shí)例絕大多數(shù)都屬于此類。

另一類是當(dāng)庫(kù)水可能向深層滲透，從而觸發(fā)穿過(guò)或鄰近庫(kù)區(qū)的、已處于臨界狀態(tài)的發(fā)震斷層的構(gòu)造型水庫(kù)地震，被國(guó)際大壩委員會(huì)稱之為水庫(kù)觸發(fā)地震 (Reservoir Triggered Earthquake)。構(gòu)造型水庫(kù)地震的實(shí)例很少，卻是工程抗震所主要關(guān)心的。但其震級(jí)顯然不可能超過(guò)被觸發(fā)的庫(kù)區(qū)發(fā)震斷層本身的震級(jí)。

在《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的修編中，對(duì)確定抗震設(shè)防水準(zhǔn)的指導(dǎo)思想可歸納如下：

①按抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和功能目標(biāo)相應(yīng)的原則，建立分類設(shè)防的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)體系。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)必須和地震動(dòng)參數(shù)選擇的依據(jù)和方法相適應(yīng)，功能目標(biāo)必須有可操作的定量準(zhǔn)則，其確定的技術(shù)途徑需在總結(jié)國(guó)內(nèi)外的震害和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，依據(jù)當(dāng)前較為成熟的水工抗震科研成果加以更新。

②為綜合評(píng)價(jià)建筑物的抗震安全，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)必須與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法、材料動(dòng)態(tài)抗力和安全裕度準(zhǔn)則相配套。

③抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定具有很強(qiáng)的政策性和社會(huì)責(zé)任性，必須結(jié)合我國(guó)國(guó)情，體現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的相對(duì)動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)水工建筑物的特點(diǎn)，鑒于地震預(yù)測(cè)的不確定性，考慮到大壩工程與庫(kù)水、地基動(dòng)態(tài)相互作用后的地震響應(yīng)的復(fù)雜性，以及可能造成次生災(zāi)害的震害后果，對(duì)震害后果及社會(huì)影響大的大壩工程，尤應(yīng)把確保安全放在首位，其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)高于一般工業(yè)和民用建筑。規(guī)范中的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作為強(qiáng)制性的最低要求，但并不限制業(yè)主因特殊個(gè)性需要而加以適當(dāng)提高。主要由于對(duì)次生災(zāi)害損失和影響估計(jì)的困難，目前尚不具備根據(jù)“投資—效益準(zhǔn)則”原則通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的條件。

④抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)不宜過(guò)多，不僅因目前過(guò)多分級(jí)并無(wú)必要，且也難以給出與多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的功能目標(biāo)的定量準(zhǔn)則。

⑤需要跟蹤和反映國(guó)內(nèi)外工程抗震實(shí)踐和科研進(jìn)展，參照其他部門抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，但必須從我國(guó)國(guó)情和水工建筑物特點(diǎn)出發(fā)，與有關(guān)各類水工建筑物基本設(shè)計(jì)規(guī)范相適應(yīng)，并適當(dāng)保持本規(guī)范的連續(xù)性。

三、對(duì)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修編中抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)框架的建議

根據(jù)上述基本原則、概念和指導(dǎo)思想，對(duì)修編中的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提出下列建議。

①目前在抗震設(shè)計(jì)中一般都采用地震動(dòng)峰值加速度 (Peak Ground Acceleration，PGA)作為設(shè)防參數(shù)。 實(shí)測(cè)的地震動(dòng)加速度時(shí)程中常有一些脈沖型的高頻尖峰出現(xiàn)，這些脈沖型高頻加速度峰值的歷時(shí)較一般地面建筑物的基本自振周期短，在地震波的傳播中衰減很快，因而造成的破壞后果不大。特別是對(duì)于建在強(qiáng)震區(qū)的高壩，其設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度多由大震、近震控制，其基本頻率較地震動(dòng)加速度峰值的高頻低很多，對(duì)脈沖型峰值不敏感。目前，《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》采用的與地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的有效峰值加速度(Effective Peak Acceleration，EPA) 作為表征地震作用強(qiáng)度的主要抗震設(shè)計(jì)參數(shù)是更為合理的。

②設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度是指工程場(chǎng)地所在地區(qū)半無(wú)限空間均質(zhì)巖體在平坦自由地表的最大水平向地震動(dòng)峰值加速度，既未考慮工程場(chǎng)地實(shí)際的地形條件和巖體具體的地質(zhì)條件，也不涉及場(chǎng)址要建造的工程結(jié)構(gòu)類型。由于地殼介質(zhì)的密度由地表往下隨地層深度而增大，通?？烧J(rèn)為，由地殼深部往地表傳播的地震波，其入射方向?qū)⒅饾u接近垂直水平地表的豎向。由于地表地（震）動(dòng)包括入射地震波及其在自由地表的反射波，因此，入射地震（動(dòng)）加速度的幅值可取為其地表幅值的一半。

③根據(jù)我國(guó)大壩工程抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐，國(guó)際大壩委員會(huì)第72號(hào)公報(bào)《大壩地震動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則》中的重現(xiàn)期為145年的“運(yùn)行基本地震”，實(shí)際上不起控制作用，在設(shè)計(jì)中考慮的必要性不大。對(duì)于工程抗震安全，有的構(gòu)造型水庫(kù)地震因其不可能超過(guò)被觸發(fā)的庫(kù)區(qū)發(fā)震斷層本身的震級(jí)，無(wú)需列入水工建筑物抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)框架。

④建議仍按照現(xiàn)行規(guī)范，由水工建筑物等級(jí)及所在場(chǎng)地基本烈度確定其抗震類別。水工建筑物可分3個(gè)層次設(shè)防，即設(shè)計(jì)烈度小于8度且70 m以下的水壩和40 m以下的非鋼筋混凝土進(jìn)水塔等可作為一般水工建筑物；基本烈度為6度或6度以上地區(qū)的壩高超過(guò)200m或庫(kù)容大于100億m3的大型工程，以及基本烈度為7度及7度以上地區(qū)壩高超過(guò)150 m的大（1）型工程為重大水工建筑物。介于兩者之間的可劃為重要水工建筑物。

目前對(duì)水利水電工程，過(guò)多分級(jí)必要性不大，且并無(wú)如原建設(shè)部頒行的《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》那樣的相關(guān)規(guī)定，難以定量確定相應(yīng)的功能目標(biāo)。因而建議對(duì)一般和重要水工建筑物仍保持基本按“最大設(shè)計(jì)地震”的一級(jí)設(shè)防規(guī)定，其相應(yīng)功能目標(biāo)為允許產(chǎn)生可修復(fù)的局部損壞。重大壅水水工建筑物除按設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)外，應(yīng)按在遭受場(chǎng)址“最大可信地震”時(shí)，不發(fā)生庫(kù)水失控下泄的災(zāi)變目標(biāo)，進(jìn)行專題研究的校核。

⑤對(duì)于一般和重要的水工建筑物，其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)現(xiàn)行《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》確定的基本地震動(dòng)加速度值及與之對(duì)應(yīng)的地震基本烈度。對(duì)于重大的壅水水工建筑物，其“最大設(shè)計(jì)地震”應(yīng)根據(jù)專門的場(chǎng)址地震危險(xiǎn)性分析，確定基巖地震動(dòng)峰值加速度。其設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度代表值的概率水準(zhǔn)，對(duì)壅水建筑物應(yīng)取基準(zhǔn)期100年內(nèi)超越概率P100為0.02，這是根據(jù)水利水電工程地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，按照較基本烈度提高一度的設(shè)防要求，經(jīng)統(tǒng)計(jì)擬合得出的。

⑥對(duì)于一般水工建筑物，可以按“擬靜力法”確定地震作用及建筑物的地震效應(yīng)。對(duì)于重要的水工建筑物應(yīng)采用動(dòng)力法計(jì)算地震作用效應(yīng)。在線彈性結(jié)構(gòu)分析中采用振型分解法時(shí)，或在非線性結(jié)構(gòu)分析中人工生成模擬地震動(dòng)加速度時(shí)程時(shí)，可采用規(guī)范中給出與場(chǎng)地不相關(guān)的統(tǒng)計(jì)平均意義上的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

⑦對(duì)于重大的壅水水工建筑物，宜通過(guò)專題研究，按“設(shè)定地震”的確定性方法，確定與設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度相應(yīng)的、與場(chǎng)地地震地質(zhì)條件相關(guān)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，并據(jù)以生成人工模擬地震動(dòng)加速度時(shí)程。在確定結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)的強(qiáng)非線性分析中，需研究地震動(dòng)的頻率非平穩(wěn)性的影響。對(duì)“最大可信地震”，宜按確定性方法確定。當(dāng)其距離小于10km、震級(jí)大于7.0時(shí)，應(yīng)研究近場(chǎng)大震中發(fā)震斷層面破裂模式的影響，當(dāng)發(fā)震斷層傾角小于70°時(shí)，需計(jì)入上盤效應(yīng)的影響，并需在此基礎(chǔ)上，直接生成場(chǎng)址的地震動(dòng)加速度時(shí)程。

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