中美混凝土大壩抗震設(shè)計(jì)理論對(duì)比

胡少偉

（南京水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所，210024，南京）

在大壩設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)中考慮地震作用的影響大約始于1930年前后，當(dāng)時(shí)主要按擬靜力法進(jìn)行大壩的抗震設(shè)防，將地震作用以一個(gè)等價(jià)的水平作用力進(jìn)行代替，大多數(shù)壩的設(shè)計(jì)地震加速度采用0.1 g，動(dòng)水壓力按Westergaard的近似公式進(jìn)行計(jì)算。1970年前后，大壩的抗震設(shè)計(jì)有了新的發(fā)展，這期間發(fā)生的多次地震引起了水庫震害，如我國新豐江大壩的震害、美國San Fernando地震引起的Pacoima拱壩震害，促使線彈性動(dòng)力分析方法在大壩抗震設(shè)計(jì)中逐步得到應(yīng)用。2000年前后，由于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)經(jīng)過多年的實(shí)踐，研究者和設(shè)計(jì)者們均認(rèn)識(shí)到，彈性動(dòng)力分析給出的峰值應(yīng)力不能提供足夠的信息以判斷不同地震所引起的震害的嚴(yán)重性和對(duì)大壩安全的影響，同時(shí)對(duì)大壩抗震安全起關(guān)鍵作用的混凝土容許拉應(yīng)力，各國甚至各個(gè)設(shè)計(jì)單位都沒有取得共識(shí)。本文通過對(duì)比中美兩國在混凝土壩抗震設(shè)計(jì)方面的理論，分析兩國在抗震設(shè)計(jì)方面的差異，以期為完善我國混凝土壩抗震設(shè)計(jì)理論提供有益的借鑒。

一、大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

美國大壩采用運(yùn)行基本地震OBE （Operating Basis Earthquake，相應(yīng)概率水準(zhǔn)為100年基準(zhǔn)期超越概率50%）和最大設(shè)計(jì)地震MDE（Maximum Design Earthquake）或最大可信地震 MCE（Maximum Credible Earthquake）兩級(jí)設(shè)防，并提出了相應(yīng)于不同設(shè)防水準(zhǔn)時(shí)大壩的性能要求。其中，OBE是從工程運(yùn)行角度提出來的，對(duì)應(yīng)于運(yùn)行期工程保護(hù)期望水平的最大地震，這時(shí)主要考慮地震引發(fā)的結(jié)構(gòu)損壞、機(jī)械破損和經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)防要求是震后結(jié)構(gòu)易修復(fù)、設(shè)備可繼續(xù)運(yùn)行；MDE或MCE主要是從避免引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害的角度提出來的，設(shè)防要求為大壩不發(fā)生災(zāi)難性破壞，如不致使庫水下泄失控。當(dāng)大壩失事可能導(dǎo)致危及人身安全的嚴(yán)重后果時(shí)取MDE為MCE，否則MDE一般小于MCE。MCE為壩址區(qū)可能發(fā)生的最大地震，并假定發(fā)生在離壩址最近的斷層點(diǎn)上。

我國的大壩采用最大設(shè)計(jì)地震MDE一級(jí)設(shè)防。對(duì)于有利地段，建筑物一般采用基本烈度設(shè)防 （相當(dāng)于50年基準(zhǔn)期超越概率10%），對(duì)于甲類設(shè)防的大壩在基本烈度基礎(chǔ)上提高一度設(shè)防（相當(dāng)于100年基準(zhǔn)期超越概率2%）。性能要求為如有局部損壞，經(jīng)一般處理后仍可正常運(yùn)行。100年基準(zhǔn)期超越概率2%的設(shè)防水準(zhǔn)接近國外一些國家提出的最大可信地震（MCE）的水平，而其性能目標(biāo)又與運(yùn)行基本地震（OBE）的要求相近。

因此有必要開展我國大壩抗震設(shè)計(jì)分級(jí)設(shè)防的合理性和可行性研究，必要時(shí)提出各級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的性能目標(biāo)和配套的分析方法，使大壩的抗震設(shè)計(jì)更為合理，既保障了其安全性，同時(shí)又符合經(jīng)濟(jì)性原則。另外對(duì)于修建在抗震不利地段或城市上游附近的大壩以及300 m級(jí)超高壩的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也需開展專門研究。

二、混凝土材料的動(dòng)態(tài)性能

美國墾務(wù)局的Raphael在西方5座混凝土壩中鉆孔取樣進(jìn)行試驗(yàn)，在0.05s的時(shí)間內(nèi)加載到極限強(qiáng)度（相當(dāng)于大壩5Hz的振動(dòng)頻率），得出動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較靜強(qiáng)度平均提高31%，直接拉伸強(qiáng)度平均提高66%，劈拉強(qiáng)度平均提高45%，試驗(yàn)結(jié)果有一定離散性。在美國等許多國家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，一般參考Raphael的試驗(yàn)結(jié)果，將地震作用下混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較靜態(tài)值提高一個(gè)百分比。

我國現(xiàn)行《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5093—2000）也作了類似規(guī)定。這些規(guī)定不考慮大壩和地震激勵(lì)的具體情況，一律將地震作用下混凝土的強(qiáng)度或彈性模量等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)較靜態(tài)常數(shù)提高一個(gè)固定百分比，作法顯得過于粗略。實(shí)際上在地震作用下，不同的大壩、不同的部位、不同的瞬時(shí)，其應(yīng)變速率的變化各不相同，從而混凝土的強(qiáng)度和剛度特性將隨著激勵(lì)地震波的特性而變化。其變化規(guī)律還和混凝土的原材料特性密切相關(guān)。另外，在混凝土壩的強(qiáng)度校核中，作用效應(yīng)綜合了地震作用和靜態(tài)作用的影響，僅用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度來評(píng)價(jià)大壩靜動(dòng)疊加響應(yīng)也不盡合理，尤其是對(duì)于靜態(tài)應(yīng)力水平較高的大壩。目前，國內(nèi)開展了在不同靜態(tài)預(yù)載水平下大壩混凝土動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度和彈性模量隨加載速率（應(yīng)變率）變化的全級(jí)配混凝土試驗(yàn)，初步成果認(rèn)為，在無靜態(tài)預(yù)載時(shí)，相對(duì)于靜態(tài)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)提高率小于規(guī)范基于濕篩小試件成果所采用的30%，約為17%；在初始靜載達(dá)到80%混凝土強(qiáng)度以內(nèi)時(shí)動(dòng)態(tài)提高率隨初始靜載水平的提高而有所提高；初始靜載超過80%混凝土強(qiáng)度后動(dòng)態(tài)提高率明顯下降；動(dòng)態(tài)彈性模量較靜態(tài)值略有提高 （約為5%），但明顯小于彎拉強(qiáng)度的提高率。由于試驗(yàn)試件數(shù)量較少，關(guān)于全級(jí)配大壩混凝土試件的動(dòng)態(tài)抗力取值的一般規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究。

三、壩—地基相互作用

在壩體和地基的動(dòng)力相互作用中，對(duì)地基影響的考慮，與靜力問題不同之處，在于它不僅限于計(jì)入地基的柔度，而且要考慮地基質(zhì)量的慣性和其因振動(dòng)能量自遠(yuǎn)處逸散而形成的所謂輻射阻尼?；炷翂闻c地基間的動(dòng)力相互作用問題的研究已有40年歷史，國內(nèi)也進(jìn)行了近30年的研究工作，在許多領(lǐng)域取得研究成果，分析這一問題最有效的方法是子結(jié)構(gòu)法，其中關(guān)鍵問題是建立基巖的阻抗矩陣。在重力壩的平面分析中，半平面地基阻抗矩陣可從波動(dòng)方程得到理論解，對(duì)于空間問題只能借助于數(shù)值方法得到近似解。在一些拱壩動(dòng)力程序中更多采用美國Clough教授提出的無質(zhì)量地基假定，但它有很大的近似性。建立基巖的阻抗矩陣時(shí)，一般先求出與壩基面相對(duì)應(yīng)的基巖動(dòng)力柔度系數(shù)。我國這一領(lǐng)域的研究相對(duì)比較深入，清華大學(xué)提出了有限元—邊界元—無窮邊界元的計(jì)算模型，中國水利水電科學(xué)研究院則發(fā)展了廖振鵬的透射邊界計(jì)算模型，對(duì)有關(guān)相互作用對(duì)高拱壩地震變形和應(yīng)力的影響有了更深入的了解。各種計(jì)算模型都有一定特點(diǎn)，也有一定局限性，目前還比較缺乏實(shí)測資料的檢驗(yàn)。大連理工大學(xué)發(fā)展了Wolf與Song的阻尼影響抽取法的計(jì)算模型以及比例邊界有限元的模型，并研究了地基剛度變化和地基不均勻性對(duì)拱壩和重力壩地震響應(yīng)的影響，獲得了一些新的認(rèn)識(shí)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用無質(zhì)量地基的計(jì)算模型時(shí)，壩頂部的動(dòng)力放大系數(shù)基本上不隨地基剛度的變化而變化，但考慮無限地基動(dòng)力相互作用的影響以后，隨著地基與壩體彈性模量比值的不同，壩頂部的動(dòng)力放大系數(shù)將隨之發(fā)生比較大的變化。地基愈柔性，特別是當(dāng)?shù)鼗膭偠?彈性模量)低于壩體的剛度時(shí)，地震響應(yīng)有較大幅度的降低。

四、混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

我國的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以容許應(yīng)力建立強(qiáng)度條件，以最大拉應(yīng)力安全系數(shù)來控制高拱壩的抗震安全性，它不容許拱壩在地震中出現(xiàn)裂縫。采用一級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基本烈度（50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年）為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區(qū)的場地，設(shè)計(jì)地震加速度分別取為0.1 g、0.2 g和0.4 g。對(duì)重要大壩則需將設(shè)計(jì)地震加速度的水準(zhǔn)提高到100年超越概率2%、重現(xiàn)期4 950年。

以美國為代表的一些國家采用了兩級(jí)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。美國墾務(wù)局1970年以前大壩設(shè)計(jì)地震加速度采用0.1 g，1974年以后提出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震DBE與最大可信地震MCE兩級(jí)設(shè)防的概念。美國大壩委員會(huì)1985年起草并經(jīng)國際大壩委員會(huì)1989年公布的《大壩地震系數(shù)選擇導(dǎo)則》，明確了使用安全運(yùn)行地震動(dòng)OBE與最大設(shè)計(jì)地震動(dòng)MDE兩級(jí)設(shè)防的地震動(dòng)參數(shù)選擇原則。按照這一準(zhǔn)則，在安全運(yùn)行地震OBE作用時(shí)，大壩應(yīng)能保持運(yùn)行功能，所受震害易于修復(fù)。故一般可進(jìn)行彈性分析，并采用容許應(yīng)力準(zhǔn)則。在最大設(shè)計(jì)地震MDE作用時(shí)，要求大壩至少能保持蓄水能力。這表示可容許大壩出現(xiàn)裂縫，但不影響壩的整體穩(wěn)定，不發(fā)生潰壩。同時(shí)大壩的泄洪設(shè)備可以正常工作，震后能放空水庫。OBE一般選為100年內(nèi)超越概率50%（重現(xiàn)期145年）的地震動(dòng)水平，以Housner為首的美國大壩安全委員會(huì)則建議DBE的重現(xiàn)期為200年，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)上合理性的論證時(shí)還可適當(dāng)延長。關(guān)于MDE的概率水準(zhǔn)或重現(xiàn)期，沒有作明確確定。值得注意的是，MDE的決定一般都和大壩的失事后果相聯(lián)系，只對(duì)特別重要的壩才令MDE等于MCE。確定MCE一般有地質(zhì)構(gòu)造法和概率法兩種，國際大壩委員會(huì)的導(dǎo)則認(rèn)為，就目前的認(rèn)識(shí)水平而言，不可能明確規(guī)定必須采用哪種方法。建議同時(shí)采用兩種方法，并應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

中美兩國大壩抗震設(shè)防處理方法和地震動(dòng)參數(shù)的取值不同，原因在于各國國情不同，材料強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn)不同，施工質(zhì)量的可靠程度不同等等。我國不容許壩在地震作用下出現(xiàn)裂縫的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則顯得要求過高，對(duì)于復(fù)雜的高拱壩來講常常難以做到。一方面，出現(xiàn)一些裂縫可能并不影響壩的安全運(yùn)行；另一方面,高拱壩是超靜定結(jié)構(gòu)，局部拉應(yīng)力過大引起的開裂是拱壩放松約束來調(diào)整內(nèi)力以適應(yīng)變化的正常反應(yīng)，在破壞之前必定存在一個(gè)不斷開裂、不斷靜定化的過程，在這個(gè)過程中拱壩的潛力未盡。國外在保持水庫蓄水能力的情況下一般容許發(fā)生一定程度震害的大壩抗震設(shè)防指導(dǎo)思想值得我們深入研究；我國規(guī)范對(duì)重要的大壩、高壩必須進(jìn)行專門研究的做法值得堅(jiān)持和推廣；對(duì)于重要大壩采取兩級(jí)或多級(jí)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的研究可使大壩的抗震設(shè)計(jì)更為合理,符合安全性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則。

五、結(jié) 語

大壩的抗震性評(píng)價(jià)將重點(diǎn)探索簡單而實(shí)用的動(dòng)力響應(yīng)分析方法來取代擬靜力法，重點(diǎn)研究壩—地基體系相互作用、地震動(dòng)輸入機(jī)制、加強(qiáng)混凝土材料強(qiáng)度隨應(yīng)變速率變化的規(guī)律分析并建立合理的計(jì)算模型等研究，進(jìn)一步深入對(duì)大壩抗震評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定原則的研究、引入美國兩級(jí)或多級(jí)抗震設(shè)防的理念和性能設(shè)計(jì)的思想，提高我國大壩抗震設(shè)計(jì)水平。

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