日本大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程與經(jīng)驗(yàn)

孫陽

摘 要：國外的大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一直都是中國修訂抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要參考，但是對國外制定大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的歷史和背景了解地并不全面，本文通過系統(tǒng)闡述分析日本的大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的成型、修訂和完善的歷程，幫助了解日本大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變遷過程，以便得到更有價值的參考。日本非常重視地震的震損調(diào)研，積極吸取地震經(jīng)驗(yàn)，日本的大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有前瞻性和開拓性，制定了針對大規(guī)模地震下的大壩抗震安全評價指南，提出了大壩抗震設(shè)計(jì)的“2級地震加速度”概念。

關(guān)鍵詞：大壩 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 變遷

中圖分類號：TV39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0200-02

日本目前已建和在建的大壩共有2700多座，日本作為世界上遭受地震災(zāi)害最頻繁的國家，在工程抗震研究方面十分重視抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的制訂和修改，同時日本針對大地震災(zāi)害的震害調(diào)查為抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供了非常重要的資料依據(jù)，使工程抗震研究和設(shè)計(jì)得到長足的進(jìn)步與發(fā)展，日本大壩的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的變遷也離不開大壩震害調(diào)查研究工作的幫助。通過研究日本大壩抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的變遷歷程，對我國水工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的完善具有重要的參考價值。

1 日本大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程

1.1 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成型時期

1925年10月，物部長穂在發(fā)表了《水庫重力壩的特性及其合理的設(shè)計(jì)法》，提出了多用途大壩理論，將震度系數(shù)的概念引入混凝土重力壩的設(shè)計(jì)，建議等值水平震度系數(shù)設(shè)為0.1～0.2，這里的等值水平震度是指鉛直震度影響下的水平震度。該抗震設(shè)計(jì)理論在1930年建成的小牧壩得到應(yīng)用，成為混凝土重力壩抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1934年物部長穂針對土石壩的抗震設(shè)計(jì)發(fā)表了《基于地震產(chǎn)生的動水壓力確定重力壩橫截面法》，提出根據(jù)壩的類型設(shè)定震度系數(shù)，其中土壩的震度系數(shù)要考慮到壩體的振動響應(yīng)特性，在壩底部系數(shù)取值為0.15，壩頂部系數(shù)取值為0.2～0.3。

1957年國際大壩會議日本國內(nèi)委員會制定了統(tǒng)一的《大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。這一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定按照大壩的類型和大壩所在地域?qū)儆趶?qiáng)地震帶還是弱地震帶的不同，采用不同的設(shè)計(jì)震度系數(shù)。

1971年日本大壩會議制定了《大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修訂版》，主要對拱壩、混凝土重力壩以及混凝土中空重力壩、堆石壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相應(yīng)的部分修改。在之前的大壩設(shè)計(jì)中假定震度均一分布，但是實(shí)際中大壩的震度是隨著壩高而增加的，如圖1所示，修改后的大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更加合理。另外，這次標(biāo)準(zhǔn)修訂也使強(qiáng)弱地震帶的地域劃分得到進(jìn)一步的驗(yàn)證和修改。

1.2 形成大壩抗震設(shè)計(jì)的法律規(guī)范

1976年日本建設(shè)省制定了《河川管理施設(shè)等構(gòu)造令及施行規(guī)則》（以下簡稱構(gòu)造令），這是第一個具有法律約束力的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該構(gòu)造令規(guī)定，大壩橫截面的最小值由既定程序步驟來確定，在大壩抗震設(shè)計(jì)方面，要考慮作用于大壩的地震慣性力給使用震度法帶來的影響，當(dāng)有外力作用時，根據(jù)構(gòu)造令實(shí)施條例第2條規(guī)定，設(shè)計(jì)震度的下限值由壩的類型和所在地域決定，還應(yīng)根據(jù)大壩的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。

1981年10月16日日本建設(shè)省告示第1715號對構(gòu)造令實(shí)施條例進(jìn)行了修訂，將設(shè)計(jì)震度的地域劃分由2類調(diào)整為3類，調(diào)整后的設(shè)計(jì)震度如表1所示?，F(xiàn)行的構(gòu)造令是具有法律約束力的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在1981年修訂之后，沒有再進(jìn)行大的修改。

1991年，日本建設(shè)省河川局開發(fā)部監(jiān)督制定了《土石壩抗震設(shè)計(jì)指南（草案）》。針對壩高100 m以下的土石壩，地震發(fā)生時要對壩體的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對假定的設(shè)計(jì)震度系數(shù)進(jìn)行修正。由于傳統(tǒng)的震度法規(guī)定的慣性力并不符合大壩實(shí)際觀測的情況，必須對震度系數(shù)進(jìn)行修正，在定義地震力系數(shù)時，必須考慮到地震時沿壩體高度方向上的振動響應(yīng)特性和壩體各部分的地震加速度慣性力放大程度不同的問題。設(shè)置壩體地震力系數(shù)，要使用反應(yīng)譜法、模態(tài)分析法和有限元分析法對壩體地震力進(jìn)行預(yù)先評估，再根據(jù)堆石壩實(shí)際觀測到的加速度響應(yīng)記錄進(jìn)行確認(rèn)分析?！抖咽瘔慰拐鹪O(shè)計(jì)指南（草案）》并不具有法律約束力，它主要被應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐中。

1.3 阪神大地震后的修訂

1995年日本兵庫縣南部發(fā)生了M7.3級的阪神大地震，日本建設(shè)省為應(yīng)對這次地震成立了“大壩抗震性能調(diào)查評估委員會”，地震后對251座壩進(jìn)行了專項(xiàng)震害檢查，大壩下游并沒有發(fā)生與大壩安全性相關(guān)的損害，現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本滿足日本大壩設(shè)計(jì)的抗震安全性能要求。大壩抗震性能調(diào)查評估委員會提出的關(guān)于大壩監(jiān)測系統(tǒng)的建議被采納，建設(shè)省開始對日本全國范圍內(nèi)所管轄的包括副壩在內(nèi)的大壩進(jìn)行新型地震儀的安裝更新，這項(xiàng)工作直到1999年底才全部完成。

1995年阪神大地震后，因?yàn)檎鸺?級和6級的地方過多，導(dǎo)致評估地方受災(zāi)程度出現(xiàn)了過輕或過重的情況，為了提升救災(zāi)效率和重建工作，需要更科學(xué)細(xì)致的分級。所以從1996年10月1日起，日本氣象廳將5級和6級分別細(xì)分為兩級，同時取消了微震輕震之類的名稱，這種分級方法沿用至今。

1995年發(fā)生的兵庫縣南部地震，地震最大震度達(dá)到了7級，在這之后，日本又發(fā)生了數(shù)次最大震度在6弱級別以上的地震，根據(jù)日本氣象廳的有關(guān)規(guī)定，最大震度在6弱（含6弱）以上的地震被稱為“大規(guī)模地震”。1995年后，大規(guī)模地震的發(fā)生頻率有逐步增高的趨勢，這引起了日本社會和學(xué)界的高度重視。

在這種情況下，制定專門針對大規(guī)模地震下的大壩抗震性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)顯然非常必要。2001年，河川局隨建設(shè)省整合并入到國土交通省。2002年，國土交通省發(fā)布的 《跨土木·建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，針對一般結(jié)構(gòu)物給出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修改的基本方向，建議根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用目的設(shè)定地震加速度等級來滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能要求。在2005年3月，國土交通省河川局制定了《大規(guī)模地震的大壩抗震安全評價指南（草案）》，其主要有以下三部分的內(nèi)容。

（1）定義用于大規(guī)模地震下大壩抗震性能的安全評價的地震加速度。

（2）大規(guī)模地震下評價大壩抗震性能是否安全的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

（3）大壩壩體及其附屬結(jié)構(gòu)的地震安全評價。

《大規(guī)模地震的大壩抗震安全評價指南（草案）》系統(tǒng)闡述了大壩在大規(guī)模地震下的安全評價方法，包括地震加速度評價法、地震反應(yīng)分析法等，定義了用于地震加速度評價法的“2級地震加速度”概念。確定用于地震安全評價的2級地震加速度，首先要根據(jù)過去實(shí)際發(fā)生的地震情況以及大壩地基實(shí)際情況，找出可能對大壩產(chǎn)生最大影響的一次地震，并將這次地震命名為“假設(shè)地震”，然后在大量地震加速度記錄的基礎(chǔ)上采用一個阻尼公式來估算假設(shè)地震的2級地震加速度。

2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

日本大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變遷，伴隨著日本抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用，從1923年的關(guān)東大地震到1995年阪神大地震，通過對大壩震害的有效調(diào)查研究，為大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供了重要參考依據(jù)。

中國的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷過2008年汶川8.0級地震和2013年雅安7.0級地震的檢驗(yàn)，震后調(diào)查表明，沒有大壩因地震而潰壩，也沒有因?yàn)樗そㄖ锏膿p壞導(dǎo)致次生洪水災(zāi)害，地震災(zāi)區(qū)水電工程及其主要建筑物都經(jīng)受住了超出設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)震的考驗(yàn)，現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)基本滿足抗震安全性的要求。但是日本不僅針對大地震災(zāi)害及時對水工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，還針對可能發(fā)生的大規(guī)模地震對大壩的抗震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究優(yōu)化，化被動為主動，這種前瞻性的做法值得學(xué)習(xí)借鑒。

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