基于性能的高土石壩抗震風(fēng)險分析

王　琪,朱　晟,馮燕明

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院,北京100120；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南昆明650051)

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基于性能的高土石壩抗震風(fēng)險分析

王琪1,朱晟2,馮燕明3

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院,北京100120；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南昆明650051)

摘要：在總結(jié)世界各國大壩抗震設(shè)防標準的基礎(chǔ)上,建立了基于性能的高土石壩抗震風(fēng)險分析模型。根據(jù)大壩地震危險性分析,確定了基于性能的地震動輸入標準及地震峰值加速度的概率分布形式,建立地震作用下高土石壩常見破損模式(壩坡穩(wěn)定和永久變形)的結(jié)構(gòu)易損性模型；結(jié)合震后損失建議了高土石壩抗震風(fēng)險評價矩陣。

關(guān)鍵詞：高土石壩；風(fēng)險分析；地震危險性；結(jié)構(gòu)易損性；評價標準

0引言

在強震區(qū)修筑高土石壩面臨著巨大的挑戰(zhàn),如果高壩因遭遇地震而出現(xiàn)險情,將會危及下游生命財產(chǎn)安全及社會環(huán)境等。合理確定土石壩的抗震設(shè)防標準、研究土石壩地震作用下的破壞形式與破壞機理,將抗震設(shè)防標準與相應(yīng)的性能相結(jié)合,進而指導(dǎo)土石壩的抗震實踐,是當(dāng)前壩工界亟需解決的重大關(guān)鍵技術(shù)問題之一。世界上經(jīng)歷強震考驗的高壩較少,迄今尚無高土石壩因地震作用而潰決的報道。

目前,我國大壩風(fēng)險分析的研究工作尚處于起步階段,吳世偉[1]對工程可靠度進行了研究,提出了研究結(jié)構(gòu)風(fēng)險的構(gòu)思；沈懷志等[2- 4]對混凝土壩進行了基于功能抗震風(fēng)險分析研究,提出了一種在不同震級作用下高壩震害損失的計算方法,探討了發(fā)電經(jīng)濟功能下的高拱壩建設(shè)方案的風(fēng)險決策問題；賈超[5]總結(jié)了高壩風(fēng)險分析的事件樹法,明確系統(tǒng)的變化過程,進而找出預(yù)防事故發(fā)生的途徑,建立了因損傷水平的不同而造成使用功能不能充分發(fā)揮帶來的結(jié)構(gòu)損失風(fēng)險分析模型。本文擬針對高土石壩的抗震風(fēng)險問題進行研究。

1基于性能的土石壩抗震設(shè)防標準

由于壩工界對大壩抗震能力認識存在差異[6],且各國地震地質(zhì)構(gòu)造也不相同,故采用的抗震設(shè)計規(guī)范中對地震荷載參數(shù)的選取也有較大差別。國際大壩委員會(ICOLD)推薦大壩按兩級設(shè)防[7-9]：運行基本地震(OperatingBasisEarthquake,OBE)和最大設(shè)計地震(MaximumDesignEarthquake,MDE),并將壩址區(qū)可能發(fā)生的最大地震定義為最大可信地震(MaximumCredibleEarthquake,MCE)。盡管不同國家、不同部門規(guī)定的大壩抗震控制標準不同,但關(guān)于大壩抗震設(shè)防的原則基本一致,即,在OBE作用下,不發(fā)生持續(xù)、嚴重破壞,保障大壩不做額外修復(fù)工作仍舊能夠繼續(xù)正常運行；在MDE作用下,將失事風(fēng)險控制在一個可以接受的范圍內(nèi),防滲體和壩基不產(chǎn)生貫穿性裂縫,不發(fā)生庫水漫頂?shù)葹?zāi)難性破壞。

根據(jù)《汶川地震災(zāi)區(qū)水電工程震損調(diào)查及工程抗震復(fù)核》[10],結(jié)合土石壩壩體及相關(guān)設(shè)施的外觀形態(tài)、功能完整性和修復(fù)難易程度,將土石壩震害等級初步分為5級,見表1。

表1土石壩震害等級劃分標準

震害等級外觀形態(tài)運行功能特征修復(fù)難易程度未震損完好正常直接可用震損輕微保持完好基本正常,僅需簡單維修、維護,就可投入使用短時間內(nèi)即可修復(fù)使用震損較重局部震損需限制使用條件1年之內(nèi)可修復(fù)使用震損嚴重損壞嚴重基本喪失,但具備修復(fù)可能3年之內(nèi)可修復(fù)使用損毀毀壞功能完全喪失,不具備修復(fù)可能無法修復(fù),需要重建

在研究選取抗震性能指標時,在不潰壩的情況下,對應(yīng)表1中土石壩震害等級,選定不同的設(shè)防標準見表2。

表2基于性能的土石壩抗震設(shè)防標準

抗震性能指標等級狀態(tài)抗震設(shè)防標準輸入地震基巖輸入加速度震損程度B1中震不壞OBE50年超越概率10%未震損或震損輕微B2大震可修MDE100年超越概率2%震損較重B3極震不倒MCE100年超越概率1%震損嚴重B4———潰壩

2高土石壩抗震風(fēng)險分析模型

根據(jù)風(fēng)險定義,地震后結(jié)構(gòu)失效概率是地震危險性分析成果和結(jié)構(gòu)易損性概率的函數(shù)

(1)

2.1地震危險性分析

在大壩的抗震分析中,通常用場地的峰值加速度表征地震特性,高小旺等[12-14]認為場地峰值加速度服從極值Ⅱ型概率分布,其累計概率分布函數(shù)為

(2)

式中,ag為眾值加速度,取一定時期內(nèi)超越概率為63.2%的峰值加速度；K為形狀參數(shù)。ag和K可根據(jù)工程地震危險性分析資料給出的不同超越概率峰值加速度數(shù)據(jù),進行最小二乘法擬合求得。

對式(2)求導(dǎo),可得到地震峰值加速度的概率密度函數(shù),即

(3)

2.2土石壩結(jié)構(gòu)抗震易損性分析

基于性能的大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性分析,是研究不同概率水平的地震峰值加速度作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生各級破損的概率。易損性分析主要包括：①結(jié)構(gòu)破損等級臨界指標的確定；②對每一種破損等級的臨界狀態(tài),輸入不同地震波進行計算,獲得達到臨界狀態(tài)的地震峰值加速度,進行概率分析；③擬合概率曲線,得到易損性函數(shù)[2,15]

(4)

式中,α、β、δ、μ為擬合系數(shù)。

對于土石壩而言,可選擇壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和震后永久變形作為結(jié)構(gòu)破損評價指標。進行可靠性分析時,選擇壩料力學(xué)特性參數(shù)(粘聚力C和摩擦角φ)作為隨機變量,研究表明這兩個隨機參數(shù)均符合正態(tài)分布,可采用蒙特卡羅法提取樣本構(gòu)造隨機數(shù),對大壩進行壩坡抗滑穩(wěn)定及有限元計算：①壩坡穩(wěn)定。輸入不同設(shè)防標準下的地震加速度,用擬靜力法進行壩坡抗滑穩(wěn)定計算,得到不同抗震性能下的最小安全系數(shù)；根據(jù)不同破損標準的壩坡動力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),輸入不同地震加速度得到達到臨界狀態(tài)的時各加速度對應(yīng)的破壞概率,即地震反應(yīng)譜加速度易損性曲線,然后擬合得到易損性概率函數(shù)。②永久變形。通過靜動力有限元計算土石壩永久變形,確定達到各級破損狀態(tài)的臨界豎向永久變形值,進而計算不同破損等級的結(jié)構(gòu)失事概率,得到結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線,建立易損性函數(shù)。

假定土石壩壩坡失穩(wěn)和過大永久變形結(jié)構(gòu)破壞2種破損模式是相互獨立事件,即出現(xiàn)一種險情就將對大壩安全造成威脅,則按照串聯(lián)系統(tǒng)計算大壩綜合失事概率為

(1-Pf(D))

(5)

式中,Pf(S)為壩坡失穩(wěn)概率；Pf(D)為壩體永久變形的失事概率。

2.3震后損失分析

大壩遭受地震破壞的后果,應(yīng)考慮人員傷亡、經(jīng)濟損失和社會環(huán)境影響3個方面。我國對于土石壩的抗震設(shè)防本著“以人為本”的原則設(shè)計,要求“極震不倒”,力求將人的生命損失降低到最低,故本模型未考慮人員傷亡。

地震后,水利水電工程的經(jīng)濟損失由直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失和救災(zāi)直接投入費用構(gòu)成。大壩結(jié)構(gòu)由于地震導(dǎo)致的破損,屬于壩體在地震中的直接經(jīng)濟損失,可用震后維修加固費用衡量；由地震造成的蓄水發(fā)電、供水等功能受損屬于間接經(jīng)濟損失,可以用發(fā)電效益減損、供水等造成的經(jīng)濟損失來估算；地震救災(zāi)直接投入費用按實際投入確定,也可以根據(jù)需要按直接經(jīng)濟損失進行初步估計。

C=Cd+Ci+Cs

(6)

式中,C為總經(jīng)濟損失；Cd為直接經(jīng)濟損失；Ci為間接經(jīng)濟損失；Cs為救災(zāi)直接投入費用。經(jīng)濟損失計算方法為：①直接經(jīng)濟損失。Cd可以用Cd=αC0進行估算,其中,α為損失比系數(shù),取值可參考文獻[16]；C0為工程造價。②間接經(jīng)濟損失。主要指由于大壩結(jié)構(gòu)破壞造成的功能損失,考慮工程的水力發(fā)電功能,Ci可以用Ci=βW進行估算,其中,β為間接損失系數(shù),可依據(jù)工程的震損程度選取,基本完好可直接使用,可認為無間接損失,取β=0；輕微震損可在短時間內(nèi)修復(fù),認為一個季度可修復(fù),占年均生產(chǎn)效益的1/4,β=0.25；較重震損情況在一年內(nèi)可修復(fù)使用,可取β=1；嚴重震損3年內(nèi)修復(fù)使用,β>1。W為水電站正常運行時多年平均年發(fā)電效益,可用多年平均發(fā)電量乘以平均電價計算。③救災(zāi)直接投入費用。在無法得到確切投入費用時,可按Cs=γCd估計,其中,γ為經(jīng)驗系數(shù),選取可參考文獻[17]。

震損評估還包括社會與環(huán)境影響評估,但是由于社會環(huán)境影響涉及面及其廣泛,包含社會政治因素、人的心理因素、河道生態(tài)環(huán)境、人文景觀等多方面因素,比較復(fù)雜。目前國際上對此研究尚不成熟,也尚未制定關(guān)于社會與環(huán)境影響的風(fēng)險標準。我國對社會與環(huán)境影響風(fēng)險僅做了初步探討,《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》將建設(shè)項目對環(huán)境的影響程度,劃分成重大、輕度、小影響3類,要求對建設(shè)項目的環(huán)境影響評價實行分類管理,但是尚無定論何種影響狀態(tài)屬于何等影響程度。由于地震作用造成的環(huán)境破壞可以通過相應(yīng)治理使其修復(fù),因此對社會環(huán)境的損失評估亦可以從經(jīng)濟角度考慮,將其劃歸到經(jīng)濟損失評估中。

3高土石壩抗震風(fēng)險評價標準

3.1大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性評價標準

大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性描述了在不同地震荷載作用下壩體發(fā)生的破壞概率。Vick和J.Barneich、美國墾務(wù)局、澳大利亞大壩委員會等[18]根據(jù)經(jīng)驗提出了幾種判別標準；李雷等[18]結(jié)合多年對水庫大壩的安全鑒定工作,提出了結(jié)合我國具體情況的定性描述與定量概率轉(zhuǎn)換關(guān)系；《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南(試行)》、《城市軌道交通工程風(fēng)險評估指南(征求意見稿)》劃分了風(fēng)險事件發(fā)生可能性等級。

根據(jù)我國水利水電工程建設(shè)及社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀,周建平等[19]建議我國大中型水庫大壩年失事率取1.0×10-3/a,參照澳大利亞的風(fēng)險標準制定原則,以年失事率的10%作為可容忍風(fēng)險,以失事率的1%作為可接受風(fēng)險。高土石壩的基準使用期為100a,故年失事率轉(zhuǎn)化為失事概率后,失事概率小于0.01是可接受的,超過0.1是不可容忍的。

參考各國各領(lǐng)域關(guān)于破壞概率等級的研究成果,將大壩抗震易損性等級按結(jié)構(gòu)失事概率劃分為5級,擬定大壩抗震易損性等級劃分標準見表3。

表3大壩抗震易損性等級劃分標準

可能性等級定量判斷標準定性判斷標準風(fēng)險承受水平1Pf<0.0001幾乎不可能20.0001≤Pf<0.01不太可能可接受30.01≤Pf<0.1可能可容忍40.1≤Pf<0.5很可能50.5≤Pf<1非?？赡懿豢扇萑?/p>

3.2震后損失評價標準

大壩的地震經(jīng)濟損失與工程造價和震后破損程度有關(guān),由于工程的規(guī)模造價不同,震損程度與經(jīng)濟損失并無直接的線性對應(yīng)關(guān)系,另外,經(jīng)濟損失還與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和國民經(jīng)濟風(fēng)險接受能力有關(guān)。根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》、《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南》、《企業(yè)職工傷亡事故經(jīng)濟損失統(tǒng)計標準》等,結(jié)合我國現(xiàn)有國情和水庫大壩規(guī)模,建議將高土石壩地震直接經(jīng)濟損失劃分為5個等級,其中,小于500萬元是可接受的,超過1億元是不可容忍的,建議劃分標準見表4。

表4高土石壩地震經(jīng)濟損失等級標準

震損等級后果描述直接經(jīng)濟損失判斷標準風(fēng)險承受水平A輕微500萬元以下可接受B較輕500萬～1000萬元C中等1000萬～5000萬元D嚴重5000萬～1億元可容忍E災(zāi)難1億元以上不可容忍

3.3建議高土石壩抗震風(fēng)險評價矩陣

根據(jù)風(fēng)險事件發(fā)生可能性和風(fēng)險損失建立,如表5所示的風(fēng)險評價矩陣,建議高土石壩的抗震風(fēng)險等級分為3級：Ⅰ為可接受的低風(fēng)險,需加強管理保持控制風(fēng)險在可接受范圍內(nèi)；Ⅱ為警告級的可容忍中等風(fēng)險,需制定風(fēng)險削減措施降低風(fēng)險；Ⅲ為不可容忍的高危風(fēng)險,需要納入目標管理或制定風(fēng)險管理方案。

表5高土石壩的抗震風(fēng)險評價矩陣

損失等級可能性等級ABCDE輕微較輕中等嚴重災(zāi)難性1幾乎不可能ⅠⅠⅠⅠⅠ2不太可能ⅠⅠⅡⅡⅡ3可能ⅡⅡⅡⅢⅢ4很可能ⅡⅡⅢⅢⅢ5非?？赡堍螈螈螈螈?/p>

4結(jié)語

依據(jù)抗震設(shè)防標準,建立了高土石壩地震風(fēng)險分析模型,將大壩抗震性能與地震后結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性以及震后損失聯(lián)系在一起,評價結(jié)果可為工程進行風(fēng)險管理提供客觀依據(jù)。高土石壩抗震風(fēng)險管理是一個長期動態(tài)循環(huán)的過程,針對不同的風(fēng)險等級進行風(fēng)險控制,制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,可為高土石壩的安全運行提供有力保障。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

收稿日期：2014- 01- 12

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃項目(2009BAK56B02)

作者簡介：王琪(1987—)，女，山東曲阜人，工程師，碩士，主要從事科技期刊編輯和水工結(jié)構(gòu)抗震風(fēng)險分析方面的研究工作．

中圖分類號：TV641.1；TB114.3

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0057- 04

SeismicRiskAnalysisofHighEarth-rockDamBasedonPerformance

WANGQi1,ZHUSheng2,FENGYanming3

(1.ChinaRenewableEnergyEngineeringInstitute,Beijing100120,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerElectricity,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China;3.PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,Yunnan,China)

Abstract:After analyzing dam seismic standards in the world, a seismic risk analysis model of high earth-rock dam is established based on performance. Combined with the seismic hazard analysis, the earthquake input criteria and probability distribution of peek ground acceleration are determined. The structural fragility models are established respectively for the common failure modes of dam slope instability and permanent deformation. Combining with the earthquake damage consequences, a matrix rank is suggested to evaluate the seismic risk level．

Key Words:high earth-rock dam; risk analysis; seismic hazard; structural fragility; assessment standard