我國混凝土大壩的抗震安全分析發(fā)展趨勢

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，在我國西部高烈度地震區(qū)，已建成和正在規(guī)劃建設(shè)的混凝土大壩及300米以上的高拱壩越來越多。由于我國的大壩抗震分析理論研究起步晚且尚未成熟，許多已建成的大壩在設(shè)計(jì)時(shí)采取的抗震設(shè)計(jì)方法較為粗糙。本文將通過梳理當(dāng)前國際國內(nèi)先進(jìn)的抗震分析方法，總結(jié)我國的抗震安全分析的發(fā)展趨勢，為將來的研究者提供一些思路。

關(guān)鍵詞：地面加速度；設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；抗震設(shè)計(jì)；風(fēng)險(xiǎn)分析

一、當(dāng)前的抗震安全分析

混凝土大壩的地震分析是由westergaard 教授在20世紀(jì)30年代首先提出來的，目前仍是大壩抗震設(shè)計(jì)的主流。它是將大壩模擬為線彈性無線長的三角形截面，放置在剛性基礎(chǔ)上，將地震作用用一個(gè)地震系數(shù)來表示，通常取0.1，然后進(jìn)行靜力穩(wěn)定性分析，稱之為擬靜力法。由于混凝土大壩在強(qiáng)震中的震害主要體現(xiàn)在受拉導(dǎo)致的裂縫尤其是貫穿性的拉裂縫，這種分析方法著重于混凝土大壩的強(qiáng)度校核和穩(wěn)定校核，采取的標(biāo)準(zhǔn)是不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)，以最大拉應(yīng)力為安全系數(shù)來控制大壩的抗震安全性，這在我國的大壩抗震設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的尤為明顯。目前發(fā)展為基于材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的線彈性振動響應(yīng)分析和極限平衡法分析，其簡單易于操作且在過去的幾十年間指導(dǎo)設(shè)計(jì)的混凝土大壩包括高拱壩具有良好的運(yùn)行狀況。

二、設(shè)計(jì)中面臨的問題

隨著科技手段的進(jìn)步，越來越大的地震地面加速度被檢測出來，有些顯著高于當(dāng)時(shí)采用的設(shè)計(jì)值，如1973年前蘇聯(lián)Gazli地區(qū)發(fā)生里氏7.2級地震，測得最大地震加速度為1.3g。滿足以前的地震系數(shù)和擬靜力分析的大壩是否可以安全抵抗未來高風(fēng)險(xiǎn)的地震破壞是當(dāng)前我國大壩抗震復(fù)核的核心工作，國內(nèi)外大量資料表明許多按照當(dāng)時(shí)保守的設(shè)計(jì)地震加速度建造的大壩在地震中都產(chǎn)生了不同程度的損壞，針對這一矛盾，我國的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)做了一定修改[1]，一些小型混凝土重力壩仍然采取擬靜力分析，按照最大設(shè)計(jì)地震MDE一級設(shè)防，對于超過250米重要的高壩我國的設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行專業(yè)研究，設(shè)計(jì)地震加速度提高到重現(xiàn)期為4950年，并采用反應(yīng)譜法進(jìn)行彈性分析，還要進(jìn)行非線性的動力響應(yīng)分析和動力模型試驗(yàn)，一些重要參數(shù)也做了相應(yīng)修改，如阻尼值和混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度。

在對地震作用后受損大壩的研究中發(fā)現(xiàn)，在地基、回填飽和土及壩身混凝土材料中由于出現(xiàn)剪應(yīng)變，導(dǎo)致孔隙水壓力明顯上升產(chǎn)生超孔隙水壓力[2]，這也是大壩在強(qiáng)震中強(qiáng)度損失、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要原因，許多已建成的大壩在設(shè)計(jì)時(shí)對這個(gè)方面的認(rèn)識不足，目前亟待開展此方面的研究。此外地震作用下混凝土材料的動力特性研究比較缺乏，目前廣泛采用的是Raphael的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我國的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也采用了這一結(jié)果，但對于影響這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素如混凝土試件的強(qiáng)度、物理環(huán)境因素、幾何尺寸、加載幅度等都缺乏專門深入的研究。

三、當(dāng)前的研究方向

1基于性能的抗震設(shè)計(jì)分析

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代中期美國科學(xué)家Moehle提出的全新的抗震設(shè)計(jì)理念，最早應(yīng)用于橋梁抗震設(shè)計(jì)中，我國張楚漢等[3]開創(chuàng)性的將這一理念引入到水利水電工程中。該理論核心目標(biāo)是使得結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用年限里各項(xiàng)功能保持正常，滿足使用要求。在混凝土大壩中多級設(shè)防的理念也源于此。在運(yùn)行基本地震OBE作用下不容許大壩出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的損害，如裂縫，變形和泄漏，容許出現(xiàn)可修復(fù)的損害。在安全評價(jià)地震SEE作用下，可以出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的損害，但應(yīng)當(dāng)確保大壩的穩(wěn)定性，水庫中沒有不可控制的水體下泄，造成下游重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，SEE一般取最大設(shè)計(jì)地震MDE，特殊情況取到最大可信地震MCE。美國大壩正是采取了OBE和MDE兩級設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)[4]，對應(yīng)于不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有不同的性能要求和設(shè)計(jì)規(guī)范。這也是目前大壩抗震設(shè)計(jì)中較為先進(jìn)的發(fā)展趨勢。我國的大壩抗震設(shè)計(jì)采取的是一級設(shè)防MDE，但標(biāo)準(zhǔn)略高于國際標(biāo)準(zhǔn)，雖然可取得更好的安全性但也造成了一些材料上的浪費(fèi)，因此目前積極開展此方面的研究是有必要的，在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間找到更好的平衡。

2非線性動力有限元分析

較為先進(jìn)的混凝土大壩地震工況下的力學(xué)核算采用非線性的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，假設(shè)拉應(yīng)力區(qū)開裂，修改截面面積和截面矩然后迭代計(jì)算，直至收斂。結(jié)合混凝土大壩的地震響應(yīng)分析可以較為準(zhǔn)確的校核大壩是否會產(chǎn)生貫穿性裂縫。在金峰等[5]的研究中對大壩的動力學(xué)安全分析做了進(jìn)一步探究，在地震作用的動力計(jì)算中加入非線性材料力學(xué)的校核，以屈服區(qū)聯(lián)通作為貫穿性開裂的評價(jià)指標(biāo)，將動力剛體極限平衡結(jié)合非線性材料力學(xué)來校核孤立壩體的抗滑穩(wěn)定性。在計(jì)算過程中一些因素如阻尼、揚(yáng)壓力、滲透等的影響程度及如何定量描述是當(dāng)前正在廣泛研究的課題。

3綜合性的風(fēng)險(xiǎn)分析

綜合性的地震風(fēng)險(xiǎn)分析是對大壩運(yùn)行期內(nèi)遭受一定概率地震作用的可能性及造成的后果進(jìn)行綜合評價(jià)的過程，它將風(fēng)險(xiǎn)分析與基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，由王篤波等[6]于2011年首先提出，為混凝土大壩的經(jīng)濟(jì)性安全性分析評價(jià)提供了新思路。具體包括地震危害性分析、地震易損性分析和地震災(zāi)害損失評估三方面，描述為R=HFL，R為大壩地震風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)的是大壩壩址發(fā)生地震的風(fēng)險(xiǎn)，選取有效峰值加速度PGA為參數(shù)；F為地震易損性，反映了大壩在其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下完成抗震性能目標(biāo)的能力，選取壩頂相對沉陷值作為大壩永久性變形的指標(biāo)，也作為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)；L為地震損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失，以性能為前提采用具體的量化措施。每一項(xiàng)都有具體的指標(biāo)可以從不同側(cè)面對大壩的抗震設(shè)計(jì)作綜合性的評價(jià)，可操作性強(qiáng)。只是對于大壩變形的評價(jià)指標(biāo)目前仍然沒有達(dá)成共識，選取壩頂?shù)南鄬Τ料葜凳欠窨梢酝耆从郴A(chǔ)與大壩的結(jié)構(gòu)易損性仍有待繼續(xù)研究，且此項(xiàng)指標(biāo)只能用于大壩震后的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，如何運(yùn)用在大壩設(shè)計(jì)的前期預(yù)測中仍是亟待解決的問題。

四、結(jié)語

由于目前對地震產(chǎn)生機(jī)理、地震預(yù)測和水庫誘發(fā)地震RST的研究尚未成熟，依然沒有能力準(zhǔn)確可靠的預(yù)測一場強(qiáng)烈地震，只能對地震發(fā)生概率方面做些分析，提高大壩在不同概率地震工況下的強(qiáng)度安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低庫水下泄風(fēng)險(xiǎn)是主要的抗震設(shè)計(jì)思路。在近些年的大壩地震災(zāi)害實(shí)例中發(fā)現(xiàn)，大壩附屬建筑物如閘門、發(fā)電設(shè)備等的抗震安全也應(yīng)有所要求，以期保證其在地震中不被損害，功能正常。許多大壩修建在地形條件惡劣的地方，在地震中面臨著山體滑坡、泥石流、巨型巖石崩落等二次災(zāi)害的威脅，在大壩綜合性的抗震設(shè)計(jì)中加入這些方面的分析評價(jià)也是目前較好研究思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]DL5073-1997，SL203-97，1997.

[2]劉躍，貢金鑫.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)中土超孔隙水壓力計(jì)算[J].水運(yùn)工程，2017：1002-4972.

[3]張楚漢，金峰，沈懷至等.基于功能的高壩抗震安全與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2004.

[4]金峰，周建平.重力壩在校核地震工況下核算方法的建議[j].水利發(fā)電，2009：559-9342.

[5]王篤波，劉漢龍，于陶.基于變形的土石壩地震風(fēng)險(xiǎn)分析[J].巖土力學(xué)，2012：1000-7598.

作者簡介：

胡瑞杰（1996.7.4）男，漢，山西呂梁，身份證號141123199607040037，職稱，研究方向：水利水電工程專業(yè)