淺析中外水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要差異

張公平，唐忠敏

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)和“西電東送”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國(guó)水電開(kāi)發(fā)逐漸步入中后期，在一大批世界級(jí)高壩拔地而起的同時(shí)，我國(guó)水電建設(shè)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題也日益顯現(xiàn)，走出國(guó)門，積極尋求國(guó)際水電產(chǎn)能合作已經(jīng)成為中國(guó)水電工程界的共識(shí)。但與之相應(yīng)的是，伴隨著一大批中國(guó)企業(yè)深度介入國(guó)際水電市場(chǎng)，對(duì)國(guó)際水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不熟悉已經(jīng)成為了制約中國(guó)企業(yè)立足海外的關(guān)鍵因素。

以水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為例，對(duì)中國(guó)設(shè)計(jì)咨詢企業(yè)而言，由于長(zhǎng)期從事國(guó)內(nèi)水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，對(duì)于一般性(工程抗震設(shè)防類別為乙、丙、丁)水工建筑物僅采用相當(dāng)于中震水平的“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防的理念早已深入人心，進(jìn)入國(guó)際水電市場(chǎng)后，對(duì)于國(guó)際常用的水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)(如MCE、MDE、SEE、DBE、OBE等)、水工建筑物抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法不熟悉等問(wèn)題一度困擾了許多工程技術(shù)人員。本文著眼于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)中、外水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)，中、外重力壩抗震計(jì)算方法等對(duì)比分析，揭示了中、外水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的主要差異，并結(jié)合岷江流域震中附近水電工程在“5·12汶川地震”中的優(yōu)異表現(xiàn)，解答了對(duì)僅采用相當(dāng)于中震水平的“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)抗震設(shè)防的水工建筑物能否滿足“大震不倒”性能目標(biāo)要求的疑問(wèn)。

1 水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)的差異

1.1 國(guó)際水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)的基本概念

根據(jù)ICOLD[1-4]，國(guó)際水電工程中常用的水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)主要有：

(1)最大可信地震(MCE，Maximum Credible Earthquake)。MCE是基于歷史地震和區(qū)域地質(zhì)條件，在工程場(chǎng)址處可能產(chǎn)生的最大的地震動(dòng)事件，MCE計(jì)算基于確定性的地震分析(DSHA)。

(2)最大設(shè)計(jì)地震(MDE，Maximum Design Earthquake)。MDE的重現(xiàn)期采用10 000年，對(duì)于允許有小的或者有限損壞的大壩，其重現(xiàn)期可以較短，MDE的地震動(dòng)系數(shù)的確定是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(3)安全評(píng)價(jià)地震(SEE， Safety Evaluation Earthquake)。SEE是大壩不會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)無(wú)法控制的下泄所必須抵抗的地震動(dòng)，也是大壩及安全相關(guān)構(gòu)件的安全評(píng)估和抗震設(shè)計(jì)的決定性地震動(dòng)。對(duì)于重要的大壩，SEE可采用MCE或MDE。

(4)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震(DBE，Design Basis Earthquake)。DBE是附屬結(jié)構(gòu)參照的設(shè)計(jì)地震，采用475年的地震重現(xiàn)期，DBE地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(5)運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE，Operating Basis Earthquake)。OBE是大壩生命周期中不發(fā)生損壞或者功能喪失的設(shè)計(jì)地震，采用145年的重現(xiàn)期，OBE地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(6)水庫(kù)誘發(fā)地震(RTE，Reservoir-Triggered Earthquake)。RTE是由水庫(kù)蓄水、水位下降等所引起的，在壩址位置的最大地震動(dòng)。

(7)施工地震(CE，Construction Earthquake)。CE是臨時(shí)建筑物(如圍堰)等的設(shè)計(jì)地震，其計(jì)算應(yīng)考慮臨時(shí)建筑物的服務(wù)期。

(8)附屬建筑物設(shè)計(jì)地震(DEAS，Design Earthquake for Appurtenant Structures)。DEAS是不控制大壩安全的附屬建筑物(如取水口、壓力管道、廠房、地下洞室等)的設(shè)計(jì)地震，常采用475年的重現(xiàn)期。

1.2 國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)

(1)國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)1988年發(fā)布的72號(hào)公告相關(guān)規(guī)定。在國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)于1988年發(fā)布的72號(hào)公告《大壩地震動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-1989》[2]中提出，大壩按照OBE和MDE兩級(jí)設(shè)防的理念，其設(shè)防水準(zhǔn)和性能目標(biāo)要求如下：

①在OBE作用下，大壩不容許發(fā)生影響大壩和水庫(kù)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)性損壞(如裂縫、變形、泄露等)，但是容許發(fā)生可修復(fù)的損壞；與大壩安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備(如溢洪道、壩身孔口及閘門系統(tǒng)等)必須完全可以使用，不允許發(fā)生扭曲變形等。

②在MDE作用下，大壩允許發(fā)生結(jié)構(gòu)性的損壞(如裂縫、變形、泄露等)，但必須確保大壩的穩(wěn)定性，大壩不會(huì)發(fā)生大量不可控制的水體下泄的情況；與大壩安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備(如溢洪道、壩身孔口及閘門系統(tǒng)等)，允許發(fā)生少量的扭曲變形，但必須確保其基本功能。

(2)國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)2010年發(fā)布的72號(hào)修訂公告相關(guān)規(guī)定。在國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)于2010年發(fā)布的72號(hào)修訂公告《大壩地震動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-2010)》[3]中，引入SEE取代了1988年發(fā)布的72號(hào)公告中的MDE，采用了OBE和SEE兩級(jí)設(shè)防，OBE和SEE設(shè)防水準(zhǔn)和性能目標(biāo)要求與1988年發(fā)布的72號(hào)公告中的OBE和MDE基本一致，各設(shè)防水準(zhǔn)地震重現(xiàn)期如表1所示。

表1 國(guó)際大壩委員會(huì)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的地震重現(xiàn)期

1.3 部分國(guó)家水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[5-12]，部分國(guó)家水工建筑物設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的地震重現(xiàn)期如表2所示。

表2 部分國(guó)家水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的地震重現(xiàn)期

1.4 中國(guó)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)

我國(guó)建筑工程界常采用“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)[12]，但我國(guó)水工建筑物通常只要求復(fù)核能否滿足“中震可修”的性能目標(biāo)要求，即對(duì)于一般的水工建筑物(抗震設(shè)防類別丙、丁類)通常采用“設(shè)計(jì)地震”(475年重現(xiàn)期，相當(dāng)于中震)單級(jí)設(shè)防，其性能目標(biāo)要求為允許產(chǎn)生可修復(fù)的局部破壞[13-14]，這與國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)對(duì)于OBE性能目標(biāo)是一致的；對(duì)于重要的水工建筑物(抗震設(shè)防類別甲類的1級(jí)壅、泄水建筑物，及抗震設(shè)防類別乙類的1級(jí)非壅水建筑物)，“設(shè)計(jì)地震”的重現(xiàn)期還分別提高至4 950年和1 000年；對(duì)于特別重要的水工建筑物(抗震設(shè)防類別甲類)，除“設(shè)計(jì)地震”外，還要求論證最大可信地震(MCE)時(shí)不發(fā)生庫(kù)水失控下泄災(zāi)變(即“大震不倒”)的安全裕度。我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的地震重現(xiàn)期如表3所示。

1.5 中外水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)主要差異

綜合以上比較分析，中外水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)主要差異在于：

(1)對(duì)于設(shè)防水準(zhǔn)，除加拿大、英國(guó)、瑞士等國(guó)家外，國(guó)外水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)大多參考國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)的要求，采用OBE和SEE(或MDE)兩級(jí)設(shè)防；而我國(guó)一般水工建筑物(抗震設(shè)防類別乙、丙、丁類)通常采用“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防，僅對(duì)特別重要的水工建筑物(抗震設(shè)防類別甲類)采用“設(shè)計(jì)地震”和“校核地震”兩級(jí)設(shè)防。

表3 我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)及相應(yīng)的地震重現(xiàn)期

(2)對(duì)“允許產(chǎn)生可修復(fù)的局部破壞”這一性能目標(biāo)要求，國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)及部分國(guó)家采用的OBE進(jìn)行控制，其重現(xiàn)期僅為145年；而我國(guó)采用“設(shè)計(jì)地震”進(jìn)行控制，重現(xiàn)期為475年、1 000年和4 950年。說(shuō)明在這一性能目標(biāo)要求上，我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)是高于國(guó)外抗震設(shè)防水準(zhǔn)的。

(3)對(duì)“不發(fā)生庫(kù)水失控下泄災(zāi)變”這一性能目標(biāo)要求，國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)及部分國(guó)家采用SEE(或MDE)進(jìn)行控制，并且根據(jù)水工建筑物重要性、地震活動(dòng)性等進(jìn)行分級(jí)，采用不同的地震重現(xiàn)期；而我國(guó)僅對(duì)特別重要的水工建筑物(抗震設(shè)防類別甲類)有此要求，對(duì)于抗震設(shè)防類別乙、丙、丁類的水工建筑物不作要求。

2 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)計(jì)算的差異

在國(guó)際水電工程界，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛。由此，本章主要比較中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)在水工建筑物抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方面的部分差異。

2.1 水平地震慣性力計(jì)算公式差異

(1)美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)水工建筑物地震慣性力計(jì)算公式。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)所采用的水平地震慣性力計(jì)算公式如式1所示：

Pex=Wα

(1)

式中Pex——為水平地震慣性力；

W——為大壩重力；

α——為地震系數(shù)。

(2)我國(guó)水工建筑物地震慣性力計(jì)算公式。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)所采用的水平地震慣性力計(jì)算公式如式2所示：

Ei=αhζGEiαi/g

(2)

式中Ei——為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平地震慣性力；

αh——為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值；

ζ——為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，應(yīng)取0.25；

GEi——為重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；

αi——為質(zhì)點(diǎn)i地震慣性力的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)，對(duì)于建筑物一般取1～3。

g——為重力加速度。

(3)主要差異。比較公式(1)、(2)可知，中、美水工建筑物水平地震慣性力計(jì)算公式主要差異在于：

①公式(2)較公式(1)增加了地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)ζ，該系數(shù)主要用于彌合與傳統(tǒng)擬靜力方法相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度值與實(shí)際地震加速度值的差異[16]。

②公式(2)較公式(1)增加了地震慣性力動(dòng)態(tài)分布系數(shù)αi，該系數(shù)主要反映地震慣性力沿結(jié)構(gòu)高程的分布；對(duì)于主要水工建筑物(如土石壩、重力壩、拱壩、水閘、取水口等)，按公式(2)計(jì)算出的水平地震慣性力大致相當(dāng)于按公式(1)計(jì)算值的25%～75%。

2.2 重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算(地震工況)的差異

(1)美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)重力壩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算(地震工況)的相關(guān)規(guī)定：根據(jù)文獻(xiàn)[15]，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)重力壩抗滑穩(wěn)定(包括沿基底抗滑穩(wěn)定和深層抗滑穩(wěn)定)的計(jì)算工況和安全系數(shù)控制值如圖4所示。

表4 美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)重力壩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算工況及安全系數(shù)控制值(地震工況)

(2)我國(guó)重力壩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算(地震工況)的相關(guān)規(guī)定：根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]，我國(guó)重力壩抗滑穩(wěn)定的計(jì)算工況和安全系數(shù)控制值見(jiàn)表5，其中安全系數(shù)控制值為承載能力極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式中各分項(xiàng)系數(shù)的換算值。

表5 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)重力壩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算工況及安全系數(shù)控制值(地震工況)

(3)主要差異。比較表4和表5可知，中、美重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算(地震工況)主要差異在于：

①美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算需要復(fù)核“正常蓄水+OBE地震”“正常蓄水+SEE地震”和“施工完建+OBE地震”三種地震工況，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)僅需復(fù)核“正常蓄水+設(shè)計(jì)地震”工況。

②對(duì)重力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)控制值，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)對(duì)于所有規(guī)模的重力壩均采用同一控制值，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)重力壩的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別分級(jí)設(shè)置控制值，并且我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)的控制值要大于美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)的控制值。

2.3 大壩混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度差異

(1)美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)大壩混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定：根據(jù)文獻(xiàn)[15]，在做重力壩地震分析時(shí)，混凝土的壓應(yīng)力通常不起控制作用，混凝土抗拉強(qiáng)度則可取靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的1.5倍。

(2)我國(guó)大壩混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定：根據(jù)文獻(xiàn)[14]，對(duì)不進(jìn)行專門的試驗(yàn)確定其混凝土材料動(dòng)態(tài)性能的大體積水工混凝土建筑物，其混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可較靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高20%，其動(dòng)態(tài)彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值可較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高50%。

(3)主要差異。中美標(biāo)準(zhǔn)在大壩混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度差異較大，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)規(guī)定大壩混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度可較靜態(tài)值提高50%，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的提高幅度為20%。

3 單級(jí)抗震設(shè)防的水工建筑物在“5·12汶川地震”中的表現(xiàn)

正如本文第2章所論述，我國(guó)抗震設(shè)防類別乙(2級(jí)雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物僅采用相當(dāng)于中震水平“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防，未再按國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)和國(guó)外通常的做法復(fù)核建筑物在SEE(或MDE)狀況下的穩(wěn)定性。那么，上述采用中震設(shè)防的水工建筑物在遭遇大震時(shí)表現(xiàn)如何呢？

本章以“5·12汶川地震”中岷江流域距震中最近的7座水電站為例，分析其擋、泄水建筑物在大震中的表現(xiàn)，試圖以此來(lái)說(shuō)明采用中震水平的“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防的水工建筑物在遭遇大震時(shí)能否滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)要求。根據(jù)文獻(xiàn)[19-29]，汶川8.0級(jí)地震中岷江流域距震中最近的7座水電站擋、泄水建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)及震損情況如表6所示。

表6 “5·12汶川地震”岷江流域部分水電站震損情況

由表6可知：

(1)在汶川8.0級(jí)地震中，設(shè)計(jì)基本烈度僅為Ⅶ～Ⅷ的7座大壩在遭遇Ⅸ～Ⅺ大震時(shí)無(wú)一潰決，擋、泄水建筑物主體結(jié)構(gòu)受損輕微，表現(xiàn)優(yōu)異，說(shuō)明我國(guó)對(duì)抗震設(shè)防類別乙(2級(jí)雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物采用“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防的設(shè)防水準(zhǔn)是可靠的，能夠滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)要求。

(2)通過(guò)上述水電站泄水建筑物震損情況來(lái)看，多座水電站存在因閘門變形、缺乏備用電源等原因?qū)е麻l門無(wú)法開(kāi)啟，進(jìn)而造成庫(kù)水漫頂?shù)那闆r，說(shuō)明僅采用“中震可修”單級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)的水工閘門在遭遇大震時(shí)的可靠性稍顯不足，有必要提高設(shè)防水準(zhǔn)或增加備用設(shè)施以滿足震后庫(kù)水下泄的要求。

4 結(jié)論及建議

(1)國(guó)外水工建筑物大多采用OBE和SEE(或MDE)兩級(jí)設(shè)防，我國(guó)對(duì)一般的水工建筑物(抗震設(shè)防類別乙、丙、丁類)采用“設(shè)計(jì)地震”單級(jí)設(shè)防，僅對(duì)特別重要的水工建筑物(抗震設(shè)防類別甲類)采用“設(shè)計(jì)地震”和“校核地震”兩級(jí)設(shè)防。

(2)我國(guó)“設(shè)計(jì)地震”與國(guó)外OBE的性能目標(biāo)要求均為“允許產(chǎn)生可修復(fù)的局部破壞”，但我國(guó)“設(shè)計(jì)地震”的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(重現(xiàn)期475年、1 000年和4 950年)要高于國(guó)外OBE的設(shè)防水準(zhǔn)(重現(xiàn)期145年)。

(3)我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)在水平地震慣性力計(jì)算、重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算、大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能等與美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，在參與類似工作時(shí)要引起注意。

(4)岷江流域距震中最近的7座大壩在“5·12汶川地震”中的優(yōu)異表現(xiàn)說(shuō)明，對(duì)于抗震設(shè)防類別乙(2級(jí)雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物，盡管沒(méi)有進(jìn)行SEE、MDE或“校核地震”復(fù)核，仍然能夠滿足“大震不倒”的性能要求；僅按相當(dāng)于“中震可修”單級(jí)設(shè)防的水工閘門在遭遇大震時(shí)可靠性稍顯不足，有必要提高設(shè)防水準(zhǔn)或增加備用設(shè)施以滿足震后庫(kù)水下泄的要求。

(5)在參與國(guó)際水電工程時(shí)，在滿足項(xiàng)目所在國(guó)法律要求、合同要求、咨詢(監(jiān)理)工程師要求的同時(shí)，應(yīng)按照確保工程安全、節(jié)約工程投資的原則，選取合適的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。