混凝土大壩的抗震安全評價（二）
發布時間：2010-01-14 共2頁
需要指出一點，現有關于混凝土大壩在地震中的表現以及地震震害等的經驗主要限于百米左右或百米以下的大壩。而目前我們需要建設的是300m級的超高拱壩，所以有必要結合高壩的特點進行研究。這一點對拱壩特別重要。由于拱壩采用了比較高的抗壓安全系數，強度儲備大，局部出現裂縫后，應力調整有一定余地。但高拱壩的強度儲備相對較小，壩體開裂后應力調整的余地也相應減小，需要引起重視。我們曾嘗試對小灣拱壩(H=292m)和二灘拱壩(H=240m)進行過非線性動力分析[9]。計算中采用非線性彈性模型。這種模型相對比較簡單，應用也比較普遍。國際上一些著名的商用軟件，如ADINA，NONSAP等都采用這種方法。這種模型在理論上雖不夠完整嚴密，但它可用顯式的應力-應變曲線來反映混凝土的變形規律，根據混凝土的壓、拉應力大小，加荷、卸載情況，以及受拉后出現裂縫等情況，可以采用均質各向同性、正交異性，線性和非線性等不同的應力-應變關系來描述，物理概念明確。同時可以選擇適當的多軸應力條件下的破壞準則以便更好地反映混凝土的多軸受力和變形特性。計算中，采用美國1971年的San Fernando地震時巖基上的地震波，有較多波型記錄。采用材料的容許抗拉強度為3MPa.計算結果表明，對小灣拱壩，輸入設計地震加速度0.308g，在高水位時，拱冠梁壩踵部分開裂，應力重分布后，部分混凝土被壓碎。并擴展至右岸壩肩1/2-1/3壩高處相繼發生開裂與局部單元壓碎。在運行低水位時，壩頂拱冠部分偏左也發生若干單元開裂，并導致部分單元壓碎。對二灘拱壩采用材料容許抗拉強度2.5MPa，輸入地震加速度0.308g時(超過原設計加速度0.144g)，拱冠梁壩踵部位局部開裂，但不發展。雖然，在計算模型方面還有待進一步完善改進，但這一現象表明，同一應力控制標準，對不同拱壩，其抗震安全性可有很大差別。這是因為，各壩壩高、壩的型式、兩岸地形、地質情況不同，按彈性動力反應分析計算出的最大應力，不足以全面反映拱壩的抗震安全性。高拱壩對應力的敏感性更為強烈，值得深入研究。
綜上所述，對混凝土大壩特別是高壩的抗震安全評價是一個十分復雜而又需要加強研究的問題。我們提出以下看法和建議。
(1)對高度超過250m以上的大壩，我國規范要求進行專門研究[10]。日本、俄羅斯等規范對重要大壩也都要求進行專門研究。也就是說，采用單一的應力控制標準來評價大壩的抗震安全性是不足的。要強調指出的是目前所進行的專門研究，關于無限地基的動力相互作用影響，壩基不均勻地震動輸入以及橫縫影響，壩基斷層影響等基本上屬于彈性動力響應范疇，我們認為應不僅限于彈性響應分析與彈性動力模型試驗，尚應進行非線性動力分析與動力模型破壞試驗。同時，還應進行靈敏度分析，研究設計地震動，混凝土材料動力特性等方面的不確定性對大壩動力響應的影響，全面衡量大壩的抗震安全性。此外，規范要求對250m以上的高壩進行專門研究，我們的看法是研究范圍可適當擴大，對高度超過200m，甚至150m的大壩，如龍灘大壩最好也補充進行專門研究。
(2)根據動力分析結果表明，像高拱壩這種以雙向受力為主的復雜殼體結構，其關鍵部位的應力很多處于拉-壓工作狀態，應采用雙軸強度準則檢驗壩的安全性。不少國家在拱壩抗震設計中已經采用了雙軸強度標準[12]。
(3)對很多高拱壩來說，起控制作用的工況常常是水庫為常遇低水位時遭遇強地震作用的工況。此時，水面以上壩的上部產生最大的地震拉應力，比滿水位時更為不利。因為滿庫時靜水壓力作用產生的壓應力可抵消一部分拉應力。不過，低水位時遭遇地震作用，壩上部發生震害，其危害作用與滿庫情況是不相同的，如果壩踵部位具有足夠的抗力，則可建議采用不同的安全系數。許多國家檢驗大壩安全的抗震設防標準都是和大壩失事的后果相聯系的。
(4)加強兩級或多級抗震設防水準的研究，這對于重要大壩的抗震設防更具有現實意義。為保障重要大壩的安全，提高其設防的地震加速度標準，不一定是唯一可行而合理的途徑。采用兩級或多級抗震設防，可使大壩的抗震設計更為合理，既保障了其安全性，同時又符合經濟原則。目前，美國，日本等國，房屋、橋梁等土木建筑物的抗震設計從2000年開始將采用性能設計的方法，在不同風險度的地震作用下，對建筑物提出不同的性能要求。拱壩的抗震設計也宜逐步向性能設計方向努力。這代表著建筑抗震設計的發展趨向。也是提高大壩抗震設計水平的需要。
(5)加強局部開裂后拱壩抗震安全性評價方法的研究。特別要加強混凝土材料動力特性的研究，建立合理的計算模型，全面反映加載速率與加載歷史的影響，使大壩抗震安全性的評價更接近于實際。
