混凝土大壩的抗震安全評價（一）
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，小灣、溪洛渡等一批300m級世界超高拱壩和龍灘等200m級高碾壓混凝土重力壩即將在我國西部高烈度地震區(qū)進行建設(shè)。高壩的抗震性評價關(guān)系到下游廣大地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)的安全，具有特殊重要的意義。目前有關(guān)混凝土大壩在地震作用下的動力分析技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步，我們可以對復(fù)雜形狀的拱壩進行比較嚴密的三維壩 水 地基系統(tǒng)的地震響應(yīng)分析。在計算中可以考慮河谷地震動的不均勻輸入；可以考慮拱壩結(jié)構(gòu)縫在強震作用下的相對滑移和轉(zhuǎn)動；可以考慮拱壩和無限地基的動力相互作用影響等。混凝土大壩的彈性振動響應(yīng)分析可以達到比較高的計算精度。但是，對混凝土大壩抗震安全評價有關(guān)的一些重要問題，其中包括地震設(shè)防標準，混凝土材料的動力特性等，都還沒有得到很好解決。以下，我們對一些問題的發(fā)展現(xiàn)狀作一些分析。
1 混凝土大壩抗震安全評價的歷史回顧
混凝土大壩的抗震安全評價經(jīng)歷了較長時期的歷史發(fā)展。安全評價包括強度和穩(wěn)定兩個方面。由于失穩(wěn)的發(fā)展一般是一漸進過程，所以，目前正在研究應(yīng)用不連續(xù)變形方法來分析大壩沿薄弱面失穩(wěn)的發(fā)展過程。這樣，將壩基失穩(wěn)、變形與大壩的變形、應(yīng)力重分布與破壞過程相結(jié)合進行綜合考慮。可以更為科學地評價大壩的安全性。這將是今后的發(fā)展方向。但就目前情況來說，混凝土大壩特別是拱壩的設(shè)計，基本上分別獨立地對穩(wěn)定和應(yīng)力分析進行檢驗。穩(wěn)定分析主要采用極限平衡方法，按塑性力學上限理論計算安全系數(shù)。穩(wěn)定方面出現(xiàn)的問題則通過壩線選擇和加固措施來解決。所以，大壩剖面的選擇將主要通過應(yīng)力進行控制。從應(yīng)力方面評價混凝土大壩的抗震安全性，目前將仍主要建立在容許應(yīng)力的基礎(chǔ)上。各國都根據(jù)彈性動力分析計算出的地震應(yīng)力來進行大壩的抗震設(shè)計。本文將主要討論這方面的問題。由于混凝土大壩在強震中的震害主要表現(xiàn)為受拉出現(xiàn)裂縫，發(fā)生應(yīng)力重分布，使大壩的承載能力降低。因此，混凝土的容許抗拉強度成為大壩抗震安全檢驗的十分重要的指標。
在混凝土壩的設(shè)計中，很長時期內(nèi)，拱壩采用試載法(多拱梁法)，重力壩采用材料力學方法進行分析。這種方法計算比較簡便，又基本上可以反映大壩的受力特性，所以在比較長的大壩建設(shè)實踐中發(fā)揮了重要作用，同時也積累了一定的經(jīng)驗。但是這種方法采用平面變形假定，忽略了應(yīng)力集中的影響，也有一定的局限性。在早期混凝土大壩的設(shè)計中，基本上采用了不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標準。以拱壩為例，認為主要以承受壓力為主，對壓應(yīng)力采用比較高的安全系數(shù)(正常荷載工況達到4，非常荷載工況達到3)，計算中斷面的受拉部分按開裂計算，形成內(nèi)部新的受壓拱，進行應(yīng)力重分布。早期，大壩的設(shè)計地震力不高，地震加速度一般取為0.1g左右，這種情況下許多拱壩的安全性主要由靜力情況控制。隨著壩工建設(shè)的發(fā)展，這種評價標準在實踐中暴露出來的矛盾越來越多。
首先，是拉應(yīng)力的控制標準問題逐漸被突破。由于壩高增加，同時在復(fù)雜條件下建設(shè)的大壩數(shù)量越來越多，初期不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標準無法滿足設(shè)計要求。另一方面，也考慮到大體積混凝土實際上可以承受某種程度的拉應(yīng)力。從而，在一些混凝土壩的設(shè)計中逐步容許一定數(shù)量的拉應(yīng)力。以拱壩表現(xiàn)得最為明顯。但是，允許拉應(yīng)力的數(shù)值各壩都不完全相同。總的看來，存在著逐步提高的趨勢。以美國為例[1]，1924年設(shè)計Pacoima拱壩時，加州工程師取容許拉應(yīng)力0.7MPa(100psi)；1967年美國土木工程學會與美國大壩委員會總結(jié)的拱壩拉應(yīng)力容許值為0.84～1.26MPa(120～180psi)；1974年美國墾務(wù)局標準，容許拉應(yīng)力在正常荷載時為1.05MPa(150psi)，非常荷載時為1.575MpP(225psi)；1977年Auiburn壩設(shè)計時，拉應(yīng)力容許值達到5.25MPa(750psi)；1984年Raphael根據(jù)若干座壩混凝土試樣的試驗值，建議地震時容許拉應(yīng)力可達6.958MPa(994psi).拉應(yīng)力的容許值實際上決定了大壩設(shè)計的安全度，因為它決定斷面裂縫的范圍以及應(yīng)力重分布的結(jié)果。關(guān)于拉應(yīng)力的容許值，各國、各個單位、各座壩取值不同。至今還沒有公認的標準，反映了認識上的不一致。這是可以理解的，因為各座壩的具體情況不同，拉應(yīng)力發(fā)生的部位不同，對壩安全性的影響也各不相同，很難要求采取一個統(tǒng)一的標準。
其次，隨著強震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設(shè)計地震加速度數(shù)值也呈逐步上升趨勢。1940年美國El Centro記錄到的最大地震加速度為0.32g(M=7.0).1970年以后具有特大加速度的記錄不斷涌現(xiàn)。例如，1973年前蘇聯(lián)Gazli地震時為1.3g(M=7.2)；1978年伊朗地震時0.87g(M=7.4)；1979年美國Imperial Valley地震時為1.7g(M=6.6)；1985年智利地震時0.75g(M=7.8)；1994年美國Northridge地震時為1.82g(M=6.7)；1999年我國臺灣集集地震時1.0g左右(M=7.3).其中，1985年加拿大地震時記錄到的最大加速度甚至超過2.0g(M=6.9).雖然，人們認識到對建筑物響應(yīng)起作用的應(yīng)該是有效峰值加速度EPA，但是，實測地震加速度超過甚至遠遠超過抗震設(shè)計中的加速度則是事實。對混凝土大壩設(shè)計來說，對壩造成震害的幾次強震中實測到的大壩場地加速度是值得重視的。其中，印度Koyna重力壩，1967年12月11日發(fā)生M=6.5級強震，震中位于大壩以南偏東2.4km，實測壩基加速度為：壩軸向0.63g，順河向0.49g，豎向0.34g.伊朗Sefid Rud大頭壩，1990年6月21日發(fā)生M=7.6級大震，震中距壩址約5m，壩址無儀器記錄。相距40km處的強震儀記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震動衰減規(guī)律估算的壩基加速度為0.714g.美國Pacoima拱壩，1971年2月9日發(fā)生M=6.6級San Fernando地震時，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直分量分別達到1.25g和0.72g，估算壩基加速度約為0.50g左右；1994年1月17日M=6.8級Northridge地震時，實測壩基加速度，水平和豎向分量分別達到0.54g和0.43g，左壩肩峰頂1.58g.這幾次地震都對大壩造成了比較強烈的震害。其中還包括我國的新豐江大壩。需要指出，上述大壩都進行過抗震設(shè)計。我國的新豐江大頭壩，在1959年水庫蓄水后不久，由于在庫區(qū)發(fā)生有感地震，1961年按Ⅷ度地震烈度進行過一期加固，水平向設(shè)計地震系數(shù)0.05.1962年3月19日發(fā)生M=6.1級強震時造成大壩頭部斷裂。印度Koyna重力壩在震前按地震系數(shù)0.05進行設(shè)計，震后頭部轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)了嚴重的水平裂縫；伊朗Sefid Rud大頭壩震前按地震系數(shù)0.25進行過抗震設(shè)計，震后形成了一條幾乎貫穿全壩的頭部水平裂縫。美國Pacoima拱壩在1971年San Fernando地震時，左壩頭與重力墩之間的接縫被拉開，震后進行過加固，1994年Northridge地震時又重新被拉開。大量地震記錄超過傳統(tǒng)采用的設(shè)計地震加速度，因此，按照什么標準進行混凝土大壩的抗震設(shè)防，成為設(shè)計人員所十分關(guān)注的問題。
2 各國現(xiàn)行抗震設(shè)防標準的基本框架
一方面，不少大壩壩址記錄到的地震加速度遠遠超過設(shè)計中采用的地震加速度，并且造成大壩的震害；另一方面，按傳統(tǒng)地震加速度設(shè)計的大壩也表現(xiàn)有一定的抗震能力，有的經(jīng)受了強震的考驗，1976年意大利Gemona Freulli發(fā)生的M=6.5級強震中，在離震中50km范圍內(nèi)有13座拱壩未發(fā)生震害，其中包括Ambiesta拱壩，壩高59m，震中距22km，震中烈度達Ⅸ度。面對這一矛盾，各國對于大壩抗震設(shè)防采取了不同的處理方法，歸納起來可以有三種途徑。
2.1 采用較低的設(shè)計地震加速度值的做法 日本和俄羅斯，仍然保留傳統(tǒng)的做法，采用較低的設(shè)計地震加速度值。日本大壩設(shè)計基本采用擬靜力法，土木工程學會大壩抗震委員會規(guī)定的設(shè)計地震系數(shù)，混凝土壩強震區(qū)取為0.12～0.20，弱震區(qū)取為0.10～0.15.考慮彈性振動的動力放大影響，拱壩壩身地震系數(shù)取為壩基的2倍。俄羅斯1995年頒布的設(shè)計標準重新確認了前蘇聯(lián)1981年施行的地震區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范CH и∏Ⅱ-7-81。規(guī)范規(guī)定，對地震烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度的建筑場地，相應(yīng)的最大地震加速度分別為100cm/s2、200cm/s2和400cm/s2.水工建筑物按擬靜力方法進行計算，地震荷載根據(jù)建筑物周期按反應(yīng)譜方法確定，Ⅰ類場地的最大動力系數(shù)β=2.2，Ⅱ類、Ⅲ類場地最大動力系數(shù)β=2.5，任何情況下β均不小于0.8.按一維簡圖(懸臂梁)進行計算時，振型不少于3個；按二維簡圖進行計算時，混凝土壩的振型不少于10個。水工建筑物的地震荷載均按場地烈度相應(yīng)的加速度進行計算，同時引入一容許破壞程度系數(shù)K1=0.25進行折減。對于Ⅰ級擋水建筑物，按加速度矢量表征的計算地震作用，在此基礎(chǔ)上加大20%.此外，還規(guī)定，位于高于Ⅶ度地區(qū)的Ⅰ級擋水建筑物按場地烈度所相應(yīng)的地震加速度(即不折減)作補充計算。日本規(guī)定，對高拱壩和重要大壩，除進行基本分析外，還需要進行動力分析和動力模型試驗，并選擇適當?shù)牡卣鸩〞r程曲線。俄羅斯規(guī)范要求Ⅰ級水工建筑物除進行地震作用計算外，還應(yīng)進行模型試驗在內(nèi)的研究，比較理想的是在部分已建成的及已投入使用的建筑物上進行原型試驗研究，以檢驗壩的動力特性及計算方法的合理性。
阪神大地震后日本的許多抗震規(guī)范都作了比較大規(guī)模的修改，但是《壩工設(shè)計規(guī)范》則還沒有修改的動向。因為在阪神地震中，沒有發(fā)現(xiàn)水壩有明顯的震害，認為按現(xiàn)有方式設(shè)計的大壩地震時是安全的。據(jù)了解，由于實測的地震加速度值與設(shè)計地震加速度有較大的差別，日本規(guī)范將來有可能作一定的調(diào)整，但不會有實質(zhì)性的改變。
