混凝土大壩的抗震安全評價

1、 混凝土大壩的抗震安全評價 本文論證了混凝土大壩重點是高拱壩的抗震安全評價的實踐與進呈現(xiàn)狀。現(xiàn)有的評價準則主要依據(jù)混凝土的強度，特殊是抗拉強度來推斷大壩的安全性。大壩的應力計算則以彈性動力分析為基礎。各國規(guī)范關于地震設防水平和大壩的容許拉應力數(shù)值有很大差別，表明生疏上的不全都。事實上，由于各壩壩高、壩型、地形、地質條件不同，地震時壩身中某一部分產生的最大拉應力不足以全面反映大壩的抗震安全性?；炷恋膭討B(tài)強度是大壩抗震安全評價中的一個薄弱環(huán)節(jié)。大壩抗震設計中目前只依據(jù)Raphael進行的局部加載速率的試驗結果選取混凝土的動強度。實際上，地震作用下，不同的壩不同部位的應變速率是不相同的，而且混凝土

2、的動強度還和應變歷史、初始靜抗壓強度、含水量以及尺寸效應等很多因素有關，有待作深化爭辯。在以上分析基礎上，文中建議了混凝土大壩抗震安全評價的合理方法以及進一步的爭辯方向。 隨著國民經(jīng)濟的進展，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。高壩的抗震性評價關系到下游寬敞地區(qū)工農業(yè)生產和人民生命財產的安全，具有特殊重要的意義。目前有關混凝土大壩在地震作用下的動力分析技術已經(jīng)取得了很大的進步，我們可以對簡潔外形的拱壩進行比較嚴密的三維壩水地基系統(tǒng)的地震響應分析。在計算中可以考慮河谷地震驚的不均勻輸入；可以考慮拱壩結構縫在強震作用下的相

3、對滑移和轉動；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的一些重要問題，其中包括地震設防標準，混凝土材料的動力特性等，都還沒有得到很好解決。以下，我們對一些問題的進呈現(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)受了較長時期的歷史進展。安全評價包括強度和穩(wěn)定兩個方面。由于失穩(wěn)的進展一般是一漸進過程，所以，目前正在爭辯應用不連續(xù)變形方法來分析大壩沿薄弱面失穩(wěn)的進展過程。這樣，將壩基失穩(wěn)、變形與大壩的變形、應力重分布與破壞過程相結合進行綜合考慮?？梢愿鼮榭茖W地評價大壩的安全性。

4、這將是今后的進展方向。但就目前狀況來說，混凝土大壩特殊是拱壩的設計，基本上分別獨立地對穩(wěn)定和應力分析進行檢驗。穩(wěn)定分析主要接受極限平衡方法，按塑性力學上限理論計算安全系數(shù)。穩(wěn)定方面消逝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力進行把握。從應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力的基礎上。各國都依據(jù)彈性動力分析計算出的地震應力來進行大壩的抗震設計。本文將主要爭辯這方面的問題。由于混凝土大壩在強震中的震害主要表現(xiàn)為受拉消逝裂縫，發(fā)生應力重分布，使大壩的承載力氣降低。因此，混凝土的容許抗拉強度成為大壩抗震安全檢驗的格外重要的指標。在混凝土壩的設計中

5、，很長時期內，拱壩接受試載法(多拱梁法)，重力壩接受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實踐中發(fā)揮了重要作用，同時也積累了確定的閱歷。但是這種方法接受平面變形假定，忽視了應力集中的影響，也有確定的局限性。在早期混凝土大壩的設計中，基本上接受了不容許拉應力消逝的標準。以拱壩為例，認為主要以承受壓力為主，對壓應力接受比較高的安全系數(shù)(正常荷載工況達到4，特殊荷載工況達到3)，計算中斷面的受拉部分按開裂計算，形成內部新的受壓拱，進行應力重分布。早期，大壩的設計地震力不高，地震加速度一般取為0.1g左右，這種狀況下很多拱壩的安全性主要由靜力

6、狀況把握。隨著壩工建設的進展，這種評價標準在實踐中暴露出來的沖突越來越多。首先，是拉應力的把握標準問題漸漸被突破。由于壩高增加，同時在簡潔條件下建設的大壩數(shù)量越來越多，初期不容許拉應力消逝的標準無法滿足設計要求。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力。從而，在一些混凝土壩的設計中逐步容許確定數(shù)量的拉應力。以拱壩表現(xiàn)得最為明顯。但是，允許拉應力的數(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年設計Pacoima拱壩時，加州工程師取容許拉應力0.7MPa(100psi)；1967年美國土木工程學會與美國大壩委員會總結的拱壩拉應力容許值為0.841

7、.26MPa(120180psi)；1974年美國墾務局標準，容許拉應力在正常荷載時為1.05MPa(150psi)，特殊荷載時為1.575MpP(225psi)；1977年Auiburn壩設計時，拉應力容許值達到5.25MPa(750psi)；1984年Raphael依據(jù)若干座壩混凝土試樣的試驗值，建議地震時容許拉應力可達6.958MPa(994psi).拉應力的容許值實際上打算了大壩設計的安全度，由于它打算斷面裂縫的范圍以及應力重分布的結果。關于拉應力的容許值，各國、各個單位、各座壩取值不同。至今還沒有公認的標準，反映了生疏上的不全都。這是可以理解的，由于各座壩的具體狀況不同，拉應力發(fā)生的

8、部位不同，對壩安全性的影響也各不相同，很難要求實行一個統(tǒng)一的標準。其次，隨著強震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設計地震加速度數(shù)值也呈逐步上升趨勢。1940年美國ElCentro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ImperialValley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1.0

9、g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，人們生疏到對建筑物響應起作用的應當是有效峰值加速度EPA，但是，實測地震加速度超過甚至遠遠超過抗震設計中的加速度則是事實。對混凝土大壩設計來說，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SefidRud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

10、處的強震儀記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震驚衰減規(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SanFernando地震時，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直重量分別達到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，水平和豎向重量分別達到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猛烈的震害。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，

11、1961年按度地震烈度進行過一期加固，水平向設計地震系數(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進行設計，震后頭部轉折處消逝了嚴峻的水平裂縫；伊朗SefidRud大頭壩震前按地震系數(shù)0.25進行過抗震設計，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SanFernando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)接受的設計地震加速度，因此，依據(jù)什么標準進行混凝土大壩的抗震設防，成為設計人員所格外關注的問題。

12、2、各國現(xiàn)行抗震設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計中接受的地震加速度，并且造成大壩的震害；另一方面，按傳統(tǒng)地震加速度設計的大壩也表現(xiàn)有確定的抗震力氣，有的經(jīng)受了強震的考驗，1976年意大利GemonaFreulli發(fā)生的M=6.5級強震中，在離震中50km范圍內有13座拱壩未發(fā)生震害，其中包括Ambiesta拱壩，壩高59m，震中距22km，震中烈度達度。面對這一沖突，各國對于大壩抗震設防實行了不同的處理方法，歸納起來可以有三種途徑。2.1接受較低的設計地震加速度值的做法日本和俄羅斯，照舊保留傳統(tǒng)的做法，接受較低的設計地震加速度值。日本大壩設計基本接受擬靜力法

13、，土木工程學會大壩抗震委員會規(guī)定的設計地震系數(shù)2，混凝土壩強震區(qū)取為0.120.20，弱震區(qū)取為0.100.15.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年頒布的設計標準重新確認了前蘇聯(lián)1981年施行的地震區(qū)建筑設計規(guī)范CH-7-813，4。規(guī)范規(guī)定，對地震烈度為、度的建筑場地，相應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，地震荷載依據(jù)建筑物周期按反應譜方法確定，類場地的最大動力系數(shù)=2.2，類、類場地最大動力系數(shù)=2.5，任何狀況下均不小于0.8.按一維簡圖(懸臂梁)進行計算時，振型不少于3個

14、；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，在此基礎上加大20%.此外，還規(guī)定，位于高于度地區(qū)的級擋水建筑物按場地烈度所相應的地震加速度(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)范要求級水工建筑物除進行地震作用計算外，還應進行模型試驗在內的爭辯，比較抱負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爭辯，以檢驗壩的動力特性及計算方

15、法的合理性。阪神大地震后日本的很多抗震規(guī)范都作了比較大規(guī)模的修改，但是壩工設計規(guī)范則還沒有修改的動向。由于在阪神地震中，沒有發(fā)覺水壩有明顯的震害，認為按現(xiàn)有方式設計的大壩地震時是安全的5。據(jù)了解，由于實測的地震加速度值與設計地震加速度有較大的差別，日本規(guī)范將來有可能作確定的調整，但不會有實質性的轉變。2.2接受兩級地震設防標準以美國為代表的一些國家，接受兩級地震設防標準。這也是目前很多國家壩工抗震設計中的一種趨勢。美國墾務局在1970年以前，大壩設計地震加速度接受0.1g，1974年以后提出設計基準地震DBE與最大可信地震MCE兩級設防的概念6。美國大壩委員會1985年起草并經(jīng)國際大壩委員會1989年公布的大壩地震系數(shù)選擇導則7，明確了使用安全運行地震驚OBE與最大設計地震驚MDE兩級設防的地震驚參數(shù)選擇原則。依據(jù)這一準則，在安全運行地震OBE作用時，大壩應能保持運行功能，所受震害易于修復。故一般可進行彈性分析，并接受容許應力準則。在最大設計地震MDE作用時，要求大壩至少能保持蓄水力氣。這表示可容許大壩消逝裂縫，但不影響壩的整體穩(wěn)定，不發(fā)生潰壩。同時，大壩的泄洪設備可以正常工作，震后能放空水庫。OBE一般選為100年內超越概率50%