拱壩動力分析和抗震安全評價

1、拱壩動力分析和抗震安全評價摘要隨著祖國大陸水電事業(yè)的發(fā)展，一批修建于西部高地震烈度區(qū)的壩高超過 200m 的高拱壩正在興建或設(shè)計中。 高拱壩在遭遇地震荷載作用下的動力響應(yīng)及其抗震安全問題一直是水工界普遍關(guān)注的問題。本文結(jié)合現(xiàn)行水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范和拱壩抗震研究的進展，簡述了高拱壩抗震設(shè)防標準、動力分析方法、大壩混凝土的動態(tài)抗力以及抗震安全評價的基本原則和方法，并就今后高拱壩抗震設(shè)計中應(yīng)重點研究解決的幾個問題提出建議。一、前言拱壩作為一種古老的壩型，一直被認為具有超載能力強、工程量省等優(yōu)點，所以在國內(nèi)外的壩工建設(shè)中，只要地形、地質(zhì)條件適宜，拱壩總是首選壩型。祖國大陸的拱壩建設(shè)近年來得到迅速發(fā)展

2、，尤其隨著西部開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的實施， 一批高度大于 200m 的超高拱壩正在規(guī)劃建設(shè)中。這些高拱壩位于西南、西北強震頻發(fā)的高地震烈度區(qū)，抗震設(shè)防水平高，抗震安全問題至關(guān)重要。采用合理的動力分析方法和抗震安全評價準則進行大壩抗震設(shè)計，確保大壩及樞紐工程的抗震安全是高拱壩建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。工程抗震設(shè)計手段是與其當(dāng)時的抗震分析方法和水平密切相關(guān)的。在祖國大陸以前的拱壩抗震設(shè)計中， 都遵循 1978 年由原水電部頒布的水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范 (SDJ10-78)(以下簡稱原規(guī)范)的要求進行。抗震計算采用 “擬靜力法 ”，未能充分體現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)的動力特性和地震時的地面運動特征。 2001 年 1

3、月國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會頒布實施了由中國水利水電科學(xué)研究院主持、 會同國內(nèi)其他高校和設(shè)計單位新修編的 水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范 (DL5073-2000)1(以下簡稱現(xiàn)行規(guī)范 )。該規(guī)范在繼承原規(guī)范一些基本原則、保持規(guī)范連續(xù)性的基礎(chǔ)上，廣泛吸納近年來國內(nèi)外水工抗震領(lǐng)域取得的較為成熟的科研成果，在設(shè)防依據(jù)、抗震設(shè)計原則、計算方法等諸多方面都較原規(guī)范更能反映地震動特性和結(jié)構(gòu)動力性能。尤其是對大中型工程規(guī)定必須按動力法設(shè)計，以及由確定性設(shè)計方法過渡到按考慮各種作用和抗力的不確定性的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計法進行抗震設(shè)計。標志著我們水工抗震設(shè)計水平躍上了一個新高度。近年來，隨著人們對拱壩動力特性、地震動力反應(yīng)研

4、究的逐步深化，拱壩的抗震動力分析理論和方法近幾年來在祖國大陸得到了迅速發(fā)展。對影響高拱壩抗震安全的許多關(guān)鍵技術(shù)， 諸如壩體 -庫水 -地基的動力相互作用，非均勻地震動輸入和庫水可壓縮性的影響，無限地基地震能量的逸散，拱壩橫縫強震開裂的非線性影響，抗震可靠度研究等方面都有所進展和創(chuàng)新。在多年的拱壩抗震研究實踐中，中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心開發(fā)完成基于不同理論分析方法的多層次的拱壩動力分析軟件 2、3、4 、5、6 ，進行了 10 多座高拱壩的動力分析和抗震安全評價工作，為其抗震設(shè)計提供了有力的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。二、拱壩抗震設(shè)防標準合理確定抗震設(shè)防標準是拱壩結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟地進行抗震設(shè)計

5、的基礎(chǔ)?，F(xiàn)行規(guī)范采用了中國地震烈度區(qū)劃圖 (1990)和對重要工程場址進行專門的以概率理論為基礎(chǔ)的地震危險性分析的雙軌制。這里的重要工程系指基本地震烈度 6 度或 6 度以上地區(qū)的壩高超過 200m 或庫容大于 100 億立米的大型工程，以及基本烈度 7 度或 7 度以上地區(qū)壩高超過 150m 的大 (1)型工程。對于需專門作地震危險性分析的工程，設(shè)計烈度及設(shè)計地震加速度則根據(jù)祖國大陸已有 23 個重大水利水電工程的地震危險性資料校準確定，并已編入現(xiàn)行規(guī)范中，即非壅水建筑物設(shè)計采用的設(shè)計地震加速度為50 年期限內(nèi)超越概率0.05，重現(xiàn)期為 950 年一遇的地震，而較基本烈度提高 l 度設(shè)防的級

6、壅水建筑物采用 100 年期限內(nèi)超越概率 0.02、重視期約 5000 年一遇的地震。這較之祖國大陸建筑物抗震設(shè)計規(guī)范 (GBJl1-89)的重現(xiàn)期 1600 2200 年的“大震 ”水平要高得多。之所以對于級壅水建筑物采用如此高的抗震設(shè)防標準，主要目的是最大限度降低這類極端重要的工程遭遇重大震害而產(chǎn)生嚴重次生災(zāi)害的風(fēng)險。在采用基于振型疊加原理的反應(yīng)譜法進行線彈性結(jié)構(gòu)的抗震計算中，除設(shè)計地震峰值加速度外，設(shè)計反應(yīng)譜是又一個重要的地震動參數(shù)。反應(yīng)譜是具有一定頻率和阻尼的單自由度體系在給定地震動作用下峰值加速度反應(yīng)的動力放大系數(shù)，其值除隨結(jié)構(gòu)振動周期和阻尼比變化外，主要與所在場址的場地類別和地震震

7、中離場址的距離有關(guān)?，F(xiàn)行規(guī)范采用了場地相關(guān)反應(yīng)譜，由與剪切模量有關(guān)的剪切波速來劃分場地土類型，再由場地土類型和覆蓋層厚度劃分4 類場地類別，較原規(guī)范多了一類。對應(yīng)每個地震記錄都有相應(yīng)的反應(yīng)譜，規(guī)范采用了其統(tǒng)計均值并作適當(dāng)平滑規(guī)則化的標準反應(yīng)譜。標準反應(yīng)譜平臺的右端周期 Tg稱為加速度反應(yīng)譜的特征周期。已有研究表明，場地土越硬，場地加速度反應(yīng)中高頻成分越多，反映地震卓越周期的特征周期越小 ;對于基巖，規(guī)范規(guī)定為 0.20 秒。同時，考慮到遠震主要影響高度大、基頻低的柔性結(jié)構(gòu)，而專門的地震危險性分析結(jié)果已綜合了各有關(guān)潛在震源區(qū)的影響，無法區(qū)分遠震和近震，為便于實際工程的操作應(yīng)用，規(guī)范規(guī)定設(shè)計地震烈

8、度不大于8 度、基本周期大于 1.0 秒的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)譜的特征周期宜延長0.05 秒。反應(yīng)譜的最大值 max主要與結(jié)構(gòu)阻尼有關(guān)。 結(jié)構(gòu)阻尼的機理十分復(fù)雜，除結(jié)構(gòu)本身外，還包含了相鄰介質(zhì)的相互作用和振動能量在地基及水中的逸散影響，與水位、地基土特性以及結(jié)構(gòu)振動頻率和地震動強度有關(guān)?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定拱壩的 max=2.，5系參照國內(nèi)外實測阻尼數(shù)據(jù)并考慮強震時因阻尼增大動力效應(yīng)降低等因素綜合反映工程經(jīng)驗的設(shè)計標準。與原規(guī)范相比，現(xiàn)行規(guī)范的反應(yīng)譜曲線的主要差異在于曲線的下降段，用 (Tg/T)0.9 代替了原來的 Tg/T，稍微放慢了曲線的下降坡度。三、拱壩動力分析方法目前祖國大陸拱壩設(shè)計靜力結(jié)構(gòu)分析的基本

9、方法采用美國墾務(wù)局30 年代發(fā)展的基于拱梁系統(tǒng)位移協(xié)調(diào)的試載法，其基本概念明確，為廣大設(shè)計人員所熟悉，有長期的工程建設(shè)經(jīng)驗，有一套相應(yīng)的應(yīng)力控制標準。由于地震作用屬特殊作用，基于動力分析方法應(yīng)與靜力分析相互協(xié)調(diào)原則，現(xiàn)行規(guī)范明確規(guī)定，拱壩動力分析的基本方法仍應(yīng)采用拱梁分載法。但是，拱壩作為一種空間高次超靜定殼體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分析具有其特殊性和復(fù)雜性，基于線彈性和無質(zhì)量地基假定的有限單元法能更好模擬壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體型、 力學(xué)特性和壩體 基礎(chǔ) 庫水的動力耦合作用，現(xiàn)行規(guī)范推薦其為動力分析校核計算的主要方法。高拱壩的地震動力反應(yīng)受多種復(fù)雜因素的影響，現(xiàn)行規(guī)范只能反映目前我們水工抗震設(shè)計經(jīng)驗和較為成熟的

10、科研成果，限于對地震作用下拱壩結(jié)構(gòu)及其地震破壞機理的復(fù)雜性認識尚很不夠，以及最新的一些科研成果尚待更多檢驗因而在設(shè)計中尚難以普遍掌握和接受的實際情況，現(xiàn)行規(guī)范在動力分析方法、地震作用效應(yīng)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗力方面的規(guī)定仍然有相當(dāng)?shù)木窒扌浴＠?，基于線彈性理論的視拱壩為整體結(jié)構(gòu)的動力分析給出的大壩中上部的高水平拱向拉應(yīng)力，由于壩體伸縮橫縫的張開，實際上不大可能發(fā)生;壩址實際地質(zhì)地形以及地震動能量向無限遠域的逸散等因素也會顯著影響大壩的地震反應(yīng)，根據(jù)已有研究成果， 考慮這種影響會使拱壩的地震動力響應(yīng)明顯降低。為數(shù)不多的拱壩震害實例也對上述觀點給出了有力佐證，其中最具代表性的當(dāng)屬美國帕科依瑪(Pacoim

11、a)拱壩，在 1971 年和 1994 年兩次遭受強烈地震，常規(guī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果表明其最大拉應(yīng)力達 5.2Mpa，遠超出壩體混凝土抗拉強度極限，但大壩壩體本身并未開裂而造成嚴重損害 7 ?；谏鲜稣J識，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，對于壩高超過 250m 的重要拱壩要進行專門研究。針對上述拱壩抗震中的前沿課題， 結(jié)合拉西瓦、小灣等超高拱壩工程，中國水科院抗震中心開展了長期深入的研究，對這些問題的認識逐步深化，開發(fā)完成了可考慮實際工程存在的、傳統(tǒng)分析方法難以模擬的復(fù)雜地質(zhì)地形條件、以人工透射邊界描述地震動能量向無限遠處逸散的所謂地基輻射阻尼的影響、以三維動接觸理論模擬壩體伸縮橫縫非線性影響、應(yīng)用完全解耦的時域有

12、限元波動分析技術(shù)的拱壩系統(tǒng)三維非線性動力分析方法和程序，已成為重要拱壩工程進行深入專門研究的重要工具。 NextPage四、壩體混凝土材料的動態(tài)抗力混凝土材料動態(tài)抗力是拱壩抗震安全評價的基本依據(jù)。地震作用對混凝土材料動態(tài)抗力的影響表現(xiàn)為材料受荷速率高和拉 壓交變往復(fù)作用頻繁。國內(nèi)外已有的干篩或濕篩混凝土小試件的動態(tài)實驗資料表明，在相應(yīng)于地震作用的快速加荷下，試件材料的動態(tài)抗壓強度標準值較靜態(tài)增加 30%以上，多數(shù)資料表明，動態(tài)抗拉強度標準值的增長更為明顯，可達 50%以上。基于上述認識，同時考慮到一般拱壩的抗震強度主要受抗拉強度控制的事實，從偏于安全的角度出發(fā)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定在進行大壩壩體材料的

13、強度校核時，其抗壓、抗拉強度標準值均較靜態(tài)時提高30%。在進行大壩抗震強度安全校核時，作用效應(yīng)考慮了靜動綜合作用， 其材料動態(tài)抗力的增長理應(yīng)考慮初始靜載作用的影響，但由于缺乏足夠的試驗資料，上述規(guī)定中并未計及這種影響。大壩混凝土與普通混凝土的根本區(qū)別在于其混凝土中粗骨料的含量高。因此國內(nèi)外在進行大壩混凝土材料靜態(tài)性能測試中，進行了全級配大壩混凝土試件的試驗研究，結(jié)果表明，全級配試件的抗壓強度普遍低于濕篩小試件，平均降幅可達20%左右，而抗拉強度的平均降幅更達30%左右。至于全級配試件的動態(tài)強度研究剛剛起步，“九五 ”期間結(jié)合小灣工程進行了初步探索 8，有待今后進一步深入試驗研究，積累試驗資料。

14、五、拱壩的抗震安全評價在傳統(tǒng)的確定性方法工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，忽略了作用荷載和結(jié)構(gòu)抗力實際存在的不確定性而將它們看作確定的定值，采用主要依靠工程經(jīng)驗確定的單一安全系數(shù)作為判斷結(jié)構(gòu)安全與否的依據(jù)。事實上，工程結(jié)構(gòu)承受的各類作用以及結(jié)構(gòu)本身的抗力都是隨機的，而地震作用隨機性更大。已有研究表明， 地震峰值加速度的變異系數(shù)高達 1.3 以上，遠大于水工結(jié)構(gòu)的其它作用，而設(shè)計反應(yīng)譜值 的變異系數(shù)也高達 0.3?，F(xiàn)行規(guī)范按照水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準 (GB50199-94) 的要求，基于概率極限狀態(tài)設(shè)計原則，原則上實現(xiàn)了抗震驗算從確定性設(shè)計向基于概率理論的可靠度設(shè)計轉(zhuǎn)軌，采用作用和抗力的分項系數(shù)和結(jié)構(gòu)

15、系數(shù)表達的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計式：式中 0結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù) ; 設(shè)計狀況系數(shù)， 地震時取 0.85;S(*)作用效應(yīng)函數(shù) ;R(*)結(jié)構(gòu)抗力系數(shù) ;fk 材料性能的標準值 ; m材料性能的分項系數(shù);ak 幾何參數(shù)的標準值 ; d承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)系數(shù)，對于壩體抗壓、抗拉強度分別規(guī)定為 1.3、0.7。承載能力極限設(shè)計式與傳統(tǒng)的單一安全系數(shù)設(shè)計式不同，傳統(tǒng)的安全系數(shù)已經(jīng)被考慮工程安全級別、設(shè)計狀況、作用和材料性能變異以及計算模式不定性等因素且與目標可靠度相聯(lián)系的5 種系數(shù)所 “替代 ”。作用分項系數(shù)和抗力分項系數(shù)僅反映各自本身的變異性。結(jié)構(gòu)系數(shù) d考慮了計算模式的不確定性并與目標可靠度相聯(lián)系。

16、 混凝土拱壩的抗拉、抗壓強度結(jié)構(gòu)系數(shù)是在大量實例可靠度驗算基礎(chǔ)上，在保持規(guī)范連續(xù)性的原則上確定的。應(yīng)該指出，設(shè)防標準、分析方法、評價標準三者之間的統(tǒng)一是進行拱壩抗震設(shè)計的基本前提，而現(xiàn)行規(guī)范中動力分析方法規(guī)定以拱梁分載法為基本分析方法，亦即體現(xiàn)拱壩抗震安全指標的結(jié)構(gòu)系數(shù) d是以拱梁分載法的分析結(jié)果為主要依據(jù)而確定的。六、結(jié)語現(xiàn)行規(guī)范依據(jù)分項系數(shù)概率極限狀態(tài)的設(shè)計原則，對拱壩抗震設(shè)計中抗震設(shè)防標準、拱壩抗震計算方法以及安全評價準則諸方面給出了明確規(guī)定，已廣泛應(yīng)用于祖國大陸的拱壩抗震設(shè)計和抗震安全評價工作中。但如前所述，現(xiàn)行規(guī)范只能反映目前我們水工抗震設(shè)計經(jīng)驗和較為成熟的科研成果。隨著近年來在工程

17、地震和拱壩結(jié)構(gòu)抗震理論方面的研究不斷取得新進展，對于影響高拱壩地震動力響應(yīng)的諸多因素的認識已逐步深化， 在某些問題上已逐步取得了學(xué)術(shù)界的共識，一些研究成果也在工程抗震設(shè)計中得到了應(yīng)用。盡管如此，筆者認為，在今后的拱壩抗震動力分析和安全評價工作中，還需深入進行以下方面的研究工作：1、現(xiàn)行規(guī)范的拱壩抗震設(shè)防標準是按照1990 年出版的中國地震烈度區(qū)劃圖作為主要依據(jù)，根據(jù)大壩抗震設(shè)防類別以及壩址區(qū)地震地質(zhì)條件確定的。 2001 年 2 月國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布了新一代的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，將 1990 年版區(qū)劃圖僅以地震烈度作為衡量一個地區(qū)地震動改變?yōu)橐苑逯导铀俣群蛨龅刈吭街芷趦蓚€地震動參數(shù)來表征該地

18、區(qū)地震動特性。拱壩的抗震設(shè)防標準如何適應(yīng)這種變化，包括進行工程場址有效峰值加速度的確定、能反映場址實際地震地質(zhì)環(huán)境和設(shè)計要求的 “設(shè)定地震 ”的確定、由此求得的能反映實際地震動特征的場址基巖相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜、以及能體現(xiàn)場址地形及場地土特性的地表設(shè)計反應(yīng)譜最大幅值平臺和其起、止特征周期等關(guān)鍵問題的研究十分重要。2、進一步進行包括壩址實際地質(zhì)地形條件、壩體伸縮橫縫動力非線性和無限地基輻射阻尼綜合因素影響的時域有限元三維非線性波動分析數(shù)學(xué)模型的理論和試驗驗證。綜合考慮上述復(fù)雜因素的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，盡管截止目前針對這些因素的影響進行過一些振動臺試驗驗證工作 9 、10，但由于問題的復(fù)雜性，在這些試驗?zāi)?/p>

19、型中，都不可避免地存在某些因素難以準確模擬的情況。應(yīng)進行其它可模擬上述復(fù)雜因素理論模型的研制開發(fā)和實際工程的計算分析，進行相互比較驗證，并可考慮在條件成熟時， 結(jié)合實際工程進行現(xiàn)場的原型振動試驗驗證。3、毫無疑問，考慮更多復(fù)雜因素基礎(chǔ)上的時域有限元波動分析結(jié)果更為切合拱壩動力反應(yīng)的實際狀況，但由于與現(xiàn)行規(guī)范推薦的基本分析方法 拱梁分載法在數(shù)學(xué)模型上存在較大差異，計算結(jié)果無論在分布規(guī)律還是數(shù)值上也有相當(dāng)差異，最為明顯體現(xiàn)為以下兩點：一是拱梁分載法在拱壩中上部拱冠附近常常給出靜動綜合的最大主拉應(yīng)力，并成為拱壩抗震強度安全的控制部位，而考慮壩體伸縮橫縫張開的非線性有限元計算分析表明，橫縫張開使這些部

20、位的拱向拉應(yīng)力幾乎完全消失，而導(dǎo)致大壩中上部梁向應(yīng)力的增加;二是由于有限單元法彈性理論基本假定，在壩體地基交接面附近，受局部地質(zhì)條件、單元尺寸和單元形態(tài)影響，存在著不同程度的角緣應(yīng)力集中效應(yīng)，其數(shù)值和范圍難以準確把握，而這一問題也正是制約有限單元法的計算結(jié)果作為壩體抗震安全評價依據(jù)的主要障礙。從目前的發(fā)展看，不考慮地震作用的基本荷載 (靜載 )組合時的大壩靜態(tài)設(shè)計已經(jīng)或正在突破這一限制。新修編的混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范中，在對大量的國內(nèi)外重力壩進行有限元系統(tǒng)靜力分析基礎(chǔ)上，采用壩踵拉應(yīng)力區(qū)在壩基面的深度小于截面厚度 7%的準則。正在修編的混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范也納入了在靜載作用下應(yīng)用有限單元法分析結(jié)果

21、作為評判依據(jù)的條款。因此，為了實現(xiàn)抗震規(guī)范與基本設(shè)計規(guī)范相呼應(yīng)，在進行包括壩體材料動力非線性開裂計算分析基礎(chǔ)上，探討在地震荷載作用下應(yīng)用有限單元法作為拱壩抗震安全評價基本方法的途徑，顯得十分必要和迫切。4、如前所述，目前現(xiàn)行規(guī)范給出的反映壩體抗震強度安全指標的結(jié)構(gòu)系數(shù) d，是根據(jù)結(jié)合國內(nèi)10 幾座拱壩的基于拱梁分載法的計算結(jié)果，在保持與原規(guī)范連續(xù)性的原則基礎(chǔ)上，經(jīng)校準后得到的。因此，為保證計算方法和評價標準配套，在應(yīng)用考慮綜合因素影響的時域有限元波動分析計算結(jié)果進行大壩的抗震安全評價時所應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)系數(shù)d，應(yīng)在進行大量實際工程抗震計算的基礎(chǔ)上，遵循與按拱梁分載法給出的 d抗震設(shè)計指標所反映的大壩抗震安全度相協(xié)調(diào)的原則，進行校準研究、歸納總結(jié)后給出為宜。5、繼續(xù)深入研究全級配大體積拱壩混凝土的動態(tài)性能。應(yīng)在積極建置大型材料動力試驗機的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程，按照工程采用的混凝土配合比，合理施加適應(yīng)不同地震條件的動態(tài)荷載，進行在不同靜載應(yīng)力水平下的混凝土試件的包括動態(tài)抗壓、抗拉強度以及動態(tài)彈性模量的試驗研