混凝土大壩的抗震安全評價

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發(fā)展現(xiàn)狀?，F(xiàn)有的評價準則主要依據(jù)混凝土的強度，特別是抗拉強度來判斷大壩的安全性。大壩的應(yīng)力計算則以彈性動力分析為基礎(chǔ)。各國規(guī)范關(guān)于地震設(shè)防水平和大壩的容許拉應(yīng)力數(shù)值有很大差別，表明認識上的不一致。事實上，由于各壩壩高、壩型、地形、地質(zhì)條件不同，地震時壩身中某一部分產(chǎn)生的最大拉應(yīng)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(shè)計中目前只依據(jù)Raphael進行的局部加載速率的試驗結(jié)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(yīng)變速率是不相同的，而且混凝土的動強度還和應(yīng)變歷史、初始靜抗壓強度、含水量以及尺寸效應(yīng)等許多因素有關(guān)，有待作深入研究。在以上分析基礎(chǔ)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研究方向。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?；炷链髩蔚膹椥哉駝禹憫?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?？梢愿鼮榭茖W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。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GemonaFreulli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)［2］，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CHuniI-7-81［3,4］。規(guī)范規(guī)定，對地震烈度為W、伽、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)B=2.2，II類、III類場地最大動力系數(shù)0=2.5，任何情況下B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W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［5］。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。2.2采用兩級地震設(shè)防標準以美國為代表的一些國家，采用兩級地震設(shè)防標準。這也是目前許多國家壩工抗震設(shè)計中的一種趨勢。美國墾務(wù)局在1970年以前，大壩設(shè)計地震加速度采用0.1g，1974年以后提出設(shè)計基準地震DBE與最大可信地震MCE兩級設(shè)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動OBE與最大設(shè)計地震動MDE兩級設(shè)防的地震動參數(shù)選擇原則。按照這一準則，在安全運行地震OBE作用時，大壩應(yīng)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，并采用容許應(yīng)力準則。在最大設(shè)計地震MDE作用時，要求大壩至少能保持蓄水能力。這表示可容許大壩出現(xiàn)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(shè)備可以正常工作，震后能放空水庫。OBE一般選為100年內(nèi)超越概率50%（重現(xiàn)期145年）的地震動水平，以Housner為首的美國大壩安全委員會則建議DBE的重現(xiàn)期為200