日本大壩抗震設計標準的發展歷程與經驗

孫陽

摘 要：國外的大壩抗震設計標準一直都是中國修訂抗震設計標準的重要參考，但是對國外制定大壩抗震設計標準的歷史和背景了解地并不全面，本文通過系統闡述分析日本的大壩抗震設計標準的成型、修訂和完善的歷程，幫助了解日本大壩抗震設計標準的變遷過程，以便得到更有價值的參考。日本非常重視地震的震損調研，積極吸取地震經驗，日本的大壩抗震設計標準具有前瞻性和開拓性，制定了針對大規模地震下的大壩抗震安全評價指南，提出了大壩抗震設計的“2級地震加速度”概念。

關鍵詞：大壩 抗震設計標準 變遷

中圖分類號：TV39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0200-02

日本目前已建和在建的大壩共有2700多座，日本作為世界上遭受地震災害最頻繁的國家，在工程抗震研究方面十分重視抗震設計規范的制訂和修改，同時日本針對大地震災害的震害調查為抗震設計規范的修訂提供了非常重要的資料依據，使工程抗震研究和設計得到長足的進步與發展，日本大壩的抗震設計規范的變遷也離不開大壩震害調查研究工作的幫助。通過研究日本大壩抗震設計規范的變遷歷程，對我國水工程抗震設計規范的完善具有重要的參考價值。

1 日本大壩抗震設計標準的發展過程

1.1 抗震設計標準成型時期

1925年10月，物部長穂在發表了《水庫重力壩的特性及其合理的設計法》，提出了多用途大壩理論，將震度系數的概念引入混凝土重力壩的設計，建議等值水平震度系數設為0.1～0.2，這里的等值水平震度是指鉛直震度影響下的水平震度。該抗震設計理論在1930年建成的小牧壩得到應用，成為混凝土重力壩抗震設計的基礎。

1934年物部長穂針對土石壩的抗震設計發表了《基于地震產生的動水壓力確定重力壩橫截面法》，提出根據壩的類型設定震度系數，其中土壩的震度系數要考慮到壩體的振動響應特性，在壩底部系數取值為0.15，壩頂部系數取值為0.2～0.3。

1957年國際大壩會議日本國內委員會制定了統一的《大壩設計標準》。這一設計標準規定按照大壩的類型和大壩所在地域屬于強地震帶還是弱地震帶的不同，采用不同的設計震度系數。

1971年日本大壩會議制定了《大壩設計標準修訂版》，主要對拱壩、混凝土重力壩以及混凝土中空重力壩、堆石壩的設計標準進行了相應的部分修改。在之前的大壩設計中假定震度均一分布，但是實際中大壩的震度是隨著壩高而增加的，如圖1所示，修改后的大壩設計標準更加合理。另外，這次標準修訂也使強弱地震帶的地域劃分得到進一步的驗證和修改。

1.2 形成大壩抗震設計的法律規范

1976年日本建設省制定了《河川管理施設等構造令及施行規則》（以下簡稱構造令），這是第一個具有法律約束力的抗震設計標準。該構造令規定，大壩橫截面的最小值由既定程序步驟來確定，在大壩抗震設計方面，要考慮作用于大壩的地震慣性力給使用震度法帶來的影響，當有外力作用時，根據構造令實施條例第2條規定，設計震度的下限值由壩的類型和所在地域決定，還應根據大壩的實際情況進行調整設置。

1981年10月16日日本建設省告示第1715號對構造令實施條例進行了修訂，將設計震度的地域劃分由2類調整為3類，調整后的設計震度如表1所示。現行的構造令是具有法律約束力的抗震設計標準，在1981年修訂之后，沒有再進行大的修改。

1991年，日本建設省河川局開發部監督制定了《土石壩抗震設計指南（草案）》。針對壩高100 m以下的土石壩，地震發生時要對壩體的抗滑穩定性進行研究，對假定的設計震度系數進行修正。由于傳統的震度法規定的慣性力并不符合大壩實際觀測的情況，必須對震度系數進行修正，在定義地震力系數時，必須考慮到地震時沿壩體高度方向上的振動響應特性和壩體各部分的地震加速度慣性力放大程度不同的問題。設置壩體地震力系數，要使用反應譜法、模態分析法和有限元分析法對壩體地震力進行預先評估，再根據堆石壩實際觀測到的加速度響應記錄進行確認分析。《堆石壩抗震設計指南（草案）》并不具有法律約束力，它主要被應用于設計實踐中。

1.3 阪神大地震后的修訂

1995年日本兵庫縣南部發生了M7.3級的阪神大地震，日本建設省為應對這次地震成立了“大壩抗震性能調查評估委員會”，地震后對251座壩進行了專項震害檢查，大壩下游并沒有發生與大壩安全性相關的損害，現行的抗震設計標準基本滿足日本大壩設計的抗震安全性能要求。大壩抗震性能調查評估委員會提出的關于大壩監測系統的建議被采納，建設省開始對日本全國范圍內所管轄的包括副壩在內的大壩進行新型地震儀的安裝更新，這項工作直到1999年底才全部完成。

1995年阪神大地震后，因為震級5級和6級的地方過多，導致評估地方受災程度出現了過輕或過重的情況，為了提升救災效率和重建工作，需要更科學細致的分級。所以從1996年10月1日起，日本氣象廳將5級和6級分別細分為兩級，同時取消了微震輕震之類的名稱，這種分級方法沿用至今。

1995年發生的兵庫縣南部地震，地震最大震度達到了7級，在這之后，日本又發生了數次最大震度在6弱級別以上的地震，根據日本氣象廳的有關規定，最大震度在6弱（含6弱）以上的地震被稱為“大規模地震”。1995年后，大規模地震的發生頻率有逐步增高的趨勢，這引起了日本社會和學界的高度重視。

在這種情況下，制定專門針對大規模地震下的大壩抗震性能設計標準顯然非常必要。2001年，河川局隨建設省整合并入到國土交通省。2002年，國土交通省發布的 《跨土木·建筑設計基礎》，針對一般結構物給出了技術標準修改的基本方向，建議根據結構的使用目的設定地震加速度等級來滿足結構的抗震性能要求。在2005年3月，國土交通省河川局制定了《大規模地震的大壩抗震安全評價指南（草案）》，其主要有以下三部分的內容。

（1）定義用于大規模地震下大壩抗震性能的安全評價的地震加速度。

（2）大規模地震下評價大壩抗震性能是否安全的判斷標準。

（3）大壩壩體及其附屬結構的地震安全評價。

《大規模地震的大壩抗震安全評價指南（草案）》系統闡述了大壩在大規模地震下的安全評價方法，包括地震加速度評價法、地震反應分析法等，定義了用于地震加速度評價法的“2級地震加速度”概念。確定用于地震安全評價的2級地震加速度，首先要根據過去實際發生的地震情況以及大壩地基實際情況，找出可能對大壩產生最大影響的一次地震，并將這次地震命名為“假設地震”，然后在大量地震加速度記錄的基礎上采用一個阻尼公式來估算假設地震的2級地震加速度。

2 經驗總結

日本大壩抗震設計標準的變遷，伴隨著日本抗震設計標準的實際應用，從1923年的關東大地震到1995年阪神大地震，通過對大壩震害的有效調查研究，為大壩抗震設計標準的修訂提供了重要參考依據。

中國的水工建筑物抗震設計標準經歷過2008年汶川8.0級地震和2013年雅安7.0級地震的檢驗，震后調查表明，沒有大壩因地震而潰壩，也沒有因為水工建筑物的損壞導致次生洪水災害，地震災區水電工程及其主要建筑物都經受住了超出設防標準的強震的考驗，現行的水工建筑物抗震設計規范標準基本滿足抗震安全性的要求。但是日本不僅針對大地震災害及時對水工程抗震設防標準進行修訂，還針對可能發生的大規模地震對大壩的抗震標準進行研究優化，化被動為主動，這種前瞻性的做法值得學習借鑒。

參考文獻

[1] 巖下友也.ダムの耐震設計法の変遷と現狀[J].地盤工學會誌，2008，56（7）：12-15.

[2] Yoshikazu YAMAGUCHI，Toshihide KOBORI，Tadahiko SAKAMOTO.日本水壩的安全管理和地震安全評價[J].水利水電技術，2008，39（7）：103-104.

[3] 安雪暉，何世欽.日本抗震規范變遷與震害調查啟示[R].汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告，2008，6.

[4]日本國土交通省河川局.大規模地震に対するダムの耐震性能照査指針（案）[Z].2005.

[5] 日本気象庁.気象庁震度階級の解説[Z].2009.

[6] 日本堆石壩耐震調查委員會.フイルダムの耐震設計指針（案）[Z].1991.

[7] 日本ダムの耐震性に関する評価検討委員會.ダムの耐震性に関する評価検討委員會報告書[R].1995.