中、美大壩防洪和抗震安全設計理念比較研究

王正發

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

據國際大壩委員會(ICOLD)大壩統計資料，截至2015年全世界已在ICOLD注冊的壩高15 m以上的大壩有58 260座，這些壩及其形成的水庫工程主要承擔防洪、發電、灌溉、供水等興利任務，在各國的社會經濟發展中具有舉足輕重的作用[1]。

大壩支撐著各種規模的水庫，關系到壩下游地區人民生命財產的安全。20世紀50年代以來，法國、意大利、美國、印度和中國共有60多座大中型水庫大壩失事，造成了嚴重的生命、財產損失。造成大壩事故的原因主要有洪水、地震、大壩年久失修、管理不善等。大壩的安全是公共安全問題，越來越受到世界各國政府、社會和人民的重視。就大壩安全設計角度而言，衡量大壩安全最關鍵的2個方面是防洪和抗震。

中國和美國已注冊大壩數分別是23 842座和9 265座，是世界第一和第二壩工大國[1]。美國是目前世界上唯一的超級大國，經濟實力雄厚，科技水平高，大壩安全設計理念先進，具有完整的設計標準體系。中國自1979年以來的30多年來實行改革開放政策，經濟取得了令世人屬目的成就，是正在崛起的新興大國。20世紀90年代以來，中國進入大壩發展的高峰時期，成為世界建壩中心，無論從建壩數量、建壩規模和技術難度來說，中國都居于世界首位，在大壩安全設計方面也積累了比較豐富的經驗 ，形成了比較完整的設計標準體系。中、美兩國大壩防洪和抗震安全設計各有特點，因此，對其進行比較研究，有助于我們深入理解大壩安全設計理念的內涵，對完善我國大壩安全設計標準體系具有重要意義。

1 中、美大壩防洪安全設計理念比較

由于洪水發生具有隨機性，受流域特性、氣候條件、洪水資料等的影響，設計洪水成果存在很大的不確定性;其次，由于世界各國經濟發展水平不同，對防洪安全的要求也不同，各國現行大壩防洪設計規范采用的設防標準頗不統一[2-8]。

中、美大壩防洪安全設計均是以大壩防洪標準予以保證。大壩防洪標準是指水庫大壩保證自身防洪安全所必須達到的防御洪水的標準，反映水庫大壩自身抵御洪水的能力。

中國現行的大壩防洪標準主要有GB 50201—2014《防洪標準》、DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》和SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》。3個標準在大壩防洪標準方面的規定是一致的。GB 50201—2014《防洪標準》是新修訂的,自2015年5月1日實施。老版GB 50201—1995《防洪標準》的全部內容為強制性國家標準，而新版GB 50201—2014《防洪標準》只有特別重要的部分條文為強制性條文，相比較而言，新版GB 50201—2014《防洪標準》的強制性范圍縮小了。隨著新版GB 50201—2014《防洪標準》的實施，DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》和SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》正在進行修訂。

中國大壩防洪標準以防御的洪水或潮水的重現期表示；對于特別重要的大壩,可采用可能最大洪水表示。防洪標準可根據防護對象的不同需要，采用設計一級或設計、校核2級。

設計洪水成果是大壩防洪安全的最終體現。在工程設計中，大壩防洪標準通常采用設計、校核2級，相應的洪水分別稱為設計洪水和校核洪水。設計洪水是指給定設計頻率p(%)的洪水，包括設計洪峰流量、設計洪量及設計洪水過程線，p(%)是年超越概率，與重現期T(年)互為倒數；校核洪水是指給定設計頻率p(%)的洪水或可能最大洪水。

中國大壩防洪標準的確定是按其工程規模、總庫容、裝機容量、效益和在國民經濟中的重要性先劃分工程等別，再根據工程等別按永久或臨時水工建筑物在工程中的重要性確定其級別，同時考慮壩型、壩高、工程地質條件以及工程失事后對下游危害等因素判定其級別是否提高一級或降低一級，最后以水工建筑物的級別和筑壩材料的類型(土石壩或混凝土壩、漿砌石壩)按山區、丘陵區和平原、濱海區分別確定水庫工程建筑物的防洪標準。這種先分等別再根據工程等別分級的做法已在中國沿用了幾十年，證明在工程實踐中是切實可行的。

中國大壩防洪標準制定體現了以下理念：設計標準，是指當發生小于或等于該標準洪水時，應保證大壩的安全或防洪設施的正常運行；校核標準是指遇該標準相應的洪水時，采取非常運用措施，在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護對象受到一定的損失。對于失事后果嚴重的重要工程，人們都認為是不能失事的，自古以來就有“萬無一失”的說法，要做到“萬無一失”，其標準應不低于萬年一遇。因此，從中國歷次防洪標準的變化過程來看，水利水電工程的最高防洪標準定為10 000年一遇或可能最大洪水(PMF)，即把PMF與萬年一遇洪水并列，反映了人們對防洪安全的合理需求。

美國現行的大壩防洪標準體系由聯邦政府、各州政府和著名的機構如陸軍工程師兵團(USACE)、墾務局(USBR)、大壩委員會等頒布的指南所組成，沒有強制性標準。相對而言，1979年USACE建議的大壩防洪標準、2004年聯邦應急管理署(FEMA)頒布的大壩防洪安全規范(聯邦設計規范7509.11_0_code——美國聯邦建議的溢洪道設計洪水)具有一定的代表性。USACE建議的防洪標準見表1～3；FEMA建議的防洪標準見表4。

表1 規模類別表

美國大壩防洪標準以防御的頻率洪水(只用到100年一遇)或50%PMF或PMF表示。防洪標準采用設計一級。

美國大壩防洪標準是根據壩失事后對其下游的潛在災害的大小和壩的規模(3級或4級)來選定。

表2 潛在災害類別表

表3 建議的安全標準表

表4 FEMA建議的溢洪道設計洪水表

美國大壩防洪標準制定體現了以下理念：當發生小于或等于防洪標準洪水(設計洪水)時，應保證大壩的安全或防洪設施的正常運行；當發生大于防洪標準洪水時,在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護對象受到一定的損失。

從中、美大壩防洪標準的變化過程看，制定防洪標準時均遵循了以下原則：以工程失事后對政治、經濟、社會和環境的影響大小為依據，影響較大的工程承擔風險小一點，反之則可大一些，不顧經濟代價，片面提高防洪標準和安全性是不合適的。

世界上沒有絕對安全的大壩，大壩均存在失事的風險，差別僅僅是失事的風險大小而已。傳統的大壩防洪安全分析認為漫壩風險主要來自超標洪水。大壩在整個運行期間抗御洪水的安全度取決于設計洪水重現期T洪水(a)和設計基準期N(a)，中、美現行大壩防洪標準的防洪安全度為:

(1)

或

R(防洪，N)=1

(2)

式中：p(年、洪水)是年超越概率，%。

2 中、美大壩抗震安全設計理念比較

由于地震發生的不確定性，以及所取得的強震記錄仍屬有限，各國現行大壩抗震設計規范采用的設防標準頗不統一[9-14]。

中、美大壩抗震安全設計均是以大壩抗震設防標準予以保證。大壩抗震設防標準是指水庫大壩保證自身抗震安全所必須達到的抗御地震破壞的標準，反映水庫大壩自身抗御地震破壞的能力。

中國現行的大壩抗震標準主要有DL 5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》和SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》。前者是水電行業標準，后者是水利行業標準，2個標準在大壩抗震設防標準方面的規定是一致的，均是強制性行業標準。

中國大壩抗震設防標準以設計基準期內抗御的地震烈度的超越概率表示，采用一級設計標準設防。

大壩抗震設防類別應根據大壩的重要性和工程場地基本烈度確定。基本烈度是指50 a期限內一般場地條件下可能遭遇超越概率P50為0.10的地震烈度。一般為《中國地震烈度區劃圖(1990)》上所標示的地震烈度值，對重大工程應通過專門的場地地震危險性評價工作確定。設計烈度是在基本烈度基礎上確定的作為工程設防依據的地震烈度。大壩抗震設計的設計烈度一般采用基本烈度；工程抗震設防類別為甲類的大壩可根據其遭受強震影響的危害性在基本烈度基礎上提高1度作為設計烈度；凡按規范規定必須作專門的地震危險性分析的工程，其設計地震加速度代表值的概率水準，對壅水建筑物應取設計基準期100 a內超越概率P100為0.02,對非壅水建筑物應取設計基準期50 a內超越概率P50為0.10；其它特殊情況需要采用高于基本烈度的設計烈度時，應經主管部門批準；施工期的短暫狀況可不與地震作用組合，空庫時，如需要考慮地震作用可將設計地震加速度代表值減半進行抗震設計。

設計地震加速度和設計反應譜成果是大壩抗震安全的最終體現。中國大壩設計地震加速度須根據確定的抗震設防標準(概率水準)由專門的地震危險性分析確定。設計反應譜應根據場地類別和結構自振周期T按規范給定的設計反應譜確定。

中國大壩抗震設防標準的確定是按其工程的重要性和工程場地基本烈度，先確定工程抗震設防類別，再根據建筑物級別，按壅水和非壅水確定場地基本烈度，一般采用基本烈度作為設計烈度；同時，對于工程抗震設防類別為甲類的大壩可根據其遭受強震影響的危害性在基本烈度基礎上提高度1度作為設計烈度。這種先分等別再根據建筑物級別的做法已在中國沿用了幾十年，證明在工程實踐中是切實可行的。

中國大壩抗震設防標準采用一級設計標準，體現了以下理念：根據現行抗震設計規范進行抗震設計的水工建筑物能抗御設計烈度地震；如有局部損壞，經一般處理后仍可正常運行。

美國現行的大壩抗震標準體系由聯邦政府、各州政府和著名的機構如陸軍工程師兵團(USACE)、大壩委員會等頒布的規定和指南所組成，沒有強制性標準。 主要有陸軍工程師兵團的ER 1110-2-1806《土木工程項目地震設計與評估》(1995)、EP 1110-2-12《碾壓混凝土壩地震設計規定》(1995)、聯邦應急管理署(FEMA)頒布的FEMA 65 《聯邦大壩安全指南——壩的地震分析與設計》(2005)。

美國大壩抗震設防標準也是以設計基準期內抗御的地震的超越概率表示，采用兩級標準，即運行基準地震(Operating Basis Earthquake，簡記為 OBE)和最大設計地震(Maximum Design Earthquake，簡記為MDE)或安全評估地震(Safety Evaluation Earthquake，簡記為SEE)。對于特別重要的大壩,其MDE或SEE可采用最大可信地震(Maximum Credible Earthquake,簡記為MCE)。

OBE，運行基準地震，通俗地理解，相當于設計標準， 是指在工程設計基準期(或設計使用壽命)內，在一個工程場址合理地可預期發生的產生地面運動的地震。OBE的相關功能要求是大壩在遭遇OBE時，其功能不受影響，在設計工況下能正常安全運行。OBE 旨在保護大壩免受經濟損失或喪失服務功能。因此，OBE的概率水準可以基于經濟考慮而選擇。

MDE或SEE，最大設計地震或安全評估地震，通俗地理解，相當于校核標準，是指能產生對待設計或評估的大壩而言的最高級別地面運動的地震。MDE或SEE可視情況取為MCE或一個低于MCE的設計地震。在確定MDE或SEE大小時要考慮的因素是大壩的潛在災害類別、項目功能(供水、娛樂、防洪等)的關鍵性和恢復運行功能需要的時間。一般情況下，MDE或SEE相關功能要求是大壩在遭遇MDE或SEE時，不能導致災難性的事故，例如水庫的不受控制的泄洪，盡管可以容忍重大損害或經濟損失。如果大壩包括一個關鍵的供水水庫，那么預期的損害應限制允許大壩水庫在一個可接受的時間內恢復到正常運行狀態。MDE是用來評估結構物抗震性能的，通常取對結構起控制作用的MCE；然而，如大壩失事不會產生生命損失，且假定產生的成本效益和財產損失的風險是可以接受的，那么取一個較小的地震作為MDE是可以的。

MCE，最大可信地震，是指沿一個已知斷層或在一個特定的地震構造區或當前的地殼構造框架下很有可能發生的最大地震。由于場址受各種震源產生的地震影響，每一個地震均有其自身的斷層機制、最大地震震級和離場址的距離，因此，一個工程場址往往有多個由不同震源產生的MCE,每個MCE都有其特定的地震動參數和反應譜形狀。最終起控制作用的工程場址的MCE由確定性地震災害分析法(Deterministic Seismic Hazard Analysis，簡記為DSHA) 確定，可基于所有已知的區域的和當地的地質和地震資料通過判斷確定。

設計地震動特性參數是大壩抗震安全的最終體現，主要包括地面動峰值加速度、場地反應譜和振動持續時間，由美國地質調查局定期公開發布。

美國大壩抗震設防標準采用兩級設計標準，體現了以下理念：當大壩遭受OBE的地震作用時，要求大壩保持正常運行功能，所受震害輕微。在遭受最大設計地震MDE作用時，要求大壩至少保持蓄水能力，不發生潰壩但可容許大壩發生某種程度甚至嚴重的震害。

從中、美兩國大壩抗震標準的變化過程看，制定抗震標準時均遵循了以下原則：以工程失事后對政治、經濟、社會和環境的影響大小為依據，影響較大的工程承擔風險小一點，反之則可大一些，不顧經濟代價，片面提高抗震標準和安全性是不合適的。

現行中、美大壩抗震標準的主要區別是美國抗震標準傾向于用以風險分析為基準的方法來確定大壩的抗震概率水平。風險分析方法強調了“潛在破壞模態分析”的重要性。要求識別大壩的各種破壞模式，了解破壞發展進程中大壩特性的變化及其發生機制，了解超越峰值強度后的材料剩余強度以判定大壩破壞發展進程的快慢程度。在大壩的健康診斷與安全監測中目前已強調 了“性能指標”的內容，以便加深對破壞模態發展過程的了解并及早提出預警信號。為此，需要確定性能指標所相應的安全限值和預警限值。

大壩抗震安全的風險主要來自超標地震。大壩在整個運行期間抗御地震的安全度,用超越概率可表示為1-PN；若用設計地震的重現期T地震(a)和設計基準期N(a)表示，中、美兩國現行大壩抗震標準的抗震安全度為：

(3)

或

R(抗震，N)=1

(4)

式中：PN是設計基準期內超越概率，%。

3 中、美大壩防洪和抗震安全設計理念比較結果

中、美大壩防洪標準的概率水平是以年超越概率表示，而抗震標準的概率水平是以設計基準期內的超越概率表示。盡管中、美兩國大壩防洪和抗震標準的概率水平表示方式不同，但中、美兩國現行大壩防洪標準的防洪安全度和大壩抗震標準的抗震安全度的計算公式是一樣的。年超越概率p年(%)、設計基準期N(a)、設計基準期內超越概率PN(%)、重現期T(a)和安全度RN之間的關系為：

(5)

工程項目設計基準期取100(a)和50(a)，項目各頻率防洪安全度成果見表5，項目抗震安全度成果見表6。

表5 項目各頻率的防洪安全度成果表

表6 項目設計基準期內超越概率為PN(%)的抗震安全度成果表

根據概率論，項目在其設計基準期內，防洪和抗震綜合安全的可靠度應為：

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)=(1-p(洪水、年))N×(1-PN)

=(1-p(洪水、年))N×(1-p(地震、年))N

(6)

或

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)

(7)

中、美防洪設計中均有可能最大洪水的概念，若從發生概率來理解，可能最大洪水應是防洪的最高級別。

中國大壩抗震設計中沒有最大可信地震的概念；而美國抗震設計中有最大可信地震的概念，若從壩失事的潛在災害大小考慮，具有與可能最大洪水相當的安全意義。

4 結 語

中、美大壩防洪和抗震安全設計標準各成體系，均能滿足各自國家大壩安全設計和評估的需求。中、美大壩防洪設計分別采用二級和一級，以年超越概率表示；而中、美大壩抗震設計分別采用一級和二級，以設計基準期內的超越概率表示。設計基準期內的防洪安全和抗震安全的可靠度計算公式具有相同的形式。

中、美大壩防洪安全和抗震安全設計理念的重大差異是美國大壩防洪標準和抗震標準的確定基本達到了統一，均是以壩失事后的潛在災害類別作為重要判據，重視風險分析。

中、美兩國對大壩防洪安全和抗震安全的要求客觀地反映了中、美兩國綜合國力的差異，防洪安全

和抗震安全設計本質上是防洪安全、抗震安全與經濟之間的權衡，應與國家的經濟實力相適應。防洪和抗震既不能過度，也不能失度，防洪安全和抗震安全設計必須妥善解決好安全與經濟、社會、環境之間的矛盾。

參考文獻:

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