我國混凝土大壩的抗震安全分析發展趨勢

摘要：隨著我國經濟的快速發展及西部大開發戰略的深入推進，在我國西部高烈度地震區，已建成和正在規劃建設的混凝土大壩及300米以上的高拱壩越來越多。由于我國的大壩抗震分析理論研究起步晚且尚未成熟，許多已建成的大壩在設計時采取的抗震設計方法較為粗糙。本文將通過梳理當前國際國內先進的抗震分析方法，總結我國的抗震安全分析的發展趨勢，為將來的研究者提供一些思路。

關鍵詞：地面加速度；設防標準；抗震設計；風險分析

一、當前的抗震安全分析

混凝土大壩的地震分析是由westergaard 教授在20世紀30年代首先提出來的，目前仍是大壩抗震設計的主流。它是將大壩模擬為線彈性無線長的三角形截面，放置在剛性基礎上，將地震作用用一個地震系數來表示，通常取0.1，然后進行靜力穩定性分析，稱之為擬靜力法。由于混凝土大壩在強震中的震害主要體現在受拉導致的裂縫尤其是貫穿性的拉裂縫，這種分析方法著重于混凝土大壩的強度校核和穩定校核，采取的標準是不容許拉應力出現，以最大拉應力為安全系數來控制大壩的抗震安全性，這在我國的大壩抗震設計中體現的尤為明顯。目前發展為基于材料力學和結構力學的線彈性振動響應分析和極限平衡法分析，其簡單易于操作且在過去的幾十年間指導設計的混凝土大壩包括高拱壩具有良好的運行狀況。

二、設計中面臨的問題

隨著科技手段的進步，越來越大的地震地面加速度被檢測出來，有些顯著高于當時采用的設計值，如1973年前蘇聯Gazli地區發生里氏7.2級地震，測得最大地震加速度為1.3g。滿足以前的地震系數和擬靜力分析的大壩是否可以安全抵抗未來高風險的地震破壞是當前我國大壩抗震復核的核心工作，國內外大量資料表明許多按照當時保守的設計地震加速度建造的大壩在地震中都產生了不同程度的損壞，針對這一矛盾，我國的抗震設防標準做了一定修改[1]，一些小型混凝土重力壩仍然采取擬靜力分析，按照最大設計地震MDE一級設防，對于超過250米重要的高壩我國的設計規范要求進行專業研究，設計地震加速度提高到重現期為4950年，并采用反應譜法進行彈性分析，還要進行非線性的動力響應分析和動力模型試驗，一些重要參數也做了相應修改，如阻尼值和混凝土動態抗拉強度。

在對地震作用后受損大壩的研究中發現，在地基、回填飽和土及壩身混凝土材料中由于出現剪應變，導致孔隙水壓力明顯上升產生超孔隙水壓力[2]，這也是大壩在強震中強度損失、結構失穩的重要原因，許多已建成的大壩在設計時對這個方面的認識不足，目前亟待開展此方面的研究。此外地震作用下混凝土材料的動力特性研究比較缺乏，目前廣泛采用的是Raphael的實驗結果，我國的《水工建筑物抗震設計規范》也采用了這一結果，但對于影響這一實驗結果的因素如混凝土試件的強度、物理環境因素、幾何尺寸、加載幅度等都缺乏專門深入的研究。

三、當前的研究方向

1基于性能的抗震設計分析

基于性能的結構抗震設計是20世紀90年代中期美國科學家Moehle提出的全新的抗震設計理念，最早應用于橋梁抗震設計中，我國張楚漢等[3]開創性的將這一理念引入到水利水電工程中。該理論核心目標是使得結構在預定的使用年限里各項功能保持正常，滿足使用要求。在混凝土大壩中多級設防的理念也源于此。在運行基本地震OBE作用下不容許大壩出現結構性的損害，如裂縫，變形和泄漏，容許出現可修復的損害。在安全評價地震SEE作用下，可以出現結構性的損害，但應當確保大壩的穩定性，水庫中沒有不可控制的水體下泄，造成下游重大的生命財產損失，SEE一般取最大設計地震MDE，特殊情況取到最大可信地震MCE。美國大壩正是采取了OBE和MDE兩級設防的標準[4]，對應于不同的設防標準有不同的性能要求和設計規范。這也是目前大壩抗震設計中較為先進的發展趨勢。我國的大壩抗震設計采取的是一級設防MDE，但標準略高于國際標準，雖然可取得更好的安全性但也造成了一些材料上的浪費，因此目前積極開展此方面的研究是有必要的，在安全性和經濟性之間找到更好的平衡。

2非線性動力有限元分析

較為先進的混凝土大壩地震工況下的力學核算采用非線性的結構力學方法，假設拉應力區開裂，修改截面面積和截面矩然后迭代計算，直至收斂。結合混凝土大壩的地震響應分析可以較為準確的校核大壩是否會產生貫穿性裂縫。在金峰等[5]的研究中對大壩的動力學安全分析做了進一步探究，在地震作用的動力計算中加入非線性材料力學的校核，以屈服區聯通作為貫穿性開裂的評價指標，將動力剛體極限平衡結合非線性材料力學來校核孤立壩體的抗滑穩定性。在計算過程中一些因素如阻尼、揚壓力、滲透等的影響程度及如何定量描述是當前正在廣泛研究的課題。

3綜合性的風險分析

綜合性的地震風險分析是對大壩運行期內遭受一定概率地震作用的可能性及造成的后果進行綜合評價的過程，它將風險分析與基于性能的抗震設計思想相結合，由王篤波等[6]于2011年首先提出，為混凝土大壩的經濟性安全性分析評價提供了新思路。具體包括地震危害性分析、地震易損性分析和地震災害損失評估三方面，描述為R=HFL，R為大壩地震風險主要體現的是大壩壩址發生地震的風險，選取有效峰值加速度PGA為參數；F為地震易損性，反映了大壩在其設防標準下完成抗震性能目標的能力，選取壩頂相對沉陷值作為大壩永久性變形的指標，也作為風險評價指標；L為地震損失包括直接經濟損失和間接經濟損失，以性能為前提采用具體的量化措施。每一項都有具體的指標可以從不同側面對大壩的抗震設計作綜合性的評價，可操作性強。只是對于大壩變形的評價指標目前仍然沒有達成共識，選取壩頂的相對沉陷值是否可以完全反映基礎與大壩的結構易損性仍有待繼續研究，且此項指標只能用于大壩震后的風險評價，如何運用在大壩設計的前期預測中仍是亟待解決的問題。

四、結語

由于目前對地震產生機理、地震預測和水庫誘發地震RST的研究尚未成熟，依然沒有能力準確可靠的預測一場強烈地震，只能對地震發生概率方面做些分析，提高大壩在不同概率地震工況下的強度安全和結構穩定，降低庫水下泄風險是主要的抗震設計思路。在近些年的大壩地震災害實例中發現，大壩附屬建筑物如閘門、發電設備等的抗震安全也應有所要求，以期保證其在地震中不被損害，功能正常。許多大壩修建在地形條件惡劣的地方，在地震中面臨著山體滑坡、泥石流、巨型巖石崩落等二次災害的威脅，在大壩綜合性的抗震設計中加入這些方面的分析評價也是目前較好研究思路。

參考文獻：

[1]水工建筑物抗震設計規范[S]DL5073-1997，SL203-97，1997.

[2]劉躍，貢金鑫.水工建筑物抗震設計中土超孔隙水壓力計算[J].水運工程，2017：1002-4972.

[3]張楚漢，金峰，沈懷至等.基于功能的高壩抗震安全與風險評價[M].天津：天津大學出版社，2004.

[4]金峰，周建平.重力壩在校核地震工況下核算方法的建議[j].水利發電，2009：559-9342.

[5]王篤波，劉漢龍，于陶.基于變形的土石壩地震風險分析[J].巖土力學，2012：1000-7598.

作者簡介：

胡瑞杰（1996.7.4）男，漢，山西呂梁，身份證號141123199607040037，職稱，研究方向：水利水電工程專業