淺析中外水工建筑物抗震設計標準主要差異

張公平，唐忠敏

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，隨著西部大開發和“西電東送”戰略的深入實施，我國水電開發逐漸步入中后期，在一大批世界級高壩拔地而起的同時，我國水電建設產能過剩的問題也日益顯現，走出國門，積極尋求國際水電產能合作已經成為中國水電工程界的共識。但與之相應的是，伴隨著一大批中國企業深度介入國際水電市場，對國際水電技術標準的不熟悉已經成為了制約中國企業立足海外的關鍵因素。

以水工建筑物抗震設計標準為例，對中國設計咨詢企業而言，由于長期從事國內水電工程勘測設計工作，對于一般性(工程抗震設防類別為乙、丙、丁)水工建筑物僅采用相當于中震水平的“設計地震”單級設防的理念早已深入人心，進入國際水電市場后，對于國際常用的水工建筑物抗震設防水準(如MCE、MDE、SEE、DBE、OBE等)、水工建筑物抗震設計計算方法不熟悉等問題一度困擾了許多工程技術人員。本文著眼于水工建筑物抗震設計標準，通過對中、外水工建筑物抗震設防水準，中、外重力壩抗震計算方法等對比分析，揭示了中、外水工建筑物抗震設計標準的主要差異，并結合岷江流域震中附近水電工程在“5·12汶川地震”中的優異表現，解答了對僅采用相當于中震水平的“設計地震”單級抗震設防的水工建筑物能否滿足“大震不倒”性能目標要求的疑問。

1 水工建筑物抗震設防水準的差異

1.1 國際水工建筑物抗震設防水準的基本概念

根據ICOLD[1-4]，國際水電工程中常用的水工建筑物抗震設防水準主要有：

(1)最大可信地震(MCE，Maximum Credible Earthquake)。MCE是基于歷史地震和區域地質條件，在工程場址處可能產生的最大的地震動事件，MCE計算基于確定性的地震分析(DSHA)。

(2)最大設計地震(MDE，Maximum Design Earthquake)。MDE的重現期采用10 000年，對于允許有小的或者有限損壞的大壩，其重現期可以較短，MDE的地震動系數的確定是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(3)安全評價地震(SEE， Safety Evaluation Earthquake)。SEE是大壩不會出現水庫無法控制的下泄所必須抵抗的地震動，也是大壩及安全相關構件的安全評估和抗震設計的決定性地震動。對于重要的大壩，SEE可采用MCE或MDE。

(4)設計基準地震(DBE，Design Basis Earthquake)。DBE是附屬結構參照的設計地震，采用475年的地震重現期，DBE地震動參數計算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(5)運行基準地震(OBE，Operating Basis Earthquake)。OBE是大壩生命周期中不發生損壞或者功能喪失的設計地震，采用145年的重現期，OBE地震動參數計算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(6)水庫誘發地震(RTE，Reservoir-Triggered Earthquake)。RTE是由水庫蓄水、水位下降等所引起的，在壩址位置的最大地震動。

(7)施工地震(CE，Construction Earthquake)。CE是臨時建筑物(如圍堰)等的設計地震，其計算應考慮臨時建筑物的服務期。

(8)附屬建筑物設計地震(DEAS，Design Earthquake for Appurtenant Structures)。DEAS是不控制大壩安全的附屬建筑物(如取水口、壓力管道、廠房、地下洞室等)的設計地震，常采用475年的重現期。

1.2 國際大壩委員會(ICOLD)水工建筑物抗震設防水準

(1)國際大壩委員會(ICOLD)1988年發布的72號公告相關規定。在國際大壩委員會(ICOLD)于1988年發布的72號公告《大壩地震動參數選擇導則(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-1989》[2]中提出，大壩按照OBE和MDE兩級設防的理念，其設防水準和性能目標要求如下：

①在OBE作用下，大壩不容許發生影響大壩和水庫運行的結構性損壞(如裂縫、變形、泄露等)，但是容許發生可修復的損壞；與大壩安全相關的結構及設備(如溢洪道、壩身孔口及閘門系統等)必須完全可以使用，不允許發生扭曲變形等。

②在MDE作用下，大壩允許發生結構性的損壞(如裂縫、變形、泄露等)，但必須確保大壩的穩定性，大壩不會發生大量不可控制的水體下泄的情況；與大壩安全相關的結構及設備(如溢洪道、壩身孔口及閘門系統等)，允許發生少量的扭曲變形，但必須確保其基本功能。

(2)國際大壩委員會(ICOLD)2010年發布的72號修訂公告相關規定。在國際大壩委員會(ICOLD)于2010年發布的72號修訂公告《大壩地震動參數選擇導則(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-2010)》[3]中，引入SEE取代了1988年發布的72號公告中的MDE，采用了OBE和SEE兩級設防，OBE和SEE設防水準和性能目標要求與1988年發布的72號公告中的OBE和MDE基本一致，各設防水準地震重現期如表1所示。

表1 國際大壩委員會水工建筑物抗震設防水準及相應的地震重現期

1.3 部分國家水工建筑物抗震設防水準

根據文獻[5-12]，部分國家水工建筑物設防水準及相應的地震重現期如表2所示。

表2 部分國家水工建筑物抗震設防水準及相應的地震重現期

1.4 中國水工建筑物抗震設防水準

我國建筑工程界常采用“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三級抗震設防水準[12]，但我國水工建筑物通常只要求復核能否滿足“中震可修”的性能目標要求，即對于一般的水工建筑物(抗震設防類別丙、丁類)通常采用“設計地震”(475年重現期，相當于中震)單級設防，其性能目標要求為允許產生可修復的局部破壞[13-14]，這與國際大壩委員會(ICOLD)對于OBE性能目標是一致的；對于重要的水工建筑物(抗震設防類別甲類的1級壅、泄水建筑物，及抗震設防類別乙類的1級非壅水建筑物)，“設計地震”的重現期還分別提高至4 950年和1 000年；對于特別重要的水工建筑物(抗震設防類別甲類)，除“設計地震”外，還要求論證最大可信地震(MCE)時不發生庫水失控下泄災變(即“大震不倒”)的安全裕度。我國水工建筑物抗震設防水準及相應的地震重現期如表3所示。

1.5 中外水工建筑物抗震設防水準主要差異

綜合以上比較分析，中外水工建筑物抗震設防水準主要差異在于：

(1)對于設防水準，除加拿大、英國、瑞士等國家外，國外水工建筑物抗震設防水準大多參考國際大壩委員會(ICOLD)的要求，采用OBE和SEE(或MDE)兩級設防；而我國一般水工建筑物(抗震設防類別乙、丙、丁類)通常采用“設計地震”單級設防，僅對特別重要的水工建筑物(抗震設防類別甲類)采用“設計地震”和“校核地震”兩級設防。

表3 我國水工建筑物抗震設防水準及相應的地震重現期

(2)對“允許產生可修復的局部破壞”這一性能目標要求，國際大壩委員會(ICOLD)及部分國家采用的OBE進行控制，其重現期僅為145年；而我國采用“設計地震”進行控制，重現期為475年、1 000年和4 950年。說明在這一性能目標要求上，我國水工建筑物抗震設防水準是高于國外抗震設防水準的。

(3)對“不發生庫水失控下泄災變”這一性能目標要求，國際大壩委員會(ICOLD)及部分國家采用SEE(或MDE)進行控制，并且根據水工建筑物重要性、地震活動性等進行分級，采用不同的地震重現期；而我國僅對特別重要的水工建筑物(抗震設防類別甲類)有此要求，對于抗震設防類別乙、丙、丁類的水工建筑物不作要求。

2 水工建筑物抗震設計計算的差異

在國際水電工程界，美國陸軍工程師兵團設計標準應用最為廣泛。由此，本章主要比較中國標準和美國陸軍工程師兵團標準在水工建筑物抗震設計計算方面的部分差異。

2.1 水平地震慣性力計算公式差異

(1)美國陸軍工程師兵團水工建筑物地震慣性力計算公式。根據文獻[15]，美國陸軍工程師兵團所采用的水平地震慣性力計算公式如式1所示：

Pex=Wα

(1)

式中Pex——為水平地震慣性力；

W——為大壩重力；

α——為地震系數。

(2)我國水工建筑物地震慣性力計算公式。根據文獻[14]，中國標準所采用的水平地震慣性力計算公式如式2所示：

Ei=αhζGEiαi/g

(2)

式中Ei——為作用在質點i的水平地震慣性力；

αh——為水平向設計地震加速度代表值；

ζ——為地震作用的效應折減系數，除另有規定外，應取0.25；

GEi——為重力作用標準值；

αi——為質點i地震慣性力的動態分布系數，對于建筑物一般取1～3。

g——為重力加速度。

(3)主要差異。比較公式(1)、(2)可知，中、美水工建筑物水平地震慣性力計算公式主要差異在于：

①公式(2)較公式(1)增加了地震作用的效應折減系數ζ，該系數主要用于彌合與傳統擬靜力方法相應的設計地震動加速度值與實際地震加速度值的差異[16]。

②公式(2)較公式(1)增加了地震慣性力動態分布系數αi，該系數主要反映地震慣性力沿結構高程的分布；對于主要水工建筑物(如土石壩、重力壩、拱壩、水閘、取水口等)，按公式(2)計算出的水平地震慣性力大致相當于按公式(1)計算值的25%～75%。

2.2 重力壩抗滑穩定計算(地震工況)的差異

(1)美國陸軍工程師兵團重力壩抗滑穩定性計算(地震工況)的相關規定：根據文獻[15]，美國陸軍工程師兵團重力壩抗滑穩定(包括沿基底抗滑穩定和深層抗滑穩定)的計算工況和安全系數控制值如圖4所示。

表4 美國陸軍工程師兵團重力壩抗滑穩定性計算工況及安全系數控制值(地震工況)

(2)我國重力壩抗滑穩定性計算(地震工況)的相關規定：根據文獻[17-18]，我國重力壩抗滑穩定的計算工況和安全系數控制值見表5，其中安全系數控制值為承載能力極限狀態分項系數表達式中各分項系數的換算值。

表5 我國標準重力壩抗滑穩定性計算工況及安全系數控制值(地震工況)

(3)主要差異。比較表4和表5可知，中、美重力壩抗滑穩定計算(地震工況)主要差異在于：

①美國陸軍工程師兵團重力壩抗滑穩定計算需要復核“正常蓄水+OBE地震”“正常蓄水+SEE地震”和“施工完建+OBE地震”三種地震工況，我國標準僅需復核“正常蓄水+設計地震”工況。

②對重力抗滑穩定安全系數控制值，美國陸軍工程師兵團對于所有規模的重力壩均采用同一控制值，我國標準則根據重力壩的結構安全級別分級設置控制值，并且我國標準地震工況下穩定安全系數的控制值要大于美國陸軍工程師兵團的控制值。

2.3 大壩混凝土動態強度差異

(1)美國陸軍工程師兵團大壩混凝土動態強度的相關規定：根據文獻[15]，在做重力壩地震分析時，混凝土的壓應力通常不起控制作用，混凝土抗拉強度則可取靜態抗拉強度的1.5倍。

(2)我國大壩混凝土動態強度的相關規定：根據文獻[14]，對不進行專門的試驗確定其混凝土材料動態性能的大體積水工混凝土建筑物，其混凝土動態強度的標準值可較靜態標準值提高20%，其動態彈性模量標準值可較其靜態標準值提高50%。

(3)主要差異。中美標準在大壩混凝土動態抗拉強度差異較大，美國陸軍工程師兵團規定大壩混凝土動態抗拉強度可較靜態值提高50%，而我國標準的提高幅度為20%。

3 單級抗震設防的水工建筑物在“5·12汶川地震”中的表現

正如本文第2章所論述，我國抗震設防類別乙(2級雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物僅采用相當于中震水平“設計地震”單級設防，未再按國際大壩委員會(ICOLD)和國外通常的做法復核建筑物在SEE(或MDE)狀況下的穩定性。那么，上述采用中震設防的水工建筑物在遭遇大震時表現如何呢？

本章以“5·12汶川地震”中岷江流域距震中最近的7座水電站為例，分析其擋、泄水建筑物在大震中的表現，試圖以此來說明采用中震水平的“設計地震”單級設防的水工建筑物在遭遇大震時能否滿足“大震不倒”的性能目標要求。根據文獻[19-29]，汶川8.0級地震中岷江流域距震中最近的7座水電站擋、泄水建筑物抗震設防水準及震損情況如表6所示。

表6 “5·12汶川地震”岷江流域部分水電站震損情況

由表6可知：

(1)在汶川8.0級地震中，設計基本烈度僅為Ⅶ～Ⅷ的7座大壩在遭遇Ⅸ～Ⅺ大震時無一潰決，擋、泄水建筑物主體結構受損輕微，表現優異，說明我國對抗震設防類別乙(2級雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物采用“設計地震”單級設防的設防水準是可靠的，能夠滿足“大震不倒”的性能目標要求。

(2)通過上述水電站泄水建筑物震損情況來看，多座水電站存在因閘門變形、缺乏備用電源等原因導致閘門無法開啟，進而造成庫水漫頂的情況，說明僅采用“中震可修”單級設防水準的水工閘門在遭遇大震時的可靠性稍顯不足，有必要提高設防水準或增加備用設施以滿足震后庫水下泄的要求。

4 結論及建議

(1)國外水工建筑物大多采用OBE和SEE(或MDE)兩級設防，我國對一般的水工建筑物(抗震設防類別乙、丙、丁類)采用“設計地震”單級設防，僅對特別重要的水工建筑物(抗震設防類別甲類)采用“設計地震”和“校核地震”兩級設防。

(2)我國“設計地震”與國外OBE的性能目標要求均為“允許產生可修復的局部破壞”，但我國“設計地震”的設防標準(重現期475年、1 000年和4 950年)要高于國外OBE的設防水準(重現期145年)。

(3)我國水工建筑物抗震設計在水平地震慣性力計算、重力壩抗滑穩定計算、大壩混凝土動態性能等與美國陸軍工程師兵團標準存在差異，在參與類似工作時要引起注意。

(4)岷江流域距震中最近的7座大壩在“5·12汶川地震”中的優異表現說明，對于抗震設防類別乙(2級雍水建筑物)、丙、丁類的水工建筑物，盡管沒有進行SEE、MDE或“校核地震”復核，仍然能夠滿足“大震不倒”的性能要求；僅按相當于“中震可修”單級設防的水工閘門在遭遇大震時可靠性稍顯不足，有必要提高設防水準或增加備用設施以滿足震后庫水下泄的要求。

(5)在參與國際水電工程時，在滿足項目所在國法律要求、合同要求、咨詢(監理)工程師要求的同時，應按照確保工程安全、節約工程投資的原則，選取合適的水工建筑物抗震設計標準。