解析水工結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)

李振亮 水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司

眾所周知，水工建筑物由于與水體等接觸較多，且埋置較深，因而以較長(zhǎng)的線路布置進(jìn)行適當(dāng)疏導(dǎo)，在此條件限制下，水工建筑物的作業(yè)便容易受到多方面的影響，例如，高地下水位、強(qiáng)地震等。其中，地震對(duì)于水工建筑的影響十分嚴(yán)重，即一方面會(huì)導(dǎo)致建筑物的損害，另一方面也對(duì)社會(huì)居民的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成影響。結(jié)合我國(guó)的地理狀況，本文將以水工結(jié)構(gòu)抗震分析作為切入點(diǎn)，進(jìn)行具體的水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論論述，期以為我國(guó)水工建筑的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的、適用性的理論依據(jù)。

1.地震安全性評(píng)價(jià)概述

水運(yùn)工程地震安全性評(píng)價(jià)建立的根據(jù)即相關(guān)參數(shù)的具體限制及要求，通常以《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等為準(zhǔn)，從而保證在具體條件下的水運(yùn)工程地震安全性評(píng)價(jià)。隨著水運(yùn)工程關(guān)于抗震工作的研究與發(fā)展，目前我國(guó)逐漸形成了以地震危險(xiǎn)性概率分析法等為主的新型方式，這種方式主要是以水運(yùn)工程場(chǎng)地及其周邊環(huán)境的相關(guān)信息收集、分析為基礎(chǔ)，例如其地震地質(zhì)條件、地震活動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力場(chǎng)等，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的客觀性、科學(xué)性、可靠性，進(jìn)一步提高工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)的可用性。通常情況下，相關(guān)人員均會(huì)以速度、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜等進(jìn)行地震動(dòng)參數(shù)的信息收集。又因不同設(shè)計(jì)下的水運(yùn)工程建筑物具有差異性的抗震能力，所以相關(guān)人員必須以具體的內(nèi)容分析，進(jìn)行可靠的地震評(píng)價(jià)，例如，水工結(jié)構(gòu)地震危險(xiǎn)性的概率分析和不確定性分析等等。需要注意的是，作為整體工作的基礎(chǔ)，地震地質(zhì)工作必須得到有效延伸，保證其水工結(jié)構(gòu)趨于的具體活動(dòng)構(gòu)造完整化、清晰化，從而使得如震源位置、最大震級(jí)等信息的把握符合準(zhǔn)確性標(biāo)準(zhǔn)。

2.汶川地震對(duì)水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的啟迪

首先，由于相關(guān)結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性對(duì)于強(qiáng)震而言具有明顯的抵抗力，即水工壩基巖體和邊坡等，因此，二者對(duì)于水工結(jié)構(gòu)壩的抗震能力而言十分突出，需要得到合理重視。在汶川地震中，采用預(yù)應(yīng)力錨固處理的水工結(jié)構(gòu)與沒(méi)有采用預(yù)應(yīng)力錨固處理的水工結(jié)構(gòu)形成鮮明對(duì)比，即在百米級(jí)大壩的壩肩巖體、壩基以及高邊坡等的具體比較中，前者具有明顯的穩(wěn)定性，后者則發(fā)生了嚴(yán)重坍滑。在這種比較下，則表明水工壩基和邊坡加固的工程措施對(duì)于水工結(jié)構(gòu)的抗震能力提升而言，是十分必要且有效的。

其次，根據(jù)汶川地震中水工壩體的震害相關(guān)記錄發(fā)現(xiàn)，其具體抗震設(shè)計(jì)中的泄水結(jié)構(gòu)抗震能力仍未得到充分重視。即地震應(yīng)急預(yù)案必須進(jìn)行相關(guān)的能源應(yīng)急預(yù)備，例如，泄水結(jié)構(gòu)正常作業(yè)以及應(yīng)急能源的充足等，從而保證泄水結(jié)構(gòu)在地震狀態(tài)下的有效、合理運(yùn)行，避免因強(qiáng)震中的應(yīng)急預(yù)案確實(shí)而導(dǎo)致的泄水結(jié)構(gòu)無(wú)法作業(yè)。

再次，汶川地震作為罕見(jiàn)的高強(qiáng)度地震，其本身就具有一定的不可預(yù)知性，但是，這也提醒相關(guān)工作人員必須具備高度的警戒意識(shí)以及敏銳的判斷能力。具體而言，水工結(jié)構(gòu)的地震評(píng)估必須以極限狀態(tài)為準(zhǔn)，即 “最大可信地震”，從而以此為根據(jù)，保證水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于潰壩、次生災(zāi)害等的抵抗能力處于優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi)。另外，由于地震評(píng)估工作本身具有一定的粗略性，使得水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)無(wú)法完善整體的抗震效用，這是由地震的客觀狀況而導(dǎo)致的。就百米級(jí)別的水工高壩而言，汶川地震中的高壩與新建的高壩二者并不能進(jìn)行統(tǒng)一性的比較，因其地理、環(huán)境、建造方式等等均具有差異，且后者沒(méi)有強(qiáng)震考驗(yàn)的先例。

最后，通過(guò)對(duì)汶川地震的發(fā)震斷層研究，能夠提升相關(guān)研究人員對(duì)于水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的多方面認(rèn)識(shí)。具體如下：由于汶川地震本身屬于高強(qiáng)度地震，因此其發(fā)震斷層也就具有十分顯著的縱深效果，即發(fā)震斷層較長(zhǎng)，超過(guò)320 km，發(fā)震斷層深度廣，即20 km，且震時(shí)超過(guò)100s，就地震能量的釋放而言，由于縱深效果較強(qiáng)，也就導(dǎo)致了其在時(shí)間和空間的分布上具有十分顯著的不均衡特征，這就導(dǎo)致對(duì)其的具體分析不能以一致性的點(diǎn)源分析為準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行具體研究且結(jié)合震害經(jīng)驗(yàn)表明，在水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，由于地理因素的差異性，導(dǎo)致相同水工結(jié)構(gòu)在地理上也具有一定的差異性；同時(shí)，結(jié)構(gòu)受力狀況的具體把握也受到區(qū)位因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致地震動(dòng)的反應(yīng)狀況具有一定的不穩(wěn)定性。

3.水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

3.1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架的確定

第一，則是對(duì)重大水工建筑物而言，要求相關(guān)人員必須以相關(guān)規(guī)則進(jìn)行具體的抗震設(shè)計(jì)，即“設(shè)定地震法”（以場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性分析并綜合概率法和確定性方法為基礎(chǔ)），從而保證在場(chǎng)地信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)的地震模型模擬，推動(dòng)重大水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架的科學(xué)性、完整性發(fā)展。

第二，則要求相關(guān)人員必須進(jìn)行合理的峰值加速度計(jì)算，即以場(chǎng)地地震地質(zhì)條件為計(jì)算基礎(chǔ)，保證“最大可信地震”狀態(tài)下的合理計(jì)算，根據(jù)相關(guān)要求，其必須以對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，即確定性的方法或者基準(zhǔn)期100年內(nèi)超越概率為0.01的概率法，進(jìn)而進(jìn)行最大值選取。

第三，由于強(qiáng)震本身具有一定的塑性可能，所以要求抗震設(shè)防必須進(jìn)行全面性的考慮，即將地震動(dòng)加速度幅值以及頻譜非平穩(wěn)性等納入考慮范圍內(nèi)。

3.2 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的建議

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜通常作為一種可行性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律而存在，即其能夠通過(guò)地震動(dòng)反應(yīng)譜的衰減關(guān)系，進(jìn)行差異性的地震信息統(tǒng)計(jì)，相關(guān)信息如地震等級(jí)和地震場(chǎng)址距離的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜等等。現(xiàn)階段，目前，地震動(dòng)反應(yīng)譜和地震震級(jí)以及場(chǎng)址距離間的規(guī)律性具有粗略性特征，即其均是以實(shí)際強(qiáng)震信息的統(tǒng)計(jì)作為形式，無(wú)法保證地震相關(guān)的具體信息規(guī)律性與可靠性。

隨著諸多國(guó)家對(duì)于水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究，大多數(shù)國(guó)家紛紛展開(kāi)了與其地域相關(guān)的地震反應(yīng)譜研究工作，其中尤以美國(guó)為首，其以全世界發(fā)生的多數(shù)地震信息作為依據(jù)，展開(kāi)了陸續(xù)的反應(yīng)譜研究工作，即173次地震中的3551個(gè)強(qiáng)震記錄等。因此，在我國(guó)與北美大陸地理環(huán)境較為相似的前提上，我國(guó)水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜研究工作可以美國(guó)的相關(guān)研究為基礎(chǔ)。

3.3 水工結(jié)構(gòu)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

水工結(jié)構(gòu)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能首先是由多重因素決定的，即要求相關(guān)人員必須以具體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)為依據(jù)，即如混凝土動(dòng)態(tài)抗拉、彈性模量等等，從而保證其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能計(jì)算的準(zhǔn)確性、可靠性，需要注意的是，其參數(shù)獲取必須以剪切受拉和彎曲受拉強(qiáng)度為主。通常情況下，水工結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度值均會(huì)以試驗(yàn)的形式進(jìn)行，且其試驗(yàn)過(guò)程必須符合全面性要求，即全級(jí)配試件抗折試驗(yàn)。

3.4 水工土石壩的動(dòng)力分析

水工土石壩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著的復(fù)雜性首先是由其材料本構(gòu)關(guān)系決定的，即塑性性能很強(qiáng)，這就導(dǎo)致了其模擬條件較為復(fù)雜，且無(wú)法保證模擬狀態(tài)的統(tǒng)一性，即分析狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異性。在現(xiàn)階段的水工土石壩動(dòng)力分析工作中，以《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》為代表的擬靜力的方法雖然進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)，但是由于其本身對(duì)于地震的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能把握具有一定的粗略性，所以就無(wú)法保證相關(guān)計(jì)算的可靠性，即如水工壩體及基礎(chǔ)的壩體地震變形等。

4.結(jié)語(yǔ)

由于水工結(jié)構(gòu)的受力情況和邊界條件等本身具有較為突出的復(fù)雜性，所以就導(dǎo)致地震作用下的復(fù)雜狀況更為劇烈。這就要求相關(guān)人員必須時(shí)刻遵守相關(guān)的水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)則，保證其水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等等，推動(dòng)水工建筑的抗震設(shè)計(jì)向著科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向進(jìn)步。