本文論證了混凝土大壩重點(diǎn)是高拱壩的抗震安全評(píng)價(jià)的實(shí)踐與發(fā)展現(xiàn)狀。現(xiàn)有的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則主要依據(jù)混凝土的強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度來(lái)判斷大壩的安全性。大壩的應(yīng)力計(jì)算則以彈性動(dòng)力分析為基礎(chǔ)。各國(guó)規(guī)范關(guān)于地震設(shè)防水平和大壩的容許拉應(yīng)力數(shù)值有很大差別，表明認(rèn)識(shí)上的不一致。事實(shí)上，由于各壩壩高、壩型、地形、地質(zhì)條件不同，地震時(shí)壩身中某一部分產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力不足以全面反映大壩的抗震安全性。混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是大壩抗震安全評(píng)價(jià)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。大壩抗震設(shè)計(jì)中目前只依據(jù)Raphael進(jìn)行的局部加載速率的試驗(yàn)結(jié)果選取混凝土的動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)際上，地震作用下，不同的壩不同部位的應(yīng)變速率是不相同的，而且混凝土的動(dòng)強(qiáng)度還和應(yīng)變歷史、初始靜抗壓強(qiáng)度、含水量以及尺寸效應(yīng)等許多因素有關(guān)，有待作深入研究。在以上分析基礎(chǔ)上，文中建議了混凝土大壩抗震安全評(píng)價(jià)的合理方法以及進(jìn)一步的研究方向。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小灣、溪洛渡等一批300m級(jí)世界超高拱壩和龍灘等200m級(jí)高碾壓混凝土重力壩即將在我國(guó)西部高烈度地震區(qū)進(jìn)行建設(shè)。高壩的抗震性評(píng)價(jià)關(guān)系到下游廣大地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，具有特殊重要的意義。目前有關(guān)混凝土大壩在地震作用下的動(dòng)力分析技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，我們可以對(duì)復(fù)雜形狀的拱壩進(jìn)行比較嚴(yán)密的三維壩水地基系統(tǒng)的地震響應(yīng)分析。在計(jì)算中可以考慮河谷地震動(dòng)的不均勻輸入；可以考慮拱壩結(jié)構(gòu)縫在強(qiáng)震作用下的相對(duì)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)；可以考慮拱壩和無(wú)限地基的動(dòng)力相互作用影響等。混凝土大壩的彈性振動(dòng)響應(yīng)分析可以達(dá)到比較高的計(jì)算精度。但是，對(duì)混凝土大壩抗震安全評(píng)價(jià)有關(guān)的一些重要問(wèn)題，其中包括地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，混凝土材料的動(dòng)力特性等，都還沒(méi)有得到很好解決。以下，我們對(duì)一些問(wèn)題的發(fā)展現(xiàn)狀作一些分析。
1、混凝土大壩抗震安全評(píng)價(jià)的歷史回顧
混凝土大壩的抗震安全評(píng)價(jià)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)期的歷史發(fā)展。安全評(píng)價(jià)包括強(qiáng)度和穩(wěn)定兩個(gè)方面。由于失穩(wěn)的發(fā)展一般是一漸進(jìn)過(guò)程，所以，目前正在研究應(yīng)用不連續(xù)變形方法來(lái)分析大壩沿薄弱面失穩(wěn)的發(fā)展過(guò)程。這樣，將壩基失穩(wěn)、變形與大壩的變形、應(yīng)力重分布與破壞過(guò)程相結(jié)合進(jìn)行綜合考慮。可以更為科學(xué)地評(píng)價(jià)大壩的安全性。這將是今后的發(fā)展方向。但就目前情況來(lái)說(shuō)，混凝土大壩特別是拱壩的設(shè)計(jì)，基本上分別獨(dú)立地對(duì)穩(wěn)定和應(yīng)力分析進(jìn)行檢驗(yàn)。穩(wěn)定分析主要采用極限平衡方法，按塑性力學(xué)上限理論計(jì)算安全系數(shù)。穩(wěn)定方面出現(xiàn)的問(wèn)題則通過(guò)壩線選擇和加固措施來(lái)解決。所以，大壩剖面的選擇將主要通過(guò)應(yīng)力進(jìn)行控制。從應(yīng)力方面評(píng)價(jià)混凝土大壩的抗震安全性，目前將仍主要建立在容許應(yīng)力的基礎(chǔ)上。各國(guó)都根據(jù)彈性動(dòng)力分析計(jì)算出的地震應(yīng)力來(lái)進(jìn)行大壩的抗震設(shè)計(jì)。本文將主要討論這方面的問(wèn)題。由于混凝土大壩在強(qiáng)震中的震害主要表現(xiàn)為受拉出現(xiàn)裂縫，發(fā)生應(yīng)力重分布，使大壩的承載能力降低。因此，混凝土的容許抗拉強(qiáng)度成為大壩抗震安全檢驗(yàn)的十分重要的指標(biāo)。
在混凝土壩的設(shè)計(jì)中，很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，拱壩采用試載法(多拱梁法)，重力壩采用材料力學(xué)方法進(jìn)行分析。這種方法計(jì)算比較簡(jiǎn)便，又基本上可以反映大壩的受力特性，所以在比較長(zhǎng)的大壩建設(shè)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但是這種方法采用平面變形假定，忽略了應(yīng)力集中的影響，也有一定的局限性。在早期混凝土大壩的設(shè)計(jì)中，基本上采用了不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。以拱壩為例，認(rèn)為主要以承受壓力為主，對(duì)壓應(yīng)力采用比較高的安全系數(shù)(正常荷載工況達(dá)到4，非常荷載工況達(dá)到3)，計(jì)算中斷面的受拉部分按開(kāi)裂計(jì)算，形成內(nèi)部新的受壓拱，進(jìn)行應(yīng)力重分布。早期，大壩的設(shè)計(jì)地震力不高，地震加速度一般取為0.1g左右，這種情況下許多拱壩的安全性主要由靜力情況控制。隨著壩工建設(shè)的發(fā)展，這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)踐中暴露出來(lái)的矛盾越來(lái)越多。
首先，是拉應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題逐漸被突破。由于壩高增加，同時(shí)在復(fù)雜條件下建設(shè)的大壩數(shù)量越來(lái)越多，初期不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。另一方面，也考慮到大體積混凝土實(shí)際上可以承受某種程度的拉應(yīng)力。從而，在一些混凝土壩的設(shè)計(jì)中逐步容許一定數(shù)量的拉應(yīng)力。以拱壩表現(xiàn)得最為明顯。但是，允許拉應(yīng)力的數(shù)值各壩都不完全相同。總的看來(lái)，存在著逐步提高的趨勢(shì)。以美國(guó)為例[1]，1924年設(shè)計(jì)Pacoima拱壩時(shí)，加州工程師取容許拉應(yīng)力0.7MPa(100psi)；1967年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)與美國(guó)大壩委員會(huì)總結(jié)的拱壩拉應(yīng)力容許值為0.84～1.26MPa(120～180psi)；1974年美國(guó)墾務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)，容許拉應(yīng)力在正常荷載時(shí)為1.05MPa(150psi)，非常荷載時(shí)為1.575MpP(225psi)；1977年Auiburn壩設(shè)計(jì)時(shí)，拉應(yīng)力容許值達(dá)到5.25MPa(750psi)；1984年Raphael根據(jù)若干座壩混凝土試樣的試驗(yàn)值，建議地震時(shí)容許拉應(yīng)力可達(dá)6.958MPa(994psi).拉應(yīng)力的容許值實(shí)際上決定了大壩設(shè)計(jì)的安全度，因?yàn)樗鼪Q定斷面裂縫的范圍以及應(yīng)力重分布的結(jié)果。關(guān)于拉應(yīng)力的容許值，各國(guó)、各個(gè)單位、各座壩取值不同。至今還沒(méi)有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，反映了認(rèn)識(shí)上的不一致。這是可以理解的，因?yàn)楦髯鶋蔚木唧w情況不同，拉應(yīng)力發(fā)生的部位不同，對(duì)壩安全性的影響也各不相同，很難要求采取一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
其次，隨著強(qiáng)震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設(shè)計(jì)地震加速度數(shù)值也呈逐步上升趨勢(shì)。1940年美國(guó)ElCentro記錄到的最大地震加速度為0.32g(M=7.0).1970年以后具有特大加速度的記錄不斷涌現(xiàn)。例如，1973年前蘇聯(lián)Gazli地震時(shí)為1.3g(M=7.2)；1978年伊朗地震時(shí)0.87g(M=7.4)；1979年美國(guó)ImperialValley地震時(shí)為1.7g(M=6.6)；1985年智利地震時(shí)0.75g(M=7.8)；1994年美國(guó)Northridge地震時(shí)為1.82g(M=6.7)；1999年我國(guó)臺(tái)灣集集地震時(shí)1.0g左右(M=7.3).其中，1985年加拿大地震時(shí)記錄到的最大加速度甚至超過(guò)2.0g(M=6.9).雖然，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)建筑物響應(yīng)起作用的應(yīng)該是有效峰值加速度EPA，但是，實(shí)測(cè)地震加速度超過(guò)甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)抗震設(shè)計(jì)中的加速度則是事實(shí)。對(duì)混凝土大壩設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)壩造成震害的幾次強(qiáng)震中實(shí)測(cè)到的大壩場(chǎng)地加速度是值得重視的。其中，印度Koyna重力壩，1967年12月11日發(fā)生M=6.5級(jí)強(qiáng)震，震中位于大壩以南偏東2.4km，實(shí)測(cè)壩基加速度為：壩軸向0.63g，順河向0.49g，豎向0.34g.伊朗SefidRud大頭壩，1990年6月21日發(fā)生M=7.6級(jí)大震，震中距壩址約5m，壩址無(wú)儀器記錄。相距40km處的強(qiáng)震儀記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震動(dòng)衰減規(guī)律估算的壩基加速度為0.714g.美國(guó)Pacoima拱壩，1971年2月9日發(fā)生M=6.6級(jí)SanFernando地震時(shí)，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直分量分別達(dá)到1.25g和0.72g，估算壩基加速度約為0.50g左右；1994年1月17日M=6.8級(jí)Northridge地震時(shí)，實(shí)測(cè)壩基加速度，水平和豎向分量分別達(dá)到0.54g和0.43g，左壩肩峰頂1.58g.這幾次地震都對(duì)大壩造成了比較強(qiáng)烈的震害。其中還包括我國(guó)的新豐江大壩。需要指出，上述大壩都進(jìn)行過(guò)抗震設(shè)計(jì)。我國(guó)的新豐江大頭壩，在1959年水庫(kù)蓄水后不久，由于在庫(kù)區(qū)發(fā)生有感地震，1961年按Ⅷ度地震烈度進(jìn)行過(guò)一期加固，水平向設(shè)計(jì)地震系數(shù)0.05.1962年3月19日發(fā)生M=6.1級(jí)強(qiáng)震時(shí)造成大壩頭部斷裂。印度Koyna重力壩在震前按地震系數(shù)0.05進(jìn)行設(shè)計(jì)，震后頭部轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)了嚴(yán)重的水平裂縫；伊朗SefidRud大頭壩震前按地震系數(shù)0.25進(jìn)行過(guò)抗震設(shè)計(jì)，震后形成了一條幾乎貫穿全壩的頭部水平裂縫。美國(guó)Pacoima拱壩在1971年SanFernando地震時(shí)，左壩頭與重力墩之間的接縫被拉開(kāi)，震后進(jìn)行過(guò)加固，1994年Northridge地震時(shí)又重新被拉開(kāi)。大量地震記錄超過(guò)傳統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)地震加速度，因此，按照什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土大壩的抗震設(shè)防，成為設(shè)計(jì)人員所十分關(guān)注的問(wèn)題。
2、各國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基本框架
一方面，不少大壩壩址記錄到的地震加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)中采用的地震加速度，并且造成大壩的震害；另一方面，按傳統(tǒng)地震加速度設(shè)計(jì)的大壩也表現(xiàn)有一定的抗震能力，有的經(jīng)受了強(qiáng)震的考驗(yàn)，1976年意大利GemonaFreulli發(fā)生的M=6.5級(jí)強(qiáng)震中，在離震中50km范圍內(nèi)有13座拱壩未發(fā)生震害，其中包括Ambiesta拱壩，壩高59m，震中距22km，震中烈度達(dá)Ⅸ度。面對(duì)這一矛盾，各國(guó)對(duì)于大壩抗震設(shè)防采取了不同的處理方法，歸納起來(lái)可以有三種途徑。
2.1采用較低的設(shè)計(jì)地震加速度值的做法
日本和俄羅斯，仍然保留傳統(tǒng)的做法，采用較低的設(shè)計(jì)地震加速度值。日本大壩設(shè)計(jì)基本采用擬靜力法，土木工程學(xué)會(huì)大壩抗震委員會(huì)規(guī)定的設(shè)計(jì)地震系數(shù)[2]，混凝土壩強(qiáng)震區(qū)取為0.12～0.20，弱震區(qū)取為0.10～0.15.考慮彈性振動(dòng)的動(dòng)力放大影響，拱壩壩身地震系數(shù)取為壩基的2倍。俄羅斯1995年頒布的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重新確認(rèn)了前蘇聯(lián)1981年施行的地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范CHи∏Ⅱ-7-81[3，4]。規(guī)范規(guī)定，對(duì)地震烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度的建筑場(chǎng)地，相應(yīng)的最大地震加速度分別為100cm/s2、200cm/s2和400cm/s2.水工建筑物按擬靜力方法進(jìn)行計(jì)算，地震荷載根據(jù)建筑物周期按反應(yīng)譜方法確定，Ⅰ類場(chǎng)地的最大動(dòng)力系數(shù)β=2.2，Ⅱ類、Ⅲ類場(chǎng)地最大動(dòng)力系數(shù)β=2.5，任何情況下β均不小于0.8.按一維簡(jiǎn)圖(懸臂梁)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，振型不少于3個(gè)；按二維簡(jiǎn)圖進(jìn)行計(jì)算時(shí)，混凝土壩的振型不少于10個(gè)。水工建筑物的地震荷載均按場(chǎng)地烈度相應(yīng)的加速度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)引入一容許破壞程度系數(shù)K?1=0.25進(jìn)行折減。對(duì)于Ⅰ級(jí)擋水建筑物，按加速度矢量表征的計(jì)算地震作用，在此基礎(chǔ)上加大20%.此外，還規(guī)定，位于高于Ⅶ度地區(qū)的Ⅰ級(jí)擋水建筑物按場(chǎng)地烈度所相應(yīng)的地震加速度(即不折減)作補(bǔ)充計(jì)算。日本規(guī)定，對(duì)高拱壩和重要大壩，除進(jìn)行基本分析外，還需要進(jìn)行動(dòng)力分析和動(dòng)力模型試驗(yàn)，并選擇適當(dāng)?shù)牡卣鸩〞r(shí)程曲線。俄羅斯規(guī)范要求Ⅰ級(jí)水工建筑物除進(jìn)行地震作用計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)在內(nèi)的研究，比較理想的是在部分已建成的及已投入使用的建筑物上進(jìn)行原型試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)壩的動(dòng)力特性及計(jì)算方法的合理性。
阪神大地震后日本的許多抗震規(guī)范都作了比較大規(guī)模的修改，但是《壩工設(shè)計(jì)規(guī)范》則還沒(méi)有修改的動(dòng)向。因?yàn)樵谮嫔竦卣鹬校瑳](méi)有發(fā)現(xiàn)水壩有明顯的震害，認(rèn)為按現(xiàn)有方式設(shè)計(jì)的大壩地震時(shí)是安全的[5]。據(jù)了解，由于實(shí)測(cè)的地震加速度值與設(shè)計(jì)地震加速度有較大的差別，日本規(guī)范將來(lái)有可能作一定的調(diào)整，但不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的改變。
2.2采用兩級(jí)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
以美國(guó)為代表的一些國(guó)家，采用兩級(jí)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。這也是目前許多國(guó)家壩工抗震設(shè)計(jì)中的一種趨勢(shì)。美國(guó)墾務(wù)局在1970年以前，大壩設(shè)計(jì)地震加速度采用0.1g，1974年以后提出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震DBE與最大可信地震MCE兩級(jí)設(shè)防的概念[6]。美國(guó)大壩委員會(huì)1985年起草并經(jīng)國(guó)際大壩委員會(huì)1989年公布的《大壩地震系數(shù)選擇導(dǎo)則》[7]，明確了使用安全運(yùn)行地震動(dòng)OBE與最大設(shè)計(jì)地震動(dòng)MDE兩級(jí)設(shè)防的地震動(dòng)參數(shù)選擇原則。按照這一準(zhǔn)則，在安全運(yùn)行地震OBE作用時(shí)，大壩應(yīng)能保持運(yùn)行功能，所受震害易于修復(fù)。故一般可進(jìn)行彈性分析，并采用容許應(yīng)力準(zhǔn)則。在最大設(shè)計(jì)地震MDE作用時(shí)，要求大壩至少能保持蓄水能力。這表示可容許大壩出現(xiàn)裂縫，但不影響壩的整體穩(wěn)定，不發(fā)生潰壩。同時(shí)，大壩的泄洪設(shè)備可以正常工作，震后能放空水庫(kù)。OBE一般選為100年內(nèi)超越概率50%(重現(xiàn)期145年)的地震動(dòng)水平，以Housner為首的美國(guó)大壩安全委員會(huì)則建議DBE的重現(xiàn)期為200年，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)上合理性的論證時(shí)，還可適當(dāng)延長(zhǎng)[8]。關(guān)于MDE的概率水準(zhǔn)或重現(xiàn)期，沒(méi)有作明確規(guī)定。值得注意的是MDE的決定一般都和大壩的失事后果相聯(lián)系，只對(duì)特別重要的壩，才令MDE等于MCE[6]。確定MCE，一般有確定性方法(地質(zhì)構(gòu)造法)和概率法等兩種方法，國(guó)際大壩委員會(huì)的導(dǎo)則認(rèn)為，就目前的認(rèn)識(shí)水平而言，不可能明確規(guī)定必須采用哪種方法。建議同時(shí)采用兩種方法，并應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。
采用兩級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)有待解決的問(wèn)題是MDE作用時(shí)，如何檢驗(yàn)大壩的安全性。目前還沒(méi)有取得共同的認(rèn)識(shí)，但是近年來(lái)已受到許多國(guó)家的關(guān)注，并且已有了一定的進(jìn)展。這方面有代表性的是加拿大大壩安全委員會(huì)1995年制定的《大壩安全導(dǎo)則》[9]，將大壩按其失事后果區(qū)分為4類：①非常小無(wú)傷亡，除大壩本身外，無(wú)經(jīng)濟(jì)損失；②小無(wú)預(yù)期傷亡，中等損失；③高若干傷亡，較大損失；④很高大量人員傷亡，很高震害損失。最大設(shè)計(jì)地震MDE的年超越概率AEF按大壩失事后果確定：①失事后果小的壩：1/10010000,SFE>1000億加元。關(guān)于MDE的年超越概率，正在進(jìn)一步制訂便于操作的準(zhǔn)則，但尚未獲得最終結(jié)果。關(guān)于安全評(píng)價(jià)方法，他們也在研究，認(rèn)為計(jì)算應(yīng)力只是一個(gè)中間步驟，希望確定壩的地震失效模式，了解開(kāi)裂后壩的動(dòng)力特性。
歐洲許多國(guó)家大都參照國(guó)際大壩委員會(huì)制定的準(zhǔn)則進(jìn)行考慮。例如，法國(guó)按近1000年內(nèi)發(fā)生的最大區(qū)域地震在最不利位置處發(fā)生時(shí)確定MCE，而DBE則按大壩運(yùn)行期內(nèi)可能發(fā)生一次的地震規(guī)模確定。意大利基本上以國(guó)際大壩委員會(huì)的準(zhǔn)則為基礎(chǔ)。南斯拉夫大壩MDE的重現(xiàn)期選為1000至10000年，按失事后果確定。瑞士重要大壩的安全評(píng)價(jià)按MCE考慮，小壩參照房屋建筑的要求考慮。瑞士電力工程服務(wù)公司為伊朗若干拱壩(壩高100m左右)進(jìn)行的抗震設(shè)計(jì)，MCE的平均重現(xiàn)期定為2000年左右。其地震加速度值約為DBE的兩倍。MCE作用時(shí)容許大壩開(kāi)裂，要求檢驗(yàn)被裂縫分割的壩體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。假設(shè)強(qiáng)震時(shí)拱壩的結(jié)構(gòu)縫、水平施工縫以及壩基接觸面上裂縫均張開(kāi)，按各壩塊為剛體的假設(shè)分析裂后壩的穩(wěn)定性，要求各壩塊的相對(duì)變形和轉(zhuǎn)動(dòng)不使壩喪失穩(wěn)定，不發(fā)生壩塊墜落。按照他們的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)良好的拱壩，壩的剖面基本上由DBE工況確定。此外，我國(guó)臺(tái)灣按失事的危險(xiǎn)性將大壩分為3類，1類MDE=MCE;2類DBE
2.3我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[10]我國(guó)現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)雖然采用了極限狀態(tài)的計(jì)算公式，實(shí)質(zhì)上仍然是以彈性分析為主的容許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，按計(jì)算出的最大拉應(yīng)力來(lái)控制壩的安全性。采用一級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，選擇的設(shè)計(jì)地震加速度，對(duì)基本烈度(50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年)為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區(qū)的場(chǎng)地，分別取為0.1g，0.2g和0.4g.只是對(duì)設(shè)計(jì)烈度小于8度，壩高小于70m的2級(jí)或3級(jí)的混凝土重力壩和拱壩，容許采用擬靜力法分析，引入地震作用效應(yīng)折減系數(shù)ξ=0.25.但對(duì)重要大壩，則需將設(shè)計(jì)地震加速度的水準(zhǔn)提高到100年超越概率2%(重現(xiàn)期4950年).地震作用采用反應(yīng)譜法進(jìn)行彈性分析，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的阻尼比(拱壩3%-5%)，材料強(qiáng)度取值也適當(dāng)提高，混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較靜態(tài)強(qiáng)度提高30%，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度取為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的10%.計(jì)入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，結(jié)構(gòu)系數(shù)和材料分項(xiàng)系數(shù)影響后，混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為材料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的0.132倍。
3、混凝土材料的動(dòng)力特性
對(duì)混凝土大壩進(jìn)行抗震安全評(píng)價(jià)，除了地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)而外，一個(gè)重要的方面是混凝土材料的動(dòng)力特性問(wèn)題。在壩工問(wèn)題研究中這是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。20世紀(jì)50年代后期日本的火田野正進(jìn)行了比較全面的對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度影響的研究[13，14]，注意到了加載速率對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的重要影響，以后有一些作者進(jìn)行了這方面的研究。在大壩設(shè)計(jì)中，目前應(yīng)用比較廣泛的一個(gè)依據(jù)是Raphael所進(jìn)行的試驗(yàn)[15]，他在5座西方混凝土壩中鉆孔取樣進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，在0.05秒的時(shí)間內(nèi)加載到極限強(qiáng)度(相當(dāng)于大壩5Hz的振動(dòng)頻率)，得出動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較靜強(qiáng)度平均提高31%；直接拉伸強(qiáng)度平均提高66%，劈拉強(qiáng)度平均提高45%，試驗(yàn)結(jié)果有一定離散性。據(jù)此，他提出了混凝土大壩在地震作用下抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建議。地震作用下混凝土的抗拉強(qiáng)度(單位psi)為
ft=2.6fc2/3
計(jì)入斷面塑性影響時(shí)的混凝土表面抗拉強(qiáng)度(單位psi)為
f′t=3.4fc2/3
式中：fc為混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。
這一結(jié)果是在一定條件下取得的，即應(yīng)變速率大體相當(dāng)于5Hz的振動(dòng)。但目前已被不分情況地普遍推廣應(yīng)用于大壩的設(shè)計(jì)[16]，我國(guó)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也采用了這一結(jié)果。實(shí)際上，不同的大壩、不同的部位，地震時(shí)的應(yīng)變速率各不相同，例如，對(duì)300m級(jí)的高拱壩來(lái)說(shuō)，其基本振動(dòng)頻率接近于1Hz，地震時(shí)的應(yīng)變速率遠(yuǎn)低于5Hz時(shí)相應(yīng)的應(yīng)變速率。近年來(lái)，關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響已進(jìn)行了大量研究[17，18]。其中歐洲混凝土協(xié)會(huì)(CEB)1990樣板規(guī)范建議的計(jì)算公式形式如下[19]：
ft/fts=(/s)1.016δ<30s-1
δ=1/(10+6f′c/f′co)
式中：ft為應(yīng)變速率時(shí)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；fts為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度；為動(dòng)應(yīng)變速率，3×10-6～300s-1；s為靜應(yīng)變速率，3×10-6s-1；f′c為混凝土抗壓強(qiáng)度；f′co為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，10MPa.
地震荷載作用時(shí)的應(yīng)變速率，一般在(10-3～10-2)范圍內(nèi)變化[17]。應(yīng)當(dāng)指出，不同的研究者得出的結(jié)果離散性很大[18]。而且，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度影響的因素也很多。混凝土在受拉、受彎和受壓時(shí)，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度不同。不同強(qiáng)度的混凝土增長(zhǎng)幅度不同，低標(biāo)號(hào)混凝土增長(zhǎng)幅度較高。此外，混凝土試件的濕度也對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度發(fā)生重要影響，干混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度基本上不隨應(yīng)變速率的增加而變化[20]。還有，尺寸效應(yīng)也是一個(gè)不應(yīng)忽略的因素。
以上的很多研究都是針對(duì)恒定的加載速率而進(jìn)行的，實(shí)際上，地震時(shí)大壩各部分所承受的應(yīng)變速率是變化的[21]。往復(fù)荷載作用時(shí)，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生的瞬時(shí)，其相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變速率=0，這表明混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度應(yīng)和加載歷史有關(guān)。對(duì)于循環(huán)加載，加載幅度與加載循環(huán)數(shù)也將對(duì)動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生影響。“八五”期間我們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)[22]表明，加載強(qiáng)度達(dá)到混凝土強(qiáng)度的75%，預(yù)加載100周后，動(dòng)強(qiáng)度可較不進(jìn)行預(yù)加載時(shí)降低12%～20%.
地震作用下，大壩各部位在不同時(shí)刻處于不同應(yīng)變速率和應(yīng)變歷史條件，大壩各部位的強(qiáng)度和剛度均相應(yīng)發(fā)生不同程度的變化，這些因素都將對(duì)大壩的地震響應(yīng)產(chǎn)生一定影響，值得重視。
4、對(duì)混凝土大壩抗震安全評(píng)價(jià)的幾點(diǎn)看法和建議
從以上各國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的討論中可以看出，各國(guó)的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在有較大的差別，認(rèn)識(shí)很不一致。我們不妨做一簡(jiǎn)單比較。我國(guó)300m級(jí)的小灣拱壩和溪洛度拱壩均位于Ⅷ度強(qiáng)震區(qū)內(nèi)，按100年超越概率2%的水準(zhǔn)，設(shè)計(jì)地震加速度分別為0.308g和0.320g.按日本標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)震區(qū)(相應(yīng)于烈度Ⅷ度和Ⅸ度)設(shè)計(jì)地震加速度為0.12g-0.20g.按俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級(jí)大壩Ⅷ度區(qū)設(shè)計(jì)地震加速度取為0.06g，同時(shí)按0.2g進(jìn)行補(bǔ)充分析。美國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)按兩級(jí)設(shè)防。DBE取重現(xiàn)期200年，則小灣和溪落渡的設(shè)計(jì)地震加速度約相應(yīng)于0.07g和0.12g(依據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果)，此外，要求在MDE地震作用時(shí)保持蓄水能力。上述標(biāo)準(zhǔn)都按彈性分析計(jì)算地震應(yīng)力。由于各國(guó)國(guó)情不同，材料強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn)不同，施工質(zhì)量的可靠程度不同，這種比較并不能完全反映大壩抗震設(shè)計(jì)的安全度，但還是給我們一定的啟示。值得注意的是，各國(guó)大壩的設(shè)計(jì)地震加速度(包括我國(guó)低烈度區(qū)的一些低混凝土壩在內(nèi))雖有差別，但比較接近(除拱壩外，日本大壩壩身的設(shè)計(jì)地震加速度均等于地基加速度，所以地震加速度取得高一些；俄羅斯、美國(guó)等則考慮動(dòng)力影響，將大壩壩身的加速度在地基加速度基礎(chǔ)上進(jìn)行放大).相對(duì)來(lái)說(shuō)，我國(guó)重要大壩的設(shè)計(jì)地震加速度有所偏高，其設(shè)計(jì)加速度(100年超越概率2%)，達(dá)到或接近國(guó)外MDE的水平。而在MDE作用時(shí)，國(guó)外一般容許大壩發(fā)生一定程度的震害，只要保持水庫(kù)的蓄水能力即可。我國(guó)則要求地震時(shí)大壩的最大應(yīng)力不超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，即不容許出現(xiàn)裂縫。我國(guó)重要大壩設(shè)計(jì)地震加速度偏高的一個(gè)原因是沿用了1978年規(guī)范試行本中的一個(gè)規(guī)定，對(duì)于1級(jí)擋水建筑物，設(shè)計(jì)地震烈度可在基本烈度基礎(chǔ)上提高一度。當(dāng)時(shí)參照了前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定。然而，前蘇聯(lián)在1981年施行的新規(guī)范中，對(duì)水工建筑物已經(jīng)取消了這一規(guī)定。這表明如何對(duì)重要大壩進(jìn)行抗震設(shè)防也是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。
需要指出一點(diǎn)，現(xiàn)有關(guān)于混凝土大壩在地震中的表現(xiàn)以及地震震害等的經(jīng)驗(yàn)主要限于百米左右或百米以下的大壩。而目前我們需要建設(shè)的是300m級(jí)的超高拱壩，所以有必要結(jié)合高壩的特點(diǎn)進(jìn)行研究。這一點(diǎn)對(duì)拱壩特別重要。由于拱壩采用了比較高的抗壓安全系數(shù)，強(qiáng)度儲(chǔ)備大，局部出現(xiàn)裂縫后，應(yīng)力調(diào)整有一定余地。但高拱壩的強(qiáng)度儲(chǔ)備相對(duì)較小，壩體開(kāi)裂后應(yīng)力調(diào)整的余地也相應(yīng)減小，需要引起重視。我們?cè)鴩L試對(duì)小灣拱壩(H=292m)和二灘拱壩(H=240m)進(jìn)行過(guò)非線性動(dòng)力分析[9]。計(jì)算中采用非線性彈性模型。這種模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用也比較普遍。國(guó)際上一些著名的商用軟件，如ADINA，NONSAP等都采用這種方法。這種模型在理論上雖不夠完整嚴(yán)密，但它可用顯式的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)反映混凝土的變形規(guī)律，根據(jù)混凝土的壓、拉應(yīng)力大小，加荷、卸載情況，以及受拉后出現(xiàn)裂縫等情況，可以采用均質(zhì)各向同性、正交異性，線性和非線性等不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來(lái)描述，物理概念明確。同時(shí)可以選擇適當(dāng)?shù)亩噍S應(yīng)力條件下的破壞準(zhǔn)則以便更好地反映混凝土的多軸受力和變形特性。計(jì)算中，采用美國(guó)1971年的SanFernando地震時(shí)巖基上的地震波，有較多波型記錄。采用材料的容許抗拉強(qiáng)度為3MPa.計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)小灣拱壩，輸入設(shè)計(jì)地震加速度0.308g，在高水位時(shí)，拱冠梁壩踵部分開(kāi)裂，應(yīng)力重分布后，部分混凝土被壓碎。并擴(kuò)展至右岸壩肩1/2-1/3壩高處相繼發(fā)生開(kāi)裂與局部單元壓碎。在運(yùn)行低水位時(shí)，壩頂拱冠部分偏左也發(fā)生若干單元開(kāi)裂，并導(dǎo)致部分單元壓碎。對(duì)二灘拱壩采用材料容許抗拉強(qiáng)度2.5MPa，輸入地震加速度0.308g時(shí)(超過(guò)原設(shè)計(jì)加速度0.144g)，拱冠梁壩踵部位局部開(kāi)裂，但不發(fā)展。雖然，在計(jì)算模型方面還有待進(jìn)一步完善改進(jìn)，但這一現(xiàn)象表明，同一應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同拱壩，其抗震安全性可有很大差別。這是因?yàn)椋鲏螇胃摺蔚男褪健砂兜匦巍⒌刭|(zhì)情況不同，按彈性動(dòng)力反應(yīng)分析計(jì)算出的最大應(yīng)力，不足以全面反映拱壩的抗震安全性。高拱壩對(duì)應(yīng)力的敏感性更為強(qiáng)烈，值得深入研究。
綜上所述，對(duì)混凝土大壩特別是高壩的抗震安全評(píng)價(jià)是一個(gè)十分復(fù)雜而又需要加強(qiáng)研究的問(wèn)題。我們提出以下看法和建議。
(1)對(duì)高度超過(guò)250m以上的大壩，我國(guó)規(guī)范要求進(jìn)行專門(mén)研究[10]。日本、俄羅斯等規(guī)范對(duì)重要大壩也都要求進(jìn)行專門(mén)研究。也就是說(shuō)，采用單一的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)大壩的抗震安全性是不足的。要強(qiáng)調(diào)指出的是目前所進(jìn)行的專門(mén)研究，關(guān)于無(wú)限地基的動(dòng)力相互作用影響，壩基不均勻地震動(dòng)輸入以及橫縫影響，壩基斷層影響等基本上屬于彈性動(dòng)力響應(yīng)范疇，我們認(rèn)為應(yīng)不僅限于彈性響應(yīng)分析與彈性動(dòng)力模型試驗(yàn)，尚應(yīng)進(jìn)行非線性動(dòng)力分析與動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)。同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行靈敏度分析，研究設(shè)計(jì)地震動(dòng)，混凝土材料動(dòng)力特性等方面的不確定性對(duì)大壩動(dòng)力響應(yīng)的影響，全面衡量大壩的抗震安全性。此外，規(guī)范要求對(duì)250m以上的高壩進(jìn)行專門(mén)研究，我們的看法是研究范圍可適當(dāng)擴(kuò)大，對(duì)高度超過(guò)200m，甚至150m的大壩，如龍灘大壩最好也補(bǔ)充進(jìn)行專門(mén)研究。
(2)根據(jù)動(dòng)力分析結(jié)果表明，像高拱壩這種以雙向受力為主的復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵部位的應(yīng)力很多處于拉-壓工作狀態(tài)，應(yīng)采用雙軸強(qiáng)度準(zhǔn)則檢驗(yàn)壩的安全性。不少國(guó)家在拱壩抗震設(shè)計(jì)中已經(jīng)采用了雙軸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[12]。
(3)對(duì)很多高拱壩來(lái)說(shuō)，起控制作用的工況常常是水庫(kù)為常遇低水位時(shí)遭遇強(qiáng)地震作用的工況。此時(shí)，水面以上壩的上部產(chǎn)生最大的地震拉應(yīng)力，比滿水位時(shí)更為不利。因?yàn)闈M庫(kù)時(shí)靜水壓力作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力可抵消一部分拉應(yīng)力。不過(guò)，低水位時(shí)遭遇地震作用，壩上部發(fā)生震害，其危害作用與滿庫(kù)情況是不相同的，如果壩踵部位具有足夠的抗力，則可建議采用不同的安全系數(shù)。許多國(guó)家檢驗(yàn)大壩安全的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都是和大壩失事的后果相聯(lián)系的。
(4)加強(qiáng)兩級(jí)或多級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)的研究，這對(duì)于重要大壩的抗震設(shè)防更具有現(xiàn)實(shí)意義。為保障重要大壩的安全，提高其設(shè)防的地震加速度標(biāo)準(zhǔn)，不一定是唯一可行而合理的途徑。采用兩級(jí)或多級(jí)抗震設(shè)防，可使大壩的抗震設(shè)計(jì)更為合理，既保障了其安全性，同時(shí)又符合經(jīng)濟(jì)原則。目前，美國(guó)，日本等國(guó)，房屋、橋梁等土木建筑物的抗震設(shè)計(jì)從2000年開(kāi)始將采用性能設(shè)計(jì)的方法，在不同風(fēng)險(xiǎn)度的地震作用下，對(duì)建筑物提出不同的性能要求。拱壩的抗震設(shè)計(jì)也宜逐步向性能設(shè)計(jì)方向努力。這代表著建筑抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨向。也是提高大壩抗震設(shè)計(jì)水平的需要。
(5)加強(qiáng)局部開(kāi)裂后拱壩抗震安全性評(píng)價(jià)方法的研究。特別要加強(qiáng)混凝土材料動(dòng)力特性的研究，建立合理的計(jì)算模型，全面反映加載速率與加載歷史的影響，使大壩抗震安全性的評(píng)價(jià)更接近于實(shí)際。