關(guān)于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

1、1關(guān)于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考關(guān)于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考朱 伯 芳2第一部分：水工抗震設(shè)計(jì)安全系數(shù)的選取第一部分：水工抗震設(shè)計(jì)安全系數(shù)的選取第二部分：混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮的機(jī)理第二部分：混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮的機(jī)理第三部分：抗震設(shè)計(jì)中混凝土動(dòng)態(tài)彈模的合理第三部分：抗震設(shè)計(jì)中混凝土動(dòng)態(tài)彈模的合理取值及其影響取值及其影響3第一部分：水工抗震設(shè)計(jì)安全系數(shù)的選取第一部分：水工抗震設(shè)計(jì)安全系數(shù)的選取1.可靠度理論2.單項(xiàng)安全系數(shù)法與多項(xiàng)安全系數(shù)法 3.土石壩和水閘采用多項(xiàng)系數(shù)法的困難 4.單項(xiàng)安全系數(shù)法便于對比、分析5.折減系數(shù)=0.25的啟示41.可靠度理論可靠度理論由于樣本太少，問題

2、復(fù)雜，可靠理論應(yīng)用于壩工設(shè)計(jì)，意義不大5 壩體應(yīng)力 ： 強(qiáng)度 ： 狀態(tài)函數(shù)： 平均值： 均方差 ： 失效： fzfmmmzf22zf0zf 6 失效概率為 ()為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)；為可靠度指標(biāo) 22mmmfzzf（） 0() 1( )p zp f （）（）7 、 分別為f 和 的變異系數(shù) 為強(qiáng)度f 的分項(xiàng)系數(shù) 為應(yīng)力 的分項(xiàng)系數(shù)式（2）可改寫如下 vfvof0移項(xiàng)整理后，得到表達(dá)式式（3）與式（1）是等價(jià)的式（3）是用可靠度理論的基本方程8 設(shè)計(jì)的精度取決于應(yīng)力和強(qiáng)度f 的精度 :第一，是否有足夠的樣本來決定應(yīng)力和強(qiáng)度的概率分布、平均值和變異系數(shù)；第二，應(yīng)力計(jì)算方法是否有足夠的精度，使計(jì)算的

3、應(yīng)力比較符合實(shí)際。9cufcf混凝土抗壓強(qiáng)度 實(shí)際抗壓強(qiáng)度 90d齡期抗壓強(qiáng)度 試件形狀、試件尺寸及濕篩影響系數(shù) 為齡期系數(shù)最大應(yīng)力的齡期 與90d齡期強(qiáng)度的比值加荷速率影響系數(shù)只有 試驗(yàn)資料較多其他3個(gè)參數(shù)，資料都很少，不具備統(tǒng)計(jì)意義1b2/(90)cucubff3bfcu10 （1）拱壩應(yīng)力 -自重應(yīng)力 -壩體表面的水荷載應(yīng)力 -運(yùn)行期壩體平均溫度和等效線性溫差應(yīng)力 -地震應(yīng)力 -施工期溫度殘留應(yīng)力 -非線性溫差應(yīng)力 -運(yùn)行期溫度場邊界條件的變化（上游水位變化）引起的應(yīng)力 -庫區(qū)水荷載通過基礎(chǔ)變形引起的應(yīng)力（2）設(shè)計(jì)中，只考慮了式（6）前4項(xiàng)，忽略了后面4項(xiàng)（3）前4項(xiàng)中計(jì)算應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力

4、有相當(dāng)?shù)牟顒e，可靠度理論并不能解決，只有改進(jìn)計(jì)算方法才能解決1234567811抗滑穩(wěn)定t滑動(dòng)力，n軸向壓力，a面積。基巖構(gòu)造面的試驗(yàn)資料太少，難以用來決定其統(tǒng)計(jì)分布和統(tǒng)計(jì)參數(shù)遇到復(fù)雜問題時(shí)，“拍腦袋”把抗剪參數(shù)定下來tfn ca（）12 混凝土壩：（1）抗滑樣本太少（2）實(shí)際應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力有差別，非可靠度理論所能解決。 結(jié)論：可靠度理論應(yīng)用于混凝土壩設(shè)計(jì)，實(shí)際意義不大。 筆者并不反對利用概率論對某些問題進(jìn)行分析，但要認(rèn)識(shí)到混凝土壩設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性及概率論的局限性。 橋梁可用，房屋有爭論。132.2.單項(xiàng)安全系數(shù)法與多項(xiàng)安全系數(shù)法單項(xiàng)安全系數(shù)法與多項(xiàng)安全系數(shù)法形式不同而本質(zhì)相近形式不同而本質(zhì)相

5、近 水工結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)本質(zhì)上是經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 兩種方法最終結(jié)果必然相近 14混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（dl/5346-2006）為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)， =1.1、1.0、0.9；為設(shè)計(jì)狀態(tài)系數(shù)，=1.0、0.95、0.85為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.2； 為摩擦系數(shù) 的分項(xiàng)系數(shù)，取2.4； 為粘聚力c的分項(xiàng)系數(shù)，取3.0。 1110111f nc atm cdm f （）001d1m f1m c15電力行業(yè)混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范1101111dm fm ct fn ca+（）水利行業(yè) 混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范1()11tf nc ak （）今改用下式111()ntfs cak （）與式（7）比較，可知01111,/0.8dm f

6、m fm cks （0）16 表表3 3 水利拱壩規(guī)范水利拱壩規(guī)范 粘聚力打粘聚力打8 8折安全系數(shù)折安全系數(shù)k k 表表2 2 水利拱壩規(guī)范水利拱壩規(guī)范 抗剪斷安全系數(shù)抗剪斷安全系數(shù)k k 表表1 1 電力拱壩規(guī)范電力拱壩規(guī)范 換算的抗剪斷安全系數(shù)換算的抗剪斷安全系數(shù)k k 計(jì)算公式 荷載組合基本組合特殊組合（非地震）剪摩式（7）（粘聚力1.0）大壩級(jí)別 3.503.253.00 3.002.752.50 計(jì)算公式 設(shè)計(jì)狀態(tài) 持久狀態(tài)短暫狀態(tài)偶然狀態(tài) 剪摩式（6）安全級(jí)別 3.172.882.59 3.012.742.46 2.692.452.20 計(jì)算公式 荷載組合基本組合特殊組合（非地震

7、）剪摩式（8）（粘聚力0.9）大壩級(jí)別 3.152.922.70 2.702.472.2517 拱壩水規(guī)與拱壩電規(guī)抗剪計(jì)算公式雖然差別很大，但實(shí)際蘊(yùn)含的安全系數(shù)基本相同。 換句話說，兩本規(guī)范安全評估方法在形式上差別很大，但實(shí)質(zhì)相近。 惟一差別是，單一安全系數(shù)法不能同時(shí)考慮f和c的不同特性，而多項(xiàng)系數(shù)法由于采用不同的材料分項(xiàng)系數(shù)可以考慮f和c的差別，現(xiàn)在采用筆者方法，在抗剪斷公式中引入粘聚力折減系數(shù)s，單一安全系數(shù)法同樣可以考慮f和c的差別。因此，單一安全系數(shù)的功能與多項(xiàng)安全系數(shù)的功能相同，單項(xiàng)安全系數(shù)法形式簡單。 183. . 土石壩和水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用多項(xiàng)土石壩和水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采

8、用多項(xiàng)系數(shù)法的困難系數(shù)法的困難表4 土石壩和水閘遭遇地震時(shí)最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 設(shè)計(jì)規(guī)范 工程等級(jí) 土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范3水閘設(shè)計(jì)規(guī)范4水工建筑物抗震老規(guī)范51.101.101.101.051.051.051.051.051.0519,/0.801111ksm cdm fm f （10） 級(jí)建筑物k=1.10到、級(jí)建筑物k=1.05，其變幅只有5 . 對于級(jí)建筑物, =1.10 ,為了 =1.10,只有取 =1.0,在此，統(tǒng)計(jì)理論已毫無用武之地 . 對于級(jí)建筑物, =0.90, =1.0，k= =0.9，安全系數(shù)1.0，是不妥 。 電力行業(yè)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范dl/t5395-2007在壩體抗滑穩(wěn)定

9、計(jì)算中不采用多項(xiàng)安全系數(shù)法而采用單一安全系數(shù)法是明智的16.00dmf dmfdmc 0dmf 0dmd 204. 4. 單一安全系數(shù)法便于不同工程、不同方案單一安全系數(shù)法便于不同工程、不同方案的分析比較的分析比較 兩種評估方法，表現(xiàn)形式不同，而實(shí)質(zhì)相近，但表現(xiàn)形式也是重要的，因?yàn)樗绊懙綄Σ煌こ?、不同方案的分析與比較。 表5 某特高拱壩抗滑穩(wěn)定分析成果（偶然組合） 高程（m） 作用效應(yīng)與抗力（要求前者后者） 抗剪斷安全系數(shù)k（要求k2.70） 935755 3334 / 6443 8769 / 7902 5.202.42 01()dmfmcfncat /215 5折減系數(shù)折減系數(shù)=0.25

10、=0.25的啟示的啟示(1)質(zhì)點(diǎn)的水平向地震慣性力 -水平向設(shè)計(jì)地震加速度， -折減系數(shù)， -i點(diǎn)重量， -點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)，g-重力加速度.(2) 度地震 ,1960年前， =0.1g, =1.01960年后，工業(yè)民用建筑物抗震設(shè)計(jì)中取 =0.40g 水工建筑物，=0.40g，=0.25/ihiifa gg（12）haigihahaha22（1）按 設(shè)防的水壩，、度地震無嚴(yán)重?fù)p害。（2）度地震時(shí) ，與工業(yè)民用建筑一致。（3）計(jì)算地震荷載時(shí)乘以 ，回到了 （4）系數(shù) 從1.0變到0.25，一步相差4倍，表明水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的精度不是很高。（5）多項(xiàng)系數(shù)法把公式搞得很復(fù)雜，并無實(shí)質(zhì)意義0.1h

11、ag0.4hag0.250.1g236.小結(jié)小結(jié)（1）由于樣本太少，問題復(fù)雜， 可靠度理論應(yīng)用于壩工設(shè)計(jì)，意義不大。（2）單項(xiàng)安全系數(shù)法和多項(xiàng)系數(shù)法 ，形式不同，本質(zhì)相近。（3）單項(xiàng)安全系數(shù)法形式簡單，便于分析比較。（4）土石壩和水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.101.05,多項(xiàng)系數(shù)法無法應(yīng)用。24第二部分第二部分混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮的機(jī)理混凝土壩耐強(qiáng)烈地震而不垮的機(jī)理25汶川大地震傷亡、失蹤 87000人房屋、橋梁 大量破壞水壩 2380座 無一垮壩為什么？26石岡重力壩 圖4 石岡重力壩（單位：m） 27圖5石岡重力壩破壞情況 28圖6霧社重力壩(單位：m) h=114m29圖7谷關(guān)拱壩(

12、單位：m) h=85.1m30圖8德基拱壩(單位：m) h=181m31壩名國家建成時(shí)間(年)壩型壩高(m)地震日期震中距(km)震級(jí)烈度地面加速度震害新豐江中1959大頭壩1051962.3.191.16.18壩體上部斷面突變處產(chǎn)生水平裂縫西菲羅伊朗1967大頭壩1061990.6327.3-7.7斷面突變處水平裂縫，縫寬1cm，向下游錯(cuò)動(dòng)2cm柯印納印1963重力壩1031967.12.103.06.3壩內(nèi)廊道水平0.51g,豎向0.36g壩體斷面突變處水平裂縫寶珠寺中重力壩1322008.5.128.07無損害霧社中1959重力壩1141999.9.217.3壩頂1.02g壩底0.28g

13、無重大損害表1 國內(nèi)外已建混凝土壩震害簡表32壩名國家建成時(shí)間(年)壩型壩高(m)地震日期震中距(km)震級(jí)烈度地面加速度震害石岡中1977重力壩21.41999.9.217.3水平0.57g豎向0.48g活斷層穿過壩軸線處，三個(gè)壩段被毀，斷層兩邊壩體錯(cuò)動(dòng)7.6m，其余壩段完好沙牌中2005拱壩1322008.5.12308.09損害輕微谷關(guān)中1961拱壩85.11999.9.21517.3水平0.4g壩體老裂縫擴(kuò)展，也產(chǎn)生了一些新裂縫德基中1974拱壩1811999.9.217.3水平0.40.5g壩基滲水增加，滲出清水水平1.25g豎直0.7g損害較大，推力墩與壩體間接縫張開，推力墩本身裂

14、開并略有移動(dòng)，左壩肩巖體大面積坍塌表1 國內(nèi)外已建混凝土壩震害簡表33壩名國家建成時(shí)間(年)壩型壩高(m)地震日期震中距(km)震級(jí)烈度地面加速度震害大吐君蓋美1932拱壩771971.2.9326.6滲漏增大勃拉希溪美1970拱壩6519736.6滲漏增大吉勃拉塔美1920拱壩501925.6.256.37滲漏增大拉比美1938拱壩761947.11.137無損傷巴洛沙澳1902拱壩361954.3.15.5壩體有裂縫拉貝爾智利1968拱壩1121985.3.3807.78順河0.31橫河0.114g壩頂裂縫卡勃里爾葡1954拱壩1361969.2.2886無損傷奧迪克塞拉葡1958拱壩41

15、1969.2.2887滲漏增大帕特多夫納羅1971拱壩1081977.3.46無損傷維德阿吉斯7.5無損傷表1 國內(nèi)外已建混凝土壩震害簡表34qwqw（a）水壩（b）房屋、煙囪圖3 結(jié)構(gòu)荷載 q1平時(shí)，q2地震35房屋、橋梁： 安全系數(shù) 1.82.0混凝土壩： 安全系數(shù) 3.04.0360150m30120m1：0.80圖4 算例，混凝土重力壩 3738圖5 算例2混凝土拱壩（高程單位：m） 394041平時(shí)巨大水平推力安全系數(shù)大靜荷載安全余度包住了動(dòng)荷載混凝土壩耐強(qiáng)震原因混凝土壩耐強(qiáng)震原因42遠(yuǎn)離活斷層是首要抗震措施遠(yuǎn)離活斷層是首要抗震措施活斷層可能分叉躲開并不容易應(yīng)該重視43第三部分第三部

16、分混凝土壩抗震設(shè)計(jì)中混凝土混凝土壩抗震設(shè)計(jì)中混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量的合理取值動(dòng)態(tài)彈性模量的合理取值44小灣拱壩小灣拱壩靜態(tài)瞬時(shí)彈模 es=35gpa靜態(tài)長期彈模 ee=21gpa動(dòng)態(tài)彈模 ed=27gpa=1.3ee ed es45靜荷載作用下的瞬時(shí)彈性模量和持續(xù)彈性模量 在加載的瞬時(shí)，產(chǎn)生的彈性應(yīng)變?yōu)椋?（1）e()為瞬時(shí)彈性模量 隨著時(shí)間而增加的應(yīng)變稱為徐變 （2）c(t,)稱為徐變度 總應(yīng)變是彈性應(yīng)變 與徐變 之和 （3） （4）j(t,)稱為徐變?nèi)崃?)()()(ee),()(),(tctc)(e),(tc),()(),()()()(),()(),(tjtcettce),()(1),(tc

17、etj),(tc)(/ett46圖1 不同齡期加載時(shí)混凝土的徐變?nèi)崃?47徐變?nèi)崃康牡箶?shù)稱為持續(xù)彈性模量（sustained elastic modulus） （7）持續(xù)彈性模量與瞬時(shí)彈性模量的比值為 （8）),()(1)(),(1),(),(1),(tceettetjtee),()(11),(11)(),(),(tcetetetree48持續(xù)彈性模量與瞬時(shí)彈性模量的比值荷載 加荷齡期 持荷時(shí)間t- 自重 =03年 t- =水壓 =15年 死水位以下， t- = 死水位以上，0若干年穩(wěn)定溫差 =0.53年 t- =水壓 =0 t-=1/2年),()(11)(),(),(tceetetree49

18、 美國墾務(wù)局建議通過試驗(yàn)求瞬時(shí)彈性模量和持續(xù)彈性模量。在缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，建議取瞬時(shí)彈性模量es=34.5mpa，持續(xù)彈性模量ee=20.7mpa，re=20.7/34.5=0.60。 50混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量圖2 應(yīng)變速率對混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響 51圖3 ed/es與fd/fs的關(guān)系 52施工期溫度應(yīng)力及全過程仿真計(jì)算 （9）運(yùn)行期靜態(tài)變位和應(yīng)力計(jì)算 持續(xù)彈性模量ee （10） （常態(tài)混凝土） （碾壓混凝土） 混凝土壩抗地震計(jì)算 動(dòng)態(tài)彈性模量 （11）動(dòng)態(tài)彈模比rd=1.15 nees)(seeere 60. 0er75. 007 . 0ersddere 53混凝土壩抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算中彈性模量取值問題及其影響 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范dl5073-1997第4.6.1條規(guī)定“混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值可較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30%” 瞬時(shí)彈性模量es 持續(xù)彈性模量ee 實(shí)際上廣泛采用持續(xù)彈性模量的1.30倍 ed=1.3ee=1.30.60es=0.78 es （13） ed=1.15es （11） ed偏小47.4%474. 160. 030. 115. 1ssddeeee54動(dòng)態(tài)彈性模量偏小47.4%，對抗震設(shè)計(jì)的影響 （1）動(dòng)態(tài)變位偏大47.4%（2）壩的自振周期偏大約21.4% t （15）（