混凝土大壩的抗震安全評(píng)價(jià)

1、混凝土大壩的抗震安全評(píng)價(jià)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?，F(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?；炷恋膭?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

2、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

3、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，都還沒有得到很好解決。以下，我 們對(duì)一些問題的發(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)過程，所以， 目前正在研究應(yīng)用不連續(xù)變形方法來分析大壩沿薄弱面失穩(wěn)的發(fā)展過 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

4、壞過程 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。但就目前情況來說，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 題則通過壩線選擇和加固措施來解決。所以，大壩剖面的選擇將主要 通過應(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。各國都根據(jù)彈性動(dòng)力分析計(jì)算出 的地震應(yīng)力來進(jìn)行大壩的抗震設(shè)計(jì)。本文將主要討論這方面的問題。 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

5、，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)算比較簡便，又基本上可 以反映大壩的受力特性，所以在比較長的大壩建設(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裂計(jì)算， 形成 內(nèi)部新的受壓拱，進(jìn)

6、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 來的矛盾越來越多。首先，是拉應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)問題逐漸被突破。由于壩高增加，同時(shí)在 復(fù)雜條件下建設(shè)的大壩數(shù)量越來越多，初期不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn) 無法滿足設(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， 存在著逐步提高的趨勢。 以美國為例 1， 1924年設(shè)計(jì)Pacoi

7、ma拱壩時(shí)，加州工程師取容許拉應(yīng)力0.7MPa(100psi); 1967 年美國土木工程學(xué)會(huì)與美國大壩委員會(huì)總結(jié)的拱壩拉應(yīng)力容許值 為0.841.26MPa(120- 180psi); 1974年美國墾務(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

8、及應(yīng)力重分布的結(jié)果。關(guān)于拉應(yīng)力 的容許值，各國、各個(gè)單位、各座壩取值不同。至今還沒有公認(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。1940年美國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 ImperialVall

9、ey 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 Northridge 地震時(shí)為 1.82g(M=6.7); 1999 年 我國臺(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 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)測地震加速度超過甚 至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震設(shè)計(jì)中的加速度則是事實(shí)。對(duì)混凝土大壩設(shè)計(jì)來說， 對(duì)壩造成震害的幾次強(qiáng)震中實(shí)測到的大壩場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

10、 中位于大壩以南偏東2.4km,實(shí)測壩基加速度為：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 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

11、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。其中還包括我國的新豐江大壩。需要指出，上述大壩都進(jìn)行過抗 震設(shè)計(jì)。我國的新豐江大頭壩，在 1959年水庫蓄水后不久，由于在庫 區(qū)發(fā)生有感地震，1961年按忸度地震烈度進(jìn)行過一期加固，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)行過抗震設(shè)計(jì)， 震后形成了一條幾乎貫穿全

12、壩的頭部水平裂縫。 美國Pacoima拱壩在1971年San Fer nan do地震時(shí)，左壩頭與重力墩之 間的接縫被拉開，震后進(jìn)行過加固， 1994 年 Northridge 地震時(shí)又重新 被拉開。大量地震記錄超過傳統(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 題。2、各國現(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

13、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)區(qū)度。面對(duì)這一矛盾，各國對(duì)于大壩抗震設(shè)防采取 了不同的處理方法,歸納起來可以有三種途徑。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0.120.20，弱震區(qū)取為0.100.15.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)

14、計(jì)規(guī)范 CFUnn -7-813, 4。規(guī)范規(guī)定，對(duì)地震烈度 為、忸、區(qū)度的建筑場地，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，1類場地的最大動(dòng)力系數(shù)B =2.2 II類、皿類場地最大動(dòng)力系數(shù) B =2.5任何情況下B均不小于0.8.按一維 簡圖（懸臂梁）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，振型不少于 3個(gè)；按二維簡圖進(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

15、計(jì)算地震作用，在此 基礎(chǔ)上加大20%此外，還規(guī)定，位于高于度地區(qū)的I級(jí)擋水建筑物 按場地烈度所相應(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)范則還沒有修改的動(dòng)向。因?yàn)樵谮嫔竦卣鹬?，沒有發(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

16、地震時(shí)是安全的 5 。據(jù) 了解，由于實(shí)測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)以美國為代表的一些國家，采用兩級(jí)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。這也是目前許多 國家壩工抗震設(shè)計(jì)中的一種趨勢。美國墾務(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。美國大壩委員會(huì) 1985 年起草并經(jīng)國 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

17、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。OBE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為首的美國大壩安全委員會(huì)則建議 DBE的重現(xiàn)期為200年，經(jīng) 過經(jīng)濟(jì)上合理性的論證時(shí)，還可適當(dāng)延長8。關(guān)于MDE的概率水準(zhǔn)或 重現(xiàn)期，沒有作明確規(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，

18、只對(duì)特別重要的壩，才令MDE等于MCE6。確定MCE, 般有確定性方法（地質(zhì)構(gòu)造法）和概率法等兩種方法，國際大壩 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。米用兩級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)有待解決的問題是 MDE作用時(shí)，如何檢驗(yàn)大壩的安 全性。目前還沒有取得共同的認(rèn)識(shí),但是近年來已受到許多國家的關(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： 非常小無傷亡,除大壩本身外,無經(jīng)濟(jì)損失； 小無預(yù)期傷 亡,中等損失； 高若干傷亡,較大損失； 很高大

19、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：失事后果小的壩：1/10010000,SFE>100O乙加元。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,了解開裂后壩的動(dòng)力特性。歐洲許多國家大都參照國際大壩委員會(huì)制定的準(zhǔn)則進(jìn)行考慮。例如, 法國按近 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 利基本上以國際大壩委員會(huì)的準(zhǔn)則為基礎(chǔ)。南斯拉夫大壩M

20、DE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,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，我國臺(tái)灣按失事的危險(xiǎn)性將大

21、壩分為 3 類，1 類 MDE二MCE;2類 DBE<MDE<MCE3 類 OBE<MDE<DBE. 其中DBE的重現(xiàn)期為100年，OBE的重現(xiàn)期為25年。2.3 我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 10我國現(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、忸、區(qū)度區(qū)的場地，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

22、采用擬靜力法分析，引入地震作用效應(yīng)折減系數(shù)E =0.2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)力特性問題。在壩工問題研究

23、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

24、建議。地震作用下混凝土的抗拉強(qiáng)度彈位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)的高拱壩來說， 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，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

25、洲混凝土協(xié)會(huì) （CEB） 1 990樣板規(guī)范建議的計(jì)算公式 形式如下 19：ft/fts=(/s)1.016-(I <30sS =1心0+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，3X 10-& 300s-1; s為靜應(yīng)變速率，3X 10-6s-1 f '為混凝土抗 壓強(qiáng)度；f（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 （10-310-2）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、

26、受彎和受壓時(shí)，其動(dòng)態(tài)強(qiáng) 度的增長幅度不同。不同強(qiáng)度的混凝土增長幅度不同，低標(biāo)號(hào)混凝土 增長幅度較高。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%

27、，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大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的討論中可以看出，各國的安全評(píng)價(jià)標(biāo) 準(zhǔn)存在有較大的差別，認(rèn)識(shí)很不一致。我們不妨做一簡單比較。我國 300m級(jí)的小灣拱壩和溪洛度拱壩均位于忸度強(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)于烈度忸度和區(qū)度）設(shè)計(jì)地震加速度為

28、0.12g-0.20g按俄羅 斯標(biāo)準(zhǔn)，I級(jí)大壩忸度區(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。由于各國國情不同，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，各國大壩的 設(shè)計(jì)地震加速度 （包括我國低烈度區(qū)的一些低混凝土壩在內(nèi) ）雖有差別， 但比較接近 （除拱

29、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)來說， 我國重 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)到或接近國外 MDE 的水平。而在 MDE 作用時(shí)，國外一般容許大壩 發(fā)生一定程度的震害，只要保持水庫的蓄水能力即可。我國則要求地 震時(shí)大壩的最大應(yīng)力不超過材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度， 即不容許出現(xiàn)裂縫。 我國重要大壩設(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

30、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 們曾嘗試對(duì)小灣拱壩（H

31、=292m）和二灘拱壩（H=240m）進(jìn)行過非線性動(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)比較簡單，應(yīng)用 也比較普遍。國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 1971 年的 San Fer nan

32、 do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)（超過原設(shè)計(jì)加速度0.144g）,拱冠梁壩踵部位局部 開裂，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)?，各壩壩高、壩的型式、兩岸地形、地質(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)