大坝抗震安全性研究进展

2005年12月世 界 地 震 工 程W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NG V o.l 21,N o .4D ec .,2005收稿日期:2005-03-12; 修订日期:2005-07-19

基金项目:国家自然科学基金项目(No .50379005)

作者简介:陈在铁(1967-),男,江苏盐城人,副教授,博士生,主要从事水工结构稳定性研究.

文章编号:1007-6069(2005)04-0066-05

大坝抗震安全性研究进展

陈在铁1,2 任青文1

(1.河海大学土木工程学院,江苏南京210098; 2.沙洲工学院,江苏张家港215600)

摘要:论证了大坝抗震安全性研究的实践与发展现状。目前大坝在地震作用下的应力与变形分析方

法主要有拟静力法和动力响应分析法,并依据大坝混凝土的抗拉强度判断大坝的安全性;各国规范体

现的抗震设防理念和大坝材料的容许应力差别很大。坝址河谷不同高程处地震动状态不尽相同、河

谷两恻同一高程处地震动也不一样。混凝土材料的强度与加载速度、应变速率有关;地震时大坝不同

部位的应变速率不相同、同一部位的应变速率也随时间变化;混凝土的动态强度既与应变速率有关,

也与应变历史等其它因素有关。大坝河谷地震动的输入机理和模型研究、混凝土的动态强度的变化

规律探索、大坝抗震安全性评价准则的完善与创新等将有待深入。通过以上内容针对性分析,提出了

大坝抗震评价的一些合理建议、方法以及进一步的研究方向。

关键词:大坝;抗震评价准则;混凝土动态强度;动力分析;地震动输入模型

中图分类号:TU 352 文献标识码:A

Progress on seis m ic safety research of large da m s

CHEN Za-i ti e 1,2,REN Q i n g -w en 1

(1.Co ll ege of C i v ilEng i neeri ng ,H ohaiUn ivers i ty ,N an ji ng 210098,Ch i na ;2.Shaz hou I n stitute of Technology ,Zhang ji agang 215600,Ch i na)

Abst ract :Practice and ex isting states of se is m ic sa fety researc h o f lar ge da m s are de m onstrated in th is paper .A t presen,t ana l y sis m eans on the stress and defor m ati o n of t h e large da m s under the action o f earthquake m a i n l y i n -vo lve the quas-i static ana l y sis and dyna m ic response analysism e t h ods ,and the j u dg m ent on the safety o f the lar ge da m s ism ade i n accordance w ith the tensile streng th ofm ass concrete .There is a great d ifference i n ter m s of ant-i seis m i c i d ea and the stress a ll o w ance of large da m m aterial be i n g stated in t h e specificati o ns of different coun tries .There is also different i n tensity of earthquakes at different altitudes of river valleys on the da m site as w ell as at the sa m e a ltitudes on e ither si d e o f t h e river va ll e y .The strength of the concrete m ateria l is re lated to the ra te o f loading and the stra i n rate .Duri n g the earthquakes ,the stra i n rate varies at different positi o ns o f t h e da m and the stra i n rate at the sa m e positi o n a lso varies w ith ti m e .The dyna m ic streng t h o f the concrete is related to the stra i n rate as w e ll as to o ther factors such as stra i n histo r y .The research i n to the se is m ic inputm echanis m and the m odel of lar ge da m river valleys ,t h e varied ru le of t h e dyna m ic strength o f the m ass concrete ,and the i m prove m ent and innova -ti o n i n the lar ge da m seis m ic safety evaluation are expected to be deepened .Based on t h e analysis of the corre -spond i n g issues m en ti o ned above ,reasonable proposals ,m ethods and further research d irecti o ns for t h e large da m seis m i c evaluati o n have been pu t forth in th is paper .

K ey w ords :large da m;seis m ic safety evaluati o n ;dyna m i c strength of m ass concrete ;dyna m ic analysis ;seis m ic i n putm odel

1 引言

我国是一个多地震国家,其中西南、西北地区为高烈度地震多发区,而这些地区又是水利开发的重点区域。随着国民经济的发展和西部大开发的深入,西部地区在建和将建一批300m 左右的世界最高级别大坝。大坝一般都有巨型水库,一旦由于地震出现溃坝,后果特别严重,不仅国民经济受到重大损失,而且危及广大人民的生命财产安全。因此,大坝的抗震安全性评价具有十分重要的经济和政治意义。大坝抗震安全性分析包括大坝在地震作用下应力与变形的分析方法、大坝地震动的加速度输入、大坝材料强度的动力特性、地震设防标准等几个主要方面。一些学者对以上几方面进行了较为深入的研究并取得了一定的进展,但仍有一些问题有待解决,笔者对目前的最新进展进行了综述,提出了一些合理的方法以及进一步的研究方向。2 大坝在地震作用下的应力与变形分析方法

大坝坝身与坝基、坝肩是一个有机的整体,因此,必须将坝肩、坝基的失稳、变形和坝身的变形、应力重分布与破坏过程相结合进行综合考虑,必须计算大坝在地震作用下坝身的应力与变形、并对大坝整体进行稳定

分析。但目前大坝的抗震设计基本上是分别地校核坝肩、坝基的稳定性和坝身的强度[1]。

大坝特别是拱坝坝肩的抗震稳定分析传统采用属于拟静力法的刚体极限平衡法[2]。它的首要步骤是由工程地质人员在对坝址进行大量工程地质勘探工作的基础上,找出位于拱坝两岸坝肩的潜在滑动块体。潜在滑动块体通常由底滑面、侧滑面、上游拉裂面和下游临空面切割而成,它承受拱坝拱座传递的推力、岩体内部边界面的渗压、块体本身的自重和地震惯性力,以及由侧滑面和底滑面的岩体抗剪强度产生的抗滑力和反力。其滑动方向和滑移模式由潜在滑动块体所受合力以及侧滑面和底滑面的抗剪强度而定。刚体极限平衡法将地震动荷载作为拟静力荷载处理。事实上,地震动荷载作用在坝址河谷两岸有放大效应[3]。而且地震时,拱座推力和坝肩岩块地震惯性力的幅值和方向都随时间变化,从而使作用在坝肩岩块上的合力大小和方向以及由其决定的滑动模式和方向也都随时间变化

[4]。张伯艳等综合应用有限元和刚体极限平衡法模拟拱端推力和块体地震惯性力随时间变化的过程,分析了小湾拱坝的坝肩抗震稳定问题,但仍未考虑两岸坝肩潜在滑动岩块与坝的相互作用[5]。拱坝遭受强震的事例表明[6],拱坝上部、特别是两岸坝肩部位易发生

局部损坏,拱坝上部坝肩是其抗震薄弱部位;即使坝肩岩体尚未整体失稳,其局部开裂滑移产生的变形也可导致坝体开裂。坝肩稳定和坝身应力由地震产生坝肩变形而耦合,震害最终体现在坝身薄弱部位强度不足而开裂。因此,研究坝肩的抗震稳定性必须紧紧围绕坝肩局部破坏对坝身抗震安全性的影响,将坝肩与坝身看成一个互相作用、互相耦合的整体来分析。

大坝抗震强度分析的传统做法主要是在计算坝身的应力和变形的基础上校核坝身危险点的应力,特别是拉应力的安全系数。它等于坝身材料的容许应力与考虑了地震惯性力时大坝实际运行的最大应力之比。20世纪70年代前后大多利用结构力学、材料力学方法计算坝体的内力、应力。例如,对于混凝土重力坝,采用材料力学梁的偏心受压公式计算坝体应力;拱坝则采用结构力学的拱梁分载法分析坝体应力。然而这种方法无法精确模拟复杂的坝体形状和地质结构,导致计算精度不足,甚至为力;不能研究坝体和地基材料进入屈服破坏以后应力重分配过程以及结构的破坏分析,也没有考虑或者只是极其简单地考虑坝和地基的相互作用[7]。近年来,基于弹性力学理论,能够满足平衡方程、变形协调方程和考虑应力应变关系的物理

方程以及应力和位移边界条件的数值分析方法得到极大的发展,它们包括以有限单元法[8~13]、边界元

法[14,15]等为代表的连续变形数值分析方法和以刚体弹簧元[16]、块体单元法[17,18]、界面元法[19]、DDA [20]等为代表的非连续变形分析方法,这些方法大多能进行地震动力响应分析,已成为大坝地震动应力与变形分析的有力工具。

3 大坝设计地震动输入的确定

目前有关混凝土大坝在地震作用下的动力分析已经取得了一定的进展,大坝的弹性振动响应分析已达到较高的计算精度,已可以对复杂大坝进行三维坝、水和地基系统的地震响应分析,可以考虑大坝与无限地674期陈在铁等:大坝抗震安全性研究进展

基的动力相互影响等,但对地震动的输入问题还缺乏足够的认识和知识积累[21]。

当地震发生时,地震波在地表层传播过程中是通过建筑物基础面而引发建筑物振动的。传统假定地震输入沿建筑物基础面是相同的,即所谓一致地震动输入方式的假定。此假定对于基础面尺寸小于地震波主要波长的房屋、电视塔、海洋平台等是合理的;但对于大坝这类大体积建筑物,此假定的合理性越来越受到质疑。翡翠拱坝坝址的地震实测记录不仅证实了河谷不同高程的地震动幅值有很大的差异,而且揭示出两岸同一高程处的地震动加速度也存在很大差异。不少学者提出在计算中应考虑河谷地震动的不均匀输入问题,但如何考虑坝址河谷地震动的不均匀输入问题远没有得到解决[22,23]。其中主要原因在于:对地震的发生、地震波的传播机制的认识不够充分,缺乏足够的地震动空间相关性的实测记录,无法通过实验手段来重现地震波的传播过程等。因此,加强坝工界与地震研究工作者的合作,在地震高发区坝址不同位置安装地震动测量仪器、加强对地震波行波效应、空间放大效应、河谷屏蔽和阻尼效应以及坝址地质环境等因素的研究是解决河谷地震动的不均匀输入问题与建立地震动输入模型的有效途径。

大坝地震动研究的一个重要参数是地震加速度的有效峰值。因此确定大坝设计地震加速度是大坝地震动输入研究的又一个重要内容。在大坝抗震设计初期很长一段时间里,大坝设计地震加速度一般取0.1g左右[24~26],而地震并没有对按此设计的大坝造成强烈的震害。究其根本原因在于大坝的早期设计基本不容许拉应力出现,同时对压应力采取很高的安全系数。但随着坝工事业的发展特别是复杂高坝的出现,不容许拉应力出现的控制标准被突破,巨大的经济投资压力也不容许采取过高的安全系数,不少大坝设计地震加速度取值虽然达到了0.3g左右,但近几十年来时有大坝出现较强烈的震害。例如我国的新丰江大头坝在1962年3月19日发生M=6.1级强震时造成大坝头部断裂;印度Koyna重力坝在震后头部转折处出现了严重的水平裂缝;经过抗震设计的伊朗Sefi d Rud大头坝震后形成了一条几乎贯穿全坝的头部水平裂缝;美国Paco-i m a拱坝在1971年San Fernando地震时,左坝肩与重力墩之间的接缝被拉开,震后进行过抗震加固,1994年N orthridge地震时又重新被拉开[27]。这些大坝遭遇的地震震害表明,对大坝设计地震加速度的选取要随着实测地震加速度值的增加而适当上调,例如,1940年美国记录到的最大地震加速度为0.32g,1985年加拿大地震时记录到的最大地震加速度超过了2.0g,同时要注意到对大坝起作用的是地震加速度的有效峰值和持续时间,另外还要综合考虑到地震动力分析方法的准确性和大坝设计安全度的取值。

4大坝材料强度的动力特征研究

在传统应用于大坝抗震设计的拟静力极限平衡分析方法中,将地震惯性力以一等效的拟静体积力施加在整个坝体上,采用极限平衡方法计算安全系数。大坝震害调查表明,拟静力分析方法并不能准确地评价坝的抗震安全性[28]。实际上,大坝在地震作用过程中某一瞬间安全系数可能瞬间等于或小于1,达到临界平衡或超载状态,但由于超载历时可能极短,坝体的变形是有限度的,大坝并没有完全失效。虽然Ne wm ark于1965年提出采用累计滑移量评价大坝的抗震稳定性的刚塑性滑块模型[29],一些学者也对这种模型进行了改进。但以拟静力和静强度概念为基础的分析方法,越来越显示出它的弊端。

大坝特别是复杂高坝的主要材料是混凝土。混凝土材料强度具有明显的的动力特性,而坝工界对这方面的研究相对薄弱。日本的畑野正在20世纪50年代后期对混凝土动态抗压和动态抗拉强度影响进行了比较全面的研究[30,31],发现了加载速率对混凝土动态强度的重要影响。在大坝设计中,目前应用比较广泛的是Raphae l所进行的试验结果[32]。他在5座西方混凝土坝中钻孔取样进行动力试验,以相当于大坝5H z的振动频率,在0.05秒的时间内加载到极限强度,得出动态抗压强度较静强度平均提高31%,直接拉伸强度平均提高66%,劈拉强度平均提高45%。虽然该试验结果具有一定离散性,且是在应变速率大体相当于5H z的情况下取得的,但它使人们开始重视应变速率对材料强度的影响的研究,并取得了一定的成果[33,34]。这些成果表明,混凝土在受拉、受弯和受压时,其动态强度的增长幅度不同;不同强度的混凝土增长幅度不同,低标号混凝土增长幅度较高;混凝土试件的湿度也对其动强度的增长幅度发生重要影响,干混凝土的动态强度基本上不随应变速率的增加而变化;此外,发现混凝土动态强度还与加载历史有关。

然而以上很多有关动态强度的研究都是针对恒定的加载速率而进行的。事实上,地震时大坝各部分所承受的应变速率是不同的,同一部位不同时刻的应变速率也是变化的。因此,对大坝混凝土材料动强度的深入研究将是一个值得高度重视的课题。

5 大坝抗震安全评价准则

大坝的抗震安全评价准则是与大坝抗震设防紧密联系的。世界各国的大坝抗震设防采取了不尽相同的处理办法。我国的水工建筑物抗震设计规范标准虽然采用了极限状态的计算公式,但容许应力标准仍然是

以弹性分析为主得到的,以最大拉应力安全系数来控制坝的安全性[35]。采用一级设防标准,对基本烈度(50

年超越概率10%,重现期475年)为×、Ø、Ù度区的场地,设计地震加速度分别取为0.1g 、0.2g 和0.4g 。对重要大坝,则需将设计地震加速度的水准提高到100年超越概率2%、重现期4950年。日本与俄罗斯保持传统的做法,采取较低的设计地震加速度[36]。日本对混凝土坝在强震区设计地震加速度取为0.2g 、弱震区取为0.1g ;俄罗斯设计地震加速度取值基本与日本相当,但要求进行模型试验和补充分析。以美国为代表的一些国家采用了两级地震设防标准。.美国大坝委员会1985年起草并经国际大坝委员会19年公布的5大坝地震系数选择导则6明确了使用安全运行地震动OBE 与最大设计地震动MDE 两级设防的地震动参数选择原则。按照这一准则,在安全运行地震作用时,大坝应能保持运行功能,所受震害易于修复,故一般可进行弹性分析,并采用容许应力准则;在最大设计地震作用时,要求大坝至少能保持蓄水能力,可容许大坝出现裂缝,但不影响坝的整体稳定,不发生溃坝,大坝的泄洪设备可以正常工作,震后能放空水库。一般用地质构造法等确定性方法和概率法确定MDE 。

各国的大坝抗震设防的处理方法和地震动参数的取值虽然不同,但并不能完全反映大坝抗震设计的安全度。原因在于各国国情不同,材料强度的控制标准不同,施工质量的可靠程度不同等等。而国外在保持水库蓄水能力的情况下,一般容许发生一定程度的震害的大坝抗震设防指导思想值得我们深入研究;我国以及日本、俄罗斯等国的规范对重要的大坝、高坝必须进行专门的研究的做法值得坚持和推广;对于重要大坝采取两级或多级地震设防标准的研究可使大坝的抗震设计更为合理,符合安全性和经济性兼顾的原则。6 结语

大坝的抗震安全性研究关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全,具有特别重要的政治和经济意义。混凝土大坝在地震作用下的动力分析已得到高度的重视并取得了很大的进展;已逐步从分别校核坝体、坝基等的强度发展到对复杂高坝进行比较严密的三维坝、水和地基系统的地震响应分析;开始重视坝址河谷地震动的不均匀输入和大坝设计地震加速度的选取问题;对于混凝土材料强度的动力特性和大坝抗震性评价准则的研究也逐渐引起坝工技术人员和力学工作者的注意。综上所述,大坝的抗震性评价将重点探索简单而实用的动力响应分析方法来取代拟静力法,重点研究坝址河谷地震动的输入机制和输入模型,加强混凝土材料强度随应变速率变化的规律分析并建立合理的计算模型,进一步深入对大坝抗震评价准则确定原则的研究、引入两级或多级抗震设防的理念和性能设计的思想,提高大坝抗震设计水平。

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