我国混凝土大坝的抗震安全分析发展趋势

摘要：随着我国经济的快速发展及西部大开发战略的深入推进，在我国西部高烈度地震区，已建成和正在规划建设的混凝土大坝及300米以上的高拱坝越来越多。由于我国的大坝抗震分析理论研究起步晚且尚未成熟，许多已建成的大坝在设计时采取的抗震设计方法较为粗糙。本文将通过梳理当前国际国内先进的抗震分析方法，总结我国的抗震安全分析的发展趋势，为将来的研究者提供一些思路。

关键词：地面加速度；设防标准；抗震设计；风险分析

一、当前的抗震安全分析

混凝土大坝的地震分析是由westergaard 教授在20世纪30年代首先提出来的，目前仍是大坝抗震设计的主流。它是将大坝模拟为线弹性无线长的三角形截面，放置在刚性基础上，将地震作用用一个地震系数来表示，通常取0.1，然后进行静力稳定性分析，称之为拟静力法。由于混凝土大坝在强震中的震害主要体现在受拉导致的裂缝尤其是贯穿性的拉裂缝，这种分析方法着重于混凝土大坝的强度校核和稳定校核，采取的标准是不容许拉应力出现，以最大拉应力为安全系数来控制大坝的抗震安全性，这在我国的大坝抗震设计中体现的尤为明显。目前发展为基于材料力学和结构力学的线弹性振动响应分析和极限平衡法分析，其简单易于操作且在过去的几十年间指导设计的混凝土大坝包括高拱坝具有良好的运行状况。

二、设计中面临的问题

随着科技手段的进步，越来越大的地震地面加速度被检测出来，有些显著高于当时采用的设计值，如1973年前苏联Gazli地区发生里氏7.2级地震，测得最大地震加速度为1.3g。满足以前的地震系数和拟静力分析的大坝是否可以安全抵抗未来高风险的地震破坏是当前我国大坝抗震复核的核心工作，国内外大量资料表明许多按照当时保守的设计地震加速度建造的大坝在地震中都产生了不同程度的损坏，针对这一矛盾，我国的抗震设防标准做了一定修改[1]，一些小型混凝土重力坝仍然采取拟静力分析，按照最大设计地震MDE一级设防，对于超过250米重要的高坝我国的设计规范要求进行专业研究，设计地震加速度提高到重现期为4950年，并采用反应谱法进行弹性分析，还要进行非线性的动力响应分析和动力模型试验，一些重要参数也做了相应修改，如阻尼值和混凝土动态抗拉强度。

在对地震作用后受损大坝的研究中发现，在地基、回填饱和土及坝身混凝土材料中由于出现剪应变，导致孔隙水压力明显上升产生超孔隙水压力[2]，这也是大坝在强震中强度损失、结构失稳的重要原因，许多已建成的大坝在设计时对这个方面的认识不足，目前亟待开展此方面的研究。此外地震作用下混凝土材料的动力特性研究比较缺乏，目前广泛采用的是Raphael的实验结果，我国的《水工建筑物抗震设计规范》也采用了这一结果，但对于影响这一实验结果的因素如混凝土试件的强度、物理环境因素、几何尺寸、加载幅度等都缺乏专门深入的研究。

三、当前的研究方向

1基于性能的抗震设计分析

基于性能的结构抗震设计是20世纪90年代中期美国科学家Moehle提出的全新的抗震设计理念，最早应用于桥梁抗震设计中，我国张楚汉等[3]开创性的将这一理念引入到水利水电工程中。该理论核心目标是使得结构在预定的使用年限里各项功能保持正常，满足使用要求。在混凝土大坝中多级设防的理念也源于此。在运行基本地震OBE作用下不容许大坝出现结构性的损害，如裂缝，变形和泄漏，容许出现可修复的损害。在安全评价地震SEE作用下，可以出现结构性的损害，但应当确保大坝的稳定性，水库中没有不可控制的水体下泄，造成下游重大的生命财产损失，SEE一般取最大设计地震MDE，特殊情况取到最大可信地震MCE。美国大坝正是采取了OBE和MDE两级设防的标准[4]，对应于不同的设防标准有不同的性能要求和设计规范。这也是目前大坝抗震设计中较为先进的发展趋势。我国的大坝抗震设计采取的是一级设防MDE，但标准略高于国际标准，虽然可取得更好的安全性但也造成了一些材料上的浪费，因此目前积极开展此方面的研究是有必要的，在安全性和经济性之间找到更好的平衡。

2非线性动力有限元分析

较为先进的混凝土大坝地震工况下的力学核算采用非线性的结构力学方法，假设拉应力区开裂，修改截面面积和截面矩然后迭代计算，直至收敛。结合混凝土大坝的地震响应分析可以较为准确的校核大坝是否会产生贯穿性裂缝。在金峰等[5]的研究中对大坝的动力学安全分析做了进一步探究，在地震作用的动力计算中加入非线性材料力学的校核，以屈服区联通作为贯穿性开裂的评价指标，将动力刚体极限平衡结合非线性材料力学来校核孤立坝体的抗滑稳定性。在计算过程中一些因素如阻尼、扬压力、渗透等的影响程度及如何定量描述是当前正在广泛研究的课题。

3综合性的风险分析

综合性的地震风险分析是对大坝运行期内遭受一定概率地震作用的可能性及造成的后果进行综合评价的过程，它将风险分析与基于性能的抗震设计思想相结合，由王笃波等[6]于2011年首先提出，为混凝土大坝的经济性安全性分析评价提供了新思路。具体包括地震危害性分析、地震易损性分析和地震灾害损失评估三方面，描述为R=HFL，R为大坝地震风险主要体现的是大坝坝址发生地震的风险，选取有效峰值加速度PGA为参数；F为地震易损性，反映了大坝在其设防标准下完成抗震性能目标的能力，选取坝顶相对沉陷值作为大坝永久性变形的指标，也作为风险评价指标；L为地震损失包括直接经济损失和间接经济损失，以性能为前提采用具体的量化措施。每一项都有具体的指标可以从不同侧面对大坝的抗震设计作综合性的评价，可操作性强。只是对于大坝变形的评价指标目前仍然没有达成共识，选取坝顶的相对沉陷值是否可以完全反映基础与大坝的结构易损性仍有待继续研究，且此项指标只能用于大坝震后的风险评价，如何运用在大坝设计的前期预测中仍是亟待解决的问题。

四、结语

由于目前对地震产生机理、地震预测和水库诱发地震RST的研究尚未成熟，依然没有能力准确可靠的预测一场强烈地震，只能对地震发生概率方面做些分析，提高大坝在不同概率地震工况下的强度安全和结构稳定，降低库水下泄风险是主要的抗震设计思路。在近些年的大坝地震灾害实例中发现，大坝附属建筑物如闸门、发电设备等的抗震安全也应有所要求，以期保证其在地震中不被损害，功能正常。许多大坝修建在地形条件恶劣的地方，在地震中面临着山体滑坡、泥石流、巨型岩石崩落等二次灾害的威胁，在大坝综合性的抗震设计中加入这些方面的分析评价也是目前较好研究思路。

参考文献：

[1]水工建筑物抗震设计规范[S]DL5073-1997，SL203-97，1997.

[2]刘跃，贡金鑫.水工建筑物抗震设计中土超孔隙水压力计算[J].水运工程，2017：1002-4972.

[3]张楚汉，金峰，沈怀至等.基于功能的高坝抗震安全与风险评价[M].天津：天津大学出版社，2004.

[4]金峰，周建平.重力坝在校核地震工况下核算方法的建议[j].水利发电，2009：559-9342.

[5]王笃波，刘汉龙，于陶.基于变形的土石坝地震风险分析[J].巖土力学，2012：1000-7598.

作者简介：

胡瑞杰（1996.7.4）男，汉，山西吕梁，身份证号141123199607040037，职称，研究方向：水利水电工程专业