混凝土大坝的抗震安全评价_林皋

水　　利　　学　　报　2001年2月

文章编号:055929350(2001)0220008208SHUILI　　XUEBAO第2期

混凝土大坝的抗震安全评价

林　皋1,陈健云1

(11大连理工大学土建学院,海岸与近海工程国家重点试验室,辽宁大连　116024)

摘　要:本文论证了混凝土大坝重点是高拱坝的抗震安全评价的实践与发展现状.现有的评价准则主要依据混凝土的强度,特别是抗拉强度来判断大坝的安全性.大坝的应力计算则以弹性动力分析为基础.各国规范关于地震设防水平和大坝的容许拉应力数值有很大差别,表明认识上的不一致.事实上,由于各坝坝高、坝型、地形、地质条件不同,地震时坝身中某一部分产生的最大拉应力不足以全面反映大坝的抗震安全性.混凝土的动态强度是大坝抗震安全评价中的一个薄弱环节.大坝抗震设计中目前只依据Raphael进行的局部加载速率的试验结果选取混凝土的动强度.实际上,地震作用下,不同的坝不同部位的应变速率是不相同的,而且混凝土的动强度还和应变历史、初始静抗压强度、含水量以及尺寸效应等许多因素有关,有待作深入研究.在以上分析基础上,文中建议了混凝土大坝抗震安全评价的合理方法以及进一步的研究方向.

关键词:拱坝;重力坝;抗震安全评价准则;混凝土动态抗拉强度

中图分类号:TU352　　　　　　文献标识码:A

随着国民经济的发展,小湾、溪洛渡等一批300m级世界超高拱坝和龙滩等200m级高碾压混凝土重力坝即将在我国西部高烈度地震区进行建设.高坝的抗震性评价关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全,具有特殊重要的意义.目前有关混凝土大坝在地震作用下的动力分析技术已经取得了很大的进步,我们可以对复杂形状的拱坝进行比较严密的三维坝—水—地基系统的地震响应分析.在计算中可以考虑河谷地震动的不均匀输入;可以考虑拱坝结构缝在强震作用下的相对滑移和转动;可以考虑拱坝和无限地基的动力相互作用影响等.混凝土大坝的弹性振动响应分析可以达到比较高的计算精度.但是,对混凝土大坝抗震安全评价有关的一些重要问题,其中包括地震设防标准,混凝土材料的动力特性等,都还没有得到很好解决.以下,我们对一些问题的发展现状作一些分析.1　混凝土大坝抗震安全评价的历史回顾

混凝土大坝的抗震安全评价经历了较长时期的历史发展.安全评价包括强度和稳定两个方面.由于失稳的发展一般是一渐进过程,所以,目前正在研究应用不连续变形方法来分析大坝沿薄弱面失稳的发展过程.这样,将坝基失稳、变形与大坝的变形、应力重分布与破坏过程相结合进行综合考虑.可以更为科学地评价大坝的安全性.这将是今后的发展方向.但就目前情况来说,混凝土大坝特别是拱坝的设计,基本上分别独立地对稳定和应力分析进行检验.稳定分析主要采用极限平衡方法,按塑性力学上限理论计算安全系数.稳定方面出现的问题则通过坝线选择和加固措施来解决.所以,大坝剖面的选择将主要通过应力进行控制.从应力方面评价混凝土大坝的抗震安全性,目前将仍主要建立在容许应力的基础上.各国都根据弹性动力分析计算出的地震应力来进行大坝的抗震设计.本文将主收稿日期:2000206205

基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(59739180)

作者简介:林　皋(1929-),江西南昌人,大连理工大学教授,中国科学院院士.

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要讨论这方面的问题.由于混凝土大坝在强震中的震害主要表现为受拉出现裂缝,发生应力重分布,使大坝的承载能力降低.因此,混凝土的容许抗拉强度成为大坝抗震安全检验的十分重要的指标.

在混凝土坝的设计中,很长时期内,拱坝采用试载法(多拱梁法),重力坝采用材料力学方法进行分析.这种方法计算比较简便,又基本上可以反映大坝的受力特性,所以在比较长的大坝建设实践中发挥了重要作用,同时也积累了一定的经验.但是这种方法采用平面变形假定,忽略了应力集中的影响,也有一定的局限性.在早期混凝土大坝的设计中,基本上采用了不容许拉应力出现的标准.以拱坝为例,认为主要以承受压力为主,对压应力采用比较高的安全系数(正常荷载工况达到4,非常荷载工况达到3),计算中断面的受拉部分按开裂计算,形成内部新的受压拱,进行应力重分布.早期,大坝的设计地震力不高,地震加速度一般取为011g左右,这种情况下许多拱坝的安全性主要由静力情况控制.随着坝工建设的发展,这种评价标准在实践中暴露出来的矛盾越来越多.

首先,是拉应力的控制标准问题逐渐被突破.由于坝高增加,同时在复杂条件下建设的大坝数量越来越多,初期不容许拉应力出现的标准无法满足设计要求.另一方面,也考虑到大体积混凝土实际上可以承受某种程度的拉应力.从而,在一些混凝土坝的设计中逐步容许一定数量的拉应力.以拱坝表现得最为明显.但是,允许拉应力的数值各坝都不完全相同.总的看来,存在着逐步提高的趋势.以美国为例[1],1924年设计Pacoima拱坝时,加州工程师取容许拉应力017MPa(100psi);1967年美国土木工程学会与美国大坝委员会总结的拱坝拉应力容许值为0184～1126MPa(120～180psi);1974年美国垦务局标准,容许拉应力在正常荷载时为1105MPa(150psi),非常荷载时为11575MpP(225psi);1977年Auiburn坝设计时,拉应力容许值达到5125MPa(750psi);1984年Raphael根据若干座坝混凝土试样的试验值,建议地震时容许拉应力可达61958MPa(994psi).拉应力的容许值实际上决定了大坝设计的安全度,因为它决定断面裂缝的范围以及应力重分布的结果.关于拉应力的容许值,各国、各个单位、各座坝取值不同.至今还没有公认的标准,反映了认识上的不一致.这是可以理解的,因为各座坝的具体情况不同,拉应力发生的部位不同,对坝安全性的影响也各不相同,很难要求采取一个统一的标准.

其次,随着强震记录的不断积累和丰富,大坝的设计地震加速度数值也呈逐步上升趋势.1940年美国ElCentro记录到的最大地震加速度为0132g(M=710).1970年以后具有特大加速度的记录不断涌现.例如,1973年前苏联Gazli地震时为113g(M=712);1978年伊朗地震时0187g(M=714);1979年美国ImperialValley地震时为117g(M=616);1985年智利地震时0175g(M=718);1994年美国Northridge地震时为1182g(M=617);1999年我国台湾集集地震时110g左右(M=

713).其中,1985年加拿大地震时记录到的最大加速度甚至超过210g(M=619).虽然,人们认识到对建筑物响应起作用的应该是有效峰值加速度EPA,但是,实测地震加速度超过甚至远远超过抗震设计中的加速度则是事实.对混凝土大坝设计来说,对坝造成震害的几次强震中实测到的大坝场地加速度是值得重视的.其中,印度Koyna重力坝,1967年12月11日发生M=615级强震,震中位于大坝以南偏东214km,实测坝基加速度为:坝轴向0163g,顺河向0149g,竖向0134g.伊朗SefidRud大头坝,1990年6月21日发生M=716级大震,震中距坝址约5m,坝址无仪器记录.相距40km处的强震仪记录到的加速度峰值为0156g,按地震动衰减规律估算的坝基加速度为01714g.美国Pacoima拱坝,1971年2月9日发生M=616级SanFernando地震时,左坝肩基岩峰顶加速度,水平和垂直分量分别达到1125g和0172g,估算坝基加速度约为0150g左右;1994年1月17日M=618级Northridge地震时,实测坝基加速度,水平和竖向分量分别达到0154g和0143g,左坝肩峰顶1158g.这几次地震都对大坝造成了比较强烈的震害.其中还包括我国的新丰江大坝.需要指出,上述大坝都进行过抗震设计.我国的新丰江大头坝,在1959年水库蓄水后不久,由于在库区发生有感地震,1961年按Ⅷ度地震烈度进行过一期加固,水平向设计地震系数0105.1962年3月19日发生M=611级强震时造成大坝头部断裂.印度Koyna重力坝在震前按地震系数0105进行设计,震后头部转折处出现了严重的水平裂缝;伊朗SefidRud大头坝震前按地震系数0125进行过抗震设计,震后形成了一条几乎贯穿全坝的头部水平裂缝.美国Pacoima拱坝在1971年SanFernando地震时,左坝

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头与重力墩之间的接缝被拉开,震后进行过加固,1994年Northridge地震时又重新被拉开.大量地震记录超过传统采用的设计地震加速度,因此,按照什么标准进行混凝土大坝的抗震设防,成为设计人员所十分关注的问题.

2　各国现行抗震设防标准的基本框架

一方面,不少大坝坝址记录到的地震加速度远远超过设计中采用的地震加速度,并且造成大坝的震害;另一方面,按传统地震加速度设计的大坝也表现有一定的抗震能力,有的经受了强震的考验,1976年意大利GemonaFreulli发生的M=615级强震中,在离震中50km范围内有13座拱坝未发生震害,其中包括Ambiesta拱坝,坝高59m,震中距22km,震中烈度达Ⅸ度.面对这一矛盾,各国对于大坝抗震设防采取了不同的处理方法,归纳起来可以有三种途径.

211　采用较低的设计地震加速度值的做法　日本和俄罗斯,仍然保留传统的做法,采用较低的设计地震加速度值.日本大坝设计基本采用拟静力法,土木工程学会大坝抗震委员会规定的设计地震系数[2],混凝土坝强震区取为0112～0120,弱震区取为0110～0115.考虑弹性振动的动力放大影响,拱坝坝身地震系数取为坝基的2倍.俄罗斯1995年颁布的设计标准重新确认了前苏联1981年施行的地震区建筑设计规范CHи∏Ⅱ27281[3,4].规范规定,对地震烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度的建筑场地,相应的最大地震加速度分别为100cm/s2、200cm/s2和400cm/s2.水工建筑物按拟静力方法进行计算,地震荷载根据建筑物周期按反应谱方法确定,Ⅰ类场地的最大动力系数β=212,Ⅱ类、Ⅲ类场地最大动力系数β=215,任何情况下β均不小于018.按一维简图(悬臂梁)进行计算时,振型不少于3个;按二维简图进行计算时,混凝土坝的振型不少于10个.水工建筑物的地震荷载均按场地烈度相应的加速度进行计算,同时引入一容许破坏程度系数K1=0125进行折减.对于Ⅰ级挡水建筑物,按加速度矢量表征的计算地震作用,在此基础上加大20%.此外,还规定,位于高于Ⅶ度地区的Ⅰ级挡水建筑物按场地烈度所相应的地震加速度(即不折减)作补充计算.日本规定,对高拱坝和重要大坝,除进行基本分析外,还需要进行动力分析和动力模型试验,并选择适当的地震波时程曲线.俄罗斯规范要求Ⅰ级水工建筑物除进行地震作用计算外,还应进行模型试验在内的研究,比较理想的是在部分已建成的及已投入使用的建筑物上进行原型试验研究,以检验坝的动力特性及计算方法的合理性.

阪神大地震后日本的许多抗震规范都作了比较大规模的修改,但是《坝工设计规范》则还没有修改的动向.因为在阪神地震中,没有发现水坝有明显的震害,认为按现有方式设计的大坝地震时是安全的[5].据了解,由于实测的地震加速度值与设计地震加速度有较大的差别,日本规范将来有可能作一定的调整,但不会有实质性的改变.