中美混凝土大坝抗震设计理论对比

胡少伟

（南京水利科学研究院材料结构研究所，210024，南京）

在大坝设计和安全评价中考虑地震作用的影响大约始于1930年前后，当时主要按拟静力法进行大坝的抗震设防，将地震作用以一个等价的水平作用力进行代替，大多数坝的设计地震加速度采用0.1 g，动水压力按Westergaard的近似公式进行计算。1970年前后，大坝的抗震设计有了新的发展，这期间发生的多次地震引起了水库震害，如我国新丰江大坝的震害、美国San Fernando地震引起的Pacoima拱坝震害，促使线弹性动力分析方法在大坝抗震设计中逐步得到应用。2000年前后，由于结构抗震设计技术的发展，同时经过多年的实践，研究者和设计者们均认识到，弹性动力分析给出的峰值应力不能提供足够的信息以判断不同地震所引起的震害的严重性和对大坝安全的影响，同时对大坝抗震安全起关键作用的混凝土容许拉应力，各国甚至各个设计单位都没有取得共识。本文通过对比中美两国在混凝土坝抗震设计方面的理论，分析两国在抗震设计方面的差异，以期为完善我国混凝土坝抗震设计理论提供有益的借鉴。

一、大坝抗震设防标准

美国大坝采用运行基本地震OBE （Operating Basis Earthquake，相应概率水准为100年基准期超越概率50%）和最大设计地震MDE（Maximum Design Earthquake）或最大可信地震 MCE（Maximum Credible Earthquake）两级设防，并提出了相应于不同设防水准时大坝的性能要求。其中，OBE是从工程运行角度提出来的，对应于运行期工程保护期望水平的最大地震，这时主要考虑地震引发的结构损坏、机械破损和经济损失，设防要求是震后结构易修复、设备可继续运行；MDE或MCE主要是从避免引发严重次生灾害的角度提出来的，设防要求为大坝不发生灾难性破坏，如不致使库水下泄失控。当大坝失事可能导致危及人身安全的严重后果时取MDE为MCE，否则MDE一般小于MCE。MCE为坝址区可能发生的最大地震，并假定发生在离坝址最近的断层点上。

我国的大坝采用最大设计地震MDE一级设防。对于有利地段，建筑物一般采用基本烈度设防 （相当于50年基准期超越概率10%），对于甲类设防的大坝在基本烈度基础上提高一度设防（相当于100年基准期超越概率2%）。性能要求为如有局部损坏，经一般处理后仍可正常运行。100年基准期超越概率2%的设防水准接近国外一些国家提出的最大可信地震（MCE）的水平，而其性能目标又与运行基本地震（OBE）的要求相近。

因此有必要开展我国大坝抗震设计分级设防的合理性和可行性研究，必要时提出各级设防水准及相应的性能目标和配套的分析方法，使大坝的抗震设计更为合理，既保障了其安全性，同时又符合经济性原则。另外对于修建在抗震不利地段或城市上游附近的大坝以及300 m级超高坝的抗震设防标准也需开展专门研究。

二、混凝土材料的动态性能

美国垦务局的Raphael在西方5座混凝土坝中钻孔取样进行试验，在0.05s的时间内加载到极限强度（相当于大坝5Hz的振动频率），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%，试验结果有一定离散性。在美国等许多国家的设计标准中，一般参考Raphael的试验结果，将地震作用下混凝土的动态强度较静态值提高一个百分比。

我国现行《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5093—2000）也作了类似规定。这些规定不考虑大坝和地震激励的具体情况，一律将地震作用下混凝土的强度或弹性模量等动态特性参数较静态常数提高一个固定百分比，作法显得过于粗略。实际上在地震作用下，不同的大坝、不同的部位、不同的瞬时，其应变速率的变化各不相同，从而混凝土的强度和刚度特性将随着激励地震波的特性而变化。其变化规律还和混凝土的原材料特性密切相关。另外，在混凝土坝的强度校核中，作用效应综合了地震作用和静态作用的影响，仅用动态强度来评价大坝静动叠加响应也不尽合理，尤其是对于静态应力水平较高的大坝。目前，国内开展了在不同静态预载水平下大坝混凝土动态弯拉强度和弹性模量随加载速率（应变率）变化的全级配混凝土试验，初步成果认为，在无静态预载时，相对于静态强度的动态提高率小于规范基于湿筛小试件成果所采用的30%，约为17%；在初始静载达到80%混凝土强度以内时动态提高率随初始静载水平的提高而有所提高；初始静载超过80%混凝土强度后动态提高率明显下降；动态弹性模量较静态值略有提高 （约为5%），但明显小于弯拉强度的提高率。由于试验试件数量较少，关于全级配大坝混凝土试件的动态抗力取值的一般规律还有待于进一步研究。

三、坝—地基相互作用

在坝体和地基的动力相互作用中，对地基影响的考虑，与静力问题不同之处，在于它不仅限于计入地基的柔度，而且要考虑地基质量的惯性和其因振动能量自远处逸散而形成的所谓辐射阻尼。混凝土坝与地基间的动力相互作用问题的研究已有40年历史，国内也进行了近30年的研究工作，在许多领域取得研究成果，分析这一问题最有效的方法是子结构法，其中关键问题是建立基岩的阻抗矩阵。在重力坝的平面分析中，半平面地基阻抗矩阵可从波动方程得到理论解，对于空间问题只能借助于数值方法得到近似解。在一些拱坝动力程序中更多采用美国Clough教授提出的无质量地基假定，但它有很大的近似性。建立基岩的阻抗矩阵时，一般先求出与坝基面相对应的基岩动力柔度系数。我国这一领域的研究相对比较深入，清华大学提出了有限元—边界元—无穷边界元的计算模型，中国水利水电科学研究院则发展了廖振鹏的透射边界计算模型，对有关相互作用对高拱坝地震变形和应力的影响有了更深入的了解。各种计算模型都有一定特点，也有一定局限性，目前还比较缺乏实测资料的检验。大连理工大学发展了Wolf与Song的阻尼影响抽取法的计算模型以及比例边界有限元的模型，并研究了地基刚度变化和地基不均匀性对拱坝和重力坝地震响应的影响，获得了一些新的认识。研究结果发现采用无质量地基的计算模型时，坝顶部的动力放大系数基本上不随地基刚度的变化而变化，但考虑无限地基动力相互作用的影响以后，随着地基与坝体弹性模量比值的不同，坝顶部的动力放大系数将随之发生比较大的变化。地基愈柔性，特别是当地基的刚度(弹性模量)低于坝体的刚度时，地震响应有较大幅度的降低。

四、混凝土坝抗震安全评价准则

我国的水工建筑物抗震设计规范标准规定以容许应力建立强度条件，以最大拉应力安全系数来控制高拱坝的抗震安全性，它不容许拱坝在地震中出现裂缝。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Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度区的场地，设计地震加速度分别取为0.1 g、0.2 g和0.4 g。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4 950年。

以美国为代表的一些国家采用了两级地震设防标准。美国垦务局1970年以前大坝设计地震加速度采用0.1 g，1974年以后提出设计基准地震DBE与最大可信地震MCE两级设防的概念。美国大坝委员会1985年起草并经国际大坝委员会1989年公布的《大坝地震系数选择导则》，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OBE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MDE作用时，要求大坝至少能保持蓄水能力。这表示可容许大坝出现裂缝，但不影响坝的整体稳定，不发生溃坝。同时大坝的泄洪设备可以正常工作，震后能放空水库。OBE一般选为100年内超越概率50%（重现期145年）的地震动水平，以Housner为首的美国大坝安全委员会则建议DBE的重现期为200年，经过经济上合理性的论证时还可适当延长。关于MDE的概率水准或重现期，没有作明确确定。值得注意的是，MDE的决定一般都和大坝的失事后果相联系，只对特别重要的坝才令MDE等于MCE。确定MCE一般有地质构造法和概率法两种，国际大坝委员会的导则认为，就目前的认识水平而言，不可能明确规定必须采用哪种方法。建议同时采用两种方法，并应用工程经验进行判断。

中美两国大坝抗震设防处理方法和地震动参数的取值不同，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。我国不容许坝在地震作用下出现裂缝的评价准则显得要求过高，对于复杂的高拱坝来讲常常难以做到。一方面，出现一些裂缝可能并不影响坝的安全运行；另一方面,高拱坝是超静定结构，局部拉应力过大引起的开裂是拱坝放松约束来调整内力以适应变化的正常反应，在破坏之前必定存在一个不断开裂、不断静定化的过程，在这个过程中拱坝的潜力未尽。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震害的大坝抗震设防指导思想值得我们深入研究；我国规范对重要的大坝、高坝必须进行专门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。

五、结 语

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—地基体系相互作用、地震动输入机制、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等研究，进一步深入对大坝抗震评价准则确定原则的研究、引入美国两级或多级抗震设防的理念和性能设计的思想，提高我国大坝抗震设计水平。

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