国内外水利水电工程抗震标准初探

黄向春, 熊　博

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津　300222; 2.水利部 海委引滦工程管理局，河北 唐山　064309)

0　引言

地震是一种自然灾害,强震多会造成较为严重损失。因此,在水利水电工程勘察与设计工作中,大坝等建筑物的工程场地地震安全性向来受到重视,也同样为设计等方面关注;但在水利水电工程领域,国内外抗震设防标准、场地地震参数选取存在较为明显差别;随着全球经济的发展,国内众多公司和专业技术人员参与或涉及到国际水利水电工程的勘测设计领域。分析、研究国内外水利水电工程抗震标准和地震参数选取具有较为现实的指导意义。

1　国内抗震标准

据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),中国建筑物抗震设防采用三水准设防,即常说的“小震不坏、中震可修、大震不倒”[1-2]。据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)、《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073—2000),采用一级(最大设计地震MDE)设防水准,其相应性能目标为如有局部破坏,经一般处理后仍可正常运行[3-5]。

在国内水利水电领域,对于高坝大库或位于强震地区建筑物,工程场地地震安全性分析和评价,规程规范有较为完整、全面的规定,如《水利水电工程地质勘察规范》GB50487—2008、《水利水电工程区域构造稳定性勘察技术规程》DL/T5335—2006等。一般来说,工程场地地震安全性评价主要包括区域构造背景研究、活断层及其活动性判定和地震动参数确定三个方面的工作。

中小型水利水电工程或建筑物,在大多数情况下,不会涉及到场地地震安全性评价专题工作,多直接参照现行国家标准《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)选用地震动参数。

另据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487—2008,坝高>200 m的工程或库容>10×109m3的大(1)型工程,以及50年超越概率10%的地震动峰值加速度≥0.10g地区且坝高>150 m的大(1)型工程,应进行场地地震安全性评价。对50年超越概率10%的地震动峰值加速度≥0.10g地区,土石坝坝高超过90 m、混凝土坝及浆砌石坝坝高超过130 m的其他大型工程,宜进行场地地震安全性评价工作。对50年超越概率10%的地震动峰值加速度≥0.10g地区的引调水工程的重要建筑物,宜进行场地地震安全性评价工作。其他大型工程可按现行国家标准《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)确定地震动参数[6]。

场地地震安全性评价的主要目的是提供不同基准期、不同超越概率下的地震动参数,主要是加速度。

2　国外抗震标准

2.1　国际大坝委员会(ICOLD)标准

据ICOLD(international commission on large dams)1989年72号公报“大坝地震参数选择导则”(Bulletin 72 selecting seismic parameters for large dams),运行基本地震(OBE,Operating Basis Earthquake)基准期为100年,超越概率为50%,重现期为145年[7];最大设计地震(MDE,Maximum Design Earthquake)基准期为100年,超越概率为10%,重现期为950年。最大可信地震(MCE,Maximum Credible Earthquake)基准期为100年,超越概率、重现期未定,通常采用确定性方法确定。

2010年国际大坝委员会72号公报“大坝地震参数选择导则”[8],安全评价地震(Safety Evaluation Earthquake，SEE)代替了98版中MDE和国际大坝委员会46公报“地震和大坝设计”(ICOLD Bulletin 46 Seismicity and Dam Design)中的设计基本地震(Design Basis Earthquake，DBE)。MCE重现期未指定,如未发现明显的地震背景,MCE可采用概率法确定,取很长时间重现期,例如10 000年。SEE重现期也未明确指定,通常选取10 000年,如失事后可能出现重大社会灾害的大坝,SEE通常可选取确定性方法确定的MCE或重现期较长(例如10 000年)的概率法确定的地震;如对人们生命危险不大,SEE可选取较小重现期地震。

2.2　欧洲标准

欧洲标准8“结构抗震设计”(Eurocode 8 (1998):Design of Structures for Earthquake Resistance)是欧盟区域内广泛应用建筑物的抗震设计规范,其主要适用于楼房和土木工程的设计和施工,不适用核电站、大坝和海上建筑物等;为此,1998年,成立ICOLD欧洲部工作组就欧盟各成员国大坝地震评价方法进行对比分析,推动大坝抗震设计和施工。

1991年英国发布了“大坝地震风险工程导则”(An Engineering guide to Seismic Risk to Dams in the United Kingdom,the British seismic guide),导则提供全国地震区划图,全国共划分为A、B和C三个区带,A区重现期30 000年PGA为0.375g,10 000年重现期PGA为0.25g,1 000年重现期PGA为0.10g;1998年,又发布了“大坝地震风险工程导则应用注解”(the Application Note to An Engineering Guide to Seismic Risk to Dams in the United Kingdom),重现期10 000年的PGA等直线图取代了地震区划图。其基本采用ICOLD SEE 和OBE两级设防,并采用ICOLD bulletin 72大坝灾害分级标准将大坝划分为I-Ⅳ四个等级,重现期依次为1 000年、3 000年、10 000年、30 000年;MCE重现期采用30 000年或依据场地条件确定。

据2010年11月法国大坝委员会标准(Congres Francais des Grands Barrages),OBE基准期为100年,超越概率为40%,重现期为200年。MDE基准期为100年,超越概率为1.98%,重现期为5 000年。

2.3　美国标准

在美国并无统一的大坝抗震设计规范或导则。1999年4月美国大坝委员会(USCOLD)发布“修订的大坝地震参数选择导则”(Updated Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Dam Projects),采用OBE和MDE两级设防。最大设计地震的重现期多取3 000～10 000年。

据美国陆军师团规范“土木工程地震设计和评价”(earthquake design and evaluation for civil works projects)ER1110-2-1806(1995)[9],建筑物抗震通常采用运行基本地震、最大设计地震和最大可信地震三个标准。运行基本地震为100年基准期，重现期为144年,超越概率50%,通常采用概率法确定。最大设计地震是指建筑物设计或评估所能承受最大水平的地震。建筑物不能发生致命性破坏,地震造成破坏或经济损失是可以承受的,通常采用概率法或确定性法确定。但设防标准无明文规定,在实际工作中,有时选用最大可信地震,有时采用重现期为200年或500年,主要依据实际情况确定。但据有关文献,通常情况下,MDE超越概率为10%,但有时为1%。最大可信地震是指依据地震和地质资料预测某个特定震源所能够产生最大地震,通常采用概率法确定。但设防标准无明文规定,在实际工作中,一般情况下超越概率为2%或5%,重现期为2 000年或5 000年,基准期为100年。

此外,美国垦务局在1970年以前,大坝设计地震加速度采用0.1g,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[10]。

2.4　全球地震灾害图(global seismic hazard map)

1992年,在联合国科教文组织支持下,国际岩石圈组织发起了全球地震灾害评估项目,也是作为联合国千年计划中减少自然灾害项目,1999年完成。全球共划分了16个区域,主要成果为地震动峰值加速度区划图,基准期为50年,超越概率为10%,重现期为475年。

在缺乏地震基础资料情况下,全球地震灾害图可以作为一个现实的、快速的、初步的成果参照使用。

2.5　项目所在国国家标准

世界各国地震观测与研究水平差别较大,因此,工程抗震设计水平也不尽一致,发达国家均建立了相应的国家或行业标准,而大部分不发达地区和国家尚未发布相应标准。

为此,针对国际工程项目的地震动参数确定应首先选用项目所在国家或地区的标准或规范,这是一种最直接、实用,且能够得到普遍认可的方法。如项目所在国家尚未建立相应的标准或规范,可采用其他途径获取资料。

3　地震参数常规确定方法

国内大型工程安评从业单位资质的审批、安评技术规范编制、安评报告评审及审批由国家地震局及其下属部门管理;而国外水利水电工程的场地地震安全性评价工作多由业主委托专业咨询公司完成,无需报请政府批准,仅由项目审批单位审批。由于国外多数欠发达国家尚无国家或行业标准和规范,因此,工程场地的安全性评价工作也千差万别,提交成果也不尽相同。总的来看,地震参数确定采用的方法主要为概率分析法、确定性分析方法。确定性分析方法就是利用已知近场地震、历史地震资料和基本地质资料,诱发工程场址产生离散、单值地震活动或模式的地面运动,从而推求有关地震参数;通常,假定地震发生在距离场址最近地带。概率分析法是在确定性分析方法基础上,假定场地在特定周期内地面运动概率,推算地震有关参数的方法;概率分析法用来确定在工程或建筑物寿命周期内某一震级特定超越概率或重现期条件下的地面运动参数。

4　地震烈度

在世界范围内,各国抗震设计工作发展很不平衡。在大部分发达国家,不再使用地震烈度区划图,取而代之是地震动参数区划图,基本采取以场地类别为基础,编制不同抗震水平的地震动参数区划图;对于一些欠发达地区或国家,依然沿用地震烈度区划图;而一些地震工作发展较为落后国家或地区,建筑物抗震设计工作亦较落后,全国性地震烈度区划图尚未发布。2001年中国已经发布了《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001),不再采用地震烈度。

在国际工程抗震领域,先后提出了众多的地震烈度划分体系和标准,主要有美国M.M烈度表、前苏联烈度表、日本JMA烈度表、欧洲R-F烈度表、欧洲MCS烈度表、欧洲EMS-98、MSK烈度表(联合国科教文组织1964年国际地震和地震工作会议推荐的)等,使用较为广泛的主要为修订的MSK烈度表,其主要划分为12级;中国的地震烈度也划分为12级,与MSK烈度表基本一致。

5　地震灾害等级划分

国内水利水电工程地震灾害等级划分尚无现行标准和规程规范,但国标和行业标准仅对工程场址定性划分为有利地段、不利地段和危险地段[11],见表1。

据国际大坝委员会标准,大坝地震灾害等级划分见表2-表4。

据《全球地震灾害图》,地震灾害等级划分详见表5。

表1　工程场址地段划分

表2　地震灾害等级(ICOLD)

表3　大坝潜在风险评价(ICOLD)

表4　风险等级(ICOLD)

表5　地震灾害等级

6　国内外对比分析

6.1　抗震设防水平

在国际水利水电工程中,建筑物的抗震设计采用最大可信地震、最大设计地震、运行基本地震、设计基本地震、水库诱发地震 (Reservoir Triggered Earthquake,RTE)、施工地震(Construction level Earthquake,CE)、安全评价地震等。虽然设计地震工况较多,但从以往及现行的抗震设计标准和规范来看,多年来基本沿用两级设防的基本理念,在1989年版国际大坝委员会发布的“大坝地震动参数选择导则”中,大坝按MDE和OBE两级设防;2010年版导则中,采用了SEE和OBE两级设防。纵观世界各国的大坝抗震设计规范或导则中,大多数国家采用MDE(或SEE)和OBE两级抗震设防水准,仅有英国、瑞士等少数国家按MDE进行大坝抗震设计。重要大坝,MCE多取MDE,MCE重现期多为5 000-10 000年。

据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)、《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000),中国大坝等水工建筑物采用了最大设计地震一级设防水准,水工建筑物按其级别和场址地震烈度确定抗震设防类别。通常情况下,依据全国地震区划图确定其抗震设防烈度,一般大坝大震设防水准低于国外的MCE或SEE,其设防地震重现期也较一般OBE的要求高;而重要大坝均需进行专题研究,设防类别为甲类,MDE重现期为4 950年,对应100年超越概率为2%,由此可见,重要大坝的大震设防水准与国外MCE接近。

6.2　基准期和超越概率

在国际水利水电工程领域,工程抗震设计通常采用最大设计地震、运行基本地震两级水平设防;运行基本地震的边界条件较为清晰、明确,即100年内超越概率为50%,重现期为145年;但最大设计地震的边界条件较为模糊、笼统。ICOLD (1989)-selecting seismic parameters for large dams,Guidelines,普遍认为MDE为100年内超越概率10%,重现期为950年;在修订2010年版中,安全评价地震取代了MDE,不再采用MDE。此外,对于工程失事后可能引起严重次生灾害的大坝,MDE取为MCE。MCE可用确定性分析确定,或按地震危险性分析方法,取很长时期内超越概率为50%的地震。安全评价地震的重现期未明确,但大多选用10 000年;要求建筑物结构损坏是可接受的,水库不能出现无法控制的洪水;代表最大荷载的极限状态。对于临时导流建筑物,在设计周期(design life)内,CE的超越概率选取10%,也可选用设计洪水;但在2010年版国际大坝委员会导则中,未明确CE重现期。

在法国的标准“Congres Francais des Grands Barrages”(2010)中,安全评价地震为在100年内超越概率1.98%,重现期为5 000年;而基本运行地震为在100年内超越概率为50%,重现期为200年。

6.3　地震参数确定采用方法

在国内,一般情况下,中小型水利水电工程大坝地震动参数可直接依据国家地震局正式发布的《中国地震动峰值加速度区划图》;但对于大型水工建筑物,均按照规范要求进行场地地震安全性专题评价,进而确定地震参数。

在ICOLD导则中,重要建筑物SEE可选取MCE或MDE,通常选取较为保守参数。SEE可采取概率分析法和(或)确定性分析法估算,MCE依据确定性分析法估算;MDE依据概率分析法估算。MDE、DBE、OBE和 CE一般采用概率分析法估算,但也可采取确定性分析法估算。

在EM规范中,MCE通常采用确定性分析方法估算,MDE可采用确定性方法或概率分析法估算,OBE一般采取概率分析法估计。

由于各成员国地震灾害和震源特性差异,欧洲Eurocode 8 EN1998-1将地震作用作为基本条款提出,各个国家规定不同地震参数(Nationally Determined Parameters,简称NDP),并可在相关附录(National Annexes)中得到确认或修改。

6.4　地震烈度与地震危险性

目前,世界各国采用地震烈度划分标准不尽相同,而发达国家或部分发展中国家,水利水电工程抗震设计中,地震加速度逐步取代了地震烈度,在抗震设计工作中,地震烈度作用逐步降低,不再采用,而采用加速度。

世界各地对于地震灾害危险性等级的划分还不很统一,等级大多划分为4或5个等级,每个等级划分标准不完全一致,且含义亦不尽一致;有些标准最低等级定义为低,有些标准最低等级定义为很低、非常低等;而最高等级定义为高、很高、极高、非常高,术语较为混乱;每个等级代码不一致,有些采用小写数字,有些大写数字,有些为字母或数字与字母组合,还有部分没有代码;划分依据基本是一致的,即采用加速度,但EM 1110-2-1902采用地震系数(seismic coefficient,ψ=ah/g,ah为水平加速度)[12],巴基斯坦未采用定量指标,仅定性描述;此外,每个等级划分标准差别较大。

6.5　地震参数选取

据马丁·维兰德(Martin Wieland)发表的论文“修订的国际大坝委员会大坝地震设计和运行标准”(ICOLD’s revised seismic design and performance criteria for large storage dams)和其在2012年葡萄牙里斯本举行的第15届世界地震工程大会提交的论文“大坝地震设计和运行标准”(seismic design and performance criteria for large storage dams),MCE采用确定性分析法,依据ICOLD(2010),MCE地震参数选取84%分位值,即平均值加一个标准差。高坝MDE重现期为10 000年,而潜在地震危险性小或有限的大坝,其重现期可采用较短时间;MDE采用概率分析法确定,依据ICOLD(2010),MDE取平均值。SEE可选用概率分析法或确定性分析法确定,如SEE采用MCE,而MCE采用确定性分析法确定,地震参数选取84%分位值,即平均值加一个标准差;如SEE选用MDE,而MDE采用概率分析法确定,地震参数通常选取平均值。此外,高坝SEE可选取MCE或 MDE,通常选取较为保守参数,如无法确定MCE,则SEE不能小于MDE。重现期475年的DBE为附属建筑物参照设计地震,采取概率分析法确定,并取平均值,需要注意的是,DBE重现期应依据桥梁和建筑物的抗震规范确定。据ICOLD(2010),OBE基准期为100年超越概率为50%,重现期为145年;OBE采取概率分析法确定,并取平均值。CE用于临时建筑物设计,估算方法差别较大,对于临时导流建筑物,在其设计期限内,超越概率假定为10%,也可选取设计洪水。而MDE、DBE、OBE和 CE通常采用概率分析法确定,并选取平均值,MCE采用确定性分析法,即84%保证率相应数值(84 percentile values);此外,MDE、DBE、OBE和 CE也可以采用确定性分析法确定。

另据ICOLD Bulletin 72(2010版),对失事后果严重或极严重的大坝,如选用确定性分析法估算地震参数,SEE应取84%保证率相应数值,且如采用概率分析法平均年超越概率(AEP)不能<1/10 000。对于失事后果中等的大坝,如选用确定性分析法估算地震参数,SEE应取50%～84%保证率相应数值,且如采用概率分析法平均年超越概率不能<1/3 000。对于失事后果较小的大坝,如选用确定性分析法估算地震参数,SEE应取50%保证率相应数值,且如采用概率分析法平均年超越概率不能<1/1 000。此外,建议峰值垂直加速度通常为峰值水平加速度2/3。

由此可见,在ICOLD导则中,地震参数选取较为明确,在世界各国的相应地震标准或规范中,也基本遵循这样原则,并且在工程实践中,基本也是这样执行的。

位于欠发达国家的水利水电工程,尚无可利用的国家权威部门发布的地震动参数国家标准,水利水电工程的地震动参数需进行地震危险性评价工作,进而确定场地的地震动参数,提供设计采用;此外,即使有可利用的地震动参数标准,但其具有相应的适应条件,大型或特大型水利水电工程,也需要进行场地地震危险性专题评估,确定针对具体大型工程和场地条件的地震动参数;在国际水利水电工程场地地震危险性评估领域,一般主要采用确定性分析法和概率分析法分别确定地震参数,然后依据实际条件提供推荐参数或由设计选用相应的地震参数;在确定设计地震参数时,有时两种方法分析获得的地震参数差别较大,通常采用较为保守的地震参数提供设计选用,这一点得到普遍认可。

7　结论与建议

(1)各国地震和构造背景差别很大,地震活动性差异亦较大,总的来看,国际大坝委员会和多数国家水利水电的工程抗震设计基本采取OBE和SEE(MDE、 MCE)两级设防标准,但有些国家或行业标准采用一级设防标准。

(2)在国际水利水电工程领域,以及国际大坝委员会有关标准,OBE重现期、基准期、超越概率等基本参数均有明确规定,而SEE、MDE、MCE的重现期、基准期、超越概率等基本参数还未完全明确、统一。

(3)对于高坝大库,在充分收集和分析工程所在国家标准或地区地震资料基础上,地震危险性专题评估是通行的做法,以便确定场地地震参数。

(4)如项目所在国的地震参数国家标准或行业标准可以利用,据此初步确定工程场地地震参数。

(5)OBE、 SEE、MDE、MCE的加速度确定方法主要有确定性分析法、概率分析法;如两种方法获得加速度差别较大,多选用较为保守地震加速度数值。

(6)目前,各国地震烈度划分标准和等级、地震危险性等级划分标准等方面还很不统一,在实际工作中需注意。

(7)国内外水利水电工程的抗震及其管理还存在明显的差别,特别是大型工程的地震场地安全性评价工作,在实际工作中宜“统筹兼顾”中不宜“照章办事”。

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