日本大坝抗震设计标准的发展历程与经验

孙阳

摘 要：国外的大坝抗震设计标准一直都是中国修订抗震设计标准的重要参考，但是对国外制定大坝抗震设计标准的历史和背景了解地并不全面，本文通过系统阐述分析日本的大坝抗震设计标准的成型、修订和完善的历程，帮助了解日本大坝抗震设计标准的变迁过程，以便得到更有价值的参考。日本非常重视地震的震损调研，积极吸取地震经验，日本的大坝抗震设计标准具有前瞻性和开拓性，制定了针对大规模地震下的大坝抗震安全评价指南，提出了大坝抗震设计的“2级地震加速度”概念。

关键词：大坝 抗震设计标准 变迁

中图分类号：TV39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0200-02

日本目前已建和在建的大坝共有2700多座，日本作为世界上遭受地震灾害最频繁的国家，在工程抗震研究方面十分重视抗震设计规范的制订和修改，同时日本针对大地震灾害的震害调查为抗震设计规范的修订提供了非常重要的资料依据，使工程抗震研究和设计得到长足的进步与发展，日本大坝的抗震设计规范的变迁也离不开大坝震害调查研究工作的帮助。通过研究日本大坝抗震设计规范的变迁历程，对我国水工程抗震设计规范的完善具有重要的参考价值。

1 日本大坝抗震设计标准的发展过程

1.1 抗震设计标准成型时期

1925年10月，物部长穂在发表了《水库重力坝的特性及其合理的设计法》，提出了多用途大坝理论，将震度系数的概念引入混凝土重力坝的设计，建议等值水平震度系数设为0.1～0.2，这里的等值水平震度是指铅直震度影响下的水平震度。该抗震设计理论在1930年建成的小牧坝得到应用，成为混凝土重力坝抗震设计的基础。

1934年物部长穂针对土石坝的抗震设计发表了《基于地震产生的动水压力确定重力坝横截面法》，提出根据坝的类型设定震度系数，其中土坝的震度系数要考虑到坝体的振动响应特性，在坝底部系数取值为0.15，坝顶部系数取值为0.2～0.3。

1957年国际大坝会议日本国内委员会制定了统一的《大坝设计标准》。这一设计标准规定按照大坝的类型和大坝所在地域属于强地震带还是弱地震带的不同，采用不同的设计震度系数。

1971年日本大坝会议制定了《大坝设计标准修订版》，主要对拱坝、混凝土重力坝以及混凝土中空重力坝、堆石坝的设计标准进行了相应的部分修改。在之前的大坝设计中假定震度均一分布，但是实际中大坝的震度是随着坝高而增加的，如图1所示，修改后的大坝设计标准更加合理。另外，这次标准修订也使强弱地震带的地域划分得到进一步的验证和修改。

1.2 形成大坝抗震设计的法律规范

1976年日本建设省制定了《河川管理施设等构造令及施行规则》（以下简称构造令），这是第一个具有法律约束力的抗震设计标准。该构造令规定，大坝横截面的最小值由既定程序步骤来确定，在大坝抗震设计方面，要考虑作用于大坝的地震惯性力给使用震度法带来的影响，当有外力作用时，根据构造令实施条例第2条规定，设计震度的下限值由坝的类型和所在地域决定，还应根据大坝的实际情况进行调整设置。

1981年10月16日日本建设省告示第1715号对构造令实施条例进行了修订，将设计震度的地域划分由2类调整为3类，调整后的设计震度如表1所示。现行的构造令是具有法律约束力的抗震设计标准，在1981年修订之后，没有再进行大的修改。

1991年，日本建设省河川局开发部监督制定了《土石坝抗震设计指南（草案）》。针对坝高100 m以下的土石坝，地震发生时要对坝体的抗滑稳定性进行研究，对假定的设计震度系数进行修正。由于传统的震度法规定的惯性力并不符合大坝实际观测的情况，必须对震度系数进行修正，在定义地震力系数时，必须考虑到地震时沿坝体高度方向上的振动响应特性和坝体各部分的地震加速度惯性力放大程度不同的问题。设置坝体地震力系数，要使用反应谱法、模态分析法和有限元分析法对坝体地震力进行预先评估，再根据堆石坝实际观测到的加速度响应记录进行确认分析。《堆石坝抗震设计指南（草案）》并不具有法律约束力，它主要被应用于设计实践中。

1.3 阪神大地震后的修订

1995年日本兵库县南部发生了M7.3级的阪神大地震，日本建设省为应对这次地震成立了“大坝抗震性能调查评估委员会”，地震后对251座坝进行了专项震害检查，大坝下游并没有发生与大坝安全性相关的损害，现行的抗震设计标准基本满足日本大坝设计的抗震安全性能要求。大坝抗震性能调查评估委员会提出的关于大坝监测系统的建议被采纳，建设省开始对日本全国范围内所管辖的包括副坝在内的大坝进行新型地震仪的安装更新，这项工作直到1999年底才全部完成。

1995年阪神大地震后，因为震级5级和6级的地方过多，导致评估地方受灾程度出现了过轻或过重的情况，为了提升救灾效率和重建工作，需要更科学细致的分级。所以从1996年10月1日起，日本气象厅将5级和6级分别细分为两级，同时取消了微震轻震之类的名称，这种分级方法沿用至今。

1995年发生的兵库县南部地震，地震最大震度达到了7级，在这之后，日本又发生了数次最大震度在6弱级别以上的地震，根据日本气象厅的有关规定，最大震度在6弱（含6弱）以上的地震被称为“大规模地震”。1995年后，大规模地震的发生频率有逐步增高的趋势，这引起了日本社会和学界的高度重视。

在这种情况下，制定专门针对大规模地震下的大坝抗震性能设计标准显然非常必要。2001年，河川局随建设省整合并入到国土交通省。2002年，国土交通省发布的 《跨土木·建筑设计基础》，针对一般结构物给出了技术标准修改的基本方向，建议根据结构的使用目的设定地震加速度等级来满足结构的抗震性能要求。在2005年3月，国土交通省河川局制定了《大规模地震的大坝抗震安全评价指南（草案）》，其主要有以下三部分的内容。

（1）定义用于大规模地震下大坝抗震性能的安全评价的地震加速度。

（2）大规模地震下评价大坝抗震性能是否安全的判断标准。

（3）大坝坝体及其附属结构的地震安全评价。

《大规模地震的大坝抗震安全评价指南（草案）》系统阐述了大坝在大规模地震下的安全评价方法，包括地震加速度评价法、地震反应分析法等，定义了用于地震加速度评价法的“2级地震加速度”概念。确定用于地震安全评价的2级地震加速度，首先要根据过去实际发生的地震情况以及大坝地基实际情况，找出可能对大坝产生最大影响的一次地震，并将这次地震命名为“假设地震”，然后在大量地震加速度记录的基础上采用一个阻尼公式来估算假设地震的2级地震加速度。

2 经验总结

日本大坝抗震设计标准的变迁，伴随着日本抗震设计标准的实际应用，从1923年的关东大地震到1995年阪神大地震，通过对大坝震害的有效调查研究，为大坝抗震设计标准的修订提供了重要参考依据。

中国的水工建筑物抗震设计标准经历过2008年汶川8.0级地震和2013年雅安7.0级地震的检验，震后调查表明，没有大坝因地震而溃坝，也没有因为水工建筑物的损坏导致次生洪水灾害，地震灾区水电工程及其主要建筑物都经受住了超出设防标准的强震的考验，现行的水工建筑物抗震设计规范标准基本满足抗震安全性的要求。但是日本不仅针对大地震灾害及时对水工程抗震设防标准进行修订，还针对可能发生的大规模地震对大坝的抗震标准进行研究优化，化被动为主动，这种前瞻性的做法值得学习借鉴。

参考文献

[1] 岩下友也.ダムの耐震設計法の変遷と現状[J].地盤工学会誌，2008，56（7）：12-15.

[2] Yoshikazu YAMAGUCHI，Toshihide KOBORI，Tadahiko SAKAMOTO.日本水坝的安全管理和地震安全评价[J].水利水电技术，2008，39（7）：103-104.

[3] 安雪晖，何世钦.日本抗震规范变迁与震害调查启示[R].汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告，2008，6.

[4]日本国土交通省河川局.大規模地震に対するダムの耐震性能照査指針（案）[Z].2005.

[5] 日本気象庁.気象庁震度階級の解説[Z].2009.

[6] 日本堆石坝耐震调查委员会.フイルダムの耐震设计指针（案）[Z].1991.

[7] 日本ダムの耐震性に関する評価検討委員会.ダムの耐震性に関する評価検討委員会報告書[R].1995.