中、美大坝防洪和抗震安全设计理念比较研究

王正发

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

据国际大坝委员会(ICOLD)大坝统计资料，截至2015年全世界已在ICOLD注册的坝高15 m以上的大坝有58 260座，这些坝及其形成的水库工程主要承担防洪、发电、灌溉、供水等兴利任务，在各国的社会经济发展中具有举足轻重的作用[1]。

大坝支撑着各种规模的水库，关系到坝下游地区人民生命财产的安全。20世纪50年代以来，法国、意大利、美国、印度和中国共有60多座大中型水库大坝失事，造成了严重的生命、财产损失。造成大坝事故的原因主要有洪水、地震、大坝年久失修、管理不善等。大坝的安全是公共安全问题，越来越受到世界各国政府、社会和人民的重视。就大坝安全设计角度而言，衡量大坝安全最关键的2个方面是防洪和抗震。

中国和美国已注册大坝数分别是23 842座和9 265座，是世界第一和第二坝工大国[1]。美国是目前世界上唯一的超级大国，经济实力雄厚，科技水平高，大坝安全设计理念先进，具有完整的设计标准体系。中国自1979年以来的30多年来实行改革开放政策，经济取得了令世人属目的成就，是正在崛起的新兴大国。20世纪90年代以来，中国进入大坝发展的高峰时期，成为世界建坝中心，无论从建坝数量、建坝规模和技术难度来说，中国都居于世界首位，在大坝安全设计方面也积累了比较丰富的经验 ，形成了比较完整的设计标准体系。中、美两国大坝防洪和抗震安全设计各有特点，因此，对其进行比较研究，有助于我们深入理解大坝安全设计理念的内涵，对完善我国大坝安全设计标准体系具有重要意义。

1 中、美大坝防洪安全设计理念比较

由于洪水发生具有随机性，受流域特性、气候条件、洪水资料等的影响，设计洪水成果存在很大的不确定性;其次，由于世界各国经济发展水平不同，对防洪安全的要求也不同，各国现行大坝防洪设计规范采用的设防标准颇不统一[2-8]。

中、美大坝防洪安全设计均是以大坝防洪标准予以保证。大坝防洪标准是指水库大坝保证自身防洪安全所必须达到的防御洪水的标准，反映水库大坝自身抵御洪水的能力。

中国现行的大坝防洪标准主要有GB 50201—2014《防洪标准》、DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》和SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》。3个标准在大坝防洪标准方面的规定是一致的。GB 50201—2014《防洪标准》是新修订的,自2015年5月1日实施。老版GB 50201—1995《防洪标准》的全部内容为强制性国家标准，而新版GB 50201—2014《防洪标准》只有特别重要的部分条文为强制性条文，相比较而言，新版GB 50201—2014《防洪标准》的强制性范围缩小了。随着新版GB 50201—2014《防洪标准》的实施，DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》和SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》正在进行修订。

中国大坝防洪标准以防御的洪水或潮水的重现期表示；对于特别重要的大坝,可采用可能最大洪水表示。防洪标准可根据防护对象的不同需要，采用设计一级或设计、校核2级。

设计洪水成果是大坝防洪安全的最终体现。在工程设计中，大坝防洪标准通常采用设计、校核2级，相应的洪水分别称为设计洪水和校核洪水。设计洪水是指给定设计频率p(%)的洪水，包括设计洪峰流量、设计洪量及设计洪水过程线，p(%)是年超越概率，与重现期T(年)互为倒数；校核洪水是指给定设计频率p(%)的洪水或可能最大洪水。

中国大坝防洪标准的确定是按其工程规模、总库容、装机容量、效益和在国民经济中的重要性先划分工程等别，再根据工程等别按永久或临时水工建筑物在工程中的重要性确定其级别，同时考虑坝型、坝高、工程地质条件以及工程失事后对下游危害等因素判定其级别是否提高一级或降低一级，最后以水工建筑物的级别和筑坝材料的类型(土石坝或混凝土坝、浆砌石坝)按山区、丘陵区和平原、滨海区分别确定水库工程建筑物的防洪标准。这种先分等别再根据工程等别分级的做法已在中国沿用了几十年，证明在工程实践中是切实可行的。

中国大坝防洪标准制定体现了以下理念：设计标准，是指当发生小于或等于该标准洪水时，应保证大坝的安全或防洪设施的正常运行；校核标准是指遇该标准相应的洪水时，采取非常运用措施，在保证大坝安全的前提下，允许次要建筑物局部或不同程度的损坏，次要防护对象受到一定的损失。对于失事后果严重的重要工程，人们都认为是不能失事的，自古以来就有“万无一失”的说法，要做到“万无一失”，其标准应不低于万年一遇。因此，从中国历次防洪标准的变化过程来看，水利水电工程的最高防洪标准定为10 000年一遇或可能最大洪水(PMF)，即把PMF与万年一遇洪水并列，反映了人们对防洪安全的合理需求。

美国现行的大坝防洪标准体系由联邦政府、各州政府和著名的机构如陆军工程师兵团(USACE)、垦务局(USBR)、大坝委员会等颁布的指南所组成，没有强制性标准。相对而言，1979年USACE建议的大坝防洪标准、2004年联邦应急管理署(FEMA)颁布的大坝防洪安全规范(联邦设计规范7509.11_0_code——美国联邦建议的溢洪道设计洪水)具有一定的代表性。USACE建议的防洪标准见表1～3；FEMA建议的防洪标准见表4。

表1 规模类别表

美国大坝防洪标准以防御的频率洪水(只用到100年一遇)或50%PMF或PMF表示。防洪标准采用设计一级。

美国大坝防洪标准是根据坝失事后对其下游的潜在灾害的大小和坝的规模(3级或4级)来选定。

表2 潜在灾害类别表

表3 建议的安全标准表

表4 FEMA建议的溢洪道设计洪水表

美国大坝防洪标准制定体现了以下理念：当发生小于或等于防洪标准洪水(设计洪水)时，应保证大坝的安全或防洪设施的正常运行；当发生大于防洪标准洪水时,在保证大坝安全的前提下，允许次要建筑物局部或不同程度的损坏，次要防护对象受到一定的损失。

从中、美大坝防洪标准的变化过程看，制定防洪标准时均遵循了以下原则：以工程失事后对政治、经济、社会和环境的影响大小为依据，影响较大的工程承担风险小一点，反之则可大一些，不顾经济代价，片面提高防洪标准和安全性是不合适的。

世界上没有绝对安全的大坝，大坝均存在失事的风险，差别仅仅是失事的风险大小而已。传统的大坝防洪安全分析认为漫坝风险主要来自超标洪水。大坝在整个运行期间抗御洪水的安全度取决于设计洪水重现期T洪水(a)和设计基准期N(a)，中、美现行大坝防洪标准的防洪安全度为:

(1)

或

R(防洪，N)=1

(2)

式中：p(年、洪水)是年超越概率，%。

2 中、美大坝抗震安全设计理念比较

由于地震发生的不确定性，以及所取得的强震记录仍属有限，各国现行大坝抗震设计规范采用的设防标准颇不统一[9-14]。

中、美大坝抗震安全设计均是以大坝抗震设防标准予以保证。大坝抗震设防标准是指水库大坝保证自身抗震安全所必须达到的抗御地震破坏的标准，反映水库大坝自身抗御地震破坏的能力。

中国现行的大坝抗震标准主要有DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》和SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》。前者是水电行业标准，后者是水利行业标准，2个标准在大坝抗震设防标准方面的规定是一致的，均是强制性行业标准。

中国大坝抗震设防标准以设计基准期内抗御的地震烈度的超越概率表示，采用一级设计标准设防。

大坝抗震设防类别应根据大坝的重要性和工程场地基本烈度确定。基本烈度是指50 a期限内一般场地条件下可能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。一般为《中国地震烈度区划图(1990)》上所标示的地震烈度值，对重大工程应通过专门的场地地震危险性评价工作确定。设计烈度是在基本烈度基础上确定的作为工程设防依据的地震烈度。大坝抗震设计的设计烈度一般采用基本烈度；工程抗震设防类别为甲类的大坝可根据其遭受强震影响的危害性在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度；凡按规范规定必须作专门的地震危险性分析的工程，其设计地震加速度代表值的概率水准，对壅水建筑物应取设计基准期100 a内超越概率P100为0.02,对非壅水建筑物应取设计基准期50 a内超越概率P50为0.10；其它特殊情况需要采用高于基本烈度的设计烈度时，应经主管部门批准；施工期的短暂状况可不与地震作用组合，空库时，如需要考虑地震作用可将设计地震加速度代表值减半进行抗震设计。

设计地震加速度和设计反应谱成果是大坝抗震安全的最终体现。中国大坝设计地震加速度须根据确定的抗震设防标准(概率水准)由专门的地震危险性分析确定。设计反应谱应根据场地类别和结构自振周期T按规范给定的设计反应谱确定。

中国大坝抗震设防标准的确定是按其工程的重要性和工程场地基本烈度，先确定工程抗震设防类别，再根据建筑物级别，按壅水和非壅水确定场地基本烈度，一般采用基本烈度作为设计烈度；同时，对于工程抗震设防类别为甲类的大坝可根据其遭受强震影响的危害性在基本烈度基础上提高度1度作为设计烈度。这种先分等别再根据建筑物级别的做法已在中国沿用了几十年，证明在工程实践中是切实可行的。

中国大坝抗震设防标准采用一级设计标准，体现了以下理念：根据现行抗震设计规范进行抗震设计的水工建筑物能抗御设计烈度地震；如有局部损坏，经一般处理后仍可正常运行。

美国现行的大坝抗震标准体系由联邦政府、各州政府和著名的机构如陆军工程师兵团(USACE)、大坝委员会等颁布的规定和指南所组成，没有强制性标准。 主要有陆军工程师兵团的ER 1110-2-1806《土木工程项目地震设计与评估》(1995)、EP 1110-2-12《碾压混凝土坝地震设计规定》(1995)、联邦应急管理署(FEMA)颁布的FEMA 65 《联邦大坝安全指南——坝的地震分析与设计》(2005)。

美国大坝抗震设防标准也是以设计基准期内抗御的地震的超越概率表示，采用两级标准，即运行基准地震(Operating Basis Earthquake，简记为 OBE)和最大设计地震(Maximum Design Earthquake，简记为MDE)或安全评估地震(Safety Evaluation Earthquake，简记为SEE)。对于特别重要的大坝,其MDE或SEE可采用最大可信地震(Maximum Credible Earthquake,简记为MCE)。

OBE，运行基准地震，通俗地理解，相当于设计标准， 是指在工程设计基准期(或设计使用寿命)内，在一个工程场址合理地可预期发生的产生地面运动的地震。OBE的相关功能要求是大坝在遭遇OBE时，其功能不受影响，在设计工况下能正常安全运行。OBE 旨在保护大坝免受经济损失或丧失服务功能。因此，OBE的概率水准可以基于经济考虑而选择。

MDE或SEE，最大设计地震或安全评估地震，通俗地理解，相当于校核标准，是指能产生对待设计或评估的大坝而言的最高级别地面运动的地震。MDE或SEE可视情况取为MCE或一个低于MCE的设计地震。在确定MDE或SEE大小时要考虑的因素是大坝的潜在灾害类别、项目功能(供水、娱乐、防洪等)的关键性和恢复运行功能需要的时间。一般情况下，MDE或SEE相关功能要求是大坝在遭遇MDE或SEE时，不能导致灾难性的事故，例如水库的不受控制的泄洪，尽管可以容忍重大损害或经济损失。如果大坝包括一个关键的供水水库，那么预期的损害应限制允许大坝水库在一个可接受的时间内恢复到正常运行状态。MDE是用来评估结构物抗震性能的，通常取对结构起控制作用的MCE；然而，如大坝失事不会产生生命损失，且假定产生的成本效益和财产损失的风险是可以接受的，那么取一个较小的地震作为MDE是可以的。

MCE，最大可信地震，是指沿一个已知断层或在一个特定的地震构造区或当前的地壳构造框架下很有可能发生的最大地震。由于场址受各种震源产生的地震影响，每一个地震均有其自身的断层机制、最大地震震级和离场址的距离，因此，一个工程场址往往有多个由不同震源产生的MCE,每个MCE都有其特定的地震动参数和反应谱形状。最终起控制作用的工程场址的MCE由确定性地震灾害分析法(Deterministic Seismic Hazard Analysis，简记为DSHA) 确定，可基于所有已知的区域的和当地的地质和地震资料通过判断确定。

设计地震动特性参数是大坝抗震安全的最终体现，主要包括地面动峰值加速度、场地反应谱和振动持续时间，由美国地质调查局定期公开发布。

美国大坝抗震设防标准采用两级设计标准，体现了以下理念：当大坝遭受OBE的地震作用时，要求大坝保持正常运行功能，所受震害轻微。在遭受最大设计地震MDE作用时，要求大坝至少保持蓄水能力，不发生溃坝但可容许大坝发生某种程度甚至严重的震害。

从中、美两国大坝抗震标准的变化过程看，制定抗震标准时均遵循了以下原则：以工程失事后对政治、经济、社会和环境的影响大小为依据，影响较大的工程承担风险小一点，反之则可大一些，不顾经济代价，片面提高抗震标准和安全性是不合适的。

现行中、美大坝抗震标准的主要区别是美国抗震标准倾向于用以风险分析为基准的方法来确定大坝的抗震概率水平。风险分析方法强调了“潜在破坏模态分析”的重要性。要求识别大坝的各种破坏模式，了解破坏发展进程中大坝特性的变化及其发生机制，了解超越峰值强度后的材料剩余强度以判定大坝破坏发展进程的快慢程度。在大坝的健康诊断与安全监测中目前已强调 了“性能指标”的内容，以便加深对破坏模态发展过程的了解并及早提出预警信号。为此，需要确定性能指标所相应的安全限值和预警限值。

大坝抗震安全的风险主要来自超标地震。大坝在整个运行期间抗御地震的安全度,用超越概率可表示为1-PN；若用设计地震的重现期T地震(a)和设计基准期N(a)表示，中、美两国现行大坝抗震标准的抗震安全度为：

(3)

或

R(抗震，N)=1

(4)

式中：PN是设计基准期内超越概率，%。

3 中、美大坝防洪和抗震安全设计理念比较结果

中、美大坝防洪标准的概率水平是以年超越概率表示，而抗震标准的概率水平是以设计基准期内的超越概率表示。尽管中、美两国大坝防洪和抗震标准的概率水平表示方式不同，但中、美两国现行大坝防洪标准的防洪安全度和大坝抗震标准的抗震安全度的计算公式是一样的。年超越概率p年(%)、设计基准期N(a)、设计基准期内超越概率PN(%)、重现期T(a)和安全度RN之间的关系为：

(5)

工程项目设计基准期取100(a)和50(a)，项目各频率防洪安全度成果见表5，项目抗震安全度成果见表6。

表5 项目各频率的防洪安全度成果表

表6 项目设计基准期内超越概率为PN(%)的抗震安全度成果表

根据概率论，项目在其设计基准期内，防洪和抗震综合安全的可靠度应为：

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)=(1-p(洪水、年))N×(1-PN)

=(1-p(洪水、年))N×(1-p(地震、年))N

(6)

或

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)

(7)

中、美防洪设计中均有可能最大洪水的概念，若从发生概率来理解，可能最大洪水应是防洪的最高级别。

中国大坝抗震设计中没有最大可信地震的概念；而美国抗震设计中有最大可信地震的概念，若从坝失事的潜在灾害大小考虑，具有与可能最大洪水相当的安全意义。

4 结 语

中、美大坝防洪和抗震安全设计标准各成体系，均能满足各自国家大坝安全设计和评估的需求。中、美大坝防洪设计分别采用二级和一级，以年超越概率表示；而中、美大坝抗震设计分别采用一级和二级，以设计基准期内的超越概率表示。设计基准期内的防洪安全和抗震安全的可靠度计算公式具有相同的形式。

中、美大坝防洪安全和抗震安全设计理念的重大差异是美国大坝防洪标准和抗震标准的确定基本达到了统一，均是以坝失事后的潜在灾害类别作为重要判据，重视风险分析。

中、美两国对大坝防洪安全和抗震安全的要求客观地反映了中、美两国综合国力的差异，防洪安全

和抗震安全设计本质上是防洪安全、抗震安全与经济之间的权衡，应与国家的经济实力相适应。防洪和抗震既不能过度，也不能失度，防洪安全和抗震安全设计必须妥善解决好安全与经济、社会、环境之间的矛盾。

参考文献:

[1] 国际大坝委员会官网，http://www.icold-cigb.org.

[2] GB50201—2014,防洪标准[S].北京：中国计划出版社,2014.

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[5] SL 252—2000,水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京：中国水利水电出版社,2000.

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[9] DL 5073—2000,水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2000.

[10] SL 203—97,水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,1997.

[11] 林皋.大坝抗震安全[D].中国工程院第三次地下工程与基础设施公共安全学术研讨会论文集，2007.

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[13] Engineer Pamphlet No. 1110-2-12," SEISMIC DESIGN PROVISIONS FOR ROLLER COMPACTED CONCRETE DAMS"[S]. Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers,30 September 1995.

[14] FEMA 65," Federal Guidelines for Dam Safety——Earthquake Analyses and Design of Dams "[S]. U.S. DEPARTMENT OF HOMELAND SECURITY, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY ,May 2005.