基于性能的高土石坝抗震风险分析

王　琪,朱　晟,冯燕明

(1.水电水利规划设计总院,北京100120；2.河海大学水利水电学院,江苏南京210098；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明650051)



基于性能的高土石坝抗震风险分析

王琪1,朱晟2,冯燕明3

(1.水电水利规划设计总院,北京100120；2.河海大学水利水电学院,江苏南京210098；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明650051)

摘要：在总结世界各国大坝抗震设防标准的基础上,建立了基于性能的高土石坝抗震风险分析模型。根据大坝地震危险性分析,确定了基于性能的地震动输入标准及地震峰值加速度的概率分布形式,建立地震作用下高土石坝常见破损模式(坝坡稳定和永久变形)的结构易损性模型；结合震后损失建议了高土石坝抗震风险评价矩阵。

关键词：高土石坝；风险分析；地震危险性；结构易损性；评价标准

0引言

在强震区修筑高土石坝面临着巨大的挑战,如果高坝因遭遇地震而出现险情,将会危及下游生命财产安全及社会环境等。合理确定土石坝的抗震设防标准、研究土石坝地震作用下的破坏形式与破坏机理,将抗震设防标准与相应的性能相结合,进而指导土石坝的抗震实践,是当前坝工界亟需解决的重大关键技术问题之一。世界上经历强震考验的高坝较少,迄今尚无高土石坝因地震作用而溃决的报道。

目前,我国大坝风险分析的研究工作尚处于起步阶段,吴世伟[1]对工程可靠度进行了研究,提出了研究结构风险的构思；沈怀志等[2- 4]对混凝土坝进行了基于功能抗震风险分析研究,提出了一种在不同震级作用下高坝震害损失的计算方法,探讨了发电经济功能下的高拱坝建设方案的风险决策问题；贾超[5]总结了高坝风险分析的事件树法,明确系统的变化过程,进而找出预防事故发生的途径,建立了因损伤水平的不同而造成使用功能不能充分发挥带来的结构损失风险分析模型。本文拟针对高土石坝的抗震风险问题进行研究。

1基于性能的土石坝抗震设防标准

由于坝工界对大坝抗震能力认识存在差异[6],且各国地震地质构造也不相同,故采用的抗震设计规范中对地震荷载参数的选取也有较大差别。国际大坝委员会(ICOLD)推荐大坝按两级设防[7-9]：运行基本地震(OperatingBasisEarthquake,OBE)和最大设计地震(MaximumDesignEarthquake,MDE),并将坝址区可能发生的最大地震定义为最大可信地震(MaximumCredibleEarthquake,MCE)。尽管不同国家、不同部门规定的大坝抗震控制标准不同,但关于大坝抗震设防的原则基本一致,即,在OBE作用下,不发生持续、严重破坏,保障大坝不做额外修复工作仍旧能够继续正常运行；在MDE作用下,将失事风险控制在一个可以接受的范围内,防渗体和坝基不产生贯穿性裂缝,不发生库水漫顶等灾难性破坏。

根据《汶川地震灾区水电工程震损调查及工程抗震复核》[10],结合土石坝坝体及相关设施的外观形态、功能完整性和修复难易程度,将土石坝震害等级初步分为5级,见表1。

表1土石坝震害等级划分标准

震害等级外观形态运行功能特征修复难易程度未震损完好正常直接可用震损轻微保持完好基本正常,仅需简单维修、维护,就可投入使用短时间内即可修复使用震损较重局部震损需限制使用条件1年之内可修复使用震损严重损坏严重基本丧失,但具备修复可能3年之内可修复使用损毁毁坏功能完全丧失,不具备修复可能无法修复,需要重建

在研究选取抗震性能指标时,在不溃坝的情况下,对应表1中土石坝震害等级,选定不同的设防标准见表2。

表2基于性能的土石坝抗震设防标准

抗震性能指标等级状态抗震设防标准输入地震基岩输入加速度震损程度B1中震不坏OBE50年超越概率10%未震损或震损轻微B2大震可修MDE100年超越概率2%震损较重B3极震不倒MCE100年超越概率1%震损严重B4———溃坝

2高土石坝抗震风险分析模型

根据风险定义,地震后结构失效概率是地震危险性分析成果和结构易损性概率的函数

(1)

2.1地震危险性分析

在大坝的抗震分析中,通常用场地的峰值加速度表征地震特性,高小旺等[12-14]认为场地峰值加速度服从极值Ⅱ型概率分布,其累计概率分布函数为

(2)

式中,ag为众值加速度,取一定时期内超越概率为63.2%的峰值加速度；K为形状参数。ag和K可根据工程地震危险性分析资料给出的不同超越概率峰值加速度数据,进行最小二乘法拟合求得。

对式(2)求导,可得到地震峰值加速度的概率密度函数,即

(3)

2.2土石坝结构抗震易损性分析

基于性能的大坝结构抗震易损性分析,是研究不同概率水平的地震峰值加速度作用下,结构发生各级破损的概率。易损性分析主要包括：①结构破损等级临界指标的确定；②对每一种破损等级的临界状态,输入不同地震波进行计算,获得达到临界状态的地震峰值加速度,进行概率分析；③拟合概率曲线,得到易损性函数[2,15]

(4)

式中,α、β、δ、μ为拟合系数。

对于土石坝而言,可选择坝坡抗滑稳定安全系数和震后永久变形作为结构破损评价指标。进行可靠性分析时,选择坝料力学特性参数(粘聚力C和摩擦角φ)作为随机变量,研究表明这两个随机参数均符合正态分布,可采用蒙特卡罗法提取样本构造随机数,对大坝进行坝坡抗滑稳定及有限元计算：①坝坡稳定。输入不同设防标准下的地震加速度,用拟静力法进行坝坡抗滑稳定计算,得到不同抗震性能下的最小安全系数；根据不同破损标准的坝坡动力抗滑稳定安全系数,输入不同地震加速度得到达到临界状态的时各加速度对应的破坏概率,即地震反应谱加速度易损性曲线,然后拟合得到易损性概率函数。②永久变形。通过静动力有限元计算土石坝永久变形,确定达到各级破损状态的临界竖向永久变形值,进而计算不同破损等级的结构失事概率,得到结构的地震易损性曲线,建立易损性函数。

假定土石坝坝坡失稳和过大永久变形结构破坏2种破损模式是相互独立事件,即出现一种险情就将对大坝安全造成威胁,则按照串联系统计算大坝综合失事概率为

(1-Pf(D))

(5)

式中,Pf(S)为坝坡失稳概率；Pf(D)为坝体永久变形的失事概率。

2.3震后损失分析

大坝遭受地震破坏的后果,应考虑人员伤亡、经济损失和社会环境影响3个方面。我国对于土石坝的抗震设防本着“以人为本”的原则设计,要求“极震不倒”,力求将人的生命损失降低到最低,故本模型未考虑人员伤亡。

地震后,水利水电工程的经济损失由直接经济损失、间接经济损失和救灾直接投入费用构成。大坝结构由于地震导致的破损,属于坝体在地震中的直接经济损失,可用震后维修加固费用衡量；由地震造成的蓄水发电、供水等功能受损属于间接经济损失,可以用发电效益减损、供水等造成的经济损失来估算；地震救灾直接投入费用按实际投入确定,也可以根据需要按直接经济损失进行初步估计。

C=Cd+Ci+Cs

(6)

式中,C为总经济损失；Cd为直接经济损失；Ci为间接经济损失；Cs为救灾直接投入费用。经济损失计算方法为：①直接经济损失。Cd可以用Cd=αC0进行估算,其中,α为损失比系数,取值可参考文献[16]；C0为工程造价。②间接经济损失。主要指由于大坝结构破坏造成的功能损失,考虑工程的水力发电功能,Ci可以用Ci=βW进行估算,其中,β为间接损失系数,可依据工程的震损程度选取,基本完好可直接使用,可认为无间接损失,取β=0；轻微震损可在短时间内修复,认为一个季度可修复,占年均生产效益的1/4,β=0.25；较重震损情况在一年内可修复使用,可取β=1；严重震损3年内修复使用,β>1。W为水电站正常运行时多年平均年发电效益,可用多年平均发电量乘以平均电价计算。③救灾直接投入费用。在无法得到确切投入费用时,可按Cs=γCd估计,其中,γ为经验系数,选取可参考文献[17]。

震损评估还包括社会与环境影响评估,但是由于社会环境影响涉及面及其广泛,包含社会政治因素、人的心理因素、河道生态环境、人文景观等多方面因素,比较复杂。目前国际上对此研究尚不成熟,也尚未制定关于社会与环境影响的风险标准。我国对社会与环境影响风险仅做了初步探讨,《中华人民共和国环境影响评价法》将建设项目对环境的影响程度,划分成重大、轻度、小影响3类,要求对建设项目的环境影响评价实行分类管理,但是尚无定论何种影响状态属于何等影响程度。由于地震作用造成的环境破坏可以通过相应治理使其修复,因此对社会环境的损失评估亦可以从经济角度考虑,将其划归到经济损失评估中。

3高土石坝抗震风险评价标准

3.1大坝结构抗震易损性评价标准

大坝结构抗震易损性描述了在不同地震荷载作用下坝体发生的破坏概率。Vick和J.Barneich、美国垦务局、澳大利亚大坝委员会等[18]根据经验提出了几种判别标准；李雷等[18]结合多年对水库大坝的安全鉴定工作,提出了结合我国具体情况的定性描述与定量概率转换关系；《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南(试行)》、《城市轨道交通工程风险评估指南(征求意见稿)》划分了风险事件发生可能性等级。

根据我国水利水电工程建设及社会经济发展现状,周建平等[19]建议我国大中型水库大坝年失事率取1.0×10-3/a,参照澳大利亚的风险标准制定原则,以年失事率的10%作为可容忍风险,以失事率的1%作为可接受风险。高土石坝的基准使用期为100a,故年失事率转化为失事概率后,失事概率小于0.01是可接受的,超过0.1是不可容忍的。

参考各国各领域关于破坏概率等级的研究成果,将大坝抗震易损性等级按结构失事概率划分为5级,拟定大坝抗震易损性等级划分标准见表3。

表3大坝抗震易损性等级划分标准

可能性等级定量判断标准定性判断标准风险承受水平1Pf<0.0001几乎不可能20.0001≤Pf<0.01不太可能可接受30.01≤Pf<0.1可能可容忍40.1≤Pf<0.5很可能50.5≤Pf<1非常可能不可容忍

3.2震后损失评价标准

大坝的地震经济损失与工程造价和震后破损程度有关,由于工程的规模造价不同,震损程度与经济损失并无直接的线性对应关系,另外,经济损失还与地区经济发展水平和国民经济风险接受能力有关。根据《生产安全事故报告和调查处理条例》、《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》、《企业职工伤亡事故经济损失统计标准》等,结合我国现有国情和水库大坝规模,建议将高土石坝地震直接经济损失划分为5个等级,其中,小于500万元是可接受的,超过1亿元是不可容忍的,建议划分标准见表4。

表4高土石坝地震经济损失等级标准

震损等级后果描述直接经济损失判断标准风险承受水平A轻微500万元以下可接受B较轻500万～1000万元C中等1000万～5000万元D严重5000万～1亿元可容忍E灾难1亿元以上不可容忍

3.3建议高土石坝抗震风险评价矩阵

根据风险事件发生可能性和风险损失建立,如表5所示的风险评价矩阵,建议高土石坝的抗震风险等级分为3级：Ⅰ为可接受的低风险,需加强管理保持控制风险在可接受范围内；Ⅱ为警告级的可容忍中等风险,需制定风险削减措施降低风险；Ⅲ为不可容忍的高危风险,需要纳入目标管理或制定风险管理方案。

表5高土石坝的抗震风险评价矩阵

损失等级可能性等级ABCDE轻微较轻中等严重灾难性1几乎不可能ⅠⅠⅠⅠⅠ2不太可能ⅠⅠⅡⅡⅡ3可能ⅡⅡⅡⅢⅢ4很可能ⅡⅡⅢⅢⅢ5非常可能ⅢⅢⅢⅢⅢ

4结语

依据抗震设防标准,建立了高土石坝地震风险分析模型,将大坝抗震性能与地震后结构发生破坏的可能性以及震后损失联系在一起,评价结果可为工程进行风险管理提供客观依据。高土石坝抗震风险管理是一个长期动态循环的过程,针对不同的风险等级进行风险控制,制定相应的应急预案,可为高土石坝的安全运行提供有力保障。

参考文献：

[1]吴世伟. 结构可靠度分析[M]. 北京： 人民交通出版社, 1990.

[2]沈怀至. 基于性能的混凝土坝-地基系统地震破损分析与风险评价[D]. 北京： 清华大学, 2007.

[3]金峰, 贾超, 王品江, 等. 基于功能的高坝建设方案的风险决策研究[J]. 岩土力学, 2006(8)： 1421- 1424.

[4]沈怀至, 金峰, 张楚汉. 基于功能的混凝土重力坝抗震风险模型研究[J]. 岩土力学, 2008(12)： 3323- 3328.

[5]贾超, 李新群. 高坝风险分析的事件树法[J]. 水力发电, 2006, 32(8)： 71- 74.

[6]万宗礼. 国内外水坝设计中地震研究的差异[J]. 西北水电, 2003(4)： 52- 56.

[7]维兰德M.,胡云鹤. 地震与大坝安全[J]. 水利水电快报, 2011(2)： 33- 35.

[8]WIELANDM.ReviewofSeismicDesignCriteriaofLargeConcreteandEmbankmentDams[C]//73rdAnnualMeetingofICOLD,Tehran, 2005.

[9]VWIELANDM.LargeDamstheFirstStructuresDesignedSystematicallyAgainstEarthquakes[C]//14thWorldConferenceonEarthquakeEngineering,Beijing,China, 2008.

[10]水电水利规划设计总院. 汶川地震灾区水电工程震损调查及工程抗震复核[R]. 北京： 水电水利规划设计总院, 2008.

[11]中国地震局地震预测研究所. 四川省岷江紫坪铺水利枢纽工程场地地震安全性评价复核报告[R]. 北京： 中国地震局地震预测研究所, 2009.

[12]高小旺, 鲍霭斌. 用概率方法确定抗震设防标准[J]. 建筑结构学报, 1986(2)： 55- 63.

[13]高小旺, 鲍霭斌. 地震作用的概率模型及其统计参数[J]. 地震工程与工程振动, 1985, 5(1):13- 22.

[14]高小旺, 魏琏, 韦承基. 以概率为基础的抗震设防方法若干问题[J]. 世界地震工程, 1986(3)：17- 21.

[15]王笃波, 刘汉龙, 于陶. 基于变形的土石坝地震风险分析[J]. 岩土力学, 2012, 33(5)： 1479- 1485.

[16]苏燕, 武甲中. 软土地基堤防工程地震风险评价研究[J]. 福州大学学报： 自然科学版, 2011(1)： 129- 136.

[17]GB/T18208.4—2005地震现场工作第4部分-灾害直接损失评估[S].

[18]李雷, 王仁钟, 盛金保, 等. 大坝风险评价与风险管理[M]. 北京： 中国水利水电出版社,2006.

[19]周建平, 杜效鹄. 我国水电站大坝溃坝生命风险标准讨论[J]. 中国水能及电气化, 2010(5)： 14- 18.

[20]赵剑明, 刘小生, 温彦锋, 等. 紫坪铺大坝汶川地震震害分析及高土石坝抗震减灾研究设想[J]. 水力发电, 2009, 35(5)： 11- 14.

[21]杜效鹄, 周建平. 水利水电工程风险及其应对思路的探讨[J]. 水力发电, 2010, 36(8)： 1- 4, 8.

(责任编辑焦雪梅)

收稿日期：2014- 01- 12

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2009BAK56B02)

作者简介：王琪(1987—)，女，山东曲阜人，工程师，硕士，主要从事科技期刊编辑和水工结构抗震风险分析方面的研究工作．

中图分类号：TV641.1；TB114.3

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)04- 0057- 04

SeismicRiskAnalysisofHighEarth-rockDamBasedonPerformance

WANGQi1,ZHUSheng2,FENGYanming3

(1.ChinaRenewableEnergyEngineeringInstitute,Beijing100120,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerElectricity,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China;3.PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,Yunnan,China)

Abstract:After analyzing dam seismic standards in the world, a seismic risk analysis model of high earth-rock dam is established based on performance. Combined with the seismic hazard analysis, the earthquake input criteria and probability distribution of peek ground acceleration are determined. The structural fragility models are established respectively for the common failure modes of dam slope instability and permanent deformation. Combining with the earthquake damage consequences, a matrix rank is suggested to evaluate the seismic risk level．

Key Words:high earth-rock dam; risk analysis; seismic hazard; structural fragility; assessment standard