土石坝地震危险性分析——美国州大坝安全官员联合会最新报告



土石坝地震危险性分析
——美国州大坝安全官员联合会最新报告

美国州大坝安全官员联合会(ASDSO)2015年出版了两期简报，内容都是关于加拿大西部BC水电公司所属大坝建筑物的地震破坏情况。对BC水电公司开展的地震危险性研究及ASDSO针对抗震稳定性组织的网络研讨会进行了简要介绍。

大坝建筑物；地震；抗震稳定性；美国

根据2014年底完成的长期地震危险性研究，BC水电公司提出了加拿大不列颠哥伦比亚省主要大坝加固计划。研究表明，温哥华(Vancouver)岛和布里奇(Bridge)河水系上大坝的地震风险较高，而其他重点流域大坝建筑物的地震危险性不高，皮斯(Peace)河和哥伦比亚(Columbia)河水系所面临的地震风险比以往要低或处于相同水平，地势较低的平原地区大坝的地震风险与以往相同。

美国州大坝安全官员联合会(ASDSO)将土石坝地震危险性作为关注重点。美国一家组织最新一期网络研讨会也将地震稳定性评价作为主要内容，包括抗震性能和各类评估方法，如土壤特性、液化、循环软化、变形和稳定性分析等。在讨论诸如场地特征和评估方法的基本原理时，以美国加利福尼亚州的勒尼汉(Lenihan)坝和圣费尔南多(Lower San Femando)下坝这两座遭受地震损坏的大坝为例进行了详细分析。在讨论地震危险性问题时选择了密西西比州伊尼德(Enid)坝。

1 地震危险性与大坝抗震性

2014年底，BC水电公司公布了为期6 a的大坝地震危险性研究成果，以加拿大温哥华岛和内陆布里奇河流域为重点进行了进一步研究，并编制了投资计划，对危险性高的大坝进行加固。

BC水电公司的报告显示，内陆低海拔地区的地震危害性并不大，相应的分析也得出了同样的结果。而皮斯河和哥伦比亚河上大坝的地震危险性甚至比之前计算的还要小。

BC水电公司称，这项研究是多年来不同领域专家共同打造的精品之作，包括地震学家、物理学家和地质学家。通过分析不列颠哥伦比亚省及其临近地区记录的历史地震事件，旨在确定地震热点，建立预测模型，评估大坝和附属建筑物区地震引起的地面运动水平。

在2015年底地震研究报告发布会上，BC水电公司表示“就预测地震灾害而言，报告中所使用的研究方法是目前最先进的计算模型”，并声称这是北美水电行业首次采用该模型。

BC水电公司发电业务执行副总裁奥里莱表示，这一新的计算模型证明该省大坝地震危险性状况一直没有改变，公司已经制订了最新行动计划来应对温哥华岛地震灾害增加的情况。

在内陆布里奇河流域，正在进行一项旨在评估太沙基(Terzaghi)坝现状的研究。BC水电公司表示，在未来的计划中将优先开展塞顿(Seton)坝的研究，而为了降低拉乔伊(La Joie)坝峰值水平的研究计划已经实施。

在未来9～10a内，BC水电公司计划投资约19亿加元，用于提升大坝的抗震安全性。正在进行的工程包括溢洪闸升级改造，投资近 7.5亿加元的拉斯金(Ruskin)坝和厂房将在2017年完工。

之前开展的工作包括埃尔西(Elsie)坝、科奎特勒姆(Coquitlam)坝和斯特拉斯考纳(Strathcona)坝进水塔的升级改造，其中科奎特勒姆坝项目规模最大，耗资6 500万加元，包括在现有建筑物下游新建土石坝，这项工程已于2008年完工。

此外，BC水电公司还投资输配电系统抗震性能的升级改造，主要工程包括已完工的耗资 1.7亿加元的温哥华市中央输电系统、即将开工的温哥华市中心加固工程、温哥华岛电网和变电站工程。

2 温哥华岛上大坝的抗震安全性

温哥华岛是不列颠哥伦比亚省的地震活动强烈区， 岛上主要发育坎贝尔(Campbell)河和约旦(Jordan)河水系。 BC水电公司开展的地震敏感性研究表明， 约旦河流域的地震危害性是坎贝尔河流域的两倍。 在新修订的温哥华岛地震活动计划中， 考虑了近几年发生的地震， 奥里莱最近表示， 计划在未来10 a内投资7亿加元用于提升大坝的抗震安全性。

2.1 坎贝尔河水系

正在针对坎贝尔河水系制定约翰哈特(John Hart)坝和拉得尔(Ladore)坝的升级改造计划，已提交斯特拉斯考纳坝的计划，针对科莫克斯(Comox)坝、埃尔西(Elsie)坝和蓬特莱吉(Puntledge)坝的研究工作也在计划中。

在约翰哈特电站，一项耗资11亿加元的电厂重建项目正在进行，2014年底开工，旨在提高地震安全性和电力可靠性。大坝的升级改造也是该工程的一部分，已先行实施。

同样，现场进水塔工程完工后，对斯特拉斯考纳坝进行了抗震性能研究。应对埃尔西坝坝址抗震性进行进一步研究，从而确定投资方向。

2.2 约旦河水系

BC水电公司早在20世纪90年代早期就开始对约旦河坝进行升级改造。最新的地震研究显示，约旦河坝距卡斯卡迪亚(Cascadia)断层约40 km，最近发生的里氏8到9级大地震引起的地面运动要比预想的强烈得多。

BC水电公司指出，这项新的研究表明，为了提高抗震稳定性，更进一步的升级改造或重建是有必要的。

然而，该公司“并不确信”升级改造在技术上是否可行，上游的埃利奥特(Ellio)坝也需要进行升级，而且在技术上是可行的。

BC水电公司计划与约旦河当地居民和官员进行讨论，评估这项研究成果，同时还要讨论“大地震导致大坝破坏”的避险措施。

3 抗震稳定性网络研讨会

2015年ASDSO组织了土石坝抗震分析网络研讨会，其主题主要集中在两方面，一是性能、特性和评价方法，二是稳定性和变形。

3.1 性能、特性和评价方法

首位发言者R.阿姆斯特朗列出了在地震加速度作用下土石坝的主要破坏模式，包括断层引起的开裂、可能导致漫顶的坝体脱坡和沉降、侧向剪切变形、相邻层刚度差异导致的开裂、坝肩或进水塔垮塌导致的输水渠堵塞等。

他简要回顾了美国历史上地震引起的溃坝事件，包括1906年圣安德列斯(San Andreas)坝、1925年谢菲尔德(Sheffield)坝、1971年和1994年圣费尔南多下坝以及1989年奥地利(Austrian)坝。然而，大部分建造质量良好的坝都经受住了地震考验，但由于大坝失稳会产生严重后果，需要在震后对大坝结构进行稳定性分析。

探索地震对土石坝产生破坏的机理，涉及地震波在坝体中的传播以及坝体和坝基抗剪强度的降低。对砂土和粘性土，动态抗剪强度的研究方法不同，地震导致砂土产生液化，而粘性土则在循环动荷载作用下发生软化。

关键问题是选择合适的评价方法，首先需要确定坝体、坝基是粗粒土还是细粒土主导。由于没有绝对、简单和通用的定义，结合大多数研究结果，一般认为，细颗粒含量15%～50%的土定义为由细粒土主导的土，确定细粒土动态剪应力采用循环软化评价法。确定土的可塑性有助于选择最佳评价方法。

对粗粒含量较多的土，液化分析是更直接的评价方法，尽管实施原位测试有一定难度。循环动荷载软化评价也可以采用原位测试，但室内试验也是有效的方法。

在网络研讨会上讨论各评价方法时，R.阿姆斯特朗详细介绍了对各种概化模型所建立的不同评价方法以及各种修正系数，并分析了垂直有效应力增加对抗循环动荷载软化的影响。

R.阿姆斯特朗还回顾了在坝址区获取关键原始数据的地面调查手段和有关试验方法。他盛赞贝克尔贯入试验(BPT，类似于标准贯入试验，广泛应用于北美地区)。这一孔内测试方法的最新进展，解释了锤击能量向贯入器端部传递的机理。相关研究与开发由加州大学戴维斯(UC Davis)分校主导，洛杉矶水电局资助。

阿姆斯特朗总结出如下几点：

(1) 为查明地震对土石坝造成的破坏，应重点对坝顶位移、裂缝、旋转滑移和侧向扩张进行观测；

(2) 确定最合适的评价方法和土的动态抗剪强度非常重要；

(3) 液化评价建立在原位标准贯入试验经验公式的基础上；

(4) 循环动荷载软化评价的关键是通过原位测试或室内试验确定不排水抗剪强度。

3.2 坝体稳定性与变形

变形直接关系到土石坝的安全运行，而坝体结构的抗震稳定性取决于变形。

地震中和地震后应检查坝体变形情况，需要分析的关键点是：惯性效应、由于超孔隙水压力和应变所导致的刚度和强度的降低、土体压缩导致的体积变化(非饱和、松散到中等密实的无粘性土)。

一般情况下，临界条件发生在震后，因此可以监测到变形，除非发生震后失稳。为分析变形所采用的评估方法，需要选择合适的抗剪强度，需要考虑超孔隙水压力和应变过大导致的承载力下降，以及动态剪应力引起的土体积和透水性的变化。

液化对震后抗剪强度起着重要作用。如果认为土层在特定地震中具有液化风险，那么抗剪强度就应该选取液化后的剩余抗剪强度，否则就要选取不排水抗剪强度和排水抗剪强度二者中的低值，选取的原则取决于土的类别，粘土和粉土一般选取前者。

土在动荷载作用下的特性可以通过经验方法和数值模拟(间接或直接计算)来评估，包括变形。

经验方法可以提供初步评估，并可以与详细分析结果互相映证。

间接方法包括滑块法和应变势能法。Newmark滑块法是根据地震加速度和屈服加速度差值，通过二重积分法来计算位移。每一对数值都是分别通过块体在动荷载作用下的特征曲线和极限平衡稳定分析(考虑强度降低)曲线获得的，而后建立时间关系曲线，从而可以求出地震过程中每一时刻的位移值。另外，根据土的类别，还要计算土的体积变化。

非线性分析是直接方法，当土承受的动荷载接近其强度时，其屈服或变形表现为塑性变形，通过非线性分析可以确定总应力和有效应力，不管孔隙水压力与体积应变在塑性变形阶段是否耦合。非线性分析主要涉及4种应力应变模型，最简单的是线弹塑性模型(如摩尔-库伦模型)，双曲弹塑性模型、多重嵌套屈服面模型和边界亚塑性模型则比较复杂。

在案例分析中，多重嵌套屈服面模型用来评估勒尼汉坝的总应力，该坝在1989年洛马·普雷塔(Loma Prieta)大地震中受到损坏，模型模拟坝顶位移效果良好。1971年圣费尔南多地震对圣费尔南多下坝影响的分析表明，液化影响了上游坝壳的稳定性。分析中采用了相对简单的非耦合摩尔-库伦模型与双曲弹塑性模型，重点分析坝体在动荷载作用下不同土层的强度。总体而言，数值模拟提供了符合实际情况的分析方法，每种方法所预测的液化区域基本相同。

伊尼德坝特别长，但高度有限，临近新马德里(New Madrid)断裂带，地表地质调查表明，在循环动荷载作用下建筑物可能同时面临软化和液化问题。沿大坝选择众多断面进行了多重时间历程分析，结果表明，最大设计地震(震级 7.6，震中距145 km，地震加速度 0.19 g)条件下潜在位移不足以造成大坝失稳。

总而言之，包括非线性分析方法在内的评估方法，为研究变形提供了强有力的工具，但所有的工作都需要经验丰富的工程师进行调整，实际工作中必须注意这一点。

杨家凯 马贵生 译

(编辑：朱晓红)

2017-03-01

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