Martin Wieland

水庫(kù)大壩的安全問(wèn)題和已建大壩的抗震安全性

Martin Wielanda,bCommittee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams, Paris 75116, France

a r t i c l e i n f o

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Received 7 April 2016

Revised form 29 June 2016

Accepted 24 August 2016

Available online 19 September 2016

大壩

抗震設(shè)計(jì)

地震安全性

已建壩

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

地震災(zāi)害

可持續(xù)性

使用壽命

對(duì)任何蓄水大壩工程的基本性能要求都是安全性，它包括以下安全要素：①結(jié)構(gòu)安全性；②大壩安全監(jiān)控；③運(yùn)行安全和維護(hù)；④應(yīng)急計(jì)劃。長(zhǎng)期安全包括：首先，分析影響項(xiàng)目的所有災(zāi)害，即自然環(huán)境災(zāi)害、人造環(huán)境災(zāi)害、特定項(xiàng)目和特定場(chǎng)地災(zāi)害。本文討論的是大壩地震安全的特點(diǎn)。大壩是自20世紀(jì)30年代以來(lái)最早開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)性抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑物，但由于多數(shù)大壩設(shè)計(jì)采用的是現(xiàn)今認(rèn)為已過(guò)時(shí)的地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)分析方法，因此無(wú)法了解那些老壩的地震安全性。因此，需要基于當(dāng)前最新做法，重新評(píng)估已建壩的地震安全性，并改造有缺陷的大壩。通常建議對(duì)大壩進(jìn)行特定場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性分析。當(dāng)前的大壩以及用于控制強(qiáng)震后水庫(kù)安全的設(shè)施必須能承受安全評(píng)估地震的地面運(yùn)動(dòng)。地震動(dòng)參數(shù)可以利用概率或確定性地震危險(xiǎn)性分析確定。強(qiáng)震作用下，大壩可能發(fā)生非彈性變形，因此需要在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行地震分析。此外，地震對(duì)大壩造成的危害包括地面震動(dòng)、斷層移動(dòng)、塊體移動(dòng)等。工程師所需的地面運(yùn)動(dòng)并非實(shí)際的地震地面運(yùn)動(dòng)，而是地面運(yùn)動(dòng)模型，用以進(jìn)行大壩的抗震安全設(shè)計(jì)。同時(shí)必須牢記，在大壩較長(zhǎng)的生命周期內(nèi)，需要進(jìn)行多次大壩安全評(píng)估。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

任何結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)設(shè)施的基本性能是安全性。因此，對(duì)于蓄水大壩，關(guān)注重點(diǎn)必須是大壩的長(zhǎng)期安全性?，F(xiàn)今，大壩安全性需要一個(gè)整體的概念，包括以下要素：

(1) 結(jié)構(gòu)安全；

(2) 大壩安全監(jiān)控；

(3) 運(yùn)行安全和維護(hù)；

(4) 應(yīng)急計(jì)劃。

大壩的長(zhǎng)期安全包括：分析影響項(xiàng)目的所有災(zāi)害，即自然環(huán)境災(zāi)害、人造環(huán)境災(zāi)害、特定項(xiàng)目和特定場(chǎng)地災(zāi)害。由于現(xiàn)今大壩的結(jié)構(gòu)安全性通常受地震荷載狀況控制，因此，我們主要討論大壩地震安全特性。

對(duì)于大壩，通常建議進(jìn)行特定場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性分析，而這些分析是由地震學(xué)家進(jìn)行的。重要的是，大壩工程師作為地震災(zāi)害分析結(jié)果的最終用戶，清楚規(guī)定了大壩工程所需的地震安全概念，但這是地震學(xué)家不熟悉的。當(dāng)前的大壩和用于控制震后水庫(kù)安全的相關(guān)設(shè)施(如溢洪道閘門(mén)和底部泄水孔閘門(mén))必須能夠承受安全評(píng)估地震(SEE)工況。SEE地震動(dòng)參數(shù)可以通過(guò)基于概率方法的地震危險(xiǎn)性分析，或考慮最不利地震情形的確定性分析方法確定。SEE期間，大壩可能發(fā)生非彈性變形，因此需要在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行地震分析。一般情況下，可由地震學(xué)家提供反應(yīng)譜或一致概率反應(yīng)譜作為其地震災(zāi)害研究結(jié)果，但是對(duì)于大壩的非彈性分析則需要加速度時(shí)程。此外，地震對(duì)大壩的危害包括：地面震動(dòng)、斷層移動(dòng)、塊體移動(dòng)及其他對(duì)特定工程和特定場(chǎng)地的影響。同時(shí)也需要考慮水庫(kù)觸發(fā)地震活動(dòng)(RTS)。

大壩工程師所需的地面運(yùn)動(dòng)(加速度時(shí)間歷程)并非實(shí)際的地震地面運(yùn)動(dòng)，而是地面運(yùn)動(dòng)模型，它將用于大壩安全設(shè)計(jì)。

同時(shí)必須牢記，在大壩較長(zhǎng)的生命周期內(nèi)，需進(jìn)行多次大壩安全評(píng)估。

大壩地震分析和設(shè)計(jì)的最新實(shí)踐記錄在國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)針對(duì)大壩地震設(shè)計(jì)編制的技術(shù)公報(bào)和導(dǎo)則[1–5]中，即

(1) 公報(bào)112，新構(gòu)造學(xué)與大壩[1]；

(2) 公報(bào)120，有效抵抗地震地面運(yùn)動(dòng)的大壩設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]；

(3) 公報(bào)123，大壩附屬結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估[3]；

(4) 公報(bào)137，水庫(kù)和地震活動(dòng)狀態(tài)知識(shí)[4]；

(5) 公報(bào)148，大型壩地震動(dòng)參數(shù)選擇[5]。

公報(bào)112和137分別與建于斷層上的大壩和水庫(kù)觸發(fā)地震相關(guān)，即大壩地震災(zāi)害的特點(diǎn)。公報(bào)120和121提供在強(qiáng)震期間表現(xiàn)良好的大壩抗震設(shè)計(jì)概念和抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的相關(guān)導(dǎo)則。公報(bào)148提供大壩、相關(guān)安全設(shè)施和附屬結(jié)構(gòu)的最新地震設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

相關(guān)安全設(shè)施是指溢洪道閘門(mén)和底部泄水孔，其在地震后必須發(fā)揮作用，以便控制水庫(kù)水位，并在大壩損壞的情況下，降低水庫(kù)水位，以便對(duì)大壩進(jìn)行修復(fù)和(或)加固。

本文基于國(guó)際大壩委員會(huì)大壩抗震專委會(huì)針對(duì)大壩設(shè)計(jì)編制的出版物[1–5]和作者已發(fā)表的論文[6–9]，提供關(guān)于地震災(zāi)害、地震設(shè)計(jì)、性能標(biāo)準(zhǔn)、已建壩地震安全和大壩的可持續(xù)性的概況。

2.地震災(zāi)害

地震災(zāi)害屬于多元性災(zāi)害，包括針對(duì)大壩的以下主要災(zāi)害[9]：

(1) 地面震動(dòng)；

(2) 壩基沿?cái)鄬踊虿贿B續(xù)面錯(cuò)動(dòng)；

(3) 塊體移動(dòng)進(jìn)入水庫(kù)，形成沖擊波，致使水庫(kù)水位上升、輸電線路受損、道路堵塞等；

(4) 特定項(xiàng)目和特定場(chǎng)地災(zāi)害(如地面變形、滲漏、液化等)。

地面震動(dòng)通常被視為主要的地震災(zāi)害。但是，混凝土壩的壩基移動(dòng)比地面震動(dòng)更加危險(xiǎn)，因?yàn)槿魏我苿?dòng)將導(dǎo)致高度超靜定的拱壩，產(chǎn)生復(fù)雜且無(wú)法用數(shù)字模型進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)的開(kāi)裂。當(dāng)壩基移動(dòng)和地面震動(dòng)同時(shí)發(fā)生，造成大壩開(kāi)裂，壩的動(dòng)態(tài)性狀變得相當(dāng)復(fù)雜。因此，需要認(rèn)真研究壩基移動(dòng)的可能性。即使沒(méi)有震源斷層通過(guò)壩基，附近斷層的強(qiáng)震也可能導(dǎo)致壩基沿不連續(xù)面移動(dòng)。不連續(xù)面是指斷層、剪切區(qū)、裂縫、接縫和層理面。由于地基移動(dòng)取決于場(chǎng)地條件和地震活動(dòng)斷層與最大表面移動(dòng)的距離，因此，地基移動(dòng)的狀況是難以預(yù)估的。某些斷層甚至可能在地表附近裂開(kāi)，造成不連續(xù)面。

相對(duì)于拱壩易受壩基錯(cuò)動(dòng)損害，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)的土心墻堆石壩可以應(yīng)對(duì)此類移動(dòng)。因此，在可能存在斷層移動(dòng)的情況下，適當(dāng)設(shè)計(jì)的土心墻堆石壩將成為合適的解決方案[1,2]。

塊體移動(dòng)進(jìn)入水庫(kù)將形成可能漫過(guò)壩頂?shù)挠坷?。與土石壩相比，混凝土壩更加適于抵抗有限的漫頂。然而，借助充足的超高、較寬的壩頂和(或)上游護(hù)墻或防浪墻，可以減少甚至消除漫頂導(dǎo)致的災(zāi)害。

此外，塊體移動(dòng)進(jìn)入水庫(kù)將增加庫(kù)區(qū)沉積量，可能堵塞底部泄水孔。但是這通常在地震后數(shù)月或數(shù)年內(nèi)發(fā)生，有時(shí)間采取補(bǔ)救措施。

山區(qū)巖崩可能損壞輸電塔，導(dǎo)致發(fā)電廠自動(dòng)停機(jī)。但更重要的是，巖崩將損壞閘門(mén)控制結(jié)構(gòu)、設(shè)備、應(yīng)急電源發(fā)電機(jī)、控制裝置等，這些是操作溢洪道和底部泄水孔閘門(mén)所需的。必須保證強(qiáng)震后這些閘門(mén)仍可操作，以便用于控制或降低水庫(kù)水位，并適當(dāng)泄洪。如果這些閘門(mén)被堵塞，可能導(dǎo)致漫頂，將使土石壩比混凝土壩面臨更嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

因此，可以得出結(jié)論，需要從地震學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家處獲取以下相關(guān)資料：①地面震動(dòng)；②壩基移動(dòng)(如果計(jì)劃建造整體式混凝土壩，此點(diǎn)至關(guān)重要)；③壩和水庫(kù)區(qū)內(nèi)臨界比降。

通常，地震危險(xiǎn)性分析僅與地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)估算相關(guān)，如峰值地面加速度(PGA)和反應(yīng)譜。

可利用Wieland [9]和ICOLD公報(bào)148 [5]論及的概率方法和(或)確定性地震災(zāi)害分析方法確定地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，壩體和相關(guān)安全構(gòu)件必須能夠承受1萬(wàn)年重現(xiàn)期(概率性分析)或最不利地震情形(確定性分析)下安全評(píng)估地震(SEE)的地面運(yùn)動(dòng)。在概率性分析中，應(yīng)使用地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均值，而在確定性分析中，應(yīng)使用平均值加一個(gè)σ值。如果同時(shí)采用概率性分析和確定性分析(推薦做法)，應(yīng)使用最大地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

在觀察100個(gè)以上大壩的水庫(kù)觸發(fā)地震活動(dòng)(RTS) [4]后認(rèn)為，盡管可能與地震預(yù)報(bào)一樣困難，但地震學(xué)家有必要研究此類災(zāi)害，并對(duì)事態(tài)有所預(yù)判。一般情況下，由于大壩抗震設(shè)計(jì)已采用最大設(shè)計(jì)地震，因此，RTS并不控制大壩安全問(wèn)題，但是可能影響大壩和水庫(kù)區(qū)內(nèi)采用較低設(shè)計(jì)地震值(與大壩相比)的建筑物和基礎(chǔ)。此外，中級(jí)地震的頻率噪聲可能對(duì)人員有所干擾。

3.地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于大壩工程的不同結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)[5,9]，需要采用以下內(nèi)容設(shè)計(jì)地震：

(1) 安全評(píng)估地震(SEE)：SEE的設(shè)防目標(biāo)是保證大壩能夠抵御不受控的庫(kù)水泄放。SEE用于大壩及安全相關(guān)構(gòu)件的安全評(píng)估和抗震設(shè)計(jì)。在SEE后，大壩及安全相關(guān)構(gòu)件必須能夠發(fā)揮作用。

(2) 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震(DBE)：DBE重現(xiàn)期為475年，為許多國(guó)家采用，是附屬結(jié)構(gòu)的參考設(shè)計(jì)地震。DBE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)是基于概率性地震危險(xiǎn)性分析(PSHA)得出的，可以采用DBE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均值(注：可依據(jù)工程所在區(qū)域建筑物或橋梁的地震規(guī)范和規(guī)定，確定DBE的重現(xiàn)期)。

(3) 運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)：OBE是預(yù)計(jì)在大壩生命周期內(nèi)可能發(fā)生的， 要求大壩必須無(wú)損壞或功能損失。在100年的大壩生命周期內(nèi)，其發(fā)生概率約為50 %。重現(xiàn)期取145年[5]。OBE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)基于PSHA估算，可以采用OBE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均值。

(4) 施工地震(CE)：CE用于臨時(shí)結(jié)構(gòu)物(如圍堰)設(shè)計(jì)，并考慮臨時(shí)結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前，存在若干不同的計(jì)算方法。對(duì)于臨時(shí)導(dǎo)流設(shè)施，假定其設(shè)計(jì)壽命存在10 %的超越概率。此外，施工導(dǎo)流設(shè)施的CE重現(xiàn)期可以采用導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水的重現(xiàn)期。

可以利用概率法或確定性地震災(zāi)害分析法確定SEE地面運(yùn)動(dòng)，即

(1) 最大可信地震(MCE)：MCE是根據(jù)地震歷史和區(qū)域地震構(gòu)造，預(yù)計(jì)在壩址區(qū)發(fā)生的最大地面運(yùn)動(dòng)，基于確定性地震情形進(jìn)行估算。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，MCE地震動(dòng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)取84百分位數(shù)(平均值+標(biāo)準(zhǔn)差)。

(2) 最大設(shè)計(jì)地震(MDE)：對(duì)于大壩而言，MDE的重現(xiàn)期為1萬(wàn)年。對(duì)于小的或有限損壞的大壩，規(guī)定的重現(xiàn)期可能縮短。MDE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)可基于PSHA估算。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，應(yīng)當(dāng)采用MDE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)平均值。在單一地震源(斷層)成為主要地震災(zāi)害的情況下，可將一致概率反應(yīng)譜用于此地震設(shè)計(jì)。否則，可以根據(jù)地震危險(xiǎn)性按照潛源的震級(jí)與震源距分解，確定不同的地震情形。

對(duì)于主要大壩而言，SEE可視為MCE或MDE地面運(yùn)動(dòng)。通常情況下，必須采用上述兩種地震的最不利地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)。如果無(wú)法對(duì)MCE進(jìn)行實(shí)際評(píng)估，則SEE至少應(yīng)等同于MDE。

通常用概率方法(推薦采用地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)平均值)確定MDE、DBE、OBE和CE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)；對(duì)于MCE地面運(yùn)動(dòng)，通常使用確定性地震情形(應(yīng)當(dāng)使用地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)值的84 百分位數(shù))。但是，對(duì)于MDE、DBE、OBE 和CE，也可以定義確定性情形。

不同設(shè)計(jì)地震由以下地震動(dòng)參數(shù)定義：

(1) 水平和垂直地震分量的峰值地面加速度(PGA)。

(2) 典型的水平和垂直地震分量的加速反應(yīng)譜為5 %阻尼，即從概率性地震危險(xiǎn)性分析中獲取CE、OBE、DBE和MDE的一致概率反應(yīng)譜(平均值)，以及用不同衰減模型從確定性分析中獲取MCE加速反應(yīng)譜值的84百分位數(shù)。

(3) 通過(guò)隨機(jī)過(guò)程或記錄地震地面運(yùn)動(dòng)的縮放比例，確定MCE地面運(yùn)動(dòng)水平和垂直分量的反應(yīng)譜擬合加速度時(shí)程。水平和垂直地震分量的人工加速度時(shí)程應(yīng)屬于隨機(jī)獨(dú)立變量。考慮到余震，建議增加地面強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間。

在斷層移動(dòng)的情況下，需要對(duì)地面震動(dòng)進(jìn)行類似估算。由于地震災(zāi)害分析主要與地面震動(dòng)相關(guān)，因此，大壩設(shè)計(jì)師似乎難以對(duì)不同類型設(shè)計(jì)地震的斷層移動(dòng)進(jìn)行定量估算。

對(duì)于地下結(jié)構(gòu)物，其外加變形作用比慣性效應(yīng)影響更大，也需要不同設(shè)計(jì)地震的位移地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)或位移時(shí)程。

通過(guò)加速度時(shí)程可更好地描述地面運(yùn)動(dòng)。大壩及其附屬設(shè)施的任何非線性動(dòng)態(tài)分析均需要地震動(dòng)時(shí)程?？梢灶A(yù)計(jì)，在SEE地面運(yùn)動(dòng)下大壩將發(fā)生非彈性變形。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，應(yīng)考慮“設(shè)計(jì)加速度時(shí)程”的以下幾個(gè)方面：

(1) 反應(yīng)譜擬合的加速度時(shí)程的三個(gè)分量必須分別統(tǒng)計(jì)。

(2) 可假定順河向和橫河向的水平地震分量的加速度時(shí)程。若采用其他方向，亦無(wú)需修改。

(3) 應(yīng)以涵蓋余震的方式選擇地面強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間，即應(yīng)選擇具有較長(zhǎng)地面強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間的記錄。

(4) 對(duì)于易受損壞過(guò)程影響及與地面強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間相關(guān)的大壩(如孔隙壓力積聚)，應(yīng)使用具有較長(zhǎng)地面強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間的地震記錄。

(5) 對(duì)于大壩的安全復(fù)核，至少應(yīng)考慮SEE地面運(yùn)動(dòng)時(shí)三種不同的地震。

延長(zhǎng)的地面強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間(用于大壩抗震分析和設(shè)計(jì))的反應(yīng)譜擬合加速度時(shí)程，可能與實(shí)際時(shí)程截然不同；盡管不熟悉大壩抗震設(shè)計(jì)的地震學(xué)家和其他專家難以理解或接受，但它們將用于安全設(shè)計(jì)。

應(yīng)當(dāng)指出的是，在任何結(jié)構(gòu)(包括大壩)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師將使用簡(jiǎn)化荷載和分析模型進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，即使荷載模型與實(shí)際災(zāi)害性質(zhì)不相符，這也適用于地震災(zāi)害和地震地面運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于某些大壩，針對(duì)水庫(kù)觸發(fā)地震活動(dòng)(RTS)或水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)(RIS)，確定附加地震荷載狀況?。觀察到100座以上水庫(kù)，在水深超過(guò)100 m處發(fā)生過(guò)RTS。RTS最大震級(jí)達(dá)6.3；但是，多數(shù)情況下，此類淺源地震的震級(jí)往往較小。如果大型壩工程可能或預(yù)計(jì)存在RTS，那么，DBE和OBE地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)涵蓋假定在水庫(kù)蓄水后幾年內(nèi)發(fā)生RTS時(shí)的參數(shù)[4]。

4.地震性能標(biāo)準(zhǔn)

ICOLD公報(bào)148 [5]針對(duì)壩體和安全相關(guān)構(gòu)件及設(shè)備給出的一般性能標(biāo)準(zhǔn)可理解如下[9]：

(1) OBE期間的壩體性能：大壩和水庫(kù)不出現(xiàn)影響運(yùn)行的結(jié)構(gòu)性損壞(裂縫、變形、滲漏等)，可修復(fù)的輕微損壞亦可接受。

(2) SEE期間的壩體性能：結(jié)構(gòu)破壞(裂縫、變形、滲漏等)是可接受的，只要確保壩體穩(wěn)定性，且不會(huì)出現(xiàn)大量庫(kù)水下泄，造成大壩下游區(qū)域洪水泛濫。

(3) OBE期間及之后的安全相關(guān)部件和設(shè)備的性能：在OBE之后，這些部件和設(shè)備應(yīng)完全可以操作，且OBE期間，其應(yīng)保持彈性狀態(tài)。

(4) SEE期間及之后的安全相關(guān)部件和設(shè)備：在SEE后，這些部件和設(shè)備必須完全可操作。可接受輕微變形和損壞(如閘門(mén)密封件滲漏)，只要不影響部件和設(shè)備的相關(guān)功能。

對(duì)于SEE，防滲心墻堆石壩的主要安全標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 超高損失，即地震后，水庫(kù)水位應(yīng)低于大壩防滲心墻頂部。

(2) 內(nèi)部侵蝕，即地震后，細(xì)反濾區(qū)至少50 %的初始厚度必須可用。

(3) 地震后邊坡的滑動(dòng)安全系數(shù)(考慮到填筑材料的孔隙壓力積聚和殘余強(qiáng)度參數(shù))應(yīng)大于1。

第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于壩基位于強(qiáng)震期間可能移動(dòng)的斷層或不連續(xù)面的土心墻堆石壩。此外，此類場(chǎng)地僅適宜修建土心墻堆石壩。

混凝土壩的主要地震安全標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 壩基穩(wěn)定性，即拱壩壩肩楔體和重力結(jié)構(gòu)沿潛在滑動(dòng)面滑動(dòng)的穩(wěn)定性。

(2) 由伸縮縫和水平裂縫形成的混凝土塊的滑動(dòng)和傾覆穩(wěn)定性，即大壩中心頂部附近的混凝土塊需經(jīng)受的最大絕對(duì)加速度響應(yīng)。

可以得出結(jié)論，發(fā)生強(qiáng)震后，當(dāng)發(fā)電廠停機(jī)，水無(wú)法通過(guò)發(fā)電水道泄出時(shí)，只要底部泄水孔和溢洪道閘門(mén)可操作，便可安全泄放適量的洪水。為了控制強(qiáng)震后的水庫(kù)水位，無(wú)需所有溢洪道孔口均發(fā)揮作用。

5.地震安全和大壩的風(fēng)險(xiǎn)分類

5.1.整體大壩安全概念

安全概念的兩個(gè)主要目標(biāo)是使所有風(fēng)險(xiǎn)最小化，并以可能的最佳方法控制剩余風(fēng)險(xiǎn)。為達(dá)到這些目標(biāo)，大壩工程采用整體安全概念，主要包括以下要素：

(1) 結(jié)構(gòu)安全性(主要要素：地質(zhì)、水力和抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)出現(xiàn)新數(shù)據(jù)，或制定了新導(dǎo)則、規(guī)定或規(guī)范時(shí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法可能必須更新)。

(2) 大壩安全監(jiān)控(主要要素：大壩監(jiān)測(cè)儀器、壩工專家定期安全評(píng)估)。

(3) 運(yùn)行安全性(主要要素：正常和異常水文條件下水庫(kù)運(yùn)行的可靠運(yùn)用曲線、人員培訓(xùn)、大壩維護(hù)、清淤、工程支持。較長(zhǎng)使用壽命的最重要要素是維護(hù)所有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件)。

(4) 應(yīng)急計(jì)劃(主要要素：應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃、洪水淹沒(méi)圖、水位報(bào)警系統(tǒng)、疏散計(jì)劃等)。

因此，只要根據(jù)整體安全概念確保上述安全要素得到適當(dāng)執(zhí)行，大壩即可視為安全的。

?注：過(guò)去經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)“水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)”并不正確，因?yàn)樗畮?kù)無(wú)法誘發(fā)地震，而是觸發(fā)地震。因此，正確的技術(shù)術(shù)語(yǔ)為“水庫(kù)觸發(fā)地震活動(dòng)”。

定期進(jìn)行安全評(píng)估是必不可少的，可據(jù)此得知為了維護(hù)或改善安全性，或者延長(zhǎng)使用壽命需要采取的措施。試運(yùn)行后，必須盡快糾正觀察到的不足之處。不同大壩安全要素的詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

如果一座大壩不符合當(dāng)前大壩安全標(biāo)準(zhǔn)或出現(xiàn)異常狀況，則降低風(fēng)險(xiǎn)的最有效方式是降低水庫(kù)水位。

必須指出的是，新建和已建大型大壩必須滿足當(dāng)前的適用安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，不推薦采用基于風(fēng)險(xiǎn)的考慮剩余使用壽命的方法。總之，對(duì)于住在新建或已建大壩下游的人員，其安全性應(yīng)無(wú)差異。這意味著不得推遲安全更新。

5.2.應(yīng)急計(jì)劃

在許多國(guó)家，應(yīng)急計(jì)劃仍然是大壩行業(yè)較新型的事務(wù)，因此，在此進(jìn)行額外討論。在應(yīng)急計(jì)劃概念中，假定每座壩都可能倒塌或損毀，盡管設(shè)計(jì)師、業(yè)主和管理機(jī)構(gòu)對(duì)這一假定難以接受。因此，必須分析水庫(kù)失控洪水下泄引起的大壩失事的后果。

可以考慮眾多大壩失事的情形，但是應(yīng)急計(jì)劃的主要目的是挽救生命，因此，必須將重點(diǎn)放在發(fā)生最壞情形和最嚴(yán)重后果時(shí)的報(bào)警和人員疏散。這些情形不考慮大壩失事概率。最壞的情形是軍事行動(dòng)造成的蓄滿水的水庫(kù)大壩瞬間潰決。

在緊急情況下，大壩業(yè)主負(fù)責(zé)監(jiān)控，確定相應(yīng)的報(bào)警級(jí)別，發(fā)出通知，在大壩實(shí)施緊急行動(dòng)，確定緊急情況解除時(shí)間，并記錄所有活動(dòng)。在緊急情況下，大壩業(yè)主立即通知負(fù)責(zé)報(bào)警和疏散受影響人口的管理機(jī)構(gòu)。

使用專用水位報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。疏散計(jì)劃是依據(jù)潰壩洪水波分析，其顯示最壞失事情形下的淹沒(méi)區(qū)域，即大壩瞬間潰決。此外，從分析中獲取洪水波到達(dá)時(shí)間、流動(dòng)速度和水深。

瑞士的65座大型壩均配備有功能齊全的洪水報(bào)警系統(tǒng)。第一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)安裝于50多年前。幸運(yùn)的是，到目前為止，這些洪水報(bào)警系統(tǒng)從來(lái)未使用過(guò)。

5.3.大壩風(fēng)險(xiǎn)分類

什么是大型壩？這似乎是一個(gè)微不足道的問(wèn)題，但如果談及大壩(風(fēng)險(xiǎn))分類，實(shí)際上沒(méi)有統(tǒng)一答案。根據(jù)ICOLD標(biāo)準(zhǔn)，大型壩是至少15 m高的蓄水壩。

在中國(guó)，蓄水壩根據(jù)水庫(kù)庫(kù)容分類，庫(kù)容大于109m3的為1級(jí)，108～109m3的為2級(jí)，小于108m3的為3級(jí)，依此類推。在瑞士，大壩分類按法律法規(guī)進(jìn)行，大壩高度至少10 m，庫(kù)容超過(guò)106m3的大壩被歸入高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。其他的大壩主管部門(mén)、組織和業(yè)主采用其他定義。因此，瑞士最高風(fēng)險(xiǎn)類別的160座大型壩中，只有12座屬于中國(guó)的2級(jí)壩，多數(shù)是3級(jí)以下甚至更低的壩。

大壩的風(fēng)險(xiǎn)分類對(duì)(地震)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、性能標(biāo)準(zhǔn)和其他規(guī)范或規(guī)定的設(shè)計(jì)要求有深遠(yuǎn)的意義。因此，在不同國(guó)家和業(yè)主的大壩抗震安全評(píng)估中，有必要首先調(diào)查大壩的風(fēng)險(xiǎn)分類。

可接受風(fēng)險(xiǎn)是風(fēng)險(xiǎn)分類的主要問(wèn)題。任何定量風(fēng)險(xiǎn)分析的前提條件都是大壩失事概率計(jì)算。由于每座壩都是特定的，只能通過(guò)各種大量計(jì)算，包括大量敏感性分析來(lái)大致完成。由于這些困難，要求建壩時(shí)更明確地專注于盡可能減小大壩潰決庫(kù)水失控下泄形成洪水的可能性，比如在瑞士。

總之，大壩的風(fēng)險(xiǎn)分類是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，不同國(guó)家和業(yè)主之間的差異非常大。

6.大壩的可持續(xù)性

一個(gè)可持續(xù)的大壩項(xiàng)目需以下述條件為基礎(chǔ)：①安全方面；②環(huán)境方面；③經(jīng)濟(jì)方面；④社會(huì)方面。大壩是基礎(chǔ)設(shè)施，必須向利益相關(guān)方提供利益(食品生產(chǎn)、供電、供水、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑娛樂(lè)、通航等)[8]。

技術(shù)安全是一切技術(shù)的決定條件，任何不安全的技術(shù)都是沒(méi)有前途的。一些老壩的建壩歷史已超過(guò)2000年，但仍然在使用。大壩可持續(xù)的主要前提是大壩安全。盡管其他要求也很重要，但是首先必須確保大壩安全。為了多用途壩的設(shè)計(jì)和施工，要求大壩工程管理者必須是大壩或土木工程師，而不是技術(shù)背景和經(jīng)驗(yàn)不足的人。

建壩產(chǎn)生的水庫(kù)必須適當(dāng)管理，大壩也需要持續(xù)維護(hù)。許多大型水庫(kù)用于發(fā)電和防洪。然而在未來(lái)，水庫(kù)將成為更有價(jià)值的生活和工業(yè)供水來(lái)源。因此，對(duì)大壩和水庫(kù)的需求將繼續(xù)存在。不論其他的特定用途如何，對(duì)所有大壩的可持續(xù)性和安全性要求將持續(xù)存在。

私營(yíng)業(yè)主和基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)人員使用特許期作為大壩項(xiàng)目的設(shè)計(jì)壽命。例如，瑞士的水電站項(xiàng)目特許期為80年，其他國(guó)家特許期可能短至30年。大壩業(yè)主將保證所有的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的設(shè)計(jì)滿足特許期的要求。特許期滿時(shí)，項(xiàng)目的所有權(quán)通常被移交給政府。因此，特許權(quán)和特許期結(jié)束時(shí)，授予特許權(quán)和特許期滿后擁有該項(xiàng)目的主管部門(mén)必須特別關(guān)注還剩余很多使用年限的大壩。

此外，大壩的試運(yùn)行費(fèi)用通常被忽視，不得不由未來(lái)的業(yè)主承擔(dān)。這意味著，政府應(yīng)規(guī)定，大壩的設(shè)計(jì)需符合已發(fā)布的國(guó)際導(dǎo)則，如ICOLD發(fā)布的規(guī)定。機(jī)電設(shè)備和控制設(shè)備可能是唯一在特許期結(jié)束時(shí)，需要進(jìn)行更換的構(gòu)件。因此，對(duì)于一個(gè)可持續(xù)的大壩項(xiàng)目，壩體以及與大壩安全相關(guān)的設(shè)施和組成部分均應(yīng)設(shè)計(jì)為具有長(zhǎng)期使用壽命，而不考慮特許期。因此，大壩項(xiàng)目的最終所有者必須在授予特許權(quán)期間便考慮到這些問(wèn)題。

任何大壩在其生命周期內(nèi)都應(yīng)是技術(shù)上安全和可操作的。鑒于大型蓄水壩的潛在破壞力，必須按照第4部分中討論的完整安全概念進(jìn)行安全評(píng)估。

一般情況下，如果一個(gè)大壩以及安全相關(guān)設(shè)施(底孔、溢洪道)都得到適當(dāng)?shù)木S護(hù)，其老化過(guò)程可以控制，則大壩的狀態(tài)能得以保護(hù)。因此，可以得出結(jié)論，即適當(dāng)維護(hù)可保證大壩壽命，也就是說(shuō)，大壩可能具有幾百年的使用壽命。

泥沙淤積嚴(yán)重將影響水庫(kù)使用壽命。適當(dāng)?shù)哪嗌彻芾聿呗钥梢允顾畮?kù)泥沙淤積維持正常，這些策略必須立足于對(duì)河流的詳細(xì)研究以及泥沙輸移、流域特點(diǎn)和沖沙裝置等。

7.已建壩的抗震安全性

雖然大型水壩是自20世紀(jì)30年代以來(lái)最早進(jìn)行系統(tǒng)性抗震設(shè)計(jì)的建筑物，但由于多數(shù)老壩的設(shè)計(jì)采用的是現(xiàn)今認(rèn)為已過(guò)時(shí)的地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法，所以這些壩的地震安全性是未知的。因此，需要采用現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)代的動(dòng)態(tài)分析方法，重新評(píng)估已建壩的抗震安全性，修復(fù)有缺陷的大壩。

已建壩在抗震安全性方面面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是，大多數(shù)有關(guān)大壩的規(guī)范、規(guī)定、建議和導(dǎo)則主要是針對(duì)新大壩的設(shè)計(jì)[7]。

試運(yùn)行時(shí)被認(rèn)為是安全的大壩設(shè)計(jì)未必永遠(yuǎn)安全，這可能與大多數(shù)建筑業(yè)主和用戶的看法不一致。由于地震工程學(xué)仍然是一個(gè)相對(duì)年輕的學(xué)科，因此，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、分析方法、設(shè)計(jì)理念等可能會(huì)發(fā)生變化，尤其是按照當(dāng)前水準(zhǔn)設(shè)計(jì)的大壩在地震中遭受損壞時(shí)。因此有必要定期檢查大型壩的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和地震安全性(其他結(jié)構(gòu)也一樣)，即必須考慮定期抗震檢查的預(yù)算。

一般情況下，大壩業(yè)主和經(jīng)營(yíng)者都不愿意執(zhí)行這種檢查，除非有法律、規(guī)定和大壩安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)制約，該機(jī)構(gòu)有權(quán)力和方法確保規(guī)則得到遵守執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)大壩業(yè)主為其項(xiàng)目申請(qǐng)新的特許權(quán)時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面評(píng)估。

再者，一旦被視為安全的東西將永遠(yuǎn)保持安全，這種看法是危險(xiǎn)的錯(cuò)誤觀念。因此，在大壩漫長(zhǎng)的生命周期內(nèi)，需要進(jìn)行多次地震安全性評(píng)估。

到現(xiàn)在為止，只有一座高18.5 m的土石壩在2011年日本東北大地震中損毀，大壩失事引發(fā)的洪水造成8人喪生。這件事給人的印象是，精心設(shè)計(jì)的大壩經(jīng)歷地震還是安全的。如果有必要，應(yīng)該按照現(xiàn)行最先進(jìn)的做法重新評(píng)估已建壩的抗震安全性和改善已建壩。

首要的是，必須重新評(píng)估壩址區(qū)的地震危險(xiǎn)性，確保符合現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

筆者1999年負(fù)責(zé)國(guó)際大壩委員會(huì)大壩抗震專委會(huì)時(shí)，就一直關(guān)注調(diào)查已建壩的地震安全性。從那時(shí)起，一些國(guó)家一直在積極調(diào)查已建壩的抗震安全性。20世紀(jì)90年代，在加州大型壩的綜合地震安全性檢查中，發(fā)現(xiàn)116座大壩需要改進(jìn)，包括控制(降低)水庫(kù)水位。瑞士大壩業(yè)主對(duì)政府管理的所有大型壩的地震安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，安全報(bào)告于2013年年底前提交。報(bào)告顯示：大壩的平均年齡為65年，其中大部分使用0.1的地震系數(shù)和擬靜力分析方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。對(duì)于地震安全檢查，政府部門(mén)已規(guī)定了一個(gè)10年的期限。 然而，大多數(shù)國(guó)家的報(bào)告只在給定的截止期限前不久才完成。

國(guó)際大壩委員會(huì)大壩抗震專委會(huì)強(qiáng)烈建議，世界各地都要對(duì)年限較久的大壩進(jìn)行抗震安全性檢查。

8.結(jié)論

在大壩的抗震設(shè)計(jì)和地震安全性評(píng)價(jià)中，主要關(guān)注下列項(xiàng)目：

(1) 對(duì)大多數(shù)大壩工程來(lái)說(shuō)，地震災(zāi)害是多元災(zāi)害。地震動(dòng)是所有大壩地震準(zhǔn)則中需要考慮的主要危害，然而，落石和斷層移動(dòng)可能比地震動(dòng)更為危險(xiǎn)。

(2) 當(dāng)附近發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，壩基中活動(dòng)斷層的移動(dòng)或不連續(xù)面(斷層、節(jié)理、層理面)的運(yùn)動(dòng)可能是活躍的，這對(duì)于混凝土壩是最嚴(yán)重的危害。如果沒(méi)有其他位置可以選作壩址，那么正確的解決方案就是，設(shè)計(jì)一座土心墻堆石壩，并設(shè)寬反濾區(qū)和過(guò)渡區(qū)。

(3) 現(xiàn)今大型壩的地震安全性包括以下要素：①結(jié)構(gòu)安全；②大壩安全監(jiān)測(cè)；③運(yùn)行安全和維護(hù)；④應(yīng)急計(jì)劃。所有要素都是同樣重要的。

(4) 抗震安全并不是大壩固有的性質(zhì)，但可以利用能安全抵抗地面強(qiáng)震影響的抗震設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，來(lái)保證大壩及附屬結(jié)構(gòu)物的安全。

(5) 由于安全是可持續(xù)性的先決條件，多數(shù)大壩設(shè)計(jì)將地震荷載作為臨界荷載，對(duì)地震災(zāi)害(洪水)的各種安全管理已經(jīng)成為大壩可持續(xù)的基本要求。

(6) 即使一個(gè)土木結(jié)構(gòu)在建設(shè)時(shí)是安全的，但不能保證其在生命周期內(nèi)永遠(yuǎn)安全，這是不現(xiàn)實(shí)的。在大壩的生命周期內(nèi)，需要對(duì)其進(jìn)行多次地震安全評(píng)估，因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)下述情況：得到地震災(zāi)害新信息，有新的設(shè)計(jì)和安全標(biāo)準(zhǔn)被采用，下游山谷的發(fā)展導(dǎo)致地震危險(xiǎn)性增強(qiáng)。

(7) 保持大壩處于安全狀況需要對(duì)設(shè)備、設(shè)施及土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行妥善保養(yǎng)。對(duì)土木結(jié)構(gòu)維護(hù)的關(guān)注少于對(duì)電廠設(shè)施維護(hù)，因?yàn)楹笳叩暮锰幙梢灾苯芋w現(xiàn)在發(fā)電量上，而土木結(jié)構(gòu)維護(hù)和大壩安全不產(chǎn)生可見(jiàn)的效益。因此，需要適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

(8) 有關(guān)新壩型(混凝土面板堆石壩、瀝青心墻壩、土工膜面板土石壩、碾壓混凝土壩等)和高壩經(jīng)受強(qiáng)烈地震時(shí)的動(dòng)態(tài)性狀，迄今幾乎沒(méi)有得到任何觀測(cè)數(shù)據(jù)。

(9) 為在發(fā)生強(qiáng)烈地震后控制和降低水庫(kù)水位，溢洪道和底孔閘門(mén)在震后必須能夠操作。這些閘門(mén)系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與壩體采用的準(zhǔn)則是相同的；然而，性能標(biāo)準(zhǔn)必須是能保證地震后閘門(mén)的功能。設(shè)計(jì)師和閘門(mén)系統(tǒng)的供應(yīng)商尚不熟悉這些地震安全性要求。

為了進(jìn)行抗震分析、設(shè)計(jì)和安全評(píng)估，需要世界各國(guó)科學(xué)家提供下列信息：

(1) 壩基中活動(dòng)斷層或不連續(xù)面的情況，在強(qiáng)震時(shí)可能被激活，并產(chǎn)生最大的動(dòng)力。

(2) 壩址遭受最強(qiáng)烈地震的參數(shù)(斷層、位置、震源深度、震源機(jī)制、最大震級(jí)、最大斷層錯(cuò)動(dòng))。

(3) 鑒定在強(qiáng)震時(shí)可能被破壞或移動(dòng)的壩址處或者水庫(kù)邊坡。

(4) 加速度時(shí)程是大壩的非彈性地震分析必需的輸入?yún)?shù)。表現(xiàn)這些理想化時(shí)程曲線的荷載模型，與實(shí)際記錄的加速度時(shí)程的共同點(diǎn)很少。

[1] ICOLD. Bulletin 112: neotectonics and dams. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 1998.

[2] ICOLD. Bulletin 120: design features of dams to effectively resist seismic ground motion. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2001.

[3] ICOLD. Bulletin 123: earthquake design and evaluation of structures appurtenant to dams. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2002.

[4] ICOLD. Bulletin 137: reservoirs and seismicity —state of knowledge. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2011.

[5] ICOLD. Bulletin 148: selecting seismic parameters for large dams, guidelines. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2016.

[6] Wieland M. Seismic aspects of dams, general report, Q.83 seismic aspects of dams. In: Proceedings of the 21st International Congress on Large Dams; 2003 Jun 16–20; Montreal, Canada; 2003.

[7] Wieland M. Earthquake safety of existing dams, keynote lecture. In: Proceedings of the 1st European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (a joint event of the 13th European Conference on Earthquake Engineering & 30th General Assembly of the European Seismological Commission); 2006 Sep 3–8; Geneva, Switzerland; 2006.

[8] Wieland M. Safety aspects of sustainable storage dams. In: Proceedings of the 3rd International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, Mini-Symposium on Sustainable Dams and Embankments; 2012 Oct 3–6; Vienna, Austria; 2012.

[9] Wieland M. Seismic hazard and seismic design and safety aspects of large dam projects. In: Proceedings of the 2nd European Conference on Earthquake Engineering; 2014 Aug 24–29; Istanbul, Turkey; 2014.

E-mail address: martin.wieland48@gmail.com

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3): 325–331

Martin Wieland. Safety Aspects of Sustainable Storage Dams and Earthquake Safety of Existing Dams. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.011