李王坤

（太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

李王坤

（太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

水工結(jié)構(gòu)線路長、地質(zhì)條件復(fù)雜，高地下水位及高構(gòu)造應(yīng)力增加了水工結(jié)構(gòu)抗震的不確定性，水工結(jié)構(gòu)的受力情況和邊界條件相當(dāng)復(fù)雜，地震動(dòng)的反應(yīng)狀況千差萬別。根據(jù)汶川地震對水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)帶來的新影響和啟迪，提出水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的建議。

水工結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；汶川地震

1 引言

水工建筑物線路長、埋置較深，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，常常會(huì)遇到高地下水位以及高構(gòu)造應(yīng)力等不利條件的影響，強(qiáng)地震以及大斷層等的控制，給水工建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等帶來很多技術(shù)難題，也為水工結(jié)構(gòu)學(xué)科的發(fā)展提出了更高的要求。水工建筑物在地震中遭到破壞，除工程本身遭受損失外，給工程沿線人民的生活、生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大隱患。我國是地震高發(fā)國家，有多次因地震致使河岸決堤，引發(fā)特大洪澇災(zāi)害的事故。

2 汶川地震對水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的啟迪

我國現(xiàn)行的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂于1997年，對我國水工結(jié)構(gòu)的抗震安全性發(fā)揮了重要的作用。嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范設(shè)計(jì)的各類型水工結(jié)構(gòu)，在汶川特大地震中雖然遭受了遠(yuǎn)超預(yù)期設(shè)計(jì)的強(qiáng)震侵襲，仍然可以基本上保持整體穩(wěn)定，避免了因它的破壞而產(chǎn)生的次生災(zāi)害，達(dá)到了抗震設(shè)計(jì)的目的，說明按照規(guī)范設(shè)計(jì)的水工結(jié)構(gòu)具有一定的抗震能力。同時(shí)，汶川地震也對水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來了新的影響和啟迪。

第一，水工壩基巖體和邊坡在強(qiáng)震作用下的穩(wěn)定性，對水工結(jié)構(gòu)壩的抗震安全性非常重要。在汶川地震中，采用預(yù)應(yīng)力錨固處理的百米級(jí)大壩的壩肩巖體、壩基以及高邊坡基本上都保持了穩(wěn)定，而距離這些大壩很近的沒有采取預(yù)應(yīng)力錨固處理的邊坡則發(fā)生了嚴(yán)重的坍滑。證明了水工壩基和邊坡加固的工程措施是十分必要的，也是很有效的抗震措施。

第二，汶川地震中水工壩體的震害表明，在水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)之中，泄水結(jié)構(gòu)的抗震功能必須高度的重視；在地震的應(yīng)急預(yù)案中，必須做到保證泄水結(jié)構(gòu)開啟關(guān)閉的設(shè)備和應(yīng)急能源的常備不懈。因?yàn)榈卣鹬袎误w的震害表明，緊急降低大壩的庫存水位是防止水工結(jié)構(gòu)發(fā)生相關(guān)次生災(zāi)害的一個(gè)非常有用的途徑。

第三，在汶川發(fā)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范規(guī)定的高烈度地震表明，我們應(yīng)以水工結(jié)構(gòu)在“最大可信地震”的極限情況下，不發(fā)生潰壩且導(dǎo)致次生災(zāi)害，作為水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的重中之重。因?yàn)榈卣鸹緹o法準(zhǔn)確預(yù)測，同時(shí)水工結(jié)構(gòu)中水的存在使水工建筑物的地震影響十分復(fù)雜。經(jīng)受了汶川地震考驗(yàn)的百米級(jí)別水工高壩，對于新建的三百米級(jí)別高壩并沒有太大的參考價(jià)值，他們之間有本質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)闆]有建造的先例，也沒有強(qiáng)震考驗(yàn)的實(shí)例。

第四，汶川地震發(fā)震斷層的長度超過了320 km，深度達(dá)到了20 km，地震發(fā)震的持續(xù)時(shí)間超過了100 s，地震能量的釋放，在時(shí)間和空間的分布上也很不均衡，無法在計(jì)算分析時(shí)作為一個(gè)點(diǎn)源來處理。震害經(jīng)驗(yàn)表明，水工結(jié)構(gòu)種類繁多，受運(yùn)行要求影響的同時(shí)也受實(shí)際地形、地質(zhì)條件的影響；同一水工結(jié)構(gòu)在不同地區(qū)很少完全相同，很難定型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)受力情況以及邊界條件相當(dāng)復(fù)雜，地震動(dòng)的反應(yīng)狀況也難以計(jì)算。因此，對接近地震斷層的地震動(dòng)特性應(yīng)該加強(qiáng)研究，應(yīng)沿著全發(fā)震斷層、全斷裂面的破碎速度、斷裂模式、方向性、時(shí)序性以及上盤效應(yīng)因素等，進(jìn)行全面研究。

3 水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

3.1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架的確定

合理確定水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架，是水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的先決條件。國外水工建筑物抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架，按照最大設(shè)計(jì)地震（MDE）和運(yùn)行基本地震（OBE）兩級(jí)設(shè)防，甚至加上水庫地震設(shè)防。國內(nèi)、外水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐都表明，重現(xiàn)期為100～200年的OBE，一般在設(shè)計(jì)中都起不到控制作用，水工結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)主要任務(wù)，是注意由庫水所觸發(fā)的構(gòu)造型水庫大壩地震，根本不需要把水庫地震和OBE列入到抗震設(shè)防框架中去。

對抗震設(shè)防類別為甲類以外的水工建筑物，現(xiàn)行規(guī)范要求都采取“設(shè)計(jì)地震”進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)性能目標(biāo)定位為，允許水工建筑物產(chǎn)生可以修復(fù)的局部震損的一級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)。對抗震設(shè)防類別為甲類的重要大壩，要進(jìn)行抗震安全專門研究，要求極限地震時(shí)不發(fā)生潰壩、不引起危害人民財(cái)產(chǎn)和生命安全的次生災(zāi)害，并提出以下原則的專題報(bào)告：

一是對重大水工建筑物，應(yīng)該按照“設(shè)定地震法”（以場地地震危險(xiǎn)性分析并綜合概率法和確定性方法為基礎(chǔ)）來確定場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，然后據(jù)此生成人工模擬地震動(dòng)加速度時(shí)程。二是應(yīng)該根據(jù)場地地震地質(zhì)條件來確定“最大可信地震”的峰值加速度，按照確定性的方法或者基準(zhǔn)期100年內(nèi)超越概率為0.01的概率法，兩者的結(jié)果取大值。三是水工建筑物在遭遇罕遇強(qiáng)震時(shí)，地震響會(huì)有進(jìn)入塑性的可能，所以，需要考慮實(shí)際地震動(dòng)加速度幅值以及頻譜非平穩(wěn)性等方面的影響。第四、當(dāng)水工建筑物場地距離傾角小于70°，而且發(fā)震斷層小于30 km時(shí)，應(yīng)當(dāng)計(jì)入上盤效應(yīng)的影響。第五、當(dāng)結(jié)構(gòu)場地距離地震小于10 km，而地震震級(jí)大于7級(jí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)研究近場大震中的發(fā)震斷層作為面源破裂的過程，用來生成場地地震動(dòng)加速度時(shí)程。

3.2 對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的建議

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜體現(xiàn)了地震動(dòng)反應(yīng)譜的衰減關(guān)系，反映了不同地震等級(jí)和不同地震場址距離的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。目前，地震動(dòng)反應(yīng)譜和地震震級(jí)以及場址距離間的規(guī)律性，只能基于實(shí)際的強(qiáng)震記錄，從統(tǒng)計(jì)意義上求得地震反應(yīng)譜和地震震級(jí)、震中距離之間的衰減關(guān)系相關(guān)性，因?yàn)槟壳斑€難以從理論上對其做出總結(jié)和歸納。

美國以西部地區(qū)為基礎(chǔ)，以全世界已有的173次地震中的3 551個(gè)強(qiáng)震記錄為依據(jù)，展開地震動(dòng)之間衰減關(guān)系的研究，這些記錄是迄今為止全世界最全面的反應(yīng)譜研究成果。在地震活動(dòng)特點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造等方面，我國和北美大陸具有很大相似性。在缺乏足夠強(qiáng)震記錄的情況下，我國水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可以參考美國豐富的強(qiáng)震研究成果，一般的水工結(jié)構(gòu)都應(yīng)該采用這種規(guī)則化的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.3 水工結(jié)構(gòu)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，混凝土動(dòng)態(tài)抗拉、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量，是水工混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要參數(shù)，以剪切受拉和彎曲受拉強(qiáng)度為主。水工結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度值，應(yīng)采用全級(jí)配試件抗折試驗(yàn)測得的彎拉強(qiáng)度，現(xiàn)行規(guī)范僅參考了國外試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)來確定?？紤]到地震動(dòng)是往復(fù)作用，建議水工結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)抗拉、抗壓強(qiáng)度應(yīng)較靜態(tài)強(qiáng)度提高20%。

3.4 水工土石壩的動(dòng)力分析

水工土石壩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特別復(fù)雜，結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)關(guān)系的塑性性能很強(qiáng)，很難以統(tǒng)一的條件模擬，導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際情況差異顯著?，F(xiàn)行《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用擬靜力的方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，很難反映實(shí)際地震動(dòng)以及水工建筑結(jié)構(gòu)地震作用下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，無法準(zhǔn)確計(jì)算水工壩體及基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布和壩體地震變形。建議高烈度地區(qū)興建大型水工土石壩，不要只進(jìn)行擬靜力計(jì)算分析，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行有限元法的動(dòng)力計(jì)算分析，對水工結(jié)構(gòu)的抗震安全性能做綜合判斷。

4 結(jié)語

水工結(jié)構(gòu)的受力情況和邊界條件相當(dāng)復(fù)雜，地震動(dòng)的反應(yīng)狀況更加復(fù)雜。汶川地震一方面表明，嚴(yán)格按照我國現(xiàn)行《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)的水工結(jié)構(gòu)，具有一定的抗震性能；另一方面給新建水工建筑物抗震設(shè)計(jì)以啟迪，水工混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮混凝土材料的動(dòng)態(tài)性能，采用更加合理的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，建立合理的抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架。

TU973+.31

C

1004-7042（2017）06-0047-02

李王坤（1980-），女，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，工程師。

2017-04-12；

2017-05-19