杜小凱，黨林才，孫保平

（水電水利規(guī)劃設計總院，北京市 100120）

混凝土壩震害案例及抗震設計相關問題探討

杜小凱，黨林才，孫保平

（水電水利規(guī)劃設計總院，北京市 100120）

我國大壩建設蓬勃發(fā)展，一些世界級的超高壩已經(jīng)或即將在西部高地震烈度區(qū)域建設。通過典型工程震害案例分析，表明在合理設計下混凝土壩具有較強的抗震性能。但水電工程抗震研究、設計中仍存在混凝土材料動態(tài)特性、壩體與無限地基動力相互作用、壩體與庫水的動力相互作用、壩體橫縫動接觸等科學問題需要進一步研究，相應設計規(guī)范也有待進一步修正。

混凝土壩；震害；動態(tài)特性；設計規(guī)范

0 引言

20世紀90年代以后，中國進入大壩發(fā)展的興旺時期，成為世界建壩中心。無論從建壩數(shù)量、建壩規(guī)模和技術難度來說，中國都居于世界首位。西南地區(qū)是中國水力資源最為豐富的地區(qū)，根據(jù)能源發(fā)展的需要，將有一大批200～300m級的高壩和大型水庫在金沙江、瀾滄江、大渡河和黃河等流域上游進行建設。這些大壩的高度和規(guī)模不少超過國外已建工程的水平。GPS速度場的觀測表明，印度板塊對歐亞板塊的碰撞，每年產(chǎn)生50mm左右的擠壓變形，引起中國大陸西部地區(qū)強烈的地震活動。特別值得重視的是大壩的設防地震加速度成倍增長，遠超歷史上的最高水平。例如：2002年后開工建設的小灣拱壩（高294.5m），設計地震加速度0.313g；2006年開工建設的大崗山拱壩（高210m）設計地震加速度0.557g；此外緬甸滾弄混凝土重力壩（高103m），設計地震加速度0.57g。設計地震加速度較前翻了一番。大壩的抗震安全成為設計中需要解決的關鍵技術問題。

1 經(jīng)歷強震混凝土壩案例

1.1 中國臺灣地區(qū)石崗重力壩

大壩建于1977年，基礎為夾層泥巖、粉砂巖和砂巖，設計地震荷載為擬靜態(tài)震動系數(shù)0.15g，是一座高25m的混凝土閘壩，壩頂軸線長357m。設有18個溢洪道閘孔和左壩肩的2個泄水道閘門。1999年9月21日發(fā)生7.6級地震，日月潭地區(qū)受災嚴重，大部分房屋被夷為平地。車龍埔斷層位于石崗壩下游，受斷層活動影響，大壩北段（右側(cè)）壩段地形發(fā)生隆起和偏移變形，16～18號壩段 3孔溢洪道斷塌（見圖1），斷裂處南側(cè)拱起約9.8m，北側(cè)約2m，造成庫水失控下泄，所幸水頭不高，未造次生災害。其他壩段仍然完好無損。

圖1 石崗壩16~18號閘門的破壞Fig. 1 Shimen dam 16-18 sluice damage

1.2 美國帕柯伊瑪拱壩

帕柯伊瑪（Pacoima）拱壩位于美國加州洛杉磯東北方向約7km處，于1929年建成，壩高110m，是當時美國最高壩，設計時未考慮地震作用。大壩分別遭遇了1971年2月9日San Fernando和1994年1月17日Northridge兩次強烈地震。

1971年發(fā)生6.6級San Fernando地震，震中距壩趾8km，地震時水位距壩頂45m。地震造成左壩肩下游處的巖體錯動達20cm，左岸支墩的構造縫張開1cm。1976年為提高左岸壩肩巖體的穩(wěn)定性打設了35根后張式錨索。

1994年發(fā)生6.8級Northridge地震，震中距壩址17.7km，地震時庫水水位距壩頂40m。壩體的損傷較1971年更加嚴重：左岸支墩巖體錯動了近50cm，最終35根錨索限制了巖體的進一步滑動；左岸鄰近壩肩的一條構造橫縫因下游推力墩的錯動而產(chǎn)生了約5cm殘留張開，縫的底部約為0.5cm；Pacoima拱壩的其他橫縫在地震中張開，但地震后均自然閉合，同時鄰近支墩壩段上有一些裂紋產(chǎn)生；右岸沒有明顯損傷（見圖2、圖3）。

圖2 Pacoima拱壩右岸Fig. 2 Pacoima arch dam right abutment

圖3 Pacoima拱壩左岸Fig. 3 Pacoima arch dam left abutment

圖4 進水口排架下部水平裂縫Fig. 4 The horizontal cracks of intake bent

圖5 大壩左岸山體滑坡Fig. 5 The dam left bank landslide

圖6 壩頂電梯井房外墻裝飾材料碎落Fig.6 Dam top elevator room wall decorative materials damage

1.3 中國沙牌碾壓混凝土拱壩

沙牌碾壓混凝土拱壩位于四川省汶川縣草坡河上，2003年6月竣工。最大壩高130m。2008年遭遇汶川地震，沙牌拱壩距震中約30km，處于Ⅸ地震烈度影響區(qū)，地震時庫水位在正常蓄水位以下6m。震后對壩體結構、壩基（壩肩）外觀完好進行了調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象，但壩體周圍山體滑坡等災害嚴重，阻礙了通往壩址的交通（見圖4～圖6）。

上面幾個典型案例表明，在充分吸取已建工程經(jīng)驗的基礎上，在合理設計、認真施工的前提下，混凝土壩具有較好的抗震性能。但從國內(nèi)外關于大壩抗震安全評價的發(fā)展現(xiàn)狀來看，大壩抗震安全評價當前的發(fā)展水平遠遠滿足不了科學地進行大壩抗震安全評價的需要?；炷翂慰拐鸱治鲋械囊恍﹩栴}，需要進一步研究[1]。

2 混凝土壩地震響應分析中的科學問題[2-4]

混凝土壩（以拱壩為代表）抗震設計和安全評價從傳統(tǒng)方法向以新技術為基礎的設計方法的過渡，主要體現(xiàn)在考慮壩和無限地基，和水庫的動力相互作用產(chǎn)生的能量耗散；同時，要考慮強震時橫縫的張合效應。這些因素有利于降低壩的地震響應，但也帶來對大壩整體性和安全性影響的一些問題。

2.1 混凝土動態(tài)特性問題

混凝土是速率敏感性材料，在不同地震波作用下，不同體型、不同部位、不同瞬時大壩所感受的應變速率各不相同，從而混凝土動態(tài)特性對強度和剛度的影響也各不相同。而且根據(jù)材料動態(tài)特性的研究，抗拉的率敏感性高于抗壓的率敏感性；強度的率敏感性要高于彈性模量的率敏感性。

在國內(nèi)外工程實踐中，混凝土動態(tài)特性對大壩地震響應影響的處理作了過分簡化。例如，中國水工建筑物抗震設計規(guī)范中不區(qū)分地震波的特性，不區(qū)分大壩的特性，不區(qū)分抗壓與抗拉，不區(qū)分強度與彈性模量，將地震作用下混凝土的強度與彈性模量一律提高30%。

混凝土的速率敏感性對高拱壩地震響應的影響發(fā)現(xiàn)，接近峰值應力階段，混凝土的率性特性對地震響應產(chǎn)生較大影響。以溪洛渡拱壩為例，應用一致粘塑性模型，地震響應的計算結果如表1所示，采用的設計地震加速度為0.321g。一致黏塑性模型的計算成果與單軸受拉和受壓試驗結果的比較如圖7、圖8所示。

圖7 不同應變率下單軸受拉應力—應變關系Fig.7 Uniaxial tensile stress - strain relationship under different strain rates

圖8 不同應變率下單軸受壓應力—應變關系Fig.8 Uniaxial compressive stress - strain relationship under different strain rates

表1 正常蓄水位下溪洛渡拱壩最大地震應力Tab.1 The maximum earthquake stress of Xiluodu dam under Normal Water Level

研究表明在低應力的線性階段，應力—應變曲線對應變速率的變化不很敏感，但在峰值強度階段，應變速率則對應力—應變曲線產(chǎn)生較大影響。拱壩設計一般采用較高的抗壓安全系數(shù)，拱壩的壓應力水平較低，從而率相關與率無關模型計算的應力響應差別很小。但對拱壩安全起重要作用的拉應力來說，因為接近或超過混凝土的抗拉強度，率相關與率無關模型的計算結果就有很大的差別。研究高拱壩的抗震安全性，不能忽視混凝土的動態(tài)特性的影響。

2.2 壩體與無限地基的動力相互作用

壩體與無限地基的動力相互作用產(chǎn)生的能量耗散對大壩的地震響應產(chǎn)生重大影響。由于問題的復雜性，工程上廣泛采用簡化的無質(zhì)量地基模型。根據(jù)瑞士等國對3座拱壩進行的較長期地震觀測的結果表明，這種模型的計算結果過分保守，誤差較大。20世紀90年代以來，研究者對大壩與無限地基的動力相互作用提出了若干計算模型。國外Maeso 和Dominguez采用邊界元方法進行了拱壩與無限地基的動力相互作用分析；Tan和Chopra應用邊界元方法計算了拱壩與無限地基接觸面的柔度矩陣，據(jù)此進行動力相互作用分析。這兩種模型主要基于頻域分析，應用于時域分析比較困難。國內(nèi)清華大學張楚漢院士與金峰等采用有限元—邊界元—無窮邊界元耦合模型分析了拱壩與無限地基系統(tǒng)的地震響應?；痉匠倘匀辉陬l域建立，但可近似轉(zhuǎn)換至時域進行分析。水科院杜修力與陳厚群院士等采用廖振鵬提出的透射邊界方法按直接法計算了拱壩與地基系統(tǒng)的地震響應，適于進行時域分析。由于計算的復雜性，這些模型都采用了均質(zhì)無限地基的假定。邊界元法和無限邊界元法一般適用于均勻介質(zhì)分析。透射邊界方法由于采用了平面波的假定，也只能適用于均勻介質(zhì)的情況。均質(zhì)地基與非均質(zhì)地基的能量散逸效果的差別是一個值得研究的問題。

大連理工大學以大崗山拱壩為例，進行了非均質(zhì)無限地基對拱壩地震響應影響的研究，并與無質(zhì)量地基的情況比較。研究認為，地基不均勻性對高拱壩地震響應的影響很小。拱壩相對比較柔性，壩的地震響應主要取決于近場地基的剛度，而對遠場地基的不均勻性變化并不敏感。所以，進行拱壩與無限地基動力相互作用的計算時，對地基剛度的選擇應給予充分的注意。對拱壩向無限地基振動能量的耗散來說，近場地基剛度是主要應考慮的因素。

此外，壩基中存在軟弱夾層和不連續(xù)界面時，也對拱壩地震響應有一定影響。含軟弱夾層或存在剛度不連續(xù)的不均質(zhì)地基將使地震響應增大。特別是兩壩肩剛度不連續(xù)界面附近地震應力明顯增長。因此，進行高地震活動區(qū)拱壩安全評價時應注意到這一現(xiàn)象。

2.3 壩與庫水的動力相互作用

壩和庫水的動力相互作用是一個值得深入探討的問題。根據(jù)Chopra所做的大量研究，他認為壩和庫水的動力相互作用起主要作用的因素是水的壓縮性與水庫邊界動水壓力波的吸收作用。但是Chopra等給出的計算公式與計算程序過于繁復，很難在實際工作中實施。所以，目前在工程設計與研究中仍然廣泛采用按Westergaard公式建立的附加質(zhì)量計算公式，即不考慮水的壓縮性，也不考慮水庫邊界吸收的影響，而且也不嚴格滿足不考慮水壓縮性的動水壓力方程。這對于拱壩的地震響應究竟到來多大影響，至今還不能說得很清楚。因而這也是一個亟待解決的問題。

2.4 橫縫動接觸問題

強震時拱壩橫縫的張合效應對地震響應產(chǎn)生重要影響。但是三維摩擦接觸問題在力學上仍是一個比較復雜的問題，沒有得到很好的解決。我國一些單位提出了考慮拱壩橫縫影響的地震響應計算方法。摩擦接觸問題的數(shù)值解法可按問題的性質(zhì)進行不同的分類。從變分觀點可分為變分等式提法和變分不等式提法；按接觸約束條件施加的方法可分為罰函數(shù)法，拉格朗日乘子法以及增廣拉格朗日乘子法等；按求解方法則可分為“試驗—誤差”迭代法和數(shù)學規(guī)劃法等。通過研究取得以下認識：

（1）強震時橫縫張合使壩體大部分拱向拉應力得以釋放，地震應力在很大程度上得以降低。但是，壩中部高程拱座處仍有局部高應力區(qū)存在，這是因為靜水壓力的作用，拱壩中下部的橫縫基本上仍處于封閉狀態(tài)。不過這部分高應力區(qū)一般只存在于拱或梁表面很小的范圍內(nèi)。

（2）考慮鍵槽影響后，壩面應力大小與分布與橫縫平縫對接的情況基本接近，但在靠近橫縫位置處，由于鍵槽使斷面削弱，應力將有一定程度的增大。

（3）設置鍵槽的模型與平縫可容許徑向滑移的模型相比，橫縫的開度大小比較接近。

強震時橫縫張開有利于釋放大部分拱向拉應力，關鍵是橫縫開度要有所控制，同時要使鍵槽有足夠強度，能正常發(fā)揮作用保持拱、梁作用的協(xié)調(diào)。

目前不同單位計算出的地震時拱壩橫縫開度大小與開度沿拱圈的分布規(guī)律仍有較大的差別，說明這一問題仍有深入研究的必要。

2.5 壩基、壩肩動態(tài)穩(wěn)定問題［5］

壩址的地形、地質(zhì)條件一般都比較復雜。由于節(jié)理、裂隙、斷層等軟弱層面的存在，在壩基和壩肩中都可能形成對壩的安全產(chǎn)生威脅的潛在滑動塊體。

在工程實踐中。臨界滑動體在地震作用下的抗滑穩(wěn)定評價一般采用傳統(tǒng)擬靜力方法，如剛體極限平衡法。在計算中滑動體的地震慣性力以時不變的等價靜力作用力加以代替。該方法概念簡單明確，已積累了大量的工程經(jīng)驗，制訂了為工程界普遍接受的安全評價準則，為現(xiàn)行水工抗震規(guī)定中的基本方法。但該方法不能反映地震作用的瞬時性和高度往復特性，以拱壩壩肩穩(wěn)定為例，規(guī)范做了一條最為重要的假定：按最不利組合得到的拱端靜動疊加的合力最大值與巖體慣性力的最大值同時發(fā)生。實際上，對于受壩體結構振動特性影響的拱端推力，其頻譜特性與可視為地基的巖體慣性力間存在明顯差異，其兩者最大值事實上不太可能同時發(fā)生。除此之外，在不同地震方向產(chǎn)生的巖體慣性力的組合方面，考慮到三個方向地震慣性力的最大值并非同時發(fā)生，現(xiàn)行抗震規(guī)范對豎向地震慣性力乘以0.5的地震組合系數(shù)，而兩個水平向地震慣性力最大值的組合并無明確規(guī)定。

為解決上述缺陷，已開展“基于時域的剛體極限平衡方法”［6-7］有益研究，但與之對應的穩(wěn)定評判標準尚未有一致結論，仍需作進一步工作。

3 設計依據(jù)中的有關問題

《水電工程防震抗震設計規(guī)范》（NB 35057—2015）、《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（DL 5073—2000）及美國陸軍工程兵團（USACE）大壩抗震規(guī)定中，有以下幾點問題需要關注。

3.1 關于反應譜下降段指數(shù)取值問題

與《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（DL 5073—2000）相比，修編稿結構周期大于場地特征周期以后的衰減段指數(shù)從0.9調(diào)整為0.6，衰減指數(shù)的減少將導致工程動力響應加大。涉及已建工程的復核結論和待建工程設計難度加大問題。

3.2 關于混凝土動力特性參數(shù)取值問題

與《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（DL 5073—2000）相比，修編稿將混凝土動態(tài)強度的標準值較其靜態(tài)標準值的提高由30%調(diào)低為20%；其動態(tài)彈性模量標準值較其靜態(tài)標準值的提高由30%調(diào)高為50%。這些變化對混凝土壩動態(tài)拉壓應力的評價有一定影響。

3.3 超限拉應力的評價標準問題

混凝土壩進行動力計算分析時，針對局部超出混凝土強度的“超限應力”，美國陸軍工程兵團（USACE）建議采用應力需求和能力的比值（DCR）、超強應力持續(xù)時間和分布面積對計算結果進行評估。反應譜法是進行分析的第一步，可根據(jù)計算結果直接用DCR來評價，如果DCR結論不滿足要求，需進行線彈性時程分析。對于線彈性時程分析，再用DCR、超強應力持續(xù)時間和分布面積來進行評價。重力壩和拱壩的評價方法和程序是基本相似的，只是標準有所不同。如果線彈性分析的結果不能滿足安全評價的要求，則需進行非線性時程分析。目前，我國規(guī)范尚沒有關于“超限應力”的評價內(nèi)容，需進一步開展相應研究。

可見，鑒于水電工程地震響應研究的復雜性，考慮工程設計依據(jù)的可延續(xù)性，工程設計人員仍然面對諸多問題有待解決。

4 結束語

通過國內(nèi)外混凝土壩典型震損案例分析，有利于總結以往工程設計經(jīng)驗，指導后續(xù)工程抗震設計。案例分析表明，在避開主要地質(zhì)缺陷、合理設計、認真施工的基礎上，混凝土壩具有較強的抗震性能。同時，我國西部將有200～300m級的高壩正在或?qū)⒁ㄔO，西南地區(qū)受印度板塊運動影響，屬于地震高發(fā)區(qū)。高壩抗震研究、設計中存在混凝土材料的動態(tài)特性、大壩與無限地基的動力相互作用、壩與庫水的動力相互作用、壩體橫縫的動接觸等科學技術問題。我國水工建筑物抗震設計規(guī)范、國外有關抗震規(guī)范中仍有一些問題需要關注，這對我國水電工程師和抗震科技工作者提出了新的要求。在科技發(fā)展的基礎上，有待研究新的大壩抗震設計方法和與之對應的抗震安全評價準則。

[1] 鄢家全. 地震危險性分析的困惑與希望[J].國際地震動態(tài)，2005，6（6）：14-24.YAN Jiaquan. Perplexity and Hope of Seismic Hazard Analysis [J].Recent Developments in World Seismology，2005，6（6）：14-24.

[2] 林皋，混凝土大壩抗震安全評價的發(fā)展方向[J]. 防災減災學報，2003，26（1）： 1-12.LIN Gao. Development Trend of Seismic Safety Evaluation of Concrete Dams[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation，2003，26（1）： 1-12.

[3] LIN Gao，HU Zhiqiang. Earthquake Safety Assessment of Concrete Arch and Gravity Dams[J]，Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2005，4（2）： 251-264.

[4] 王海波，李德玉.拱壩抗震設計理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[5] LIN Gao，WANG Jianquan，HU Zhiqiang， LIU Jun，On the Dynamic Stability of Potential Sliding Mass During Earthquakes，Proc. of 5th International Conference on Dam Engineering，Lisbon，Protugal，2007.

[6] 陳厚群，杜修力，侯順載. 拱壩系統(tǒng)三維動力分析及抗震措施研究. “八五”國家重點科技攻關85-208-01-01-36報告之二，IWHR/SVL-95/09，中國水利水電科學研究院，1995.CHEN Houqun，DU Xiuli，HOU Shunzai. Study on 3D Dynamic Analysis and Seismic Measures of Arch Dam. “85”national key scientific and technological research 85-208-01-01-36 report 2，IWHR/SVL-95/09，China Water Resources &Hydropower Science Research Institute，1995.

[7] 張伯艷，陳厚群. 用有限元和剛體極限平衡方法分析壩肩抗震穩(wěn)定[J]. 巖石力學與工程學報，2001，20（5）：665-670.ZHANG Boyan，CHEN houqun. Seismic Stability Analysis of Dam Abutment by Finite Element Method and Rigid Body Limit Equilibrium Method[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2001，20（5）：665-670.

Discussion on Seismic Damage Cases and Seismic Design of Concrete Dam

DU Xiaokai，DANG Lincai，SUN Baoping
（ Hydropower and Water Resources Planning and Design General Institute，Beijing 100120，China）

Many world-class high dams have been built in the western mountainous area in China. Seismic activity is frequent in the dam area because of the Indian and Eurasian plate collision.The case study typical earthquake damage to hydropower projects shows that the concrete dam has good earthquake-resistant performance under the rational design. But seismic design of concrete dam also has some problems including the material dynamic characteristic，the dynamic interaction between dam and infinite foundation，the interaction between the dam and reservoir water，the dynamic contact of transverse joints etc. Further research is needed to solve those problems and the relevant design specification needs to be revised.

concrete dam，earthquake performance，dynamic Characteristic，design specification

TV642

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.005

2016-11-17

2017-02-19

杜小凱，（1979.10—），工學博士，水電水利規(guī)劃設計總院，水工部主任助理。E-mail：372750722@qq.com

黨林才，（1960.2—），水電水利規(guī)劃設計總院，副總工程師。E-mail：danglc@hydrochina.com.cn

孫保平，（1963.8—），水電水利規(guī)劃設計總院，副總工程師。E-mail：sbp9999@163.com