1、混凝土大壩的抗震安全評價本文論證了混凝土大壩重點是高拱壩的抗震安全評價的實踐與發(fā)展現(xiàn) 狀。現(xiàn)有的評價準(zhǔn)則主要依據(jù)混凝土的強度，特別是抗拉強度來判斷 大壩的安全性。大壩的應(yīng)力計算則以彈性動力分析為基礎(chǔ)。各國規(guī)范 關(guān)于地震設(shè)防水平和大壩的容許拉應(yīng)力數(shù)值有很大差別，表明認(rèn)識上 的不一致。事實上，由于各壩壩高、壩型、地形、地質(zhì)條件不同，地 震時壩身中某一部分產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力不足以全面反映大壩的抗震安 全性。混凝土的動態(tài)強度是大壩抗震安全評價中的一個薄弱環(huán)節(jié)。大 壩抗震設(shè)計中目前只依據(jù) Raphael 進行的局部加載速率的試驗結(jié)果選 取混凝土的動強度。實際上，地震作用下，不同的壩不同部位的應(yīng)變 速率是不

2、相同的，而且混凝土的動強度還和應(yīng)變歷史、初始靜抗壓強 度、含水量以及尺寸效應(yīng)等許多因素有關(guān)，有待作深入研究。在以上 分析基礎(chǔ)上，文中建議了混凝土大壩抗震安全評價的合理方法以及進 一步的研究方向。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展， 小灣、溪洛渡等一批 300m 級世界超高拱壩和龍 灘等 200m 級高碾壓混凝土重力壩即將在我國西部高烈度地震區(qū)進行 建設(shè)。高壩的抗震性評價關(guān)系到下游廣大地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命 財產(chǎn)的安全，具有特殊重要的意義。目前有關(guān)混凝土大壩在地震作用下的動力分析技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步，我們可以對復(fù)雜形狀的拱 壩進行比較嚴(yán)密的三維壩水地基系統(tǒng)的地震響應(yīng)分析。在計算中可以 考慮河谷地震動的不均

3、勻輸入；可以考慮拱壩結(jié)構(gòu)縫在強震作用下的 相對滑移和轉(zhuǎn)動；可以考慮拱壩和無限地基的動力相互作用影響等。 混凝土大壩的彈性振動響應(yīng)分析可以達到比較高的計算精度。但是， 對混凝土大壩抗震安全評價有關(guān)的一些重要問題，其中包括地震設(shè)防 標(biāo)準(zhǔn)，混凝土材料的動力特性等，都還沒有得到很好解決。以下，我 們對一些問題的發(fā)展現(xiàn)狀作一些分析。1、混凝土大壩抗震安全評價的歷史回顧混凝土大壩的抗震安全評價經(jīng)歷了較長時期的歷史發(fā)展。安全評價包 括強度和穩(wěn)定兩個方面。由于失穩(wěn)的發(fā)展一般是一漸進過程，所以， 目前正在研究應(yīng)用不連續(xù)變形方法來分析大壩沿薄弱面失穩(wěn)的發(fā)展過 程。這樣，將壩基失穩(wěn)、變形與大壩的變形、應(yīng)力重分布與破

4、壞過程 相結(jié)合進行綜合考慮。可以更為科學(xué)地評價大壩的安全性。這將是今 后的發(fā)展方向。但就目前情況來說，混凝土大壩特別是拱壩的設(shè)計， 基本上分別獨立地對穩(wěn)定和應(yīng)力分析進行檢驗。穩(wěn)定分析主要采用極 限平衡方法，按塑性力學(xué)上限理論計算安全系數(shù)。穩(wěn)定方面出現(xiàn)的問 題則通過壩線選擇和加固措施來解決。所以，大壩剖面的選擇將主要 通過應(yīng)力進行控制。從應(yīng)力方面評價混凝土大壩的抗震安全性，目前 將仍主要建立在容許應(yīng)力的基礎(chǔ)上。各國都根據(jù)彈性動力分析計算出 的地震應(yīng)力來進行大壩的抗震設(shè)計。本文將主要討論這方面的問題。 由于混凝土大壩在強震中的震害主要表現(xiàn)為受拉出現(xiàn)裂縫，發(fā)生應(yīng)力 重分布，使大壩的承載能力降低。因此

5、，混凝土的容許抗拉強度成為 大壩抗震安全檢驗的十分重要的指標(biāo)。在混凝土壩的設(shè)計中，很長時期內(nèi)，拱壩采用試載法 （多拱梁法 ），重力 壩采用材料力學(xué)方法進行分析。這種方法計算比較簡便，又基本上可 以反映大壩的受力特性，所以在比較長的大壩建設(shè)實踐中發(fā)揮了重要 作用，同時也積累了一定的經(jīng)驗。但是這種方法采用平面變形假定， 忽略了應(yīng)力集中的影響，也有一定的局限性。在早期混凝土大壩的設(shè) 計中，基本上采用了不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。以拱壩為例，認(rèn)為主 要以承受壓力為主，對壓應(yīng)力采用比較高的安全系數(shù) （正常荷載工況達 到 4，非常荷載工況達到 3） ，計算中斷面的受拉部分按開裂計算， 形成 內(nèi)部新的受壓拱，進

6、行應(yīng)力重分布。早期，大壩的設(shè)計地震力不高， 地震加速度一般取為 0.1g 左右，這種情況下許多拱壩的安全性主要由 靜力情況控制。隨著壩工建設(shè)的發(fā)展，這種評價標(biāo)準(zhǔn)在實踐中暴露出 來的矛盾越來越多。首先，是拉應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)問題逐漸被突破。由于壩高增加，同時在 復(fù)雜條件下建設(shè)的大壩數(shù)量越來越多，初期不容許拉應(yīng)力出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn) 無法滿足設(shè)計要求。另一方面，也考慮到大體積混凝土實際上可以承 受某種程度的拉應(yīng)力。從而，在一些混凝土壩的設(shè)計中逐步容許一定 數(shù)量的拉應(yīng)力。以拱壩表現(xiàn)得最為明顯。但是，允許拉應(yīng)力的數(shù)值各 壩都不完全相同。 總的看來， 存在著逐步提高的趨勢。 以美國為例 1， 1924年設(shè)計Pacoi

7、ma拱壩時，加州工程師取容許拉應(yīng)力0.7MPa(100psi); 1967 年美國土木工程學(xué)會與美國大壩委員會總結(jié)的拱壩拉應(yīng)力容許值 為0.841.26MPa(120- 180psi); 1974年美國墾務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)，容許拉應(yīng)力 在正常荷載時為 1.05MPa(150psi),非常荷載時為 1.575MpP(225psi);1977年 Auiburn 壩設(shè)計時，拉應(yīng)力容許值達到 5.25MPa(750psi); 1984 年Raphael根據(jù)若干座壩混凝土試樣的試驗值，建議地震時容許拉應(yīng)力 可達6.958MPa(994psi)拉應(yīng)力的容許值實際上決定了大壩設(shè)計的安全 度，因為它決定斷面裂縫的范圍以

8、及應(yīng)力重分布的結(jié)果。關(guān)于拉應(yīng)力 的容許值，各國、各個單位、各座壩取值不同。至今還沒有公認(rèn)的標(biāo) 準(zhǔn)，反映了認(rèn)識上的不一致。這是可以理解的，因為各座壩的具體情 況不同，拉應(yīng)力發(fā)生的部位不同，對壩安全性的影響也各不相同，很 難要求采取一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其次，隨著強震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設(shè)計地震加速度數(shù)值也呈逐步上升趨勢。1940年美國ElCentro記錄到的最大地震加速度為0.32g(M=7.0).1970年以后具有特大加速度的記錄不斷涌現(xiàn)。 例如，1973 年前蘇聯(lián)Gazli地震時為1.3g(M=7.2);1978年伊朗地震時0.87g(M=7.4);1979年美國 ImperialVall

9、ey 地震時為 1.7g(M=6.6)；1985 年智利地震時0.75g(M=7.8); 1994 年美國 Northridge 地震時為 1.82g(M=6.7); 1999 年 我國臺灣集集地震時1.0g左右(M=7.3).其中，1985年加拿大地震時記 錄到的最大加速度甚至超過 2.0g(M=6.9)雖然，人們認(rèn)識到對建筑物響 應(yīng)起作用的應(yīng)該是有效峰值加速度 EPA但是，實測地震加速度超過甚 至遠遠超過抗震設(shè)計中的加速度則是事實。對混凝土大壩設(shè)計來說， 對壩造成震害的幾次強震中實測到的大壩場地加速度是值得重視的。 其中，印度Koyna重力壩，1967年12月11日發(fā)生M=6.5級強震，震

10、 中位于大壩以南偏東2.4km,實測壩基加速度為：壩軸向 0.63g,順河 向0.49g,豎向0.34g伊朗SefidRud大頭壩，1990年6月21日發(fā)生M=7.6 級大震，震中距壩址約5m，壩址無儀器記錄。相距40km處的強震儀 記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震動衰減規(guī)律估算的壩基加速度為 0.714g美國 Pacoima拱壩，1971 年 2 月 9 日發(fā)生 M=6.6 級 SanFernando 地震時，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直分量分別達到 1.25g 和 0.72g,估算壩基加速度約為 0.50g左右；1994年1月17日M=6.8級 Northridge 地震時，實測

11、壩基加速度，水平和豎向分量分別達到 0.54g 和0.43g,左壩肩峰頂1.58g這幾次地震都對大壩造成了比較強烈的震 害。其中還包括我國的新豐江大壩。需要指出，上述大壩都進行過抗 震設(shè)計。我國的新豐江大頭壩，在 1959年水庫蓄水后不久，由于在庫 區(qū)發(fā)生有感地震，1961年按忸度地震烈度進行過一期加固，水平向設(shè) 計地震系數(shù) 0.05.1962年 3 月 19 日發(fā)生 M=6.1 級強震時造成大壩頭部斷裂。印度Koyna重力壩在震前按地震系數(shù)0.05進行設(shè)計，震后頭部 轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)了嚴(yán)重的水平裂縫；伊朗 SefidRud 大頭壩震前按地震系數(shù) 0.25 進行過抗震設(shè)計， 震后形成了一條幾乎貫穿全

12、壩的頭部水平裂縫。 美國Pacoima拱壩在1971年San Fer nan do地震時，左壩頭與重力墩之 間的接縫被拉開，震后進行過加固， 1994 年 Northridge 地震時又重新 被拉開。大量地震記錄超過傳統(tǒng)采用的設(shè)計地震加速度，因此，按照 什么標(biāo)準(zhǔn)進行混凝土大壩的抗震設(shè)防，成為設(shè)計人員所十分關(guān)注的問 題。2、各國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基本框架一方面，不少大壩壩址記錄到的地震加速度遠遠超過設(shè)計中采用的地 震加速度，并且造成大壩的震害；另一方面，按傳統(tǒng)地震加速度設(shè)計 的大壩也表現(xiàn)有一定的抗震能力，有的經(jīng)受了強震的考驗， 1976 年意 大利GemonaFreulli發(fā)生的M=6.5級強震

13、中，在離震中50km范圍內(nèi)有 13座拱壩未發(fā)生震害，其中包括 Ambiesta拱壩，壩高59m,震中距 22km，震中烈度達區(qū)度。面對這一矛盾，各國對于大壩抗震設(shè)防采取 了不同的處理方法,歸納起來可以有三種途徑。2.1 采用較低的設(shè)計地震加速度值的做法日本和俄羅斯，仍然保留傳統(tǒng)的做法，采用較低的設(shè)計地震加速度值。 日本大壩設(shè)計基本采用擬靜力法，土木工程學(xué)會大壩抗震委員會規(guī)定 的設(shè)計地震系數(shù)2，混凝土壩強震區(qū)取為0.120.20，弱震區(qū)取為0.100.15.考慮彈性振動的動力放大影響，拱壩壩身地震系數(shù)取為壩基 的2倍。俄羅斯1995年頒布的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)重新確認(rèn)了前蘇聯(lián) 1981年施 行的地震區(qū)建筑設(shè)

14、計規(guī)范 CFUnn -7-813, 4。規(guī)范規(guī)定，對地震烈度 為、忸、區(qū)度的建筑場地，相應(yīng)的最大地震加速度分別為100cm/s2、 200cm/s2和400cm/s2.水工建筑物按擬靜力方法進行計算，地震荷載根 據(jù)建筑物周期按反應(yīng)譜方法確定，1類場地的最大動力系數(shù)B =2.2 II類、皿類場地最大動力系數(shù) B =2.5任何情況下B均不小于0.8.按一維 簡圖（懸臂梁）進行計算時，振型不少于 3個；按二維簡圖進行計算時， 混凝土壩的振型不少于10個。水工建筑物的地震荷載均按場地烈度相 應(yīng)的加速度進行計算，同時引入一容許破壞程度系數(shù)K 1=0.25進行折 減。對于I級擋水建筑物，按加速度矢量表征的

15、計算地震作用，在此 基礎(chǔ)上加大20%此外，還規(guī)定，位于高于度地區(qū)的I級擋水建筑物 按場地烈度所相應(yīng)的地震加速度（即不折減）作補充計算。日本規(guī)定，對 高拱壩和重要大壩，除進行基本分析外，還需要進行動力分析和動力 模型試驗，并選擇適當(dāng)?shù)牡卣鸩〞r程曲線。俄羅斯規(guī)范要求I級水工 建筑物除進行地震作用計算外，還應(yīng)進行模型試驗在內(nèi)的研究，比較 理想的是在部分已建成的及已投入使用的建筑物上進行原型試驗研究， 以檢驗壩的動力特性及計算方法的合理性。阪神大地震后日本的許多抗震規(guī)范都作了比較大規(guī)模的修改， 但是壩 工設(shè)計規(guī)范則還沒有修改的動向。因為在阪神地震中，沒有發(fā)現(xiàn)水 壩有明顯的震害，認(rèn)為按現(xiàn)有方式設(shè)計的大壩

16、地震時是安全的 5 。據(jù) 了解，由于實測的地震加速度值與設(shè)計地震加速度有較大的差別，日 本規(guī)范將來有可能作一定的調(diào)整，但不會有實質(zhì)性的改變。2.2 采用兩級地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以美國為代表的一些國家，采用兩級地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。這也是目前許多 國家壩工抗震設(shè)計中的一種趨勢。美國墾務(wù)局在 1970 年以前，大壩設(shè) 計地震加速度采用0.1g, 1974年以后提出設(shè)計基準(zhǔn)地震 DBE與最大可 信地震 MCE 兩級設(shè)防的概念 6。美國大壩委員會 1985 年起草并經(jīng)國 際大壩委員會 1989 年公布的大壩地震系數(shù)選擇導(dǎo)則 7，明確了使 用安全運行地震動OBE與最大設(shè)計地震動MDE兩級設(shè)防的地震動參數(shù) 選擇原則。按照

17、這一準(zhǔn)則，在安全運行地震 OBE作用時，大壩應(yīng)能保 持運行功能，所受震害易于修復(fù)。故一般可進行彈性分析，并采用容 許應(yīng)力準(zhǔn)則。在最大設(shè)計地震 MDE作用時，要求大壩至少能保持蓄水 能力。這表示可容許大壩出現(xiàn)裂縫，但不影響壩的整體穩(wěn)定，不發(fā)生 潰壩。同時，大壩的泄洪設(shè)備可以正常工作，震后能放空水庫。OBE般選為 100 年內(nèi)超越概率 50%（重現(xiàn)期 145 年）的地震動水平，以Housner為首的美國大壩安全委員會則建議 DBE的重現(xiàn)期為200年，經(jīng) 過經(jīng)濟上合理性的論證時，還可適當(dāng)延長8。關(guān)于MDE的概率水準(zhǔn)或 重現(xiàn)期，沒有作明確規(guī)定。值得注意的是 MDE的決定一般都和大壩的 失事后果相聯(lián)系，

18、只對特別重要的壩，才令MDE等于MCE6。確定MCE, 般有確定性方法（地質(zhì)構(gòu)造法）和概率法等兩種方法，國際大壩 委員會的導(dǎo)則認(rèn)為，就目前的認(rèn)識水平而言，不可能明確規(guī)定必須采 用哪種方法。建議同時采用兩種方法,并應(yīng)用工程經(jīng)驗進行判斷。米用兩級設(shè)防水準(zhǔn)有待解決的問題是 MDE作用時，如何檢驗大壩的安 全性。目前還沒有取得共同的認(rèn)識,但是近年來已受到許多國家的關(guān) 注,并且已有了一定的進展。這方面有代表性的是加拿大大壩安全委 員會 1995 年制定的大壩安全導(dǎo)則 9,將大壩按其失事后果區(qū)分為4 類： 非常小無傷亡,除大壩本身外,無經(jīng)濟損失； 小無預(yù)期傷 亡,中等損失； 高若干傷亡,較大損失； 很高大

19、量人員傷亡,很 高震害損失。最大設(shè)計地震MDE的年超越概率AEF按大壩失事后果確 定：失事后果小的壩：1/10010000,SFE>100O乙加元。關(guān)于 MDE的 年超越概率,正在進一步制訂便于操作的準(zhǔn)則, 但尚未獲得最終結(jié)果。 關(guān)于安全評價方法, 他們也在研究, 認(rèn)為計算應(yīng)力只是一個中間步驟, 希望確定壩的地震失效模式,了解開裂后壩的動力特性。歐洲許多國家大都參照國際大壩委員會制定的準(zhǔn)則進行考慮。例如, 法國按近 1000 年內(nèi)發(fā)生的最大區(qū)域地震在最不利位置處發(fā)生時確定MCE,而DBE則按大壩運行期內(nèi)可能發(fā)生一次的地震規(guī)模確定。意大 利基本上以國際大壩委員會的準(zhǔn)則為基礎(chǔ)。南斯拉夫大壩M

20、DE的重現(xiàn)期選為 1000至 10000年,按失事后果確定。瑞士重要大壩的安全評價 按MCE考慮，小壩參照房屋建筑的要求考慮。瑞士電力工程服務(wù)公司 為伊朗若干拱壩（壩高100m左右）進行的抗震設(shè)計，MCE的平均重現(xiàn)期 定為2000年左右。其地震加速度值約為DBE的兩倍。MCE作用時容許 大壩開裂,要求檢驗被裂縫分割的壩體的動態(tài)穩(wěn)定。假設(shè)強震時拱壩 的結(jié)構(gòu)縫、水平施工縫以及壩基接觸面上裂縫均張開,按各壩塊為剛 體的假設(shè)分析裂后壩的穩(wěn)定性,要求各壩塊的相對變形和轉(zhuǎn)動不使壩 喪失穩(wěn)定,不發(fā)生壩塊墜落。按照他們的經(jīng)驗,設(shè)計良好的拱壩,壩 的剖面基本上由DBE工況確定。此外，我國臺灣按失事的危險性將大

21、壩分為 3 類，1 類 MDE二MCE;2類 DBE<MDE<MCE3 類 OBE<MDE<DBE. 其中DBE的重現(xiàn)期為100年，OBE的重現(xiàn)期為25年。2.3 我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 10我國現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)雖 然采用了極限狀態(tài)的計算公式,實質(zhì)上仍然是以彈性分析為主的容許 應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn),按計算出的最大拉應(yīng)力來控制壩的安全性。采用一級設(shè)防 標(biāo)準(zhǔn),選擇的設(shè)計地震加速度,對基本烈度 （50年超越概率 10%,重現(xiàn) 期475年）為、忸、區(qū)度區(qū)的場地，分別取為 0.1g, 0.2g和0.4g.只是 對設(shè)計烈度小于8度，壩高小于70m的2級或3級的混凝土重力壩和拱壩，容許

22、采用擬靜力法分析，引入地震作用效應(yīng)折減系數(shù)E =0.2但對重要大壩，則需將設(shè)計地震加速度的水準(zhǔn)提高到 100 年超越概率 2%（重現(xiàn)期 4950年）.地震作用采用反應(yīng)譜法進行彈性分析， 適當(dāng)提高結(jié) 構(gòu)的阻尼比 （拱壩 3%-5%），材料強度取值也適當(dāng)提高，混凝土動態(tài)強度 較靜態(tài)強度提高 30%，動態(tài)抗拉強度取為動態(tài)抗壓強度的 10%.計入結(jié) 構(gòu)重要性系數(shù)，設(shè)計狀況系數(shù)，結(jié)構(gòu)系數(shù)和材料分項系數(shù)影響后，混 凝土的抗拉強度設(shè)計值約為材料抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的 0.132倍。3、混凝土材料的動力特性對混凝土大壩進行抗震安全評價，除了地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)而外，一個重要 的方面是混凝土材料的動力特性問題。在壩工問題研究

23、中這是相對薄 弱的環(huán)節(jié)。20 世紀(jì) 50 年代后期日本的火田野正進行了比較全面的對混 凝土動態(tài)抗壓和動態(tài)抗拉強度影響的研究 13， 14，注意到了加載速率 對混凝土動態(tài)強度的重要影響， 以后有一些作者進行了這方面的研究。 在大壩設(shè)計中，目前應(yīng)用比較廣泛的一個依據(jù)是 Raphael所進行的試驗 15，他在 5 座西方混凝土壩中鉆孔取樣進行動力試驗，在 0.05 秒的 時間內(nèi)加載到極限強度（相當(dāng)于大壩5Hz的振動頻率），得出動態(tài)抗壓強 度較靜強度平均提高 31%；直接拉伸強度平均提高 66%，劈拉強度平 均提高 45%，試驗結(jié)果有一定離散性。據(jù)此，他提出了混凝土大壩在 地震作用下抗拉強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的

24、建議。地震作用下混凝土的抗拉強度彈位psi）為ft=2.6fc2/3計入斷面塑性影響時的混凝土表面抗拉強度（單位psi）為f ' t=3.4fc2/3式中：fc為混凝土的靜態(tài)抗壓強度。這一結(jié)果是在一定條件下取得的，即應(yīng)變速率大體相當(dāng)于5Hz的振動。 但目前已被不分情況地普遍推廣應(yīng)用于大壩的設(shè)計 16，我國水工建 筑物抗震設(shè)計規(guī)范也采用了這一結(jié)果。實際上，不同的大壩、不同的部位，地震時的應(yīng)變速率各不相同，例如，對300m級的高拱壩來說， 其基本振動頻率接近于1Hz,地震時的應(yīng)變速率遠低于5Hz時相應(yīng)的應(yīng) 變速率。近年來，關(guān)于應(yīng)變速率對混凝土強度的影響已進行了大量研 究17, 18。其中歐

25、洲混凝土協(xié)會 （CEB） 1 990樣板規(guī)范建議的計算公式 形式如下 19：ft/fts=(/s)1.016-(I <30sS =1心0+6f ' c/f ' co)式中： ft 為應(yīng)變速率時的動態(tài)抗拉強度； fts 為靜態(tài)抗拉強度；為動應(yīng) 變速率，3X 10-& 300s-1; s為靜應(yīng)變速率，3X 10-6s-1 f '為混凝土抗 壓強度；f（為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度，10MPa.地震荷載作用時的應(yīng)變速率，一般在 （10-310-2）范圍內(nèi)變化17。應(yīng) 當(dāng)指出，不同的研究者得出的結(jié)果離散性很大 18。而且，對混凝土動 態(tài)強度影響的因素也很多。混凝土在受拉、

26、受彎和受壓時，其動態(tài)強 度的增長幅度不同。不同強度的混凝土增長幅度不同，低標(biāo)號混凝土 增長幅度較高。此外，混凝土試件的濕度也對其動強度的增長幅度發(fā) 生重要影響，干混凝土的動態(tài)強度基本上不隨應(yīng)變速率的增加而變化 20。還有，尺寸效應(yīng)也是一個不應(yīng)忽略的因素。以上的很多研究都是針對恒定的加載速率而進行的，實際上，地震時 大壩各部分所承受的應(yīng)變速率是變化的 21。往復(fù)荷載作用時， 最大動 應(yīng)力發(fā)生的瞬時，其相應(yīng)的動應(yīng)變速率 =0，這表明混凝土的動態(tài)強度 應(yīng)和加載歷史有關(guān)。對于循環(huán)加載，加載幅度與加載循環(huán)數(shù)也將對動 強度發(fā)生影響。 “八五”期間我們進行的實驗 22表明，加載強度達到混 凝土強度的 75%

27、，預(yù)加載 100 周后，動強度可較不進行預(yù)加載時降低12% 20%. 地震作用下，大壩各部位在不同時刻處于不同應(yīng)變速率和應(yīng)變歷史條 件，大壩各部位的強度和剛度均相應(yīng)發(fā)生不同程度的變化，這些因素 都將對大壩的地震響應(yīng)產(chǎn)生一定影響，值得重視。4、對混凝土大壩抗震安全評價的幾點看法和建議從以上各國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的討論中可以看出，各國的安全評價標(biāo) 準(zhǔn)存在有較大的差別，認(rèn)識很不一致。我們不妨做一簡單比較。我國 300m級的小灣拱壩和溪洛度拱壩均位于忸度強震區(qū)內(nèi)， 按100年超越 概率2%的水準(zhǔn)，設(shè)計地震加速度分別為0.308g和0.320g按日本標(biāo)準(zhǔn)， 強震區(qū)（相應(yīng)于烈度忸度和區(qū)度）設(shè)計地震加速度為

28、0.12g-0.20g按俄羅 斯標(biāo)準(zhǔn)，I級大壩忸度區(qū)設(shè)計地震加速度取為 0.06g,同時按0.2g進行 補充分析。美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)按兩級設(shè)防。 DBE 取重現(xiàn)期 200 年，則小灣 和溪落渡的設(shè)計地震加速度約相應(yīng)于 0.07g和0.12g（依據(jù)地震危險性分 析結(jié)果），此外，要求在 MDE 地震作用時保持蓄水能力。 上述標(biāo)準(zhǔn)都按 彈性分析計算地震應(yīng)力。由于各國國情不同，材料強度的控制標(biāo)準(zhǔn)不 同，施工質(zhì)量的可靠程度不同，這種比較并不能完全反映大壩抗震設(shè) 計的安全度，但還是給我們一定的啟示。值得注意的是，各國大壩的 設(shè)計地震加速度 （包括我國低烈度區(qū)的一些低混凝土壩在內(nèi) ）雖有差別， 但比較接近 （除拱

29、壩外，日本大壩壩身的設(shè)計地震加速度均等于地基加 速度，所以地震加速度取得高一些； 俄羅斯、美國等則考慮動力影響， 將大壩壩身的加速度在地基加速度基礎(chǔ)上進行放大 ）.相對來說， 我國重 要大壩的設(shè)計地震加速度有所偏高， 其設(shè)計加速度 （100 年超越概率 2%）， 達到或接近國外 MDE 的水平。而在 MDE 作用時，國外一般容許大壩 發(fā)生一定程度的震害，只要保持水庫的蓄水能力即可。我國則要求地 震時大壩的最大應(yīng)力不超過材料的動態(tài)抗拉強度， 即不容許出現(xiàn)裂縫。 我國重要大壩設(shè)計地震加速度偏高的一個原因是沿用了 1978 年規(guī)范試 行本中的一個規(guī)定，對于 1 級擋水建筑物，設(shè)計地震烈度可在基本烈

30、度基礎(chǔ)上提高一度。當(dāng)時參照了前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定。然而，前 蘇聯(lián)在 1981 年施行的新規(guī)范中，對水工建筑物已經(jīng)取消了這一規(guī)定。 這表明如何對重要大壩進行抗震設(shè)防也是一個值得深入研究的問題。 需要指出一點，現(xiàn)有關(guān)于混凝土大壩在地震中的表現(xiàn)以及地震震害等 的經(jīng)驗主要限于百米左右或百米以下的大壩。而目前我們需要建設(shè)的 是 300m 級的超高拱壩， 所以有必要結(jié)合高壩的特點進行研究。 這一點 對拱壩特別重要。由于拱壩采用了比較高的抗壓安全系數(shù)，強度儲備 大，局部出現(xiàn)裂縫后，應(yīng)力調(diào)整有一定余地。但高拱壩的強度儲備相 對較小，壩體開裂后應(yīng)力調(diào)整的余地也相應(yīng)減小，需要引起重視。我 們曾嘗試對小灣拱壩（H

31、=292m）和二灘拱壩（H=240m）進行過非線性動力 分析9。計算中采用非線性彈性模型。這種模型相對比較簡單，應(yīng)用 也比較普遍。國際上一些著名的商用軟件，如 ADINA, NONSAP等都采用這種方法。這種模型在理論上雖不夠完整嚴(yán)密，但它可用顯式的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線來反映混凝土的變形規(guī)律， 根據(jù)混凝土的壓、拉應(yīng)力大小， 加荷、卸載情況，以及受拉后出現(xiàn)裂縫等情況，可以采用均質(zhì)各向同 性、正交異性，線性和非線性等不同的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系來描述，物理概 念明確。同時可以選擇適當(dāng)?shù)亩噍S應(yīng)力條件下的破壞準(zhǔn)則以便更好地 反映混凝土的多軸受力和變形特性。計算中，采用美國 1971 年的 San Fer nan

32、 do地震時巖基上的地震波，有較多波型記錄。采用材料的容 許抗拉強度為3MPa計算結(jié)果表明，對小灣拱壩，輸入設(shè)計地震加速度 0.308g,在高水位時，拱冠梁壩踵部分開裂，應(yīng)力重分布后，部分混凝 土被壓碎。 并擴展至右岸壩肩 1/2-1/3 壩高處相繼發(fā)生開裂與局部單元 壓碎。在運行低水位時，壩頂拱冠部分偏左也發(fā)生若干單元開裂，并 導(dǎo)致部分單元壓碎。對二灘拱壩采用材料容許抗拉強度2.5MPa,輸入地震加速度0.308g時（超過原設(shè)計加速度0.144g）,拱冠梁壩踵部位局部 開裂，但不發(fā)展。雖然，在計算模型方面還有待進一步完善改進，但 這一現(xiàn)象表明，同一應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，對不同拱壩，其抗震安全性可有 很大差別。這是因為，各壩壩高、壩的型式、兩岸地形、地質(zhì)情況不 同，按彈性動力反應(yīng)分析計算出的最大應(yīng)力，不足以全面反映拱壩的 抗震安全性。高拱壩對應(yīng)力的敏感性更為強烈，值得深入研究。綜上所述，對