本文論證了混凝土大壩重點(diǎn)是高拱壩的抗震安全評價(jià)的實(shí)踐與發(fā)展現(xiàn)狀?，F(xiàn)有的評價(jià)準(zhǔn)則主要依據(jù)混凝土的強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度來判斷大壩的安全性。大壩的應(yīng)力計(jì)算則以彈性動(dòng)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(shí)上的不一致。事實(shí)上，由于各壩壩高、壩型、地形、地質(zhì)條件不同，地震時(shí)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(dòng)態(tài)強(qiáng)度是大壩抗震安全評價(jià)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。大壩抗震設(shè)計(jì)中目前只依據(jù)Raphael進(jìn)行的局部加載速率的試驗(yàn)結(jié)果選取混凝土的動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)際上，地震作用下，不同的壩不同部位的應(yīng)變速率是不相同的，而且混凝土的動(dòng)強(qiáng)度還和應(yīng)變歷史、初始靜抗壓強(qiáng)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(jià)的合理方法以及進(jìn)一步的研究方向?！　?br /> 　　
　　隨著國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)行建設(shè)。高壩的抗震性評價(jià)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(cái)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(dòng)力分析技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，我們可以對復(fù)雜形狀的拱壩進(jìn)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(jì)算中可以考慮河谷地震動(dòng)的不均勻輸入；可以考慮拱壩結(jié)構(gòu)縫在強(qiáng)震作用下的相對滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)；可以考慮拱壩和無限地基的動(dòng)力相互作用影響等?；炷链髩蔚膹椥哉駝?dòng)響應(yīng)分析可以達(dá)到比較高的計(jì)算精度。但是，對混凝土大壩抗震安全評價(jià)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(dòng)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(jià)的歷史回顧
　　
　　混凝土大壩的抗震安全評價(jià)經(jīng)歷了較長時(shí)期的歷史發(fā)展。安全評價(jià)包括強(qiáng)度和穩(wěn)定兩個(gè)方面。由于失穩(wěn)的發(fā)展一般是一漸進(jìn)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)力重分布與破壞過程相結(jié)合進(jìn)行綜合考慮。可以更為科學(xué)地評價(jià)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(jì)，基本上分別獨(dú)立地對穩(wěn)定和應(yīng)力分析進(jìn)行檢驗(yàn)。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(jì)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(jìn)行控制。從應(yīng)力方面評價(jià)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(dòng)力分析計(jì)算出的地震應(yīng)力來進(jìn)行大壩的抗震設(shè)計(jì)。本文將主要討論這方面的問題。由于混凝土大壩在強(qiáng)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，混凝土的容許抗拉強(qiáng)度成為大壩抗震安全檢驗(yàn)的十分重要的指標(biāo)。
　　
　　在混凝土壩的設(shè)計(jì)中，很長時(shí)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(jìn)行分析。這種方法計(jì)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(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。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(jì)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(dá)到4，非常荷載工況達(dá)到3)，計(jì)算中斷面的受拉部分按開裂計(jì)算，形成內(nèi)部新的受壓拱，進(jìn)行應(yīng)力重分布。早期，大壩的設(shè)計(jì)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)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(shí)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(jì)要求。另一方面，也考慮到大體積混凝土實(shí)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(jì)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?？偟目磥?，存在著逐步提高的趨勢。以美國為例[1]，1924年設(shè)計(jì)Pacoima拱壩時(shí)，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(huì)與美國大壩委員會(huì)總結(jié)的拱壩拉應(yīng)力容許值為0.84～1.26MPa(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(shí)為1.05MPa(150psi)，非常荷載時(shí)為1.575MpP(225psi)；1977年Auiburn壩設(shè)計(jì)時(shí)，拉應(yīng)力容許值達(dá)到5.25MPa(750psi)；1984年Raphael根據(jù)若干座壩混凝土試樣的試驗(yàn)值，建議地震時(shí)容許拉應(yīng)力可達(dá)6.958MPa(994psi).拉應(yīng)力的容許值實(shí)際上決定了大壩設(shè)計(jì)的安全度，因?yàn)樗鼪Q定斷面裂縫的范圍以及應(yīng)力重分布的結(jié)果。關(guān)于拉應(yīng)力的容許值，各國、各個(gè)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(shí)上的不一致。這是可以理解的，因?yàn)楦髯鶋蔚木唧w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(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　其次，隨著強(qiáng)震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設(shè)計(jì)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(shí)為1.3g(M=7.2)；1978年伊朗地震時(shí)0.87g(M=7.4)；1979年美國ImperialValley地震時(shí)為1.7g(M=6.6)；1985年智利地震時(shí)0.75g(M=7.8)；1994年美國Northridge地震時(shí)為1.82g(M=6.7)；1999年我國臺(tái)灣集集地震時(shí)1.0g左右(M=7.3).其中，1985年加拿大地震時(shí)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(shí)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(shí)測地震加速度超過甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震設(shè)計(jì)中的加速度則是事實(shí)。對混凝土大壩設(shè)計(jì)來說，對壩造成震害的幾次強(qiáng)震中實(shí)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(qiáng)震，震中位于大壩以南偏東2.4km，實(shí)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(qiáng)震儀記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震動(dòng)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(shí)，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直分量分別達(dá)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(shí)，實(shí)測壩基加速度，水平和豎向分量分別達(dá)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(qiáng)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(jìn)行過抗震設(shè)計(jì)。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Ⅷ度地震烈度進(jìn)行過一期加固，水平向設(shè)計(jì)地震系數(shù)0.05.1962年3月19日發(fā)生M=6.1級強(qiáng)震時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)行過抗震設(shè)計(jì)，震后形成了一條幾乎貫穿全壩的頭部水平裂縫。美國Pacoima拱壩在1971年SanFernando地震時(shí)，左壩頭與重力墩之間的接縫被拉開，震后進(jìn)行過加固，1994年Northridge地震時(shí)又重新被拉開。大量地震記錄超過傳統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)地震加速度，因此，按照什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土大壩的抗震設(shè)防，成為設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)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(jì)的大壩也表現(xiàn)有一定的抗震能力，有的經(jīng)受了強(qiáng)震的考驗(yàn)，1976年意大利GemonaFreulli發(fā)生的M=6.5級強(qiáng)震中，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(dá)Ⅸ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(jì)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(jì)地震加速度值。日本大壩設(shè)計(jì)基本采用擬靜力法，土木工程學(xué)會(huì)大壩抗震委員會(huì)規(guī)定的設(shè)計(jì)地震系數(shù)[2]，混凝土壩強(qiáng)震區(qū)取為0.12～0.20，弱震區(qū)取為0.10～0.15.考慮彈性振動(dòng)的動(dòng)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(jì)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)計(jì)規(guī)范CHи∏Ⅱ-7-81[3，4]。規(guī)范規(guī)定，對地震烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ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(jìn)行計(jì)算，地震荷載根據(jù)建筑物周期按反應(yīng)譜方法確定，Ⅰ類場地的最大動(dòng)力系數(shù)β=2.2，Ⅱ類、Ⅲ類場地最大動(dòng)力系數(shù)β=2.5，任何情況下β均不小于0.8.按一維簡圖(懸臂梁)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，振型不少于3個(gè)；按二維簡圖進(jìn)行計(jì)算時(shí)，混凝土壩的振型不少于10個(gè)。水工建筑物的地震荷載均按場地烈度相應(yīng)的加速度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)引入一容許破壞程度系數(shù)K1=0.25進(jìn)行折減。對于Ⅰ級擋水建筑物，按加速度矢量表征的計(jì)算地震作用，在此基礎(chǔ)上加大20%.此外，還規(guī)定，位于高于Ⅶ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(bǔ)充計(jì)算。日本規(guī)定，對高拱壩和重要大壩，除進(jìn)行基本分析外，還需要進(jìn)行動(dòng)力分析和動(dòng)力模型試驗(yàn)，并選擇適當(dāng)?shù)牡卣鸩〞r(shí)程曲線。俄羅斯規(guī)范要求Ⅰ級水工建筑物除進(jìn)行地震作用計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)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(jìn)行原型試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)壩的動(dòng)力特性及計(jì)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(jì)規(guī)范》則還沒有修改的動(dòng)向。因?yàn)樵谮嫔竦卣鹬?，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(jì)的大壩地震時(shí)是安全的[5]。據(jù)了解，由于實(shí)測的地震加速度值與設(shè)計(jì)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(huì)有實(shí)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(jì)中的一種趨勢。美國墾務(wù)局在1970年以前，大壩設(shè)計(jì)地震加速度采用0.1g，1974年以后提出設(shè)計(jì)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(huì)1985年起草并經(jīng)國際大壩委員會(huì)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(yùn)行地震動(dòng)OBE與最大設(shè)計(jì)地震動(dòng)MDE兩級設(shè)防的地震動(dòng)參數(shù)選擇原則。按照這一準(zhǔn)則，在安全運(yùn)行地震OBE作用時(shí)，大壩應(yīng)能保持運(yùn)行功能，所受震害易于修復(fù)。故一般可進(jìn)行彈性分析，并采用容許應(yīng)力準(zhǔn)則。在最大設(shè)計(jì)地震MDE作用時(shí)，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(shí)，大壩的泄洪設(shè)備可以正常工作，震后能放空水庫。OBE一般選為100年內(nèi)超越概率50%(重現(xiàn)期145年)的地震動(dòng)水平，以Housner為首的美國大壩安全委員會(huì)則建議DBE的重現(xiàn)期為200年，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)上合理性的論證時(shí)，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，只對特別重要的壩，才令MDE等于MCE[6]。確定MCE，一般有確定性方法(地質(zhì)構(gòu)造法)和概率法等兩種方法，國際大壩委員會(huì)的導(dǎo)則認(rèn)為，就目前的認(rèn)識(shí)水平而言，不可能明確規(guī)定必須采用哪種方法。建議同時(shí)采用兩種方法，并應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。