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混凝土壩抗震安全評價指標和方法研究

文檔作者：馬懷發(fā)1 張坤2 王立濤2 文檔來源： 1．中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室 2．中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心，		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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水利水電技術第48卷2017年第5期
混凝土壩抗震安全評價指標和方法研究
馬懷發(fā)1”，張坤2，王立濤2
(1．中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京100038；
2．中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心，北京100048)
摘要：以提出混凝土壩整體抗震性能評價指標體系和方法框架為目標，分析研究了美國水工建筑物
設計規(guī)范(ER&amp;amp;EM)基于性能目標的抗震評價方法、評價標準、定量化性能指標，同時對國內(nèi)外相
關成果進行了對比分析。針對高混凝土壩的最大設計地震(MDE)的設防水準以及最大可信地震
(MCE)的安全目標，為了更好地評價地震動作用下結構性態(tài)，應注重定量化評估壩體一地基一庫水
的整體效應，以及應力和變形響應的累積效應，結合現(xiàn)有的高混凝土壩的抗震評估，進行線彈性評價
和非線性響應分析。線彈性評價預測應引入USACE評價程序和判別準則中的結構需求能力比、超線
彈性累計時間和性能曲線等定量化指標，再結合現(xiàn)行規(guī)范從壩體關鍵部位、橫縫等方面進行非線性響
應分析修正分步實施，建立混凝土高壩抗震性能定量化評價框架。研究成果為混凝土壩抗震性能評價
提供參考。
關鍵詞：混凝土壩；地震作用；抗震安全評價；評價指標
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2017．05．018
中圖分類號：TU43+TV312 文獻標識碼：A 文章編號：1000．0860(2017)05—0110．10
A prdiIIlinary study on perfomance-based seisIllic翰托ty eValuati伽ind麟of concrete dams
MA Huaifal一，ZHANG Kun2，WANG“ta02
(1．State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in RiVer Basin，China Institude of Water Resources and
Hydmpower Research，Beijing 100038，China；2．Eanhquake En西neering Research Center，China Institude of Water
Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China)
Abstract： In order to propose the evaluation index system and method fhmework 0f the wh01e seisIIlic ped．o瑚ance of concrete
dam，the seismic evaluation methods，evaluation cdteria，and quantitative perfbmlance indicators of USACE eanhquake design
and evaluation of concrete hydraIllic stmctures were studied in tlle paper，and the domestic and foreign related results were com-
畔ed and analyzed．According to the s如ty objectives of the maximum des灑eanhquake(MDE)and the maximum credible
eanllqual(e(McE)of l】igh concrete dams，in orderto better evaluate t11e stnlctural behavior under gmund motion，it is suggested
that quantitative assessment《inte鏟al ef耗ct with dam—foundation—resewoir water and the cuml】lative e玨宅ct of stress and defo玎nation
response were emphasi2ed to evaluate dam stmctural behavior with sejsmic loading． To foml framework of quantitatiVe eValuation
of sejsmic pedbmaIlce of high concrete d咖s，it should be evaluated wim elastic computation and funher nonlinear response
analysis，combined誦th the existing seismic evaluation of the high concrete dam，the linear elasticity prediction should be intro—
duced into evaluation procedure and judgment criterion with quantitative index of USACE based on the demaIld—c印acity訊tio，the
收稿日期：2017．03—27
基金項目：國家自然科學基金資助項目(51679265)；中國水利水電科學研究院科研專項(E舶1458412016)；中國水利水電科學研究院流域水
循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室科研項目(2016TS09)
作者簡介：馬懷發(fā)(1962一)，男，教授級高級工程師，博士，主要從事計算力學、水工結構抗震及混凝土細觀力學分析研究。E—mail：
ma}If@iwhr-com
通信作者：張坤(1991一)，男，碩士研究生，主要從事水工結構抗震數(shù)值模擬研究。E—mail：zIlangkun707070@163．com
110 阢舯R舀o“懈d"d Hyd唧們w，E增協(xié)e一餾％L 48 ND．5
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
cumlllative overstress duration and出e spatial extent of overstressed regions，tllen combined with existing no硼s，corrected by山e
noIllinear response analyses f如m the key parts of dams and contraction joints．The research results proVide a reference for the e’
valuation of seismic perf0珊ance of concrete dam．
Keywords：concrete dam；seismic loading；seismic safety eValuation；eValuation index
0 引言
我國許多已建和擬建的大壩中，有不少都處于地
震高烈度區(qū)，如溪洛渡水電站(最大壩高278 m)、小
灣水電站(最大壩高294．5 m)、白鶴灘水電站(最大
壩高279 m)等，均屬于300 m級高壩。其庫容大、
裝機容量高，并且設計地震烈度多在Ⅷ～Ⅸ度之間
(設計地震加速度一般為O．2～O．329，大崗山拱壩甚
至超過0．559)。地震作用工況已成為強震區(qū)高壩設
計的控制工況，高壩工程的地震響應分析及其極限能
力分析是抗震安全評價的核心內(nèi)容。我國抗震規(guī)
范?對1級建筑物的高壩要求采用MDE一級設防水
準。MDE對應基準期100年，超越概率2％的地震動
參數(shù)，相應性能目標為容許局部損壞、經(jīng)一般處理后
仍可正常運行。對甲類的壅水和重要泄水建筑物要求
進行McE校核不發(fā)生庫水失控下泄的災變安全裕度，
并規(guī)定對重大工程、特殊工程、可能產(chǎn)生嚴重次生
災害的工程應進行專門地震安全性評價工作。規(guī)范
給出了大壩混凝土動態(tài)抗壓強度標準值，動態(tài)彈性
模量標準值相對其靜態(tài)的標準值，動態(tài)抗拉強度標
準值相對于抗壓強度標準值的取值標準，并規(guī)定在
混凝土的抗震強度驗算中，認為拉應力值常起控制
作用‘¨。
在高壩抗震安全評價中應考慮其在強震作用下產(chǎn)
生的、包括壩體和地基局部損傷、開裂和滑移在內(nèi)的
整體位移響應的突變，作為由量變到質(zhì)變的整體失穩(wěn)
的極限狀態(tài)等。對于結構的抗震性能目標總體要求中
震不壞、大震可修、極震不倒?，但沒有明確對應
兩類設防水準的結構穩(wěn)定性定量指標和判別準則，顯
然這種狀態(tài)可能導致不同研究者對相同工程會給出不
同的評價。明確合理的評價指標及其判別準則對確定
在最為經(jīng)濟合理的條件下結構承載能力的理想狀態(tài)非
常重要。
本文研究和借鑒美國水工抗震設計規(guī)范(us—
AcE)心。1結構抗震設計和評估定量化指標及分級設
防評價方法，旨在應力控制、超應力時程和整體損傷
破壞識別方面為我國現(xiàn)行規(guī)范改進分類設防水準及其
性能目標相對應的指標及其計算、判別方法提供參
水利水電技術第48卷2017年第5期
考，并且從壩體關鍵部位的應力和位移累積效應方面
豐富國內(nèi)抗震安全評估內(nèi)容。
1 混凝土抗震設計評價及其指標分析
1．1 抗震設防標準及其性能目標
設防地震與壩體結構性能目標相關聯(lián)，是按一
定設防水準所規(guī)定的運行地震(OBE)或最大設計地
震(MDE)。國際大壩委員會(ICOLD)的“大壩地震
動參數(shù)選擇導則”M o包括USACE建議的采用分級設
防方式。uSACE基于性能的設計思路，采用兩級地
震設防標準，即設防地震為運行基準地震OBE(超
越概率為50％，重現(xiàn)期為145年)和最大設計地震
MDE，其性能目標控制與結構材料的力學性能相聯(lián)
系(見圖1)，性能目標共分為三個等級，相應的性
能目標如表1所列。按照混凝土材料的變形性質(zhì)控
制性能指標，界限明確，便于采用與之對應的數(shù)值
計算方法。
我國的大壩采用最大設計地震MDE一級設
防一q]。重要大壩MDE的抗震設防標準接近于國外
多數(shù)國家McE的設防水平，其對應的性能目標和
運行基本地震OBE的性能要求相近，而對于工程抗
震設防類別低于甲類的大壩，相應的設防重現(xiàn)期也
高于一般的0BE要求。高混凝土壩數(shù)值模型應考慮
半無限大體地基遠域輻射阻尼、壩體橫縫及地基夾
層的接觸非線性、壩體一地基材料的非線性問題和
庫水作用等因素。目前我國抗震規(guī)范?僅以容許應
力建立強度判斷條件，以最大拉應力安全系數(shù)來控
制混凝土壩的抗震安全性，而高壩抗震設計目前仍
采用線彈性理論，缺乏與性能目標相對應的計算方
法。這顯然不能對高壩系統(tǒng)安全穩(wěn)定性進行全面地
評估，需要進行計算方法及其定量指標體系的研
究。
1．2抗震評價分析方法及指標
usAcE(EMl 1 10一2—6053)∞1對水工結構的抗震
評價按照不同的性能目標，設計的不同階段由線性
(靜力、動力)計算到非線性(靜力、動力)計算，
由簡單方法到復雜方法，以漸進式步驟進行。這些
方法有地震系數(shù)法(極限平衡法)、等價橫向力法、反
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
表1 USACE設防標準及其性能目標
適用性能當遭受0BE地震動時，結構材料處于彈性變形階段，經(jīng)歷0BE后結構依然可以正常使用和運行
當結構遭受極端地震(MDE小于MCE)時，可以允許一些結構單元變形超過彈性極限，潛在損傷區(qū)域在一定范圍，荷載處于非線性
抗損傷性能
強化階段，雖有一定損傷但修復后仍可承受非地震荷載
結構在遭受極端地震(MDE等于McE)時，其在破壞的情況下不發(fā)生倒塌，不危及人的生命。結構材料的延性要求要比前兩個等級
抗?jié)涡阅?
的性能高，需要進行非線性靜態(tài)和非線性動態(tài)分析
R
瑙
魍
裂
靜
一／1．／ 抗?jié)涡阅堋艨估瓘姸?
(a)素混凝土拉應力與抗拉強度的關系
階段)
曲率
(b)鋼筋混凝土彎矩與曲率關系
圖1 性能控制曲線
應譜一模態(tài)分析法、時程一模態(tài)分析法以及非線性
時程一直接積分法等。uSACE以反應譜一模態(tài)分析
法作為混凝土壩抗震評價的初步計算方法，根據(jù)結
構的承載能力判斷是否進一步采用線性時程法。41
(時程一模態(tài)分析法)，然后通過時程一模態(tài)分析進
一步判斷非線性指標，決定是否進行非線性時程分
析。文獻[5]給出了一系列結構運行性能控制和結
構損傷控制指標，其中包括：結構需求能力比
(DCR)、超線彈性累計時間指標(G加)及性能曲
線。
(1)結構需求能力比(D勰)：對于混凝土壩，結
構需求能力比定義為荷載產(chǎn)生的計算拉應力(需求)
與混凝土抗拉強度的比值。對于重力壩，計算拉應力
為主拉應力；對于拱壩，高應力通常沿拱或者梁的方
向，取拱向或者梁向的拉應力需求計算Dc尺。us—
AcE規(guī)定，混凝土的靜態(tài)抗拉強度f=1．瓏∥3(／：為
混凝土的抗壓強度)，如圖2所示，認為名義動態(tài)抗
112
拉強度為靜態(tài)抗拉強度的兩倍。
(2)超線彈性累計時間(∞)：超線彈性累計時
間是荷載超過結構材料抗拉強度的總持續(xù)時間，即
D衄≥1的總持續(xù)時間。如圖3(a)和(b)所示，其中
曲線(a)有五次應力諧波幅值超過了l，同時，曲線
(b)只有一次。但是，曲線(a)超出D衄值等于1
的總時間為5形3，曲線(b)為∥3，根據(jù)兩個曲線
的基本周期r得到累計非線性總時間都是0．4 s?？?
見，雖然超過的次數(shù)不一致，但是總的持續(xù)時間是
相同的。顯然，只是通過應力循環(huán)的次數(shù)不能很好
地表征結構破壞等級，應該將累計超線彈性持續(xù)時
間和D勰相結合，才能更準確地確定結構破壞程
度。
(3)性能曲線：性能曲線是超線彈性累計時間
(c，D)或者超應力面積比與結構需求能力比(DC尺)的
關系曲線，能夠反映結構非線性或損傷的程度。如圖
3(c)和(d)所示，按照損傷判別準則，結構損傷程度
限定在一個小的區(qū)域內(nèi)(三角形區(qū)域內(nèi))，基于線性
分析評價還是有效的。對于不同類型的結構，非線性
響應或損傷的空間分布是不相同的。
圖2極限強度指標(USACE)
2混凝土壩設計地震評估框架
2。1 USACE評價程序和判別準則
usAcE對重力壩和拱壩的評價程序和判別準則
水利水電技術第48卷2017年第5期
萬方數(shù)據(jù)
芝
星
耋
士
圈鏨
翊瓣
翱
需求能力比DC尺
fc)
2
1
琶o
Q
·1
—2
零＼
丑
套
血
娶
恒
R
瑙
剿
圖3抗震性能指標定義
基本相同，其評價的基本思路是先進行線彈性評價
預測，再進行非線性響應分析修正。首先采用反應
譜一模態(tài)分析法，判斷結構需求能力比(D衄)是否
超過允許值，如不滿足便進行線性時程法分析。采
用線性時程法系統(tǒng)分析和評估：結構需求能力比
(DcR)，超線彈性累計時間(伽)，超應力的空間
分布和結構可能的失效形態(tài)，以評估結構的損傷程
度和可以接受的非線性響應的水平。特別是在MDE
作用下所計算出的結構應力可能超出允許值，壩體
結構會產(chǎn)生某種程度的損傷，在極端情況下壩體
結構還會承受嚴重損傷，但要控制不會導致潰壩
和庫水下泄，如果超出指標臨界值，再進行非線
性時程分析評價。uSACE的DCR指標取值如表2
所列。
2．2 USACE評價準則的應用
基于usACE安全評價框架，文獻[10]從設計
和評估準則、地震動反應譜和加速度時程的選擇標
準、分析方法和評估程序詳細介紹了重力壩和拱壩
的性能設計和安全評價程序，并進行了實例驗證。
文獻[11]基于功能的抗震設計和拱壩的破壞模式提
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
出了高拱壩抗震功能設計框架。
另外，文獻[12—13]有關定量
化指標評估研究表明，基于應力
的方法更容易達到極限值，通過
應力評估拱壩安全性能相對于通
過應變評估的結果保守。在地震
作用下，水庫泄水導致上下游壩
面過應力面積增加¨4|。利用
D僚一C仍指標、超應力分布
(主應力)分析¨糾顯示，基于壩
縫接觸非線性模型在上下游壩
頂處的位移要比基于材料非線
性模型的偏大，最大主應力分
布有較大區(qū)別?；趧傂?、無
質(zhì)量、有質(zhì)量基巖的地震響應
分析¨刮表明，無質(zhì)量地基的壩
體中心部分的懸臂梁位移大于
質(zhì)量地基和剛性地基，剛性地
基的DCR指標曲線和過應力面積曲線更容易達到極
限值。基于性能的D衄、伽、超應力面積比等指
標可以很好地定量反映地震動作用下的結構性態(tài)。
下面將分別介紹對重力壩和拱壩的定量化分析評價
實例。
2．2．1 重力壩
文獻[17]將usACE定量化評價準則引入到重力
壩的抗震安全評價中，模擬了Koyna重力壩(見圖4)
對于近場和遠場地震的響應，首先輸入1967年Koy．
na地震進行線性分析，得到最大主應力時程曲線和
DCR—c∞曲線(見圖5和圖6)，兩種曲線都超過了
臨界值，進而利用塑性損傷模型進行非線性分析，并
得到了不同時間段的開裂分布，這與其他學者¨卜191
的數(shù)值模型研究結果能夠很好地吻合。第二步對比了
大壩在近場和遠場地震作用下的定量化指標曲線，結
果顯示，近場地震對于大壩的應力、位移影響更大，
并且相同條件下的超應力分布與非線性損傷開裂分布
基本一致(見圖7和圖8)。
2．2．2拱壩
文獻[10]對拱壩Pacoima大壩和MoHow Point大
表2 DCR指標控制
超應力面積比例
結構失效狀態(tài)DCR 評價要求
拱壩重力壩
微小或無損傷DCR≤1．O O．O O．0 對于MDE的結構響應處于彈性狀態(tài)，認為沒有損傷或沒有損傷的可能性，結構安全
中等損傷1．O2．0 >20％ >15％ 需要進行非線性時程分析
水利水電技術第48卷2017年第5期113
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萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
悴
{a)
圖4 Koyna重力壩模型㈣(單位
時間／5
圖5最大主應力時程曲線m
時間／5
圖6 DC只指標曲線‘17
壩進行了數(shù)值模擬，模型考慮了橫縫和大壩一地基接
觸的非線性，得到大壩在六條不同地震波下的響應。
‰¨__：
114
圖7 DCR超應力面積分布(近場地震)m
首先進行了線性時程分析，得到
一系列的大壩應力時程曲線(見
圖9)和DCR指標曲線(見圖10
和圖11)，Pacoima大壩的應力
時程曲線的DCR<2，DCR—C，D
性能曲線在臨界值以下，并且
超應力面積在USACE評價準則
規(guī)定值以內(nèi)，Pacoima大壩的抗
震性能良好，破壞損傷在合理范
圍內(nèi)，不需要進行非線性分析，
這與大壩經(jīng)歷San Femando和
Northridge地震時的行為一致。
相反，Morrow Point大壩的DCR—C仍性能曲線超過
了臨界值，這表明大壩在地震作用下存在明顯的非線
性行為(橫縫的開裂和拉伸破壞)，對大壩進行了非
線性分析，結果表明沒有嚴重損傷破壞。
通過以上有關研究成果可以看出，基于性能的抗
震評價準則利用了一系列定量化的指標對結構失效狀
態(tài)進行分級(見表2)的同時，也明確了評價要求，這
為拱壩安全分級評價，提供了可靠依據(jù)。國內(nèi)的抗震
安全評價主要以應力為判別標準，通過相應的應力和
位移時程、裂縫開度對壩體的非線性行為進行判定，
抗震規(guī)范并沒有明確的定量化指標規(guī)定結構的破壞等
級，這對于分析像拱壩一類的多種影響因素下的復雜
結構體來說是不充分的，因為拱壩對于應力極為敏
感，對于相同的應力容許值，在地震作用下不同的拱
壩可能會得到不同的響應，針對所存在的問題，國內(nèi)
學者進行了多方面的定量化評價分析研究，主要圍繞
抗滑穩(wěn)定、關鍵部位位移、損傷程度和累積、壩體裂
縫、壩肩穩(wěn)定等方面展開。在重力壩方面，沈懷
至’2”圳根據(jù)壩基交界面的屈服損壞比和殘余滑動位
移建立了安全評價指標；寇立夯m1在USACE定量化
評價準則基礎上提出了整體和局部損傷指標；范書立
等心列通過分析應變能、塑性消耗能和損傷消耗能在
強震下的變化，建立了以損傷消
散能為主的破壞評價指標；張社
榮等Ⅲo將局部損傷指數(shù)加權得
到整體損傷指標。在拱壩方面，
文獻[25]提出了強震下拱壩損
傷整體判別指標；文獻[26]利
用Fenves混凝土塑性損傷模型，
提出了大壩壩體損傷體積比、上
下游壩面損傷面積比及壩體位移
整體指標，以此來評估不同方向
水利水電技術第48卷2017年第5期
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(a) (b) (c) (d)
圖8非線性開裂分布(近場地震)m1
的地震動對壩體整體或局部的影響；涂勁等將壩體位
移的突變作為大壩穩(wěn)定的指標之一，對大崗山拱
壩‘271和小灣拱壩‘281抗震穩(wěn)定進行分析；張楚漢等‘29]
提出了基于性能的高壩抗震破壞指數(shù)及設計框架，潘
堅文等歸叫利用損傷變量、橫縫開裂峰值和位移峰值
作為衡量拱壩抗震性能的指標；金峰等舊川基于三維
離散元對拱壩一壩肩系統(tǒng)的壩肩和拱冠位移、抗滑穩(wěn)
定系數(shù)K進行了分析。以上研究成果表明建立混凝
土高壩的評價指標需要考慮多方面的問題，如何建立
統(tǒng)一的指標體系和系統(tǒng)的計算分析方法，區(qū)別何為關
鍵控制因素和次要因素，并與性能目標相關聯(lián)還需要
做深入研究。
2．3混凝土高壩抗震性能評價框架
這里針對1級混凝土高壩的抗震要求，采用
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水利水電技術第48卷20l7年第5期
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
MDE一級設防水準，對需要
MCE校核的甲類混凝土拱壩和
重力壩建模，地震荷載輸入，荷
載組合工況，數(shù)值計算方法和評
價指標進行探討研究，數(shù)值計算
模型評價框架流程如圖12所示。
重力壩相對簡單，一般取不同類
型壩的最高壩段，按單個壩段對
重力壩的抗震分析，典型拱壩
幾何模型如圖13所示。下面主
要討論強震作用下的高拱壩抗
震安全指標及方法。
(1)計算模型：將壩體、地基、庫水作為整體分
析，荷載按照現(xiàn)行規(guī)范進行選擇。按照現(xiàn)行規(guī)范忽略
庫水的可壓縮性，庫水的動水壓力作為附加質(zhì)量考
慮，不計地震作用下巖體內(nèi)滲透壓力變化的影響。人
工邊界采用黏彈性邊界，因為建立黏彈性邊界工作量
相對較少，精度較高，可以很好地嵌入到各大通用軟
件中。按照MDE的反應譜生成加速度、速度時程和
位移時程，并將其轉換為等效荷載，從數(shù)值模型的巖
基底部輸入該等效荷載口2|。
(2)地震響應時程分析：首先不考慮壩體及地基
的材料非線性，進行拱壩地震響應接觸非線性計算分
析。由于拱壩存在橫縫，并考慮到軟弱夾層，即使不
考慮壩體和巖基的材料非線性問題也是一種接觸非線
性問題。典型的混凝土拱壩動力響應分析應有三個計
6 895
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圖9 Pacoima大壩最大應力時程‘10
時間／5
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115
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萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
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圖10 Pacoima大壩的DC月指標曲線?
O 1 l 2 l 3 1 4 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 O
DCR
圖1 1 Morrow Pojnt大壩的DC_R指標曲線?
圖12評價框架流程
算步驟：①計算出地基軟弱接觸面的初始壓緊力。如
果當前計算模型無地基軟弱接觸面可以忽略本步的計
116
(a)橫縫及巖基夾層(b)橫縫及巖基夾層
圖13拱壩計算模型
算工作；②壩體系統(tǒng)的靜力分析：靜力荷載包括壩體
自重、靜水壓力、土壓力、泥沙壓力、滲流壓力、溫
度應力等；③壩體系統(tǒng)的動力響應分析：壩體系統(tǒng)是
在承受靜載同時遭遇地震荷載的情況，上一步靜力計
算的結果作為動力計算的輸人條件，按照上文提到的
uSACE評價程序和判別準則進行線性和非線性時程
分析。
計算分析給出壩體系統(tǒng)的位移響應時程、橫縫張
開度時程、應力響應時程、Dc尺等一系列指標，以
及相應的最大值包絡圖和最大主應力(特別是最大拉
應力)包絡，并與其強度比較，判斷超應力區(qū)域，特
別是建基面(壩基與地基的交接面)超應力區(qū)域的分
布等，判斷是否需要進行材料非線性時程分析。材料
的非線性時程分析考慮壩體和巖基材料損傷特性。幾
何模型中的建基面不再作為具有一定強度的潛在接觸
面，認為壩和巖基實體連接。材料本構關系采用混凝
土損傷模型，分析計算建基面的損傷破壞區(qū)域范圍。
文獻[33—34]基于PcDsRA軟件進行了實例驗證，
給出了損傷變量場(見圖14)。
(a)壩體
dW
蛾黧
(1167 95
¨‰
mng
l獼翔
t)599 99
水一，
(b)地基
圖14損傷變量場‘圳
水利水電技術第48卷20l 7年第5期
萬方數(shù)據(jù)
(3)評價內(nèi)容和指標：由于拱壩的主要震害現(xiàn)象
為壩肩等關鍵部位的突變、壩體橫縫張開、建基面的
變形和失穩(wěn)等，評價內(nèi)容如下。
①壩肩穩(wěn)定性安全陛評價：將近域地基中兩岸壩
肩按地質(zhì)構造確定的各可能滑動巖塊的各個滑動面，
以及作為抗震薄弱部位的壩基面，都作為具有摩爾一
庫侖摩擦特性的接觸面處理，可能滑動巖塊滑動面和
壩基面上的抗滑強度指標根據(jù)巖體類別確定，而壩基
面的初始抗拉和抗剪強度則按壩體混凝土等級取值。
在MDE荷載作用下壩肩巖體各部位的位移響應，通
過關鍵部位的位移響應直觀地反映出突變點(見圖
15)，可將突變點狀態(tài)相應的地震動輸入與“最大可
信地震”的比值∞5|，作為評價在“最大可信地震”作
用下工程不“潰壩”的定量準則，并判別工程潛在的
“超載”抗震安全裕度。同時可計算出由地震加載引
起的接觸面(滑移面)受力時程。在每一個時間步中，
將靜態(tài)和動態(tài)節(jié)點力相結合并分解為切向和法向的分
量；利用摩爾一庫倫準則可以在合力法向部分中得到
抗力，相應的主動力可以從合力的切向部分得到。安
全系數(shù)的時程即為抗力與主動力的比值(見圖16)，
若安全系數(shù)小于1，則不會發(fā)生滑動，判定結構會維
持穩(wěn)定狀態(tài)。在地震往復荷載作用下，有時安全系數(shù)
小于1的持續(xù)時問很短，并不能引起壩體失穩(wěn)，可以
將超載累計時間作為一項評價指標，綜合評判拱座潛
在滑動巖塊的抗滑穩(wěn)定性及其對大壩整體安全性的影
響。
②橫縫分開度指標：高拱壩在強震作用下，壩頂
部(特別是拱冠處)動力放大效應顯著，可能會導致
伸縮橫縫張開。時程分析可給出如圖17所示的壩體
橫縫的開度時程。這樣可以根據(jù)時程判斷橫縫止水帶
是否拉開，縫的張開度應小于止水帶的厚度。由于靜
水壓力作用下各壩段間伸縮橫縫被壓緊，因而在低水
位時遭遇地震所產(chǎn)生的拱向拉應力可能是控制的，因
此對于重要拱壩，宜補充驗算地震作用與常遇低水位
組合的工況。
③壩基交界面(建基面)的開裂度和分布范圍：
考慮到地基巖體的抗拉強度較小，假定壩基交界面
未開裂的具有一定抗拉強度的接觸界面僅是在沒考
慮壩體和巖基材料非線性特性的權宜方法。實際
上，壩基交界處的開裂有可能向地基內(nèi)延伸。如
果經(jīng)以上(材料)線性時程分析，結果建基面開裂
度較大，以貫穿上下游壩基面，并且分布范圍較
廣，要進行材料非線性分析確定建基面的實際損
傷程度。
水利水電技術第48卷2017年第5期
量
＼
檜
翅
g
＼
稔
翅
5
4
蒸s
剞2
鋁1
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
時間／s
(a)z向位移
時間，s
(b)y向位移
圖1 5拱壩壩肩關鍵部位位移穩(wěn)定分析m1
10 12 14 16 18 20
時間／s
圖16安全系數(shù)時程
對白鶴灘、楊房溝水電站的抗震安全分析研
究口6。3 7|，考慮了橫縫、壩體一地基和壩體一庫水的
相互作用、材料非線性等因素，對拱壩體系進行了不
同水位的靜力分析、多種工況的抗震安全分析，對壩
肩穩(wěn)定、橫縫開裂、建基面應力集中、關鍵部位位移
等問題在現(xiàn)行規(guī)范框架下進行了詳細的評價分析，具
有很好的參考價值。
5 0E一03
4 OE—03
— 3 OE—03
蜊2 OE—03
束
”
l OE—03
0 0E+OO
．1 OE—03
． 1
——上游面
I ??一下游面測黼
O 2 4 6 8 1I
圖17橫縫開度時程
117
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評價指標和方法探討
3結語
本文研究美國水工建筑物基于性能目標的設計思
想、安全評價標準，以及評估指標的定量化方法，并
結合我國最新發(fā)布的水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)
范(NB 35047q015)分類設防的原則和要求，針對1
級建筑物的高壩MDE的設防水準以及MCE的安全目
標，較為全面地分析了國內(nèi)外抗震評價應用實例，探
討提出了壩體一地基一庫水的整體抗震性能評價的主
要控制指標和評價方法的基本框架。評價方法建議
結合usAcE評價程序和判別準則中的結構需求能
力比、超線彈性累計時間和性能曲線等定量化指標
先進行線彈性評價預測，再結合現(xiàn)行規(guī)范從壩體關
鍵部位進行非線性響應分析修正分步實施，強調(diào)應
力和變形響應的累積效應，試圖將uSACE評價程
序和判別準則中的定量化指標概念引入并嘗試新規(guī)
范所規(guī)定的評價目標定量化。由于在地震輸入?yún)?
數(shù)、材料性能參數(shù)選取以及計算方法不同，與其對
應的評價指標也會不同，這應要求材料物理模型、
地震荷載與計算評價方法相對應為前提，建立系統(tǒng)
的混凝土高壩抗震性能指標體系、定量判別準則和
評價方法。
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(責任編輯康健)
(上接第55頁)
表6地震工況下廠房上下游墻體節(jié)點對
變位差極值對比mm [3]
節(jié)點對編號平縫相靠整體連接平縫灌漿規(guī)范允許值
上游側
1 35．67 27．92 31．94 35．6
節(jié)點對
2 35．6l 27．93 31．87 35．6
3 36．02 27．97 31．96 35．6
4 35．91 27．81 31．7l 35．6
5 22．05 22．74 22．85 23．6
下游側6 22．03 22．81 22．82 23．6
節(jié)點對7 22．22 22．91 22．92 23．6
8 21．98 22．85 22．84 23．6
耐久性。
(2)平縫相靠方案由于高程1 206．4 m以上部位
傳力單一，使得過縫管道的應力和變位較大，并且兩
種工況下廠房上下游墻的層間變位是三個方案中最大
的，其中地震工況下上游側節(jié)點對變位差超出規(guī)范允
許值。
(3)無論是校核洪水位工況還是地震工況，整
體連接方案都有利于過縫鋼管減小其環(huán)向應力和軸
向應力，保證過縫前后鋼管各部位的各向應力值在
同一數(shù)量級上，不會出現(xiàn)應力突變現(xiàn)象，且其鋼管
應力和廠房上下游墻體變位完全符合規(guī)范規(guī)定。其中
校核洪水位工況下鋼管的最大軸向應力和最大環(huán)向應
力分別只有平縫相靠方案的19％和17％；地震工況
下廠房的變位也在承受范圍內(nèi)。故本文推薦廠壩連接
形式。
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(責任編輯郭利娜)

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