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(qiáng)度和穩(wěn)定兩個方面。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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(dá)到4，非常荷載工況達(dá)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(jìn)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�？偟目磥�，存在著逐步提高的趨勢。以美國為例[1]，1924年設(shè)計Pacoima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0.84～1.26MPa（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(dá)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(dá)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(qiáng)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El Centro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Imperial Valley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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)震，震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Sefid Rud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San Fernando地震時，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，實測壩基加速度，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。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)計地震系數(shù)0.05.1962年3月19日發(fā)生M=6.1級強(qiáng)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(jìn)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Sefid Rud大頭壩震前按地震系數(shù)0.25進(jìn)行過抗震設(shè)計，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San Fernando地震時，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(jìn)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。