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(cháng)時(shí)期的歷史發(fā)展。安全評價(jià)包括強度和穩定兩個(gè)方面。由于失穩的發(fā)展一般是一漸進(jìn)過(guò)程，所以，目前正在研究應用不連續變形方法來(lái)分析大壩沿薄弱面失穩的發(fā)展過(guò)程。這樣，將壩基失穩、變形與大壩的變形、應力重分布與破壞過(guò)程相結合進(jìn)行綜合考慮�？梢愿鼮榭茖W(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(lái)說(shuō)，混凝土大壩特別是拱壩的設計，基本上分別獨立地對穩定和應力分析進(jìn)行檢驗。穩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。穩定方面出現的問(wèn)題則通過(guò)壩線(xiàn)選擇和加固措施來(lái)解決。所以，大壩剖面的選擇將主要通過(guò)應力進(jìn)行控制。從應力方面評價(jià)混凝土大壩的抗震安全性，目前將仍主要建立在容許應力的基礎上。各國都根據彈性動(dòng)力分析計算出的地震應力來(lái)進(jìn)行大壩的抗震設計。本文將主要討論這方面的問(wèn)題。由于混凝土大壩在強震中的震害主要表現為受拉出現裂縫，發(fā)生應力重分布，使大壩的承載能力降低。因此，混凝土的容許抗拉強度成為大壩抗震安全檢驗的十分重要的指標。

　　在混凝土壩的設計中，很長(cháng)時(shí)期內，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(jiǎn)便，又基本上可以反映大壩的受力特性，所以在比較長(cháng)的大壩建設實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也積累了一定的經(jīng)驗。但是這種方法采用平面變形假定，忽略了應力集中的影響，也有一定的局限性。在早期混凝土大壩的設計中，基本上采用了不容許拉應力出現的標準。以拱壩為例，認為主要以承受壓力為主，對壓應力采用比較高的安全系數（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(kāi)裂計算，形成內部新的受壓拱，進(jìn)行應力重分布。早期，大壩的設計地震力不高，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(zhù)壩工建設的發(fā)展，這種評價(jià)標準在實(shí)踐中暴露出來(lái)的矛盾越來(lái)越多。

　　首先，是拉應力的控制標準問(wèn)題逐漸被突破。由于壩高增加，同時(shí)在復雜條件下建設的大壩數量越來(lái)越多，初期不容許拉應力出現的標準無(wú)法滿(mǎn)足設計要求。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力。從而，在一些混凝土壩的設計中逐步容許一定數量的拉應力。以拱壩表現得最為明顯。但是，允許拉應力的數值各壩都不完全相同�？偟目磥�(lái)，存在著(zhù)逐步提高的趨勢。以美國為例[1]，1924年設計Pacoima拱壩時(shí)，加州工程師取容許拉應力0.7MPa（100psi）；1967年美國土木工程學(xué)會(huì )與美國大壩委員會(huì )總結的拱壩拉應力容許值為0.84～1.26MPa（120～180psi）；1974年美國墾務(wù)局標準，容許拉應力在正常荷載時(shí)為1.05MPa（150psi），非常荷載時(shí)為1.575MpP（225psi）；1977年Auiburn壩設計時(shí)，拉應力容許值達到5.25MPa（750psi）；1984年Raphael根據若干座壩混凝土試樣的試驗值，建議地震時(shí)容許拉應力可達6.958MPa（994psi）。拉應力的容許值實(shí)際上決定了大壩設計的安全度，因為它決定斷面裂縫的范圍以及應力重分布的結果。關(guān)于拉應力的容許值，各國、各個(gè)單位、各座壩取值不同。至今還沒(méi)有公認的標準，反映了認識上的不一致。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)統一的標準。

　　其次，隨著(zhù)強震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設計地震加速度數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。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Imperial Valley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(guò)2.0g（M=6.9）。雖然，人們認識到對建筑物響應起作用的應該是有效峰值加速度EPA，但是，實(shí)測地震加速度超過(guò)甚至遠遠超過(guò)抗震設計中的加速度則是事實(shí)。對混凝土大壩設計來(lái)說(shuō)，對壩造成震害的幾次強震中實(shí)測到的大壩場(chǎng)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(wú)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(dòng)衰減規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(shí)，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(shí)，實(shí)測壩基加速度，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(jìn)行過(guò)抗震設計。我國的新豐江大頭壩，在1959年水庫蓄水后不久，由于在庫區發(fā)生有感地震，1961年按Ⅷ度地震烈度進(jìn)行過(guò)一期加固，水平向設計地震系數0.05.1962年3月19日發(fā)生M=6.1級強震時(shí)造成大壩頭部斷裂。印度Koyna重力壩在震前按地震系數0.05進(jìn)行設計，震后頭部轉折處出現了嚴重的水平裂縫；伊朗Sefid Rud大頭壩震前按地震系數0.25進(jìn)行過(guò)抗震設計，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(shí)，左壩頭與重力墩之間的接縫被拉開(kāi)，震后進(jìn)行過(guò)加固，1994年Northridge地震時(shí)又重新被拉開(kāi)。大量地震記錄超過(guò)傳統采用的設計地震加速度，因此，按照什么標準進(jìn)行混凝土大壩的抗震設防，成為設計人員所十分關(guān)注的問(wèn)題。