水工建筑物抗震設計規(guī)范的修訂

水工建筑物抗震設計規(guī)范的修訂

0《規(guī)范》的編寫是農民天本次編撰由水利水電規(guī)劃總局和水電規(guī)劃總局（以下簡稱總水利電規(guī)劃總局和水電規(guī)劃總局）共同組織、整合。編制后的同一規(guī)范仍由水利水電工業(yè)部門發(fā)布。由主管修編工作的水利和水電兩總院共同組織顧問組、編制組和試設計組。中國水利水電科學研究院受水利和水電兩總院委托修編《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》),根據(jù)水利部水利水電規(guī)劃設計總院(水總科794號)》文批準的修編工作大綱和《水電水利規(guī)劃設計總院(水電規(guī)科56號)》文的要求,開展修編工作?！兑?guī)范》在修編過程中,調查總結了近年來國內外大地震的經(jīng)驗教訓,特別是我國汶川大地震的啟迪,吸收采用了水利水電工程抗震實踐中較為成熟的新的科研成果,開展了廣泛的專題研究,考慮了我國的國情和工程實際,提出修編稿后已在全國廣泛征求了有關設計、施工、科研、教學單位及管理部門和有關專家的意見,經(jīng)過反復討論、修改和試設計,待最后送審后報批定稿。本文將本次修編工作中的工程背景、主要內容以及關鍵問題簡介如下。1大壩抗震設計規(guī)范的重要性各國歷來在大地震后都及時修訂抗震設計規(guī)范?，F(xiàn)行的《規(guī)范》已運行十余年,發(fā)揮了重要作用。汶川大地震是建國以來最嚴重的強震,震后有關方面組織對震區(qū)的水工建筑物進行了詳盡調研和分析總結,并對重大工程進行了極限地震下的抗震安全復核。汶川大地震對水工建筑物抗震設計的最主要啟迪可概括為:1.眾多水壩在汶川地震中雖遭受不同程度的震害,但無一潰決。震中附近4座百米以上不同類型高壩遭受了超設計強震,仍保持整體穩(wěn)定。說明只要設防標準基本合適,按規(guī)范進行抗震設計,精心施工和運行管理到位的大壩,基本可保證抗震安全,現(xiàn)行水工建筑物抗震設計規(guī)范經(jīng)受了汶川大地震的檢驗。2.在強震作用下壩基巖體和邊坡的穩(wěn)定性對大壩抗震安全十分關鍵。紫坪鋪和沙牌等百米級高壩的壩肩巖體,都因采用了預應力錨固處理,在汶川地震的作用下,保持了壩基和高邊坡的穩(wěn)定,而相鄰未錨固區(qū)域的邊坡則嚴重坍滑。驗證了壩基和邊坡加固工程措施的必要性和有效性。3.汶川地震表明,緊急降低庫水水位是防止水壩發(fā)生次生災害的最有效途徑。在水利水電工程抗震設計中,應當高度重視泄水結構的抗震功能。在地震的應急預案中,應切實保證其啟閉設備及應急能源的常備不懈。4.汶川發(fā)生遠超出預料的強震,表明當前地震預測仍有很大不確定性,尚屬有待解決的世界性難題。高壩大庫地震響應十分復雜,在建中的300m級高壩與經(jīng)受了汶川地震的百米級高壩之間有本質差異,且既少先例,更無經(jīng)受強震震例。對高壩大庫抗震安全決不能掉以輕心。應以其在“最大可信地震”的極限情況下,不發(fā)生潰壩導致的嚴重次生災害為大壩抗震的戰(zhàn)略重點。5.汶川地震的發(fā)震斷層長度超過320公里,深度達20公里,發(fā)震持時超過100秒,能量釋放的時空分布極不均衡,不能再作為一個點源對待。對近斷層大震需要研究其地震動特征,考慮沿發(fā)震斷層整個斷裂面的斷裂模式、破裂速度、時間序列、方向性和上盤效應等因素的影響。近十余年來,我國的水利水電建設發(fā)展迅速,在西部地震區(qū)修建一系列高壩大庫,積累了較多抗震設計、科研和工程實踐的經(jīng)驗;此外,從積極參加國際交流中也得到不少借鑒。這些都是本次《規(guī)范》的修編的重要工程背景,也闡明了其修編的必要性和可行性。2應堅持創(chuàng)造性原則2009年7月3日由水利部水利水電規(guī)劃設計總院在北京主持召開、水電水利規(guī)劃設計總院共同參加的《水工建筑物抗震設計規(guī)范》修編工作大綱審查會。討論和明確了《規(guī)范》修編中遵循的以下主要指導思想:1.地震安全性評價應包括地震動輸入、結構地震響應、結構抗力這三個不可或缺且相互配套的部分?；谝酝?jīng)驗的傳統(tǒng)概念和方法,有些已難以反映高壩在強震中的真實性態(tài)和解釋震害實際。應以敢于創(chuàng)新和實事求是精神,反映我國近年來在工程實踐中積累的較成熟的抗震設計和科研方面的成果。應把“防止遭遇最大可能的極端地震時,發(fā)生庫水失控下泄、導致嚴重次生災害的潰壩災變”作為大壩抗震設計的戰(zhàn)略重點。2.工程設計中包含有隨機性、模糊性和未認知性不確定性。修編中本著‘積極慎重,轉軌套改’的原則,繼續(xù)沿用原《規(guī)范》中以分項系數(shù)表達的承載能力極限狀態(tài)設計方法,并與安全系數(shù)設計方法相協(xié)調,以保持規(guī)范的連續(xù)性。將安全系數(shù)中,作用和材料性能中的隨機性不確定性,與引入結構系數(shù)γd表達的計算方法及模型中非隨機性不確定性區(qū)分開,可更清晰的了解設計中的各項不確定性風險因素的性質及其對結構安全評價的影響和差異、并促進統(tǒng)計樣本的資料積累。在目前各分項系數(shù)仍只能與安全系數(shù)進行“套改”。修編后的《規(guī)范》仍將以統(tǒng)一內容由水電和水利部門分別頒布。3我國水資源結構大壩安全保障措施本次主要的修編內容為:1.補充了渡槽、升船機兩類建筑物和邊坡。2.為與現(xiàn)行主要水工建筑物的設計規(guī)范相適應,將的壅水建筑物高度定為200m;對高度大于200m的壅水建筑物,規(guī)定其抗震安全性應進行專門研究論證。3.對重要大壩按最大可信地震下不發(fā)生地震災變進行校核,提出抗震安全專題報告,并對地震參數(shù)選擇作出規(guī)定。4.基于近期國內外有關研究成果,對標準設計反應譜進行了修改。5.補充規(guī)定對設計烈度7度及以上的1、2級土石壩,應同時用有限元法對壩體和壩基進行動力分析,綜合判斷其抗震安全性,并補充了對土石壩動力分析和安全評價的要求。6.對重大混凝土壩的動力分析,補充了對其分析模型的要求。7.鑒于水工建筑物抗震設計的進展,對于可采用擬靜力法計算地震作用效應的水工建筑物,其高度的規(guī)定,從小于70m改為限于50m以下的小型工程。8.根據(jù)最近國內外高壩工程大壩混凝土動、靜態(tài)試驗資料,把混凝土動態(tài)強度的標準值較其靜態(tài)標準值的提高由30%改為20%;其動態(tài)彈性模量標準值較其靜態(tài)標準值的提高由30%改為50%,并說明與應變率無關。9.根據(jù)對水工建筑物震情的調查分析和我國水利水電工程抗震設計實踐結果,補充了各章的抗震措施。10.對個別水工建筑物的結構系數(shù)作了適當調整,如表1所示。4解決總結中的技術問題本次修編中對指導思想所涉及的幾個關鍵技術問題進行了專題研究,并就其中一些修編規(guī)定對不同工程的影響進行了抗震試設計檢驗。4.1實踐的原則和基本規(guī)定合理建立水工建筑物抗震設防水準框架,是其抗震設計的首要前提。水工建筑物按對其所在場址地震強度的預測(即基本烈度)、工程的重要性及其一旦失效造成后果的嚴重性劃分成不同抗震類別。據(jù)以設定其設防水準和相應的功能目標。把場址基本烈度在6度以上、1級壅水或重要泄水建筑物劃為甲類。設防標準必須和地震動參數(shù)選擇的依據(jù)和方法相應,功能目標必須有可操作的定量準則。對除抗震設防類別為甲類的水工建筑物外都采用按‘設計地震’進行抗震設計的1級抗震設防水準,其性能目標為允許產生可修復的局部損壞。國外有建議水工建筑物抗震設防水準框架按‘最大設計地震(MDE)’和‘運行基本地震(OBE)’兩級設防的,甚至有再加上‘水庫地震’的。但國內外水壩抗震設計的工程實踐都表明,重現(xiàn)期為100年至200年的(OBE)一般在設計中不起控制作用。工程抗震所主要關心的由庫水觸發(fā)的構造型水庫地震,其震級不可能超過被觸發(fā)的庫區(qū)發(fā)震斷層本身的震級。因此,沒有必要把(OBE)和‘水庫地震’列入抗震設防框架,且也尚難以給出與之相應的功能目標的定量準則。按‘安全停堆地震(SSE)’和‘運行基本地震的(OBE)’的兩級設防原則,最早是在核電站抗震設計中提出的。但鑒于規(guī)范中的抗震設防標準是為確?？拐鸢踩?guī)定的強制性的最低要求,最近,在美國核電的審評大綱中,并不控制核電抗震安全的(OBE)也已不再被列入了。但為體現(xiàn)“防止遭遇最大可能的極端地震時,發(fā)生庫水失控下泄、導致嚴重次生災害的潰壩災變”的大壩抗震設計的戰(zhàn)略重點,修編中的《規(guī)范》規(guī)定,對抗震設防為甲類的重要大壩,要求對其在極限地震時不發(fā)生潰壩災變的抗震安全進行專門研究后提出專題報告,并對專題報告的主要內容做出了以下原則規(guī)定:(1)‘最大可信地震’的峰值加速度應根據(jù)場址地震地質條件,按確定性方法或基準期100年內超越概率P100為0.01的概率法的結果中的大值確定。(2)對于重大工程,應按‘設定地震法’確定場地相關設計反應譜,并據(jù)以生成人工模擬地震動加速度時程?！O定地震法’可采用在場址地震危險性分析基礎上,綜合了概率法和確定性法的方法。(3)鑒于在遭遇最大可能的極端地震時,大壩等水工結構地震響應都涉及強非線性分析,需要考慮實際地震動加速度輸入的幅值和頻率非平穩(wěn)性影響。我國已研發(fā)了基于漸進譜理論生成幅值和頻率都非平穩(wěn)的人工地震加速度時程方法,并擬合了適合我國國情的、按給定震級M和震中距R,生成目標漸進功率譜的方法。圖1為美國ElCentro實測加速度時程的漸進功率譜。(4)當場址距離傾角小于70°的發(fā)震斷層小于30km時,應計入上盤效應的影響。圖2為根據(jù)美國Abrahamson等在“下一代衰減關系(NGA)”給出的發(fā)震斷層傾角對上盤效應的影響。(5)當其離場址距離小于10km、震級大于7.0時,應研究近場大震中發(fā)震斷層作為面源破裂的過程,直接生成場址的地震動加速度時程。其基本思路為:將潛在震源的主干斷層劃分為一系列可作為點源的子斷裂,其破裂具有一定的模態(tài)和時間序列。采用地震學物理模型和基于經(jīng)驗統(tǒng)計確定有關參數(shù)的半理論、半經(jīng)驗確定性方法,順序疊加各點源對壩址的作用,給出近場強震的壩址地震動,從而能反映近斷裂大震有限震源體影響的地震動特征,如:震源尺度、斷層破裂方式、傳播方向性及上盤效應。當前的關鍵是,需要對發(fā)震斷層中的應力降和障礙體的分布進行深入研究。4.2反應譜衰減系數(shù)tg和壩體深刻度分析的組合關系設計反應譜反映了不同震級和距離的地震動加速度反應譜的統(tǒng)計規(guī)律。實質上是體現(xiàn)了反應譜的衰減關系。地殼介質及地震波在其中的傳播過程都十分復雜,目前,尚難從理論上歸納總結出,反應譜與震級M和離震源距離R之間相關的普遍規(guī)律性,因而只能基于實測的地震記錄,從統(tǒng)計意義上求取反應譜與震級、距離間相關性的衰減關系。除對于重大工程,應按‘設定地震法’確定場地相關設計反應譜外,一般水工建筑物都采用經(jīng)規(guī)則化了的標準反應譜β=Sa(T,ξ)/ag。它主要取決于反應譜平臺值βmax、特征周期Tg、和下降段的衰減指數(shù)γ等3個參數(shù)。對在阻尼比為0.05時反應譜平臺值βmax值取為2.5一般已有共識。2010年《建筑抗震設計規(guī)范》和修編制中的《中國地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖》在把基巖剪切波速由500m/s改為800m/s后,Tg值也由0.25s改為0,20s。壩基基巖的剪切波速都遠大于800m/s,因此,現(xiàn)行水工抗震設計規(guī)范中,在主要考慮近震的情況下,把壩基巖體的反應譜的特征周期Tg值取為0.2秒是合理的?！兑?guī)范》修編中,著重研究了反應譜曲線下降段的指數(shù)γ值,因為它影響到峰值周期后反應譜曲線的下降形態(tài),而這一段的反應譜值對水工建筑物的地震響應至關重要。目前,美國正基于以其西部為主、包括全球173次地震的3551個強震記錄,開展‘下一代的地震動衰減關系(NGA)’的研究。這是迄今資料最多、考慮最全的對反應譜研究的成果。其中以Abrahamson和Silva的衰減關系所依據(jù)的強震記錄資料更豐富,且主要取自美國西部,所考慮因素也更全面,其對巖基場地的衰減關系形式相對簡明。我國馬宗晉院士認為;中國大陸和北美大陸在構造、地殼組成、現(xiàn)代應力狀態(tài)及地震成因、地震活動特點等方面都有一定的相似性和可比性,兩個地區(qū)地震記錄的相互借用具有一定的地震基本成因環(huán)境構造基礎。因此,在我國當前缺乏足的強震記錄的情況下,基于美國豐富強震記錄的加速度反應譜統(tǒng)計平均衰減關系,可以作為我國高壩抗震設計中確定設計反應譜的參考依據(jù),這較之由我國烈度衰減關系轉換得到的反應譜衰減公式似更為合理。圖3給出了按Abrahamson衰減關系的計算結果與修編中建議的和現(xiàn)行規(guī)范采用的γ值的比較。顯然,在混凝土高壩的基本周期都不超過1s的情況下,基巖反應譜曲線的指數(shù)γ值取為0.6較0.9更為合宜。為研究設計反應譜衰減系數(shù)變化對拱壩動力反應的影響,對壩高為230m~70m標準斷面的重力壩錦屏一級、溪洛渡、沙牌等壩高為304m至120m8個實際拱壩工程進行了試設計(李德玉,2011)。結果表明:設計反應譜衰減系數(shù)變化對重力壩動力反應的影響為:靜動綜合水平向合力的增幅隨地震烈度增加而增加,介于(2~15)%,總體上,衰減系數(shù)的減小對重力壩建基面抗滑穩(wěn)定的影響不顯著;在頭部折坡高程附近的上、下游面的靜動綜合拉應力增幅基本相當,介于(5~18)%之間。壩趾處壓應力增幅隨著壩高和地震烈度的增加而增加,增幅介于(6~22)%。由于有較高的安全裕度,對壩體抗震的抗壓強度安全影響不大。但壩踵附近拉應力增幅明顯,在中、高地震烈度時增幅最大可超過1倍,值得重視。衰減系數(shù)的減小對拱壩靜動綜合主拉應力的影響較顯著。溪洛渡拱壩,其靜動綜合主拉應力的增幅超過65%,大崗山拱壩上、下游面增幅也分別達50%、36%。對于拉西瓦、錦屏、楊房溝拱壩,其增幅也較大,介于(20~40%),值得關注。4.3水庫混凝土的動態(tài)肥力1.壩體強度的確定在水工建筑物抗震設計中,混凝土的動態(tài)力學特性參數(shù)主要為其動態(tài)抗拉、抗壓強度和彈性模量,以剪切受拉和彎曲受拉的抗拉強度最為關鍵。因此,以采用基于全級配試件抗折試驗得出的彎拉強度作為壩體抗拉強度的標準值為宜。在原《規(guī)范》中,主要參照國外少量試驗資料確定。近年來,結合小灣、大崗山等高拱壩工程,對其大壩混凝土進行了全級配和濕篩試件的較系統(tǒng)的動、靜態(tài)抗折試驗的研究,積累了一批寶貴資料。因此,修編中的《規(guī)范》要求;對于重要的混凝土高壩,其抗拉強度需進行全級配試件的動態(tài)抗折試驗確定其彎拉強度。2.確定濕篩、濕篩、壩體材料抗壓強度的比例根據(jù)我國大壩混凝土試驗結果表明:全級配試件與濕篩試件的彎拉強度比值為0.52:濕篩試件的彎拉強度與抗壓強度比值為0.127:濕篩試件與全級配試件的抗壓強度比值,可取為確定混凝土等級的抗壓強度與壩體材料抗力標準值的比值,為偏于安全計,目前都取0.67。由此,對不進行全級配試件的抗折試驗的一般工程,抗拉強度標準值取為抗壓強度的10%。3.沖拉板靜態(tài)特性應變率效應是各類材料都具有的材料固有特性,美國墾務局采取的大壩混凝土動態(tài)抗壓和抗拉強度分別較其靜態(tài)值大20%和50%。主要根據(jù)由壩體內鉆芯取得的試件在沖擊型加載下的劈拉試驗成果?？紤]到地震波的往復作用影響和全級配試件試驗結果更接近實際,建議根據(jù)我國對小灣、大崗山等工程大壩混凝土的全級配試件的循環(huán)動態(tài)加載的抗折試驗研究結果,取動態(tài)拉、壓強度都較其靜態(tài)值提高20%為宜。4.單軸拉伸特性各類結構通常都是在承受正常工況靜載作用的運行中再遭受地震作用的。在大壩抗震設計中,對大壩混凝土在已承受一定靜載情況下的動態(tài)特性和抗力,一直是工程人員所關注而待解決的問題。從小灣和大崗山兩個拱壩試驗結果總趨勢看,初始靜載未超過約80%的極限荷載時,初始靜載對動態(tài)彎拉強度一般均有所提高。在閆東明,林皋,王哲(2005)的“變幅循環(huán)荷載作用下混凝土的單軸拉伸特性”文獻中,對普通混凝土試件,在頻率為2Hz的變幅循環(huán)荷載作用下,研究了初始靜荷載對單軸拉伸特性影響,其結果表明:在純動載及預靜載水平為73%和91%及時,動態(tài)抗拉強度平均值分別為和而其靜載強度則為在對影響修正后,仍說明初始靜載下的動態(tài)彎拉強度較純動態(tài)時的值有所提高。試驗結果的初步解釋為:混凝土在加載過程中,因微裂隙的發(fā)展和萌生形成的損傷,導致強度降低和變形增加;在動載作用下,變形增加使應變率效應增強,從而使動態(tài)強度隨之增大。在一定的初始靜載下,當應變率效應影響超過損傷演化影響時,動態(tài)強度可能有所提高。但當初始靜載超過約80%的極限荷載時,損傷迅速擴展,其影響超過地震作用的應變率效應,動態(tài)強度很快下降。初始靜載的影響對全級配和濕篩混凝土、及不同動態(tài)加載方式都有所不同。由于試驗的數(shù)據(jù)量不足,尚難對這些不同因素影響分別歸納出較確切的規(guī)律性,因而在修編中暫不考慮初始靜載的影響。大壩在靜載作用下,通常有較大安全裕度,因此,不考慮初始靜載的影響是偏于安全的。5.壩體混凝土彈性模量對壩體動力響應的影響考慮到混凝土在長期靜態(tài)作用下的徐變效應,其靜態(tài)彈性模量都較試驗室在幾分鐘內完成加載過程的實測彈性模量值要低,美國墾務局把靜態(tài)設計彈性模量取為試驗室實測值的2/3。實際強震作用的時間也僅十幾秒,相應的動態(tài)彈性模量會稍高于其靜態(tài)值。但根據(jù)美國墾務局試驗的結果認為,從統(tǒng)計平均意義上,可以把根據(jù)試驗結果確定的動、靜態(tài)彈性模量取為相等。我國小灣和大崗山拱壩的抗折試驗結果也表明,無論是全級配和濕篩混凝土,有無初始靜態(tài)預載,以及不同動態(tài)加載方式,彎拉彈性模量、極限拉伸值和泊松比的靜、動態(tài)值都變化不大。我國現(xiàn)行水工抗震設計規(guī)范中規(guī)定,在抗震設計中的動態(tài)彈性模量可較靜態(tài)彈性模量提高30%。這里的靜態(tài)彈性模量是指設計中計算分析所采用的考慮了長期徐變效應的值。所以,動態(tài)彈性模量的提高并非如動態(tài)強度的提高那樣考慮了應變率效應,而是體現(xiàn)了靜態(tài)的長期徐變效應和實驗室瞬時加載的差異。按照美國墾務局試驗的結果,大壩混凝土動態(tài)彈性模量較靜態(tài)設計彈性模量應提高50%。為此建議,對一般工程,在不進行動態(tài)抗折試驗的情況下,把大壩混凝土動態(tài)彈性模量較靜態(tài)設計彈性模量的提高,由30%提高至50%。對地震作用下作為線彈性結構的大壩體系,壩體混凝土彈性模量的提高會使地震位移響應稍偏小,但在考慮結構和地基的相互作用后,總體上對壩體-地基體系的頻率、地震作用和壩體動、靜態(tài)綜合應力的影響不大。對于重力壩,考慮壩基巖體的質量和剛度后,由于上部壩體結構剛度增大,導致其低階振型的振型參與系數(shù)有所減少,其地震作用和壩體地震應力響應甚至還稍有降低。此外,在非線性地震響應分析中,考慮了遠域地基的輻射阻尼效應,上部結構剛度加大,會增強輻射阻尼效應,使結構地震響應有所減小,這也使壩體混凝土彈性模量取值偏小導致結果稍偏安全。為此建議,對一般工程,在不進行動態(tài)抗折試驗的情況下,把大壩混凝土動態(tài)彈性模量較靜態(tài)設計彈性模量的提高,由30%提高至50%。為研究大壩混凝土彈性模量提高對壩體動力反應的影響,對上述重力壩和拱壩進行了試設計(李德玉,2011),結果表明:對重力壩,當?shù)鼗兡Ｈ§o態(tài)值,壩體彈模提高率從30%增加到50%后,上、下游壩面動應力總體上表現(xiàn)出在約2/3壩高以上部位減小而在約2/3壩高以下部位增加的規(guī)律,但數(shù)值上變化很小,最大值相差一般不超過3%。對拱壩,壩體混凝土動彈模提高率從30%變?yōu)?0%后,靜動綜合主應力,除溪洛渡、錦屏拉應力增幅約為10%外,其它拱壩拉應力增幅不超過7%。靜動綜合主壓應力的增幅更小,平均增幅僅為為(2~4)%。總體上,壩體彈模提高率從30%變?yōu)?0%后,對混凝土壩壩體動力特性和地震響應的影響并不很大。土石壩的地震響應十分復雜,尤其是土石壩壩料的強非線性本構關系,尚難形成共識,導致結果有顯著差異。因此,原《規(guī)范》中對土石壩的地震響應仍采用擬靜力法。多年來,在我國土石壩的抗震設計中,積累了較豐富經(jīng)驗的擬靜力法發(fā)揮了重要作用。但擬靜力法終究難以較切實反映地震動和結構的動態(tài)性能,也無法得出的壩體和壩基內的動應力分布及地震引起的壩體變形。自從提堂(Teton)垮壩及圣費爾南多(SanFemando)壩遭受震害以來,美國墾務局就已不再采用擬靜力法對土石壩進行抗震穩(wěn)定分析。美國陸軍工程師兵團也僅限于在地震動峰值加速度≤0.05g的地區(qū),對密實地基上填筑良好的土石壩,才采用擬靜力法做抗震計算。目前在美國,主要采用動力法進性土石壩的抗震計算,其內容包括基于有限元法動力分析的滑動穩(wěn)定和變形計算。此外,已有土石壩的震害表明,當壩體和壩基中存在可液化土類時,采用擬靜力法不能作出正確的安全評價。例如:1971年美國圣費爾南多地震中,下圣費爾南多壩的液化;1976年我國唐山地震中,密云水庫白河主壩因保護層液化而引起的滑坡等,隨