摘 要
隨著祖國大陸水電事業(yè)的發(fā)展，一批修建于西部高地震烈度區(qū)的壩高超過200m的高拱壩正在興建或設(shè)計(jì)中。高拱壩在遭遇地震荷載作用下的動力響應(yīng)及其抗震安全問題一直是水工界普遍關(guān)注的問題。本文結(jié)合現(xiàn)行水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和拱壩抗震研究的進(jìn)展，簡述了高拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、動力分析方法、大壩混凝土的動態(tài)抗力以及抗震安全評價(jià)的基本原則和方法，并就今后高拱壩抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)研究解決的幾個問題提出建議。
一、 前 言
拱壩作為一種古老的壩型，一直被認(rèn)為具有超載能力強(qiáng)、工程量省等優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外的壩工建設(shè)中，只要地形、地質(zhì)條件適宜，拱壩總是首選壩型。祖國大陸的拱壩建設(shè)近年來得到迅速發(fā)展，尤其隨著西部開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的實(shí)施，一批高度大于200m的超高拱壩正在規(guī)劃建設(shè)中。這些高拱壩位于西南、西北強(qiáng)震頻發(fā)的高地震烈度區(qū)，抗震設(shè)防水平高，抗震安全問題至關(guān)重要。采用合理的動力分析方法和抗震安全評價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行大壩抗震設(shè)計(jì)，確保大壩及樞紐工程的抗震安全是高拱壩建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。
工程抗震設(shè)計(jì)手段是與其當(dāng)時(shí)的抗震分析方法和水平密切相關(guān)的。在祖國大陸以前的拱壩抗震設(shè)計(jì)中，都遵循1978年由原水電部頒布的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SDJ10-78)(以下簡稱原《規(guī)范》)的要求進(jìn)行?？拐鹩?jì)算采用“擬靜力法”，未能充分體現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)的動力特性和地震時(shí)的地面運(yùn)動特征。2001年1月國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會頒布實(shí)施了由中國水利水電科學(xué)研究院主持、會同國內(nèi)其他高校和設(shè)計(jì)單位新修編的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)[1](以下簡稱現(xiàn)行《規(guī)范》)。該規(guī)范在繼承原《規(guī)范》一些基本原則、保持規(guī)范連續(xù)性的基礎(chǔ)上，廣泛吸納近年來國內(nèi)外水工抗震領(lǐng)域取得的較為成熟的科研成果，在設(shè)防依據(jù)、抗震設(shè)計(jì)原則、計(jì)算方法等諸多方面都較原《規(guī)范》更能反映地震動特性和結(jié)構(gòu)動力性能。尤其是對大中型工程規(guī)定必須按動力法設(shè)計(jì)，以及由確定性設(shè)計(jì)方法過渡到按考慮各種作用和抗力的不確定性的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。標(biāo)志著我們水工抗震設(shè)計(jì)水平躍上了一個新高度。
近年來，隨著人們對拱壩動力特性、地震動力反應(yīng)研究的逐步深化，拱壩的抗震動力分析理論和方法近幾年來在祖國大陸得到了迅速發(fā)展。對影響高拱壩抗震安全的許多關(guān)鍵技術(shù)，諸如壩體-庫水-地基的動力相互作用，非均勻地震動輸入和庫水可壓縮性的影響，無限地基地震能量的逸散，拱壩橫縫強(qiáng)震開裂的非線性影響，抗震可靠度研究等方面都有所進(jìn)展和創(chuàng)新。在多年的拱壩抗震研究實(shí)踐中，中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心開發(fā)完成基于不同理論分析方法的多層次的拱壩動力分析軟件[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，進(jìn)行了10多座高拱壩的動力分析和抗震安全評價(jià)工作，為其抗震設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。
二、 拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
合理確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是拱壩結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)行《規(guī)范》采用了《中國地震烈度區(qū)劃圖(1990)》和對重要工程場址進(jìn)行專門的以概率理論為基礎(chǔ)的地震危險(xiǎn)性分析的雙軌制。這里的重要工程系指基本地震烈度6度或6度以上地區(qū)的壩高超過200m或庫容大于100億立米的大型工程，以及基本烈度7度或7度以上地區(qū)壩高超過150m的大(1)型工程。對于需專門作地震危險(xiǎn)性分析的工程，設(shè)計(jì)烈度及設(shè)計(jì)地震加速度則根據(jù)祖國大陸已有23個重大水利水電工程的地震危險(xiǎn)性資料校準(zhǔn)確定，并已編入現(xiàn)行《規(guī)范》中，即非壅水建筑物設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)地震加速度為50年期限內(nèi)超越概率0.05，重現(xiàn)期為950年一遇的地震，而較基本烈度提高l度設(shè)防的Ⅰ級壅水建筑物采用100年期限內(nèi)超越概率0.02、重視期約5000年一遇的地震。這較之祖國大陸《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJl1-89) 的重現(xiàn)期1600～2200年的“大震”水平要高得多。之所以對于Ⅰ級壅水建筑物采用如此高的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，主要目的是大限度降低這類極端重要的工程遭遇重大震害而產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。
在采用基于振型疊加原理的反應(yīng)譜法進(jìn)行線彈性結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中，除設(shè)計(jì)地震峰值加速度外，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是又一個重要的地震動參數(shù)。反應(yīng)譜是具有一定頻率和阻尼的單自由度體系在給定地震動作用下峰值加速度反應(yīng)的動力放大系數(shù)，其值除隨結(jié)構(gòu)振動周期和阻尼比變化外，主要與所在場址的場地類別和地震震中離場址的距離有關(guān)。現(xiàn)行《規(guī)范》采用了場地相關(guān)反應(yīng)譜，由與剪切模量有關(guān)的剪切波速來劃分場地土類型，再由場地土類型和覆蓋層厚度劃分4類場地類別，較原《規(guī)范》多了一類。對應(yīng)每個地震記錄都有相應(yīng)的反應(yīng)譜，規(guī)范采用了其統(tǒng)計(jì)均值并作適當(dāng)平滑規(guī)則化的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。
標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜平臺的右端周期Tg稱為加速度反應(yīng)譜的特征周期。已有研究表明，場地土越硬，場地加速度反應(yīng)中高頻成分越多，反映地震卓越周期的特征周期越小;對于基巖，規(guī)范規(guī)定為0.20秒。同時(shí)，考慮到遠(yuǎn)震主要影響高度大、基頻低的柔性結(jié)構(gòu)，而專門的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果已綜合了各有關(guān)潛在震源區(qū)的影響，無法區(qū)分遠(yuǎn)震和近震，為便于實(shí)際工程的操作應(yīng)用，規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)地震烈度不大于8度、基本周期大于1.0秒的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)譜的特征周期宜延長0.05秒。
反應(yīng)譜的大值βmax主要與結(jié)構(gòu)阻尼有關(guān)。結(jié)構(gòu)阻尼的機(jī)理十分復(fù)雜，除結(jié)構(gòu)本身外，還包含了相鄰介質(zhì)的相互作用和振動能量在地基及水中的逸散影響，與水位、地基土特性以及結(jié)構(gòu)振動頻率和地震動強(qiáng)度有關(guān)。現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定拱壩的βmax =2.5，系參照國內(nèi)外實(shí)測阻尼數(shù)據(jù)并考慮強(qiáng)震時(shí)因阻尼增大動力效應(yīng)降低等因素綜合反映工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。與原《規(guī)范》相比，現(xiàn)行《規(guī)范》的反應(yīng)譜曲線的主要差異在于曲線的下降段，用(Tg/T)0.9代替了原來的Tg/T，稍微放慢了曲線的下降坡度。
三、 拱壩動力分析方法
目前祖國大陸拱壩設(shè)計(jì)靜力結(jié)構(gòu)分析的基本方法采用美國墾務(wù)局30年代發(fā)展的基于拱梁系統(tǒng)位移協(xié)調(diào)的試載法，其基本概念明確，為廣大設(shè)計(jì)人員所熟悉，有長期的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，有一套相應(yīng)的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。由于地震作用屬特殊作用，基于動力分析方法應(yīng)與靜力分析相互協(xié)調(diào)原則，現(xiàn)行《規(guī)范》明確規(guī)定，拱壩動力分析的基本方法仍應(yīng)采用拱梁分載法。但是，拱壩作為一種空間高次超靜定殼體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分析具有其特殊性和復(fù)雜性，基于線彈性和無質(zhì)量地基假定的有限單元法能更好模擬壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體型、力學(xué)特性和壩體—基礎(chǔ)—庫水的動力耦合作用，現(xiàn)行《規(guī)范》推薦其為動力分析校核計(jì)算的主要方法。
高拱壩的地震動力反應(yīng)受多種復(fù)雜因素的影響，現(xiàn)行《規(guī)范》只能反映目前我們水工抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和較為成熟的科研成果，限于對地震作用下拱壩結(jié)構(gòu)及其地震破壞機(jī)理的復(fù)雜性認(rèn)識尚很不夠，以及新的一些科研成果尚待更多檢驗(yàn)因而在設(shè)計(jì)中尚難以普遍掌握和接受的實(shí)際情況，現(xiàn)行《規(guī)范》在動力分析方法、地震作用效應(yīng)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗力方面的規(guī)定仍然有相當(dāng)?shù)木窒扌?。例如，基于線彈性理論的視拱壩為整體結(jié)構(gòu)的動力分析給出的大壩中上部的高水平拱向拉應(yīng)力，由于壩體伸縮橫縫的張開，實(shí)際上不大可能發(fā)生;壩址實(shí)際地質(zhì)地形以及地震動能量向無限遠(yuǎn)域的逸散等因素也會顯著影響大壩的地震反應(yīng)，根據(jù)已有研究成果，考慮這種影響會使拱壩的地震動力響應(yīng)明顯降低。為數(shù)不多的拱壩震害實(shí)例也對上述觀點(diǎn)給出了有力佐證，其中具代表性的當(dāng)屬美國帕科依瑪(Pacoima)拱壩，在1971年和1994年兩次遭受強(qiáng)烈地震，常規(guī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果表明其大拉應(yīng)力達(dá)5.2Mpa，遠(yuǎn)超出壩體混凝土抗拉強(qiáng)度極限，但大壩壩體本身并未開裂而造成嚴(yán)重?fù)p害[7]?；谏鲜稣J(rèn)識，現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定，對于壩高超過250m的重要拱壩要進(jìn)行專門研究。
針對上述拱壩抗震中的前沿課題，結(jié)合拉西瓦、小灣等超高拱壩工程，中國水科院抗震中心開展了長期深入的研究，對這些問題的認(rèn)識逐步深化，開發(fā)完成了可考慮實(shí)際工程存在的、傳統(tǒng)分析方法難以模擬的復(fù)雜地質(zhì)地形條件、以人工透射邊界描述地震動能量向無限遠(yuǎn)處逸散的所謂地基輻射阻尼的影響、以三維動接觸理論模擬壩體伸縮橫縫非線性影響、應(yīng)用完全解耦的時(shí)域有限元波動分析技術(shù)的拱壩系統(tǒng)三維非線性動力分析方法和程序，已成為重要拱壩工程進(jìn)行深入專門研究的重要工具。
四、 壩體混凝土材料的動態(tài)抗力
混凝土材料動態(tài)抗力是拱壩抗震安全評價(jià)的基本依據(jù)。地震作用對混凝土材料動態(tài)抗力的影響表現(xiàn)為材料受荷速率高和拉—壓交變往復(fù)作用頻繁。國內(nèi)外已有的干篩或濕篩混凝土小試件的動態(tài)實(shí)驗(yàn)資料表明，在相應(yīng)于地震作用的快速加荷下，試件材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值較靜態(tài)增加30%以上，多數(shù)資料表明，動態(tài)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的增長更為明顯，可達(dá)50%以上?；谏鲜稣J(rèn)識，同時(shí)考慮到一般拱壩的抗震強(qiáng)度主要受抗拉強(qiáng)度控制的事實(shí)，從偏于安全的角度出發(fā)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定在進(jìn)行大壩壩體材料的強(qiáng)度校核時(shí)，其抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均較靜態(tài)時(shí)提高30%。在進(jìn)行大壩抗震強(qiáng)度安全校核時(shí)，作用效應(yīng)考慮了靜動綜合作用，其材料動態(tài)抗力的增長理應(yīng)考慮初始靜載作用的影響，但由于缺乏足夠的試驗(yàn)資料，上述規(guī)定中并未計(jì)及這種影響。
大壩混凝土與普通混凝土的根本區(qū)別在于其混凝土中粗骨料的含量高。因此國內(nèi)外在進(jìn)行大壩混凝土材料靜態(tài)性能測試中，進(jìn)行了全級配大壩混凝土試件的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，全級配試件的抗壓強(qiáng)度普遍低于濕篩小試件，平均降幅可達(dá)20%左右，而抗拉強(qiáng)度的平均降幅更達(dá)30%左右。至于全級配試件的動態(tài)強(qiáng)度研究剛剛起步，“九五”期間結(jié)合小灣工程進(jìn)行了初步探索[8]，有待今后進(jìn)一步深入試驗(yàn)研究，積累試驗(yàn)資料。
五、 拱壩的抗震安全評價(jià)
在傳統(tǒng)的確定性方法工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，忽略了作用荷載和結(jié)構(gòu)抗力實(shí)際存在的不確定性而將它們看作確定的定值，采用主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)確定的單一安全系數(shù)作為判斷結(jié)構(gòu)安全與否的依據(jù)。事實(shí)上，工程結(jié)構(gòu)承受的各類作用以及結(jié)構(gòu)本身的抗力都是隨機(jī)的，而地震作用隨機(jī)性更大。已有研究表明，地震峰值加速度的變異系數(shù)高達(dá)1.3以上，遠(yuǎn)大于水工結(jié)構(gòu)的其它作用，而設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值β的變異系數(shù)也高達(dá)0.3。
現(xiàn)行《規(guī)范》按照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50199-94)的要求，基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，原則上實(shí)現(xiàn)了抗震驗(yàn)算從確定性設(shè)計(jì)向基于概率理論的可靠度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軌，采用作用和抗力的分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)表達(dá)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式：
式中 γ0結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);ψ設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，地震時(shí)取0.85; S(*)作用效應(yīng)函數(shù);R(*)結(jié)構(gòu)抗力系數(shù);fk材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值; γm 材料性能的分項(xiàng)系數(shù);ak幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值;γd承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)系數(shù)，對于壩體抗壓、抗拉強(qiáng)度分別規(guī)定為1.3、0.7。
承載能力極限設(shè)計(jì)式與傳統(tǒng)的單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)式不同，傳統(tǒng)的安全系數(shù)已經(jīng)被考慮工程安全級別、設(shè)計(jì)狀況、作用和材料性能變異以及計(jì)算模式不定性等因素且與目標(biāo)可靠度相聯(lián)系的5種系數(shù)所“替代”。作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)僅反映各自本身的變異性。結(jié)構(gòu)系數(shù)γd考慮了計(jì)算模式的不確定性并與目標(biāo)可靠度相聯(lián)系?；炷凉皦蔚目估?、抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)是在大量實(shí)例可靠度驗(yàn)算基礎(chǔ)上，在保持規(guī)范連續(xù)性的原則上確定的。
應(yīng)該指出，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、分析方法、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)三者之間的統(tǒng)一是進(jìn)行拱壩抗震設(shè)計(jì)的基本前提，而現(xiàn)行規(guī)范中動力分析方法規(guī)定以拱梁分載法為基本分析方法，亦即體現(xiàn)拱壩抗震安全指標(biāo)的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd是以拱梁分載法的分析結(jié)果為主要依據(jù)而確定的。
六、 結(jié)語
現(xiàn)行《規(guī)范》依據(jù)分項(xiàng)系數(shù)概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則，對拱壩抗震設(shè)計(jì)中抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、拱壩抗震計(jì)算方法以及安全評價(jià)準(zhǔn)則諸方面給出了明確規(guī)定，已廣泛應(yīng)用于祖國大陸的拱壩抗震設(shè)計(jì)和抗震安全評價(jià)工作中。但如前所述，現(xiàn)行《規(guī)范》只能反映目前我們水工抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和較為成熟的科研成果。隨著近年來在工程地震和拱壩結(jié)構(gòu)抗震理論方面的研究不斷取得新進(jìn)展，對于影響高拱壩地震動力響應(yīng)的諸多因素的認(rèn)識已逐步深化，在某些問題上已逐步取得了學(xué)術(shù)界的共識，一些研究成果也在工程抗震設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。盡管如此，筆者認(rèn)為，在今后的拱壩抗震動力分析和安全評價(jià)工作中，還需深入進(jìn)行以下方面的研究工作：
1、現(xiàn)行規(guī)范的拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是按照1990年出版的《中國地震烈度區(qū)劃圖》作為主要依據(jù)，根據(jù)大壩抗震設(shè)防類別以及壩址區(qū)地震地質(zhì)條件確定的。2001年2月國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布了新一代的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，將1990年版區(qū)劃圖僅以地震烈度作為衡量一個地區(qū)地震動改變?yōu)橐苑逯导铀俣群蛨龅刈吭街芷趦蓚€地震動參數(shù)來表征該地區(qū)地震動特性。拱壩的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如何適應(yīng)這種變化，包括進(jìn)行工程場址有效峰值加速度的確定、能反映場址實(shí)際地震地質(zhì)環(huán)境和設(shè)計(jì)要求的“設(shè)定地震”的確定、由此求得的能反映實(shí)際地震動特征的場址基巖相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、以及能體現(xiàn)場址地形及場地土特性的地表設(shè)計(jì)反應(yīng)譜大幅值平臺和其起、止特征周期等關(guān)鍵問題的研究十分重要。
2、進(jìn)一步進(jìn)行包括壩址實(shí)際地質(zhì)地形條件、壩體伸縮橫縫動力非線性和無限地基輻射阻尼綜合因素影響的時(shí)域有限元三維非線性波動分析數(shù)學(xué)模型的理論和試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合考慮上述復(fù)雜因素的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，盡管截止目前針對這些因素的影響進(jìn)行過一些振動臺試驗(yàn)驗(yàn)證工作[9]、 [10]，但由于問題的復(fù)雜性，在這些試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，都不可避免地存在某些因素難以準(zhǔn)確模擬的情況。應(yīng)進(jìn)行其它可模擬上述復(fù)雜因素理論模型的研制開發(fā)和實(shí)際工程的計(jì)算分析，進(jìn)行相互比較驗(yàn)證，并可考慮在條件成熟時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行現(xiàn)場的原型振動試驗(yàn)驗(yàn)證。
3、毫無疑問，考慮更多復(fù)雜因素基礎(chǔ)上的時(shí)域有限元波動分析結(jié)果更為切合拱壩動力反應(yīng)的實(shí)際狀況，但由于與現(xiàn)行規(guī)范推薦的基本分析方法—拱梁分載法在數(shù)學(xué)模型上存在較大差異，計(jì)算結(jié)果無論在分布規(guī)律還是數(shù)值上也有相當(dāng)差異，為明顯體現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：一是拱梁分載法在拱壩中上部拱冠附近常常給出靜動綜合的大主拉應(yīng)力，并成為拱壩抗震強(qiáng)度安全的控制部位，而考慮壩體伸縮橫縫張開的非線性有限元計(jì)算分析表明，橫縫張開使這些部位的拱向拉應(yīng)力幾乎完全消失，而導(dǎo)致大壩中上部梁向應(yīng)力的增加;二是由于有限單元法彈性理論基本假定，在壩體—地基交接面附近，受局部地質(zhì)條件、單元尺寸和單元形態(tài)影響，存在著不同程度的角緣應(yīng)力集中效應(yīng)，其數(shù)值和范圍難以準(zhǔn)確把握，而這一問題也正是制約有限單元法的計(jì)算結(jié)果作為壩體抗震安全評價(jià)依據(jù)的主要障礙。從目前的發(fā)展看，不考慮地震作用的基本荷載(靜載)組合時(shí)的大壩靜態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)或正在突破這一限制。新修編的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中，在對大量的國內(nèi)外重力壩進(jìn)行有限元系統(tǒng)靜力分析基礎(chǔ)上，采用壩踵拉應(yīng)力區(qū)在壩基面的深度小于截面厚度7%的準(zhǔn)則。正在修編的《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》也納入了在靜載作用下應(yīng)用有限單元法分析結(jié)果作為評判依據(jù)的條款。因此，為了實(shí)現(xiàn)抗震規(guī)范與基本設(shè)計(jì)規(guī)范相呼應(yīng)，在進(jìn)行包括壩體材料動力非線性開裂計(jì)算分析基礎(chǔ)上，探討在地震荷載作用下應(yīng)用有限單元法作為拱壩抗震安全評價(jià)基本方法的途徑，顯得十分必要和迫切。
4、如前所述，目前現(xiàn)行規(guī)范給出的反映壩體抗震強(qiáng)度安全指標(biāo)的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd，是根據(jù)結(jié)合國內(nèi)10幾座拱壩的基于拱梁分載法的計(jì)算結(jié)果，在保持與原規(guī)范連續(xù)性的原則基礎(chǔ)上，經(jīng)校準(zhǔn)后得到的。因此，為保證計(jì)算方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)配套，在應(yīng)用考慮綜合因素影響的時(shí)域有限元波動分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行大壩的抗震安全評價(jià)時(shí)所應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd，應(yīng)在進(jìn)行大量實(shí)際工程抗震計(jì)算的基礎(chǔ)上，遵循與按拱梁分載法給出的γd抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)所反映的大壩抗震安全度相協(xié)調(diào)的原則，進(jìn)行校準(zhǔn)研究、歸納總結(jié)后給出為宜。
5、繼續(xù)深入研究全級配大體積拱壩混凝土的動態(tài)性能。應(yīng)在積極建置大型材料動力試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程，按照工程采用的混凝土配合比，合理施加適應(yīng)不同地震條件的動態(tài)荷載，進(jìn)行在不同靜載應(yīng)力水平下的混凝土試件的包括動態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度以及動態(tài)彈性模量的試驗(yàn)研究，同時(shí)開展能模擬全級配混凝土內(nèi)部骨料、混凝土砂漿實(shí)際配比和膠結(jié)條件的細(xì)觀有限元分析，為大壩抗震設(shè)計(jì)中大壩混凝土材料的動態(tài)抗力提供更為合理依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
1. 國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)，中國電力出版社，2001
2. 李德玉，拱壩試載法靜動分析程序SDTLM88，中國水利水電科學(xué)研究院，1988，12
3. 侯順載，拱壩靜動力有限元程序ADAP-CH89，中國水利水電科學(xué)研究 院，1989
4. 拱壩的動力非線性分析與動力可靠度研究，“八五” 國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告，1995，3
5. 高拱壩地基地震能量逸散影響的研究，“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告95-221-03-02-01(1)，中國水利水電科學(xué)研究院，1999年11月。
6. 有縫拱壩—地基系統(tǒng)非線性地震波動反應(yīng)分析，“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告95-221-03-02-02(1)，中國水利水電科學(xué)研究院，1999年11月。
7. 汝乃華、姜忠勝，大壩事故與安全·拱壩，中國水利水電出版社，1995，
8. 高拱壩地震應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和抗震工程措施研究·專題研究報(bào)告，國家電力公司昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2000，10
9. Chen Houqun，Li Deyu，Hu Xiao，Hou Shunzai， Model Test and Computation Analysis for Dynamic Behavior of Arch Dam with Contraction Joints，11th WCEE，June，1996，Me
10. 金沙江溪落渡水電站雙曲拱壩動力分析和動力模型試驗(yàn)研究報(bào)告，中國水利水電科學(xué)研究院，2001，10
[1] 中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心
隨著祖國大陸水電事業(yè)的發(fā)展，一批修建于西部高地震烈度區(qū)的壩高超過200m的高拱壩正在興建或設(shè)計(jì)中。高拱壩在遭遇地震荷載作用下的動力響應(yīng)及其抗震安全問題一直是水工界普遍關(guān)注的問題。本文結(jié)合現(xiàn)行水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和拱壩抗震研究的進(jìn)展，簡述了高拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、動力分析方法、大壩混凝土的動態(tài)抗力以及抗震安全評價(jià)的基本原則和方法，并就今后高拱壩抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)研究解決的幾個問題提出建議。
一、 前 言
拱壩作為一種古老的壩型，一直被認(rèn)為具有超載能力強(qiáng)、工程量省等優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外的壩工建設(shè)中，只要地形、地質(zhì)條件適宜，拱壩總是首選壩型。祖國大陸的拱壩建設(shè)近年來得到迅速發(fā)展，尤其隨著西部開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的實(shí)施，一批高度大于200m的超高拱壩正在規(guī)劃建設(shè)中。這些高拱壩位于西南、西北強(qiáng)震頻發(fā)的高地震烈度區(qū)，抗震設(shè)防水平高，抗震安全問題至關(guān)重要。采用合理的動力分析方法和抗震安全評價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行大壩抗震設(shè)計(jì)，確保大壩及樞紐工程的抗震安全是高拱壩建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。
工程抗震設(shè)計(jì)手段是與其當(dāng)時(shí)的抗震分析方法和水平密切相關(guān)的。在祖國大陸以前的拱壩抗震設(shè)計(jì)中，都遵循1978年由原水電部頒布的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SDJ10-78)(以下簡稱原《規(guī)范》)的要求進(jìn)行?？拐鹩?jì)算采用“擬靜力法”，未能充分體現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)的動力特性和地震時(shí)的地面運(yùn)動特征。2001年1月國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會頒布實(shí)施了由中國水利水電科學(xué)研究院主持、會同國內(nèi)其他高校和設(shè)計(jì)單位新修編的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)[1](以下簡稱現(xiàn)行《規(guī)范》)。該規(guī)范在繼承原《規(guī)范》一些基本原則、保持規(guī)范連續(xù)性的基礎(chǔ)上，廣泛吸納近年來國內(nèi)外水工抗震領(lǐng)域取得的較為成熟的科研成果，在設(shè)防依據(jù)、抗震設(shè)計(jì)原則、計(jì)算方法等諸多方面都較原《規(guī)范》更能反映地震動特性和結(jié)構(gòu)動力性能。尤其是對大中型工程規(guī)定必須按動力法設(shè)計(jì)，以及由確定性設(shè)計(jì)方法過渡到按考慮各種作用和抗力的不確定性的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。標(biāo)志著我們水工抗震設(shè)計(jì)水平躍上了一個新高度。
近年來，隨著人們對拱壩動力特性、地震動力反應(yīng)研究的逐步深化，拱壩的抗震動力分析理論和方法近幾年來在祖國大陸得到了迅速發(fā)展。對影響高拱壩抗震安全的許多關(guān)鍵技術(shù)，諸如壩體-庫水-地基的動力相互作用，非均勻地震動輸入和庫水可壓縮性的影響，無限地基地震能量的逸散，拱壩橫縫強(qiáng)震開裂的非線性影響，抗震可靠度研究等方面都有所進(jìn)展和創(chuàng)新。在多年的拱壩抗震研究實(shí)踐中，中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心開發(fā)完成基于不同理論分析方法的多層次的拱壩動力分析軟件[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，進(jìn)行了10多座高拱壩的動力分析和抗震安全評價(jià)工作，為其抗震設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。
二、 拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
合理確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是拱壩結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)行《規(guī)范》采用了《中國地震烈度區(qū)劃圖(1990)》和對重要工程場址進(jìn)行專門的以概率理論為基礎(chǔ)的地震危險(xiǎn)性分析的雙軌制。這里的重要工程系指基本地震烈度6度或6度以上地區(qū)的壩高超過200m或庫容大于100億立米的大型工程，以及基本烈度7度或7度以上地區(qū)壩高超過150m的大(1)型工程。對于需專門作地震危險(xiǎn)性分析的工程，設(shè)計(jì)烈度及設(shè)計(jì)地震加速度則根據(jù)祖國大陸已有23個重大水利水電工程的地震危險(xiǎn)性資料校準(zhǔn)確定，并已編入現(xiàn)行《規(guī)范》中，即非壅水建筑物設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)地震加速度為50年期限內(nèi)超越概率0.05，重現(xiàn)期為950年一遇的地震，而較基本烈度提高l度設(shè)防的Ⅰ級壅水建筑物采用100年期限內(nèi)超越概率0.02、重視期約5000年一遇的地震。這較之祖國大陸《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJl1-89) 的重現(xiàn)期1600～2200年的“大震”水平要高得多。之所以對于Ⅰ級壅水建筑物采用如此高的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，主要目的是大限度降低這類極端重要的工程遭遇重大震害而產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。
在采用基于振型疊加原理的反應(yīng)譜法進(jìn)行線彈性結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中，除設(shè)計(jì)地震峰值加速度外，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是又一個重要的地震動參數(shù)。反應(yīng)譜是具有一定頻率和阻尼的單自由度體系在給定地震動作用下峰值加速度反應(yīng)的動力放大系數(shù)，其值除隨結(jié)構(gòu)振動周期和阻尼比變化外，主要與所在場址的場地類別和地震震中離場址的距離有關(guān)。現(xiàn)行《規(guī)范》采用了場地相關(guān)反應(yīng)譜，由與剪切模量有關(guān)的剪切波速來劃分場地土類型，再由場地土類型和覆蓋層厚度劃分4類場地類別，較原《規(guī)范》多了一類。對應(yīng)每個地震記錄都有相應(yīng)的反應(yīng)譜，規(guī)范采用了其統(tǒng)計(jì)均值并作適當(dāng)平滑規(guī)則化的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。
標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜平臺的右端周期Tg稱為加速度反應(yīng)譜的特征周期。已有研究表明，場地土越硬，場地加速度反應(yīng)中高頻成分越多，反映地震卓越周期的特征周期越小;對于基巖，規(guī)范規(guī)定為0.20秒。同時(shí)，考慮到遠(yuǎn)震主要影響高度大、基頻低的柔性結(jié)構(gòu)，而專門的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果已綜合了各有關(guān)潛在震源區(qū)的影響，無法區(qū)分遠(yuǎn)震和近震，為便于實(shí)際工程的操作應(yīng)用，規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)地震烈度不大于8度、基本周期大于1.0秒的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)譜的特征周期宜延長0.05秒。
反應(yīng)譜的大值βmax主要與結(jié)構(gòu)阻尼有關(guān)。結(jié)構(gòu)阻尼的機(jī)理十分復(fù)雜，除結(jié)構(gòu)本身外，還包含了相鄰介質(zhì)的相互作用和振動能量在地基及水中的逸散影響，與水位、地基土特性以及結(jié)構(gòu)振動頻率和地震動強(qiáng)度有關(guān)。現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定拱壩的βmax =2.5，系參照國內(nèi)外實(shí)測阻尼數(shù)據(jù)并考慮強(qiáng)震時(shí)因阻尼增大動力效應(yīng)降低等因素綜合反映工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。與原《規(guī)范》相比，現(xiàn)行《規(guī)范》的反應(yīng)譜曲線的主要差異在于曲線的下降段，用(Tg/T)0.9代替了原來的Tg/T，稍微放慢了曲線的下降坡度。
三、 拱壩動力分析方法
目前祖國大陸拱壩設(shè)計(jì)靜力結(jié)構(gòu)分析的基本方法采用美國墾務(wù)局30年代發(fā)展的基于拱梁系統(tǒng)位移協(xié)調(diào)的試載法，其基本概念明確，為廣大設(shè)計(jì)人員所熟悉，有長期的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，有一套相應(yīng)的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。由于地震作用屬特殊作用，基于動力分析方法應(yīng)與靜力分析相互協(xié)調(diào)原則，現(xiàn)行《規(guī)范》明確規(guī)定，拱壩動力分析的基本方法仍應(yīng)采用拱梁分載法。但是，拱壩作為一種空間高次超靜定殼體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分析具有其特殊性和復(fù)雜性，基于線彈性和無質(zhì)量地基假定的有限單元法能更好模擬壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體型、力學(xué)特性和壩體—基礎(chǔ)—庫水的動力耦合作用，現(xiàn)行《規(guī)范》推薦其為動力分析校核計(jì)算的主要方法。
高拱壩的地震動力反應(yīng)受多種復(fù)雜因素的影響，現(xiàn)行《規(guī)范》只能反映目前我們水工抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和較為成熟的科研成果，限于對地震作用下拱壩結(jié)構(gòu)及其地震破壞機(jī)理的復(fù)雜性認(rèn)識尚很不夠，以及新的一些科研成果尚待更多檢驗(yàn)因而在設(shè)計(jì)中尚難以普遍掌握和接受的實(shí)際情況，現(xiàn)行《規(guī)范》在動力分析方法、地震作用效應(yīng)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗力方面的規(guī)定仍然有相當(dāng)?shù)木窒扌?。例如，基于線彈性理論的視拱壩為整體結(jié)構(gòu)的動力分析給出的大壩中上部的高水平拱向拉應(yīng)力，由于壩體伸縮橫縫的張開，實(shí)際上不大可能發(fā)生;壩址實(shí)際地質(zhì)地形以及地震動能量向無限遠(yuǎn)域的逸散等因素也會顯著影響大壩的地震反應(yīng)，根據(jù)已有研究成果，考慮這種影響會使拱壩的地震動力響應(yīng)明顯降低。為數(shù)不多的拱壩震害實(shí)例也對上述觀點(diǎn)給出了有力佐證，其中具代表性的當(dāng)屬美國帕科依瑪(Pacoima)拱壩，在1971年和1994年兩次遭受強(qiáng)烈地震，常規(guī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果表明其大拉應(yīng)力達(dá)5.2Mpa，遠(yuǎn)超出壩體混凝土抗拉強(qiáng)度極限，但大壩壩體本身并未開裂而造成嚴(yán)重?fù)p害[7]?；谏鲜稣J(rèn)識，現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定，對于壩高超過250m的重要拱壩要進(jìn)行專門研究。
針對上述拱壩抗震中的前沿課題，結(jié)合拉西瓦、小灣等超高拱壩工程，中國水科院抗震中心開展了長期深入的研究，對這些問題的認(rèn)識逐步深化，開發(fā)完成了可考慮實(shí)際工程存在的、傳統(tǒng)分析方法難以模擬的復(fù)雜地質(zhì)地形條件、以人工透射邊界描述地震動能量向無限遠(yuǎn)處逸散的所謂地基輻射阻尼的影響、以三維動接觸理論模擬壩體伸縮橫縫非線性影響、應(yīng)用完全解耦的時(shí)域有限元波動分析技術(shù)的拱壩系統(tǒng)三維非線性動力分析方法和程序，已成為重要拱壩工程進(jìn)行深入專門研究的重要工具。
四、 壩體混凝土材料的動態(tài)抗力
混凝土材料動態(tài)抗力是拱壩抗震安全評價(jià)的基本依據(jù)。地震作用對混凝土材料動態(tài)抗力的影響表現(xiàn)為材料受荷速率高和拉—壓交變往復(fù)作用頻繁。國內(nèi)外已有的干篩或濕篩混凝土小試件的動態(tài)實(shí)驗(yàn)資料表明，在相應(yīng)于地震作用的快速加荷下，試件材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值較靜態(tài)增加30%以上，多數(shù)資料表明，動態(tài)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的增長更為明顯，可達(dá)50%以上?；谏鲜稣J(rèn)識，同時(shí)考慮到一般拱壩的抗震強(qiáng)度主要受抗拉強(qiáng)度控制的事實(shí)，從偏于安全的角度出發(fā)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定在進(jìn)行大壩壩體材料的強(qiáng)度校核時(shí)，其抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均較靜態(tài)時(shí)提高30%。在進(jìn)行大壩抗震強(qiáng)度安全校核時(shí)，作用效應(yīng)考慮了靜動綜合作用，其材料動態(tài)抗力的增長理應(yīng)考慮初始靜載作用的影響，但由于缺乏足夠的試驗(yàn)資料，上述規(guī)定中并未計(jì)及這種影響。
大壩混凝土與普通混凝土的根本區(qū)別在于其混凝土中粗骨料的含量高。因此國內(nèi)外在進(jìn)行大壩混凝土材料靜態(tài)性能測試中，進(jìn)行了全級配大壩混凝土試件的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，全級配試件的抗壓強(qiáng)度普遍低于濕篩小試件，平均降幅可達(dá)20%左右，而抗拉強(qiáng)度的平均降幅更達(dá)30%左右。至于全級配試件的動態(tài)強(qiáng)度研究剛剛起步，“九五”期間結(jié)合小灣工程進(jìn)行了初步探索[8]，有待今后進(jìn)一步深入試驗(yàn)研究，積累試驗(yàn)資料。
五、 拱壩的抗震安全評價(jià)
在傳統(tǒng)的確定性方法工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，忽略了作用荷載和結(jié)構(gòu)抗力實(shí)際存在的不確定性而將它們看作確定的定值，采用主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)確定的單一安全系數(shù)作為判斷結(jié)構(gòu)安全與否的依據(jù)。事實(shí)上，工程結(jié)構(gòu)承受的各類作用以及結(jié)構(gòu)本身的抗力都是隨機(jī)的，而地震作用隨機(jī)性更大。已有研究表明，地震峰值加速度的變異系數(shù)高達(dá)1.3以上，遠(yuǎn)大于水工結(jié)構(gòu)的其它作用，而設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值β的變異系數(shù)也高達(dá)0.3。
現(xiàn)行《規(guī)范》按照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50199-94)的要求，基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，原則上實(shí)現(xiàn)了抗震驗(yàn)算從確定性設(shè)計(jì)向基于概率理論的可靠度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軌，采用作用和抗力的分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)表達(dá)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式：
式中 γ0結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);ψ設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，地震時(shí)取0.85; S(*)作用效應(yīng)函數(shù);R(*)結(jié)構(gòu)抗力系數(shù);fk材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值; γm 材料性能的分項(xiàng)系數(shù);ak幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值;γd承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)系數(shù)，對于壩體抗壓、抗拉強(qiáng)度分別規(guī)定為1.3、0.7。
承載能力極限設(shè)計(jì)式與傳統(tǒng)的單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)式不同，傳統(tǒng)的安全系數(shù)已經(jīng)被考慮工程安全級別、設(shè)計(jì)狀況、作用和材料性能變異以及計(jì)算模式不定性等因素且與目標(biāo)可靠度相聯(lián)系的5種系數(shù)所“替代”。作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)僅反映各自本身的變異性。結(jié)構(gòu)系數(shù)γd考慮了計(jì)算模式的不確定性并與目標(biāo)可靠度相聯(lián)系?；炷凉皦蔚目估?、抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)是在大量實(shí)例可靠度驗(yàn)算基礎(chǔ)上，在保持規(guī)范連續(xù)性的原則上確定的。
應(yīng)該指出，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、分析方法、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)三者之間的統(tǒng)一是進(jìn)行拱壩抗震設(shè)計(jì)的基本前提，而現(xiàn)行規(guī)范中動力分析方法規(guī)定以拱梁分載法為基本分析方法，亦即體現(xiàn)拱壩抗震安全指標(biāo)的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd是以拱梁分載法的分析結(jié)果為主要依據(jù)而確定的。
六、 結(jié)語
現(xiàn)行《規(guī)范》依據(jù)分項(xiàng)系數(shù)概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則，對拱壩抗震設(shè)計(jì)中抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、拱壩抗震計(jì)算方法以及安全評價(jià)準(zhǔn)則諸方面給出了明確規(guī)定，已廣泛應(yīng)用于祖國大陸的拱壩抗震設(shè)計(jì)和抗震安全評價(jià)工作中。但如前所述，現(xiàn)行《規(guī)范》只能反映目前我們水工抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和較為成熟的科研成果。隨著近年來在工程地震和拱壩結(jié)構(gòu)抗震理論方面的研究不斷取得新進(jìn)展，對于影響高拱壩地震動力響應(yīng)的諸多因素的認(rèn)識已逐步深化，在某些問題上已逐步取得了學(xué)術(shù)界的共識，一些研究成果也在工程抗震設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。盡管如此，筆者認(rèn)為，在今后的拱壩抗震動力分析和安全評價(jià)工作中，還需深入進(jìn)行以下方面的研究工作：
1、現(xiàn)行規(guī)范的拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是按照1990年出版的《中國地震烈度區(qū)劃圖》作為主要依據(jù)，根據(jù)大壩抗震設(shè)防類別以及壩址區(qū)地震地質(zhì)條件確定的。2001年2月國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布了新一代的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，將1990年版區(qū)劃圖僅以地震烈度作為衡量一個地區(qū)地震動改變?yōu)橐苑逯导铀俣群蛨龅刈吭街芷趦蓚€地震動參數(shù)來表征該地區(qū)地震動特性。拱壩的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如何適應(yīng)這種變化，包括進(jìn)行工程場址有效峰值加速度的確定、能反映場址實(shí)際地震地質(zhì)環(huán)境和設(shè)計(jì)要求的“設(shè)定地震”的確定、由此求得的能反映實(shí)際地震動特征的場址基巖相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、以及能體現(xiàn)場址地形及場地土特性的地表設(shè)計(jì)反應(yīng)譜大幅值平臺和其起、止特征周期等關(guān)鍵問題的研究十分重要。
2、進(jìn)一步進(jìn)行包括壩址實(shí)際地質(zhì)地形條件、壩體伸縮橫縫動力非線性和無限地基輻射阻尼綜合因素影響的時(shí)域有限元三維非線性波動分析數(shù)學(xué)模型的理論和試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合考慮上述復(fù)雜因素的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，盡管截止目前針對這些因素的影響進(jìn)行過一些振動臺試驗(yàn)驗(yàn)證工作[9]、 [10]，但由于問題的復(fù)雜性，在這些試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，都不可避免地存在某些因素難以準(zhǔn)確模擬的情況。應(yīng)進(jìn)行其它可模擬上述復(fù)雜因素理論模型的研制開發(fā)和實(shí)際工程的計(jì)算分析，進(jìn)行相互比較驗(yàn)證，并可考慮在條件成熟時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行現(xiàn)場的原型振動試驗(yàn)驗(yàn)證。
3、毫無疑問，考慮更多復(fù)雜因素基礎(chǔ)上的時(shí)域有限元波動分析結(jié)果更為切合拱壩動力反應(yīng)的實(shí)際狀況，但由于與現(xiàn)行規(guī)范推薦的基本分析方法—拱梁分載法在數(shù)學(xué)模型上存在較大差異，計(jì)算結(jié)果無論在分布規(guī)律還是數(shù)值上也有相當(dāng)差異，為明顯體現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：一是拱梁分載法在拱壩中上部拱冠附近常常給出靜動綜合的大主拉應(yīng)力，并成為拱壩抗震強(qiáng)度安全的控制部位，而考慮壩體伸縮橫縫張開的非線性有限元計(jì)算分析表明，橫縫張開使這些部位的拱向拉應(yīng)力幾乎完全消失，而導(dǎo)致大壩中上部梁向應(yīng)力的增加;二是由于有限單元法彈性理論基本假定，在壩體—地基交接面附近，受局部地質(zhì)條件、單元尺寸和單元形態(tài)影響，存在著不同程度的角緣應(yīng)力集中效應(yīng)，其數(shù)值和范圍難以準(zhǔn)確把握，而這一問題也正是制約有限單元法的計(jì)算結(jié)果作為壩體抗震安全評價(jià)依據(jù)的主要障礙。從目前的發(fā)展看，不考慮地震作用的基本荷載(靜載)組合時(shí)的大壩靜態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)或正在突破這一限制。新修編的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中，在對大量的國內(nèi)外重力壩進(jìn)行有限元系統(tǒng)靜力分析基礎(chǔ)上，采用壩踵拉應(yīng)力區(qū)在壩基面的深度小于截面厚度7%的準(zhǔn)則。正在修編的《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》也納入了在靜載作用下應(yīng)用有限單元法分析結(jié)果作為評判依據(jù)的條款。因此，為了實(shí)現(xiàn)抗震規(guī)范與基本設(shè)計(jì)規(guī)范相呼應(yīng)，在進(jìn)行包括壩體材料動力非線性開裂計(jì)算分析基礎(chǔ)上，探討在地震荷載作用下應(yīng)用有限單元法作為拱壩抗震安全評價(jià)基本方法的途徑，顯得十分必要和迫切。
4、如前所述，目前現(xiàn)行規(guī)范給出的反映壩體抗震強(qiáng)度安全指標(biāo)的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd，是根據(jù)結(jié)合國內(nèi)10幾座拱壩的基于拱梁分載法的計(jì)算結(jié)果，在保持與原規(guī)范連續(xù)性的原則基礎(chǔ)上，經(jīng)校準(zhǔn)后得到的。因此，為保證計(jì)算方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)配套，在應(yīng)用考慮綜合因素影響的時(shí)域有限元波動分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行大壩的抗震安全評價(jià)時(shí)所應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd，應(yīng)在進(jìn)行大量實(shí)際工程抗震計(jì)算的基礎(chǔ)上，遵循與按拱梁分載法給出的γd抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)所反映的大壩抗震安全度相協(xié)調(diào)的原則，進(jìn)行校準(zhǔn)研究、歸納總結(jié)后給出為宜。
5、繼續(xù)深入研究全級配大體積拱壩混凝土的動態(tài)性能。應(yīng)在積極建置大型材料動力試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程，按照工程采用的混凝土配合比，合理施加適應(yīng)不同地震條件的動態(tài)荷載，進(jìn)行在不同靜載應(yīng)力水平下的混凝土試件的包括動態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度以及動態(tài)彈性模量的試驗(yàn)研究，同時(shí)開展能模擬全級配混凝土內(nèi)部骨料、混凝土砂漿實(shí)際配比和膠結(jié)條件的細(xì)觀有限元分析，為大壩抗震設(shè)計(jì)中大壩混凝土材料的動態(tài)抗力提供更為合理依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
1. 國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073-2000)，中國電力出版社，2001
2. 李德玉，拱壩試載法靜動分析程序SDTLM88，中國水利水電科學(xué)研究院，1988，12
3. 侯順載，拱壩靜動力有限元程序ADAP-CH89，中國水利水電科學(xué)研究 院，1989
4. 拱壩的動力非線性分析與動力可靠度研究，“八五” 國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告，1995，3
5. 高拱壩地基地震能量逸散影響的研究，“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告95-221-03-02-01(1)，中國水利水電科學(xué)研究院，1999年11月。
6. 有縫拱壩—地基系統(tǒng)非線性地震波動反應(yīng)分析，“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目報(bào)告95-221-03-02-02(1)，中國水利水電科學(xué)研究院，1999年11月。
7. 汝乃華、姜忠勝，大壩事故與安全·拱壩，中國水利水電出版社，1995，
8. 高拱壩地震應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和抗震工程措施研究·專題研究報(bào)告，國家電力公司昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2000，10
9. Chen Houqun，Li Deyu，Hu Xiao，Hou Shunzai， Model Test and Computation Analysis for Dynamic Behavior of Arch Dam with Contraction Joints，11th WCEE，June，1996，Me
10. 金沙江溪落渡水電站雙曲拱壩動力分析和動力模型試驗(yàn)研究報(bào)告，中國水利水電科學(xué)研究院，2001，10
[1] 中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心