王開拓，辛全才，馬金磊

（1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，712100，楊凌；2.水利部海河水利委員會海河下游管理局，301602，天津）

一、前 言

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，具有地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣、破壞性強等特點。近幾年，全球地震災害頻發(fā)，“5·12”汶川大地震、海地地震、智利大地震和“4·14”玉樹地震，對人類的生存、生活和基礎建設都造成了極大的威脅。汶川大地震后，大壩的抗震安全成為社會各界關注的焦點。我國水力資源總量十分豐富，而且我國水力資源的70%集中分布在西南地區(qū)、西北地區(qū)，這些地區(qū)的地形、地質條件適宜修建高拱壩。我國西部已建或在建的一批高拱壩如表1所示。但是，這些地區(qū)也正是地震頻發(fā)的高烈度區(qū)，近年來壩址區(qū)還出現(xiàn)了高應力、高邊坡、大型地下隧洞和廠房等新的特點。地震成為高拱壩設計的控制工況，水庫大壩的抗震安全成為最突出的問題。當前，強震區(qū)高烈度區(qū)的高拱壩抗震設計理論研究還落后于高拱壩工程建設的步伐，這使得研究解決強震區(qū)高拱壩的抗震安全問題十分迫切。

表1 我國西部地區(qū)已建和在建的重要高拱壩

二、高拱壩地震破壞機理研究

高拱壩地震破壞機理是保證其抗震安全所要關注的首要問題，而拱壩壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定則是拱壩壩體結構安全的基本前提。因此強震區(qū)高拱壩的地震破壞應該包括高拱壩壩體結構強度破壞和壩肩巖體的穩(wěn)定破壞兩個方面。

1.壩體強度的地震破壞機理

目前拱壩設計規(guī)范規(guī)定，設計主要受控于用拱梁分載法求出發(fā)生在壩體的最大主壓應力和最大主拉應力須分別符合規(guī)定的容許壓應力和容許拉應力，而控制標準則是一種與材料強度無關的經(jīng)驗指標，難以真實反映壩體內(nèi)部的剪切破壞。

地震作用是破壞強震區(qū)高拱壩的主要荷載，動力放大效應在壩體上會出現(xiàn)最大可達7～8MPa的動拉應力，遠超過混凝土的極限抗拉強度。拱壩各壩段間經(jīng)灌漿的伸縮縫抗拉強度極低，由靜水荷載在此處產(chǎn)生的壓應力很小，使得伸縮縫在壩面發(fā)生局部的反復張開和閉合，拱壩上部不再是整體結構，應力將重新分布，導致拱向地震拉應力大幅度降低，局部梁向應力增加，不利于拱壩的整體穩(wěn)定，同時也削弱了拱壩的抗震安全性。

大壩混凝土材料動力性能的研究是影響拱壩壩體結構強度地震破壞機理的第二個重要的因素。強震區(qū)高拱壩自頻較低，但是混凝土等級較高，在1/4周期達到材料極限強度的加速度仍可達到20 MPa/s，比常規(guī)靜態(tài)試驗中采用的0.4 MPa/min提高近3 000倍。國外和我國少量混凝土材料的動強度試驗資料表明，動態(tài)強度可較靜態(tài)時提高30%以上，表明靜態(tài)下混凝土材料的強度不能準確分析地震作用下的混凝土大壩安全，因此混凝土材料動力特性試驗對研究高拱壩地震破壞機理，并提出確定的大壩混凝土抗震動態(tài)指標，對高拱壩的抗震設計具有重要意義。

2.壩肩巖體的地震破壞機理

高拱壩是一個復雜的高次超靜定不規(guī)則殼體結構，與重力壩相比，拱壩對地形地質條件特別是兩岸壩肩地質條件要求較高，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，因為拱壩的水推力、溫度荷載等外力最終傳遞到兩岸壩肩，主要是利用拱端基巖的反作用來支撐。在強烈的地震中，拱壩兩岸壩肩巖體的失穩(wěn)滑動或嚴重破壞引發(fā)潰壩的可能性非常高?，F(xiàn)階段壩肩巖體的地震破壞機理的主要研究方法是根據(jù)相似原理采用模型試驗。由周秋景等對四川銅頭拱壩、金沙江溪洛渡高拱壩、構皮灘拱壩、江口雙曲拱壩以及小灣拱壩模型試驗的總結分析，得出拱壩的破壞形式不盡相同，但壩肩破壞機理可分為兩類：一類是由于壩肩巖體開裂或者壩肩變形過大最終導致壩體失去承載能力；另一類是因壩體材料強度不夠導致壩體自身出現(xiàn)裂縫，且不斷擴張影響到壩肩，最終使得壩體結構整體破壞。

三、高拱壩抗震設計理念的完善

1.抗震評價準則

抗震評價準則是高拱壩抗震安全分析的依據(jù)，對于新建的大壩工程，大多數(shù)國家都制定有建筑物的抗震安全條例。1989年世界大壩委員會頒布的現(xiàn)行抗震安全指南中指出，大型壩必須能經(jīng)受壩址處發(fā)生最大可信 地 震 MCE （Maximum Credible Earthquake）而引起的最大地面運動。這就意味著要求最大可信地震MCE震后大壩可遭受一定程度的震害，但又不會使水庫發(fā)生無法控制的泄水災難。所謂高拱壩抗震設防標準主要是指高拱壩工程設計地震或校核地震在基準期內(nèi)發(fā)生該地震的超越概率?，F(xiàn)在在國際上逐步采用兩級或者分級抗震設防標準，如美國大壩抗震采用運行基準地震OBE（Operational Basis Earthquake）及最大設計地震MDE （Maximum Design Earthquake）兩級設防：要求運行基準地震OBE，震后結構不發(fā)生破壞或僅有輕微破壞而能夠繼續(xù)運行且易于修復；要求最大設計地震MDE，震后大壩不發(fā)生災難性破壞。汶川大地震后，水電水利規(guī)劃設計總院對我國現(xiàn)行大壩抗震標準進行了復核，對于1級擋水建筑物在設計地震的基礎上增加了校核地震，即將規(guī)范中采用一級設防標準基準期100年超越概率2%，再取基準期100年超越概率1%或最大可信地震MCE動參數(shù)進行校核，并要求進行極限抗震能力分析。因此國外對大壩抗震設防的理念值得我們深入研究和借鑒，以完善高拱壩抗震的評價標準，按照安全性和經(jīng)濟性的原則使大壩的抗震設計更為實際，更為合理。

2.大壩混凝土材料動力特性研究

我國目前在常規(guī)拱壩抗震分析中將混凝土在地震作用下的動態(tài)強度與彈性模量取靜力情況下的1.3倍進行分析，忽略加速度對其的影響。那么在混凝土材料的動力試驗中，混凝土材料的動態(tài)強度影響因素有混凝土的強度等級、混凝土試件的濕度、試驗設備、加載速率、加載方式、加載歷史和試件尺寸等。國內(nèi)外部分專家學者對此作了深入的試驗研究。20世紀50—60年代日本的火田野正在對混凝土動態(tài)強度試驗中發(fā)現(xiàn)，加載速率對其有重要的影響。1984年Raphael在五座混凝土壩中取樣進行動力試驗，得到混凝土動態(tài)抗壓強度較靜強度平均提高31%，直接拉伸強度平均提高66%，劈拉強度平均提高45%，但是結果較為離散、粗糙。國內(nèi)對混凝土動態(tài)試驗的研究起步于1986年清華大學陳肇元等進行的混凝土快速變形下的抗壓及抗拉性能試驗。目前國內(nèi)主要有中國水科院、清華大學、大連理工大學以及河海大學等科研機構和高校進行相關研究。大連理工大學肖詩云等在分析高拱壩特點的基礎上，研究了應變率和濕度條件分別對混凝土動態(tài)強度及變形特性的影響。近年來閆東明等對混凝土動態(tài)特性同樣進行了大量試驗研究。

在此要說明應當注意的幾個問題。首先是關于加載速率的問題，現(xiàn)在很多有關混凝土動態(tài)強度的研究都是針對恒定的加載速率而進行的，實際上在地震作用下大壩各部分所承受的應變速率是不同的，同一部位不同時刻的應變速率也不盡相同。第二是關于加載歷史的問題，實際壩體地震應力應該是在靜態(tài)應力的基礎上疊加的，特別是對于高拱壩來說靜態(tài)應力更大，因此不同初始荷載時的動強度試驗對高拱壩抗震設計意義重大。最后是有關試件尺寸的問題，當前許多試驗是在骨料經(jīng)過濕篩后的試件上進行的，與全級配大壩混凝土試驗有著明顯差異，所以說開展不同靜態(tài)預載水平下全級配大壩混凝土動態(tài)性能研究急需加強。

3.高拱壩抗震設計分析

對于強震區(qū)高拱壩的抗震設計，壩體必須滿足強度的要求，壩肩必須滿足穩(wěn)定的要求。當前高拱壩抗震理論分析的主要方法可分為數(shù)值分析方法和模型試驗方法兩大類。

拱壩靜力分析的基本方法是試載法，動力分析的基本方法是拱梁分載法，壩肩穩(wěn)定分析的基本方法為剛體極限平衡法，有限單元法則作為動力分析校核的主要方法。目前已在大壩動應力、變形分析中廣泛應用數(shù)值分析的方法較多，并且可以作為高拱壩抗震分析的一種有效手段，大體可分為連續(xù)變形數(shù)值分析方法（有限單元法、邊界元法等）和非連續(xù)變形數(shù)值分析方法 （剛體彈簧元法、塊體單元法、界面元法、數(shù)值流形方法等）。因此，許多學者在基本方法的基礎上進行改進或者提出新的抗震理論分析方法，如，張伯艷、陳厚群等結合有限元和剛體極限平衡法來進行分析；金峰提出有限元—邊界元—無限邊界元（FEBE-IBE）耦合方法；以廖振鵬院士創(chuàng)立的人工透射邊界為核心的人工透射邊界和顯式有限元法等。將壩肩與壩體聯(lián)合進行分析或將壩體—地基—庫水作為整體考慮，使計算結果更加切合實際，提高計算精度，有效地解決高拱壩抗震穩(wěn)定性分析難題。

另一方面，高拱壩地震動力模型試驗也是高拱壩抗震安全性分析的重要手段，對于深入地研究強震區(qū)拱壩地震破壞機理尤為關鍵，為評價強震區(qū)高拱壩抗震安全等級提供更加全面合理而且有力的資料、依據(jù)。通過量綱分析可得到模型與原型結構間的各種物理參數(shù)，以模型試驗的結果推斷實際結構的性能及在給定外荷載作用下的響應。但是高拱壩的抗震模型試驗的方法在實際操作中還存在一些問題：①受地震振動試驗臺的限制，難以對高拱壩進行模擬；②受模型加載方式的限制，難以模擬強震區(qū)高拱壩復雜的三維地應力場、溫度場和滲流場的耦合；③受模型跟蹤監(jiān)測技術的限制，難以觀測大壩和高邊坡破壞的全過程；④進行降強破壞試驗無論是靜力還是動力都很難在同一個模型上完成，因此與數(shù)值模擬相比試驗成本高、周期長；⑤不同模型間還存在差異的影響。

四、高拱壩抗震措施研究

隨著我國水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高拱壩的抗震設計水平也在不斷提高，對于強震區(qū)高拱壩抗震措施的研究也在不斷深入。為了減少大型水庫的風險，提高強震區(qū)高拱壩的抗震安全性能，在高拱壩的抗震措施中必須采取非工程措施和工程措施。其中高拱壩非工程抗震措施包括大壩地震安全預警系統(tǒng)、高拱壩壩體及壩肩的結構性能監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全事故應急措施以及大壩管理人員的培訓等等。高拱壩抗震結構工程措施包括大壩抗震壩形的優(yōu)化，壩基交接面附近設置底縫和周邊縫、配置橫縫抗震鋼筋、橫縫間布設阻尼器、設置適應橫縫張開大變形的止水、壩體上部設置預應力鋼索、調(diào)整壩體混凝土的分區(qū)以及拱壩兩岸壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定措施等等。

近年，中國水科院、清華大學、河海大學以及大連理工大學等科研機構和高校都對此作了深入研究。諸多研究表明，高拱壩的橫縫在強烈地震作用下很容易開裂，而且寬深比越大，橫縫張開的可能性和程度也就越大。橫縫的張開可能會導致縫間止水的破壞和拱梁應力的重新分配，降低拱壩拱的作用，增大梁向應力，影響拱壩的整體性和抗震安全性。因此采取抗震措施控制橫縫的張開度是高拱壩抗震的重點。而壩體橫縫處安裝阻尼器就是控制橫縫張開度的新設想，而且與跨橫縫鋼筋相比有不屈服、工程量小、不影響工期和抗震效果明顯等優(yōu)點。由清華大學王品江等學者對設置跨橫縫鋼筋和阻尼器進行了系統(tǒng)的比較，提出了這兩種措施的優(yōu)化組合方案，采用橫縫配筋可顯著降低橫縫開度，并選擇在較大的橫縫上配置阻尼器，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，其抗震方案更經(jīng)濟合理，效果更明顯。高拱壩抗震措施匯總于表2。

另外兩岸壩肩巖體穩(wěn)定是拱壩安全的根本保證，強震區(qū)高拱壩的安全性在很大程度上取決于壩肩巖體的穩(wěn)定性，故在此對高拱壩兩岸壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定措施作以下說明。由于地形和地質條件的不同，兩岸壩肩拱座內(nèi)存在斷層、軟弱夾層、斷裂、破碎帶及層間錯動等軟弱結構面，將直接影響到拱壩的穩(wěn)定與安全。壩肩巖體失穩(wěn)最常見的形式是壩肩巖體受荷載后發(fā)生的滑動破壞，根據(jù)陳勝宏對巖體滑動破壞形式的分類，有無滑動面的自由脫離、單面滑動和雙面滑動破壞三種形式。故在拱壩抗震中，通常采取的做法是清除壩肩松動巖體、壩基帷幕灌漿以及對節(jié)理發(fā)育地基進行固結灌漿、對壩肩潛在滑動體進行預應力錨索加固、在壩肩薄弱部位增加混凝土墊座，配置鋼筋網(wǎng)以增強其整體性，防止壩肩局部壓縮變形；同時要在壩肩下游側設置排水設施，防止?jié)B流破壞，減少壩肩的滲透壓力等等。根據(jù)壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的復核，并采取上述相應的抗滑穩(wěn)定措施，使其滿足規(guī)范的要求。

表2 高拱壩抗震措施一覽表

除此之外，對于高拱壩設計還需特別重視高邊坡及泄洪設施的抗震安全。近年來高邊坡導致的無交通條件是西部地區(qū)高拱壩工程所面臨的另一個顯著的問題，那么高邊坡處理的對象主要是指左右岸壩頂以上的不穩(wěn)定的松動體、堆積體和雞冠梁、青石梁等以及零星的危石。通常對其采取清坡、系統(tǒng)錨固、主動防護網(wǎng)緊貼邊坡包囊防護、被動防護網(wǎng)擋護和混凝土噴護等處理措施，使加固處理后各工況組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達到設計控制標準。

五、結 語

①高拱壩的抗震安全必須包括壩體自身的安全和壩肩巖體的抗震穩(wěn)定。強震區(qū)高拱壩的地震破壞機理研究應該包括高拱壩壩體結構強度破壞和壩肩巖體的穩(wěn)定破壞兩個方面。

②在強震區(qū)高拱壩的抗震設計理念中，應當不斷完善強震區(qū)高拱壩的抗震評價機制，加強混凝土材料動態(tài)特性的研究，提出并建立起大壩混凝土材料的動態(tài)指標。

③今后在高拱壩抗震設計研究中應當形成“由靜轉動、動靜結合”的設計思想，以數(shù)值分析方法為基礎的模型仿真與動力分析軟件的開發(fā)將會推動高拱壩抗震安全分析的長足發(fā)展；雖然模型試驗的受制條件較多，但是模型試驗對高拱壩抗震安全分析的重要作用不可忽視，可作為其校核或檢驗的有效手段。

④在地震中高拱壩抗震措施是強震區(qū)高拱壩抗震安全的重要保障，不僅應加強拱壩結構工程抗震措施的研究，而且要重視非工程措施的建設與完善。高拱壩的眾多抗震措施都各具優(yōu)缺點，根據(jù)當前高拱壩抗震措施的研究與工程抗震的效果來看，兩種或兩種以上不同的抗震措施聯(lián)合使用（如跨橫縫配置鋼筋與壩體橫縫處安裝阻尼器組合優(yōu)化），其抗震效果更明顯而且經(jīng)濟合理。

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