汶川地震对水工结构抗震设计的启示

　　摘要：水工结构线路长、地质条件复杂, 高地下水位及高构造应力增加了水工结构抗震的不确定性, 水工结构的受力情况和边界条件相当复杂, 地震动的反应状况千差万别。根据汶川地震对水工结构抗震设计带来的新影响和启迪, 提出水工结构抗震设计的建议。

　　关键词：水工结构; 抗震设计; 汶川地震;

　　1 引言

　　水工建筑物线路长、埋置较深, 地质条件相对复杂, 常常会遇到高地下水位以及高构造应力等不利条件的影响, 强地震以及大断层等的控制, 给水工建筑物的结构设计、施工等带来很多技术难题, 也为水工结构学科的发展提出了更高的要求。水工建筑物在地震中遭到破坏, 除工程本身遭受损失外, 给工程沿线人民的生活、生命和财产造成巨大隐患。我国是地震高发国家, 有多次因地震致使河岸决堤, 引发特大洪涝灾害的事故。

　　2 汶川地震对水工结构抗震设计的启迪

　　我国现行的《水工建筑物抗震设计规范》修订于1997年, 对我国水工结构的抗震安全性发挥了重要的作用。严格执行规范设计的各类型水工结构, 在汶川特大地震中虽然遭受了远超预期设计的强震侵袭, 仍然可以基本上保持整体稳定, 避免了因它的破坏而产生的次生灾害, 达到了抗震设计的目的, 说明按照规范设计的水工结构具有一定的抗震能力。同时, 汶川地震也对水工结构的抗震设计带来了新的影响和启迪。

　　第一, 水工坝基岩体和边坡在强震作用下的稳定性, 对水工结构坝的抗震安全性非常重要。在汶川地震中, 采用预应力锚固处理的百米级大坝的坝肩岩体、坝基以及高边坡基本上都保持了稳定, 而距离这些大坝很近的没有采取预应力锚固处理的边坡则发生了严重的坍滑。证明了水工坝基和边坡加固的工程措施是十分必要的, 也是很有效的抗震措施。

　　第二, 汶川地震中水工坝体的震害表明, 在水工建筑物的抗震设计之中, 泄水结构的抗震功能必须高度的重视;在地震的应急预案中, 必须做到保证泄水结构开启关闭的设备和应急能源的常备不懈。因为地震中坝体的震害表明, 紧急降低大坝的库存水位是防止水工结构发生相关次生灾害的一个非常有用的途径。

　　第三, 在汶川发生远远超出规范规定的高烈度地震表明, 我们应以水工结构在“最大可信地震”的极限情况下, 不发生溃坝且导致次生灾害, 作为水工结构抗震设防的重中之重。因为地震基本无法准确预测, 同时水工结构中水的存在使水工建筑物的地震影响十分复杂。经受了汶川地震考验的百米级别水工高坝, 对于新建的三百米级别高坝并没有太大的参考价值, 他们之间有本质的区别, 因为没有建造的先例, 也没有强震考验的实例。

　　第四, 汶川地震发震断层的长度超过了320 km, 深度达到了20 km, 地震发震的持续时间超过了100 s, 地震能量的释放, 在时间和空间的分布上也很不均衡, 无法在计算分析时作为一个点源来处理。震害经验表明, 水工结构种类繁多, 受运行要求影响的同时也受实际地形、地质条件的影响;同一水工结构在不同地区很少完全相同, 很难定型设计;结构受力情况以及边界条件相当复杂, 地震动的反应状况也难以计算。因此, 对接近地震断层的地震动特性应该加强研究, 应沿着全发震断层、全断裂面的破碎速度、断裂模式、方向性、时序性以及上盘效应因素等, 进行全面研究。

　　3 水工结构抗震设计的几点建议

　　3.1 抗震设防水准框架的确定

　　合理确定水工结构抗震设防水准框架, 是水工结构抗震设计的先决条件。国外水工建筑物抗震设防水准框架, 按照最大设计地震 (MDE) 和运行基本地震 (OBE) 两级设防, 甚至加上水库地震设防。国内、外水工结构抗震设计实践都表明, 重现期为100~200年的OBE, 一般在设计中都起不到控制作用, 水工结构工程抗震设计主要任务, 是注意由库水所触发的构造型水库大坝地震, 根本不需要把水库地震和OBE列入到抗震设防框架中去。

　　对抗震设防类别为甲类以外的水工建筑物, 现行规范要求都采取“设计地震”进行抗震设计, 设计性能目标定位为, 允许水工建筑物产生可以修复的局部震损的一级抗震设防水准。对抗震设防类别为甲类的重要大坝, 要进行抗震安全专门研究, 要求极限地震时不发生溃坝、不引起危害人民财产和生命安全的次生灾害, 并提出以下原则的专题报告:

　　一是对重大水工建筑物, 应该按照“设定地震法” (以场地地震危险性分析并综合概率法和确定性方法为基础) 来确定场地相关设计反应谱, 然后据此生成人工模拟地震动加速度时程。二是应该根据场地地震地质条件来确定“最大可信地震”的峰值加速度, 按照确定性的方法或者基准期100年内超越概率为0.01的概率法, 两者的结果取大值。三是水工建筑物在遭遇罕遇强震时, 地震响会有进入塑性的可能, 所以, 需要考虑实际地震动加速度幅值以及频谱非平稳性等方面的影响。第四、当水工建筑物场地距离倾角小于70°, 而且发震断层小于30 km时, 应当计入上盘效应的影响。第五、当结构场地距离地震小于10 km, 而地震震级大于7级时, 应当研究近场大震中的发震断层作为面源破裂的过程, 用来生成场地地震动加速度时程。

　　3.2 对标准设计反应谱的建议

　　标准设计反应谱体现了地震动反应谱的衰减关系, 反映了不同地震等级和不同地震场址距离的地震动加速度反应谱的统计规律。目前, 地震动反应谱和地震震级以及场址距离间的规律性, 只能基于实际的强震记录, 从统计意义上求得地震反应谱和地震震级、震中距离之间的衰减关系相关性, 因为目前还难以从理论上对其做出总结和归纳。

　　美国以西部地区为基础, 以全世界已有的173次地震中的3 551个强震记录为依据, 展开地震动之间衰减关系的研究, 这些记录是迄今为止全世界最全面的反应谱研究成果。在地震活动特点、地质构造等方面, 我国和北美大陆具有很大相似性。在缺乏足够强震记录的情况下, 我国水工结构的抗震设计反应谱可以参考美国丰富的强震研究成果, 一般的水工结构都应该采用这种规则化的标准反应谱进行抗震设计计算。

　　3.3 水工结构混凝土的动态力学性能

　　水工结构的抗震设计中, 混凝土动态抗拉、抗压强度以及弹性模量, 是水工混凝土结构动态力学性能的重要参数, 以剪切受拉和弯曲受拉强度为主。水工结构的抗拉强度值, 应采用全级配试件抗折试验测得的弯拉强度, 现行规范仅参考了国外试验的经验来确定。考虑到地震动是往复作用, 建议水工结构材料的动态抗拉、抗压强度应较静态强度提高20%。

　　3.4 水工土石坝的动力分析

　　水工土石坝结构的地震响应特别复杂, 结构材料本构关系的塑性性能很强, 很难以统一的条件模拟, 导致分析结果与实际情况差异显着。现行《水工建筑物抗震设计规范》采用拟静力的方法进行抗震设计, 很难反映实际地震动以及水工建筑结构地震作用下动态力学性能, 无法准确计算水工坝体及基础的动态应力分布和坝体地震变形。建议高烈度地区兴建大型水工土石坝, 不要只进行拟静力计算分析, 还应当进行有限元法的动力计算分析, 对水工结构的抗震安全性能做综合判断。

　　4 结语

　　水工结构的受力情况和边界条件相当复杂, 地震动的反应状况更加复杂。汶川地震一方面表明, 严格按照我国现行《水工建筑物抗震设计规范》设计的水工结构, 具有一定的抗震性能;另一方面给新建水工建筑物抗震设计以启迪, 水工混凝土结构应考虑混凝土材料的动态性能, 采用更加合理的标准设计反应谱, 建立合理的抗震设防水准框架。