高拱坝的抗震设计方案

针对结构不同功能目标进行分级的理念，近年来在地震工程界受到关注（王光远、程耿东等，1999）。分级设防的概念最早是在核电抗震设计中提出的（陈厚群，2005）。核电站抗震设计中要求在安全停堆地震（Safe Shutdown Earthquake）作用下（我国核电厂抗震设计规范中称极限安全地震），必须保证核电站能在规定时间内安全关停反应堆；在运行基本地震（Operating Basis Earthquake，OBE）作用下，停堆检查后能继续运行。在这两种情况下所规定的计算方法相同，但采用的相应阻尼值不同，其安全准则都为不超过给定的截面承载力的设计值，因此其功能目标，分析方法和安全准则是明确和可操作的（Bertero，1996；GB 50267—97）。10多年来，特别是在1989年美国Loma Prieta地震后，城市房屋建筑震害造成的经济损失严重，因而提出了在房屋建筑抗震设计中的“功能设计”理念。在我国的房屋建筑抗震研究中也引起了广泛的关注和研究，但迄今在“功能设计”的定义和内涵上，尚缺乏明确和统一的认识（王亚勇，2000；程耿东等，2000；GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》；周雍年，2000），目前状况大体可归纳如下。

按建筑用途，由业主、使用者与工程师共同确定以反映结构“个性”；在“投资—效益”准则下基于可靠度优化设计方法，引入决策机制；以传统的以力为主转为以变形为主的设计思想；直接采用从构件到体系可靠度的基于概率理论的设计；以及强调抗震措施，提高综合抗震能力的概念等。

其中完全采用“投资—效益”准则或体系可靠度等设计方法，虽可作为长期研究内容，但近期内要在我国实际工程抗震设计中实现，是有较大困难的。实际上我国早在20世纪80年代，对房屋建筑的抗震设计就已提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标和相应的分两级设计的方法步骤。主要是对众值地震（P50＝63%）作用下，采用线弹性理论分析构件截面的承载力，对罕遇地震（P50＝2%～3%）校核进入弹塑性状态下的整体层间变形值，而且也早已强调了抗震措施的重要性，实际上基本体现了“功能设计”的理念。(www.xing528.com)

针对大坝等水工建筑物，早在20世纪70年代末，美国垦务局就对拱坝、重力坝等混凝土坝提出了按最大可信地震作为极限工况进行抗震校核。其后美国大坝委员会（USCOLD）和国际大坝委员会（ICOLD）都提出了大坝地震动参数选择导则（Martin Wieland，1996；ICOLD，1996），建议在大坝抗震设计按最大设计地震（Maximum Design Earthquake，MDE）和设计基本地震（Design Basis Earthquake）分级选择相应的地震动参数。对于重要大坝，一般取MCE作为MDE。近年来美国、俄罗斯、奥地利、日本等国和国际大坝委员会等在有关大坝抗震设计规范和导则中，也都提出了按分级的地震动参数进行大坝抗震校核的问题（Austrian Commission on Dams，1996；USCOLD，1999；Swiss Federal Office for water and Geology，2000；Construction commission of Russia，2000；Japan commission on large dams，2003；Hinks et al.，2003；USSD，2003）。但在这些建议和规定中，对于两级设防水平的地震，特别是最大可信地震的理解和确定方法，认识颇不明确和统一，更关键的是在最大可信地震作用下，对大坝不致失效和溃决的目标，缺乏相应的分析方法，特别是作为安全判据的定量准则，更难以确定，因而在工程设计中有较大的随意性，缺乏可操作性而难以实际应用。至于要按多级不同的地震危险水平确定相应的损伤程度，并计入直接、间接经济损失和效益的风险分析、或基于可靠度理论建立抗震安全评估体系，由于其效益的综合性，结构的复杂性和次生灾害的严重性，在我国都尚难以定量确定，故目前至少在水工抗震领域是不现实的。抗震校核在大坝设计中是基于静态基本荷载下的特殊工况，而目前即使是在基本工况的设计中也难以实现风险评估。因此，根据国内外工程抗震功能设计现状、大坝工程特点和我国国情，高拱坝的抗震功能设计内涵为按两级设防是较为现实可行的，即按现行规范要求的设防作为第一级的设计基本地震，以现行方法校核坝体各部位强度和坝肩岩体稳定性，防止发生难以修复、影响正常运行安全的局部开裂为功能目标，对重大高拱坝工程以超设计设防概率作为第二级的最大可信地震，以控制坝体—地基体系整体失稳溃决为功能目标，为此需要解决的关键技术问题是：①最大可信地震的合理确定；②高拱坝坝体—地基体系整体失效的分析方法和安全判别定量标准；③大坝遭受强震失效时其混凝土的实际动态抗力。从而能在极限地震情况下，给出作用、目标和分析方法、抗力及安全准则相配套的、具有充分科学依据和可操作性的高拱坝抗震功能设计理论和方法。

分级设防水平的确定是抗震功能设计的前提。目前许多国家对大坝的抗震分级设防水准，虽然名称不完全相同，但形式上大多数分为MDE和OBE两级，设防水平大多是依据地震危险性分析得到的超越概率，通常在全国性的地震动参数区划图中给出，只是在极个别的情况下才进行专门的坝址地震危险性分析，对于OBE级的设防概率水准，其重现期在100～200年，例如奥地利、伊朗取200年，新西兰取150年，俄罗斯取100年，至于MCE的重现期大多取10000年，但加拿大的魁北克地区（Quebec）取2000年，而多地震国家的伊朗也仅取2000年。也有的国家，如美国、澳大利亚、奥地利、日本等国只是把MCE定义为坝址在已查清或虽未查清但估计最大可能的地震，这就有相当的不确定性，实质上，不少国家对于大坝并不采用分级设防的“功能设计”，而是采用接近MCE的一种设防水准进行抗震设计，例如英国、澳大利亚、瑞士的安全估计地震（Safe Evaluation Earthquake，SEE），美国、加拿大等国的MDE，其理由是实际上在大坝抗震设计中OBE是不起控制作用的，在满足MCE功能要求的情况下，再去校核大坝在OBE地震时的正常运行功能，似无必要。我国目前采用的是按MDE的一级设防水准。对一般和重大两类水工建筑物，MDE分别相应于50年超越概率10%和100年超越概率2%，相应的功能目标是允许产生的可修复损害。虽然对重大工程设防水准要求已相当严格，鉴于地震的不确定性和大坝地震灾变次生灾害的严重后果，发展趋势是对重大工程要求再进行MCE校核，以避免产生溃坝导致严重次生灾害。