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混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法研究

文檔作者：馬懷發(fā)1 張坤2 王立濤2 文檔來源： 1．中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期
混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法研究
馬懷發(fā)1”，張坤2，王立濤2
(1．中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；
2．中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心，北京100048)
摘要：以提出混凝土壩整體抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法框架為目標(biāo)，分析研究了美國水工建筑物
設(shè)計(jì)規(guī)范(ER&amp;amp;EM)基于性能目標(biāo)的抗震評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、定量化性能指標(biāo)，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外相
關(guān)成果進(jìn)行了對(duì)比分析。針對(duì)高混凝土壩的最大設(shè)計(jì)地震(MDE)的設(shè)防水準(zhǔn)以及最大可信地震
(MCE)的安全目標(biāo)，為了更好地評(píng)價(jià)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)性態(tài)，應(yīng)注重定量化評(píng)估壩體一地基一庫水
的整體效應(yīng)，以及應(yīng)力和變形響應(yīng)的累積效應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)有的高混凝土壩的抗震評(píng)估，進(jìn)行線彈性評(píng)價(jià)
和非線性響應(yīng)分析。線彈性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)應(yīng)引入U(xiǎn)SACE評(píng)價(jià)程序和判別準(zhǔn)則中的結(jié)構(gòu)需求能力比、超線
彈性累計(jì)時(shí)間和性能曲線等定量化指標(biāo)，再結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范從壩體關(guān)鍵部位、橫縫等方面進(jìn)行非線性響
應(yīng)分析修正分步實(shí)施，建立混凝土高壩抗震性能定量化評(píng)價(jià)框架。研究成果為混凝土壩抗震性能評(píng)價(jià)
提供參考。
關(guān)鍵詞：混凝土壩；地震作用；抗震安全評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)指標(biāo)
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2017．05．018
中圖分類號(hào)：TU43+TV312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000．0860(2017)05—0110．10
A prdiIIlinary study on perfomance-based seisIllic翰托ty eValuati伽ind麟of concrete dams
MA Huaifal一，ZHANG Kun2，WANG“ta02
(1．State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in RiVer Basin，China Institude of Water Resources and
Hydmpower Research，Beijing 100038，China；2．Eanhquake En西neering Research Center，China Institude of Water
Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China)
Abstract： In order to propose the evaluation index system and method fhmework 0f the wh01e seisIIlic ped．o瑚ance of concrete
dam，the seismic evaluation methods，evaluation cdteria，and quantitative perfbmlance indicators of USACE eanhquake design
and evaluation of concrete hydraIllic stmctures were studied in tlle paper，and the domestic and foreign related results were com-
畔ed and analyzed．According to the s如ty objectives of the maximum des灑eanhquake(MDE)and the maximum credible
eanllqual(e(McE)of l】igh concrete dams，in orderto better evaluate t11e stnlctural behavior under gmund motion，it is suggested
that quantitative assessment《inte鏟al ef耗ct with dam—foundation—resewoir water and the cuml】lative e玨宅ct of stress and defo玎nation
response were emphasi2ed to evaluate dam stmctural behavior with sejsmic loading． To foml framework of quantitatiVe eValuation
of sejsmic pedbmaIlce of high concrete d咖s，it should be evaluated wim elastic computation and funher nonlinear response
analysis，combined誦th the existing seismic evaluation of the high concrete dam，the linear elasticity prediction should be intro—
duced into evaluation procedure and judgment criterion with quantitative index of USACE based on the demaIld—c印acity訊tio，the
收稿日期：2017．03—27
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679265)；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(E舶1458412016)；中國水利水電科學(xué)研究院流域水
循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目(2016TS09)
作者簡(jiǎn)介：馬懷發(fā)(1962一)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事計(jì)算力學(xué)、水工結(jié)構(gòu)抗震及混凝土細(xì)觀力學(xué)分析研究。E—mail：
ma}If@iwhr-com
通信作者：張坤(1991一)，男，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值模擬研究。E—mail：zIlangkun707070@163．com
110 阢舯R舀o“懈d"d Hyd唧們w，E增協(xié)e一餾％L 48 ND．5
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
cumlllative overstress duration and出e spatial extent of overstressed regions，tllen combined with existing no硼s，corrected by山e
noIllinear response analyses f如m the key parts of dams and contraction joints．The research results proVide a reference for the e’
valuation of seismic perf0珊ance of concrete dam．
Keywords：concrete dam；seismic loading；seismic safety eValuation；eValuation index
0 引言
我國許多已建和擬建的大壩中，有不少都處于地
震高烈度區(qū)，如溪洛渡水電站(最大壩高278 m)、小
灣水電站(最大壩高294．5 m)、白鶴灘水電站(最大
壩高279 m)等，均屬于300 m級(jí)高壩。其庫容大、
裝機(jī)容量高，并且設(shè)計(jì)地震烈度多在Ⅷ～Ⅸ度之間
(設(shè)計(jì)地震加速度一般為O．2～O．329，大崗山拱壩甚
至超過0．559)。地震作用工況已成為強(qiáng)震區(qū)高壩設(shè)
計(jì)的控制工況，高壩工程的地震響應(yīng)分析及其極限能
力分析是抗震安全評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容。我國抗震規(guī)
范?對(duì)1級(jí)建筑物的高壩要求采用MDE一級(jí)設(shè)防水
準(zhǔn)。MDE對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)期100年，超越概率2％的地震動(dòng)
參數(shù)，相應(yīng)性能目標(biāo)為容許局部損壞、經(jīng)一般處理后
仍可正常運(yùn)行。對(duì)甲類的壅水和重要泄水建筑物要求
進(jìn)行McE校核不發(fā)生庫水失控下泄的災(zāi)變安全裕度，
并規(guī)定對(duì)重大工程、特殊工程、可能產(chǎn)生嚴(yán)重次生
災(zāi)害的工程應(yīng)進(jìn)行專門地震安全性評(píng)價(jià)工作。規(guī)范
給出了大壩混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，動(dòng)態(tài)彈性
模量標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)其靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度標(biāo)
準(zhǔn)值相對(duì)于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的取值標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定在
混凝土的抗震強(qiáng)度驗(yàn)算中，認(rèn)為拉應(yīng)力值常起控制
作用‘¨。
在高壩抗震安全評(píng)價(jià)中應(yīng)考慮其在強(qiáng)震作用下產(chǎn)
生的、包括壩體和地基局部損傷、開裂和滑移在內(nèi)的
整體位移響應(yīng)的突變，作為由量變到質(zhì)變的整體失穩(wěn)
的極限狀態(tài)等。對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)總體要求中
震不壞、大震可修、極震不倒?，但沒有明確對(duì)應(yīng)
兩類設(shè)防水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性定量指標(biāo)和判別準(zhǔn)則，顯
然這種狀態(tài)可能導(dǎo)致不同研究者對(duì)相同工程會(huì)給出不
同的評(píng)價(jià)。明確合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其判別準(zhǔn)則對(duì)確定
在最為經(jīng)濟(jì)合理的條件下結(jié)構(gòu)承載能力的理想狀態(tài)非
常重要。
本文研究和借鑒美國水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(us—
AcE)心。1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估定量化指標(biāo)及分級(jí)設(shè)
防評(píng)價(jià)方法，旨在應(yīng)力控制、超應(yīng)力時(shí)程和整體損傷
破壞識(shí)別方面為我國現(xiàn)行規(guī)范改進(jìn)分類設(shè)防水準(zhǔn)及其
性能目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)及其計(jì)算、判別方法提供參
水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期
考，并且從壩體關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移累積效應(yīng)方面
豐富國內(nèi)抗震安全評(píng)估內(nèi)容。
1 混凝土抗震設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及其指標(biāo)分析
1．1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及其性能目標(biāo)
設(shè)防地震與壩體結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)相關(guān)聯(lián)，是按一
定設(shè)防水準(zhǔn)所規(guī)定的運(yùn)行地震(OBE)或最大設(shè)計(jì)地
震(MDE)。國際大壩委員會(huì)(ICOLD)的“大壩地震
動(dòng)參數(shù)選擇導(dǎo)則”M o包括USACE建議的采用分級(jí)設(shè)
防方式。uSACE基于性能的設(shè)計(jì)思路，采用兩級(jí)地
震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)防地震為運(yùn)行基準(zhǔn)地震OBE(超
越概率為50％，重現(xiàn)期為145年)和最大設(shè)計(jì)地震
MDE，其性能目標(biāo)控制與結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能相聯(lián)
系(見圖1)，性能目標(biāo)共分為三個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的性
能目標(biāo)如表1所列。按照混凝土材料的變形性質(zhì)控
制性能指標(biāo)，界限明確，便于采用與之對(duì)應(yīng)的數(shù)值
計(jì)算方法。
我國的大壩采用最大設(shè)計(jì)地震MDE一級(jí)設(shè)
防一q]。重要大壩MDE的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)接近于國外
多數(shù)國家McE的設(shè)防水平，其對(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)和
運(yùn)行基本地震OBE的性能要求相近，而對(duì)于工程抗
震設(shè)防類別低于甲類的大壩，相應(yīng)的設(shè)防重現(xiàn)期也
高于一般的0BE要求。高混凝土壩數(shù)值模型應(yīng)考慮
半無限大體地基遠(yuǎn)域輻射阻尼、壩體橫縫及地基夾
層的接觸非線性、壩體一地基材料的非線性問題和
庫水作用等因素。目前我國抗震規(guī)范?僅以容許應(yīng)
力建立強(qiáng)度判斷條件，以最大拉應(yīng)力安全系數(shù)來控
制混凝土壩的抗震安全性，而高壩抗震設(shè)計(jì)目前仍
采用線彈性理論，缺乏與性能目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的計(jì)算方
法。這顯然不能對(duì)高壩系統(tǒng)安全穩(wěn)定性進(jìn)行全面地
評(píng)估，需要進(jìn)行計(jì)算方法及其定量指標(biāo)體系的研
究。
1．2抗震評(píng)價(jià)分析方法及指標(biāo)
usAcE(EMl 1 10一2—6053)∞1對(duì)水工結(jié)構(gòu)的抗震
評(píng)價(jià)按照不同的性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)的不同階段由線性
(靜力、動(dòng)力)計(jì)算到非線性(靜力、動(dòng)力)計(jì)算，
由簡(jiǎn)單方法到復(fù)雜方法，以漸進(jìn)式步驟進(jìn)行。這些
方法有地震系數(shù)法(極限平衡法)、等價(jià)橫向力法、反
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
表1 USACE設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及其性能目標(biāo)
適用性能當(dāng)遭受0BE地震動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)材料處于彈性變形階段，經(jīng)歷0BE后結(jié)構(gòu)依然可以正常使用和運(yùn)行
當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受極端地震(MDE小于MCE)時(shí)，可以允許一些結(jié)構(gòu)單元變形超過彈性極限，潛在損傷區(qū)域在一定范圍，荷載處于非線性
抗損傷性能
強(qiáng)化階段，雖有一定損傷但修復(fù)后仍可承受非地震荷載
結(jié)構(gòu)在遭受極端地震(MDE等于McE)時(shí)，其在破壞的情況下不發(fā)生倒塌，不危及人的生命。結(jié)構(gòu)材料的延性要求要比前兩個(gè)等級(jí)
抗?jié)涡阅?
的性能高，需要進(jìn)行非線性靜態(tài)和非線性動(dòng)態(tài)分析
R
瑙
魍
裂
靜
一／1．／ 抗?jié)涡阅堋艨估瓘?qiáng)度
(a)素混凝土拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
階段)
曲率
(b)鋼筋混凝土彎矩與曲率關(guān)系
圖1 性能控制曲線
應(yīng)譜一模態(tài)分析法、時(shí)程一模態(tài)分析法以及非線性
時(shí)程一直接積分法等。uSACE以反應(yīng)譜一模態(tài)分析
法作為混凝土壩抗震評(píng)價(jià)的初步計(jì)算方法，根據(jù)結(jié)
構(gòu)的承載能力判斷是否進(jìn)一步采用線性時(shí)程法。41
(時(shí)程一模態(tài)分析法)，然后通過時(shí)程一模態(tài)分析進(jìn)
一步判斷非線性指標(biāo)，決定是否進(jìn)行非線性時(shí)程分
析。文獻(xiàn)[5]給出了一系列結(jié)構(gòu)運(yùn)行性能控制和結(jié)
構(gòu)損傷控制指標(biāo)，其中包括：結(jié)構(gòu)需求能力比
(DCR)、超線彈性累計(jì)時(shí)間指標(biāo)(G加)及性能曲
線。
(1)結(jié)構(gòu)需求能力比(D勰)：對(duì)于混凝土壩，結(jié)
構(gòu)需求能力比定義為荷載產(chǎn)生的計(jì)算拉應(yīng)力(需求)
與混凝土抗拉強(qiáng)度的比值。對(duì)于重力壩，計(jì)算拉應(yīng)力
為主拉應(yīng)力；對(duì)于拱壩，高應(yīng)力通常沿拱或者梁的方
向，取拱向或者梁向的拉應(yīng)力需求計(jì)算Dc尺。us—
AcE規(guī)定，混凝土的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度f=1．瓏∥3(／：為
混凝土的抗壓強(qiáng)度)，如圖2所示，認(rèn)為名義動(dòng)態(tài)抗
112
拉強(qiáng)度為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的兩倍。
(2)超線彈性累計(jì)時(shí)間(∞)：超線彈性累計(jì)時(shí)
間是荷載超過結(jié)構(gòu)材料抗拉強(qiáng)度的總持續(xù)時(shí)間，即
D衄≥1的總持續(xù)時(shí)間。如圖3(a)和(b)所示，其中
曲線(a)有五次應(yīng)力諧波幅值超過了l，同時(shí)，曲線
(b)只有一次。但是，曲線(a)超出D衄值等于1
的總時(shí)間為5形3，曲線(b)為∥3，根據(jù)兩個(gè)曲線
的基本周期r得到累計(jì)非線性總時(shí)間都是0．4 s?？?
見，雖然超過的次數(shù)不一致，但是總的持續(xù)時(shí)間是
相同的。顯然，只是通過應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)不能很好
地表征結(jié)構(gòu)破壞等級(jí)，應(yīng)該將累計(jì)超線彈性持續(xù)時(shí)
間和D勰相結(jié)合，才能更準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)破壞程
度。
(3)性能曲線：性能曲線是超線彈性累計(jì)時(shí)間
(c，D)或者超應(yīng)力面積比與結(jié)構(gòu)需求能力比(DC尺)的
關(guān)系曲線，能夠反映結(jié)構(gòu)非線性或損傷的程度。如圖
3(c)和(d)所示，按照損傷判別準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)損傷程度
限定在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)(三角形區(qū)域內(nèi))，基于線性
分析評(píng)價(jià)還是有效的。對(duì)于不同類型的結(jié)構(gòu)，非線性
響應(yīng)或損傷的空間分布是不相同的。
圖2極限強(qiáng)度指標(biāo)(USACE)
2混凝土壩設(shè)計(jì)地震評(píng)估框架
2。1 USACE評(píng)價(jià)程序和判別準(zhǔn)則
usAcE對(duì)重力壩和拱壩的評(píng)價(jià)程序和判別準(zhǔn)則
水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期
萬方數(shù)據(jù)
芝
星
耋
士
圈鏨
翊瓣
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需求能力比DC尺
fc)
2
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琶o
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零＼
丑
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血
娶
恒
R
瑙
剿
圖3抗震性能指標(biāo)定義
基本相同，其評(píng)價(jià)的基本思路是先進(jìn)行線彈性評(píng)價(jià)
預(yù)測(cè)，再進(jìn)行非線性響應(yīng)分析修正。首先采用反應(yīng)
譜一模態(tài)分析法，判斷結(jié)構(gòu)需求能力比(D衄)是否
超過允許值，如不滿足便進(jìn)行線性時(shí)程法分析。采
用線性時(shí)程法系統(tǒng)分析和評(píng)估：結(jié)構(gòu)需求能力比
(DcR)，超線彈性累計(jì)時(shí)間(伽)，超應(yīng)力的空間
分布和結(jié)構(gòu)可能的失效形態(tài)，以評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程
度和可以接受的非線性響應(yīng)的水平。特別是在MDE
作用下所計(jì)算出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可能超出允許值，壩體
結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生某種程度的損傷，在極端情況下壩體
結(jié)構(gòu)還會(huì)承受嚴(yán)重?fù)p傷，但要控制不會(huì)導(dǎo)致潰壩
和庫水下泄，如果超出指標(biāo)臨界值，再進(jìn)行非線
性時(shí)程分析評(píng)價(jià)。uSACE的DCR指標(biāo)取值如表2
所列。
2．2 USACE評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的應(yīng)用
基于usACE安全評(píng)價(jià)框架，文獻(xiàn)[10]從設(shè)計(jì)
和評(píng)估準(zhǔn)則、地震動(dòng)反應(yīng)譜和加速度時(shí)程的選擇標(biāo)
準(zhǔn)、分析方法和評(píng)估程序詳細(xì)介紹了重力壩和拱壩
的性能設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)程序，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。
文獻(xiàn)[11]基于功能的抗震設(shè)計(jì)和拱壩的破壞模式提
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
出了高拱壩抗震功能設(shè)計(jì)框架。
另外，文獻(xiàn)[12—13]有關(guān)定量
化指標(biāo)評(píng)估研究表明，基于應(yīng)力
的方法更容易達(dá)到極限值，通過
應(yīng)力評(píng)估拱壩安全性能相對(duì)于通
過應(yīng)變?cè)u(píng)估的結(jié)果保守。在地震
作用下，水庫泄水導(dǎo)致上下游壩
面過應(yīng)力面積增加¨4|。利用
D僚一C仍指標(biāo)、超應(yīng)力分布
(主應(yīng)力)分析¨糾顯示，基于壩
縫接觸非線性模型在上下游壩
頂處的位移要比基于材料非線
性模型的偏大，最大主應(yīng)力分
布有較大區(qū)別?；趧傂?、無
質(zhì)量、有質(zhì)量基巖的地震響應(yīng)
分析¨刮表明，無質(zhì)量地基的壩
體中心部分的懸臂梁位移大于
質(zhì)量地基和剛性地基，剛性地
基的DCR指標(biāo)曲線和過應(yīng)力面積曲線更容易達(dá)到極
限值。基于性能的D衄、伽、超應(yīng)力面積比等指
標(biāo)可以很好地定量反映地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)性態(tài)。
下面將分別介紹對(duì)重力壩和拱壩的定量化分析評(píng)價(jià)
實(shí)例。
2．2．1 重力壩
文獻(xiàn)[17]將usACE定量化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則引入到重力
壩的抗震安全評(píng)價(jià)中，模擬了Koyna重力壩(見圖4)
對(duì)于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震的響應(yīng)，首先輸入1967年Koy．
na地震進(jìn)行線性分析，得到最大主應(yīng)力時(shí)程曲線和
DCR—c∞曲線(見圖5和圖6)，兩種曲線都超過了
臨界值，進(jìn)而利用塑性損傷模型進(jìn)行非線性分析，并
得到了不同時(shí)間段的開裂分布，這與其他學(xué)者¨卜191
的數(shù)值模型研究結(jié)果能夠很好地吻合。第二步對(duì)比了
大壩在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的定量化指標(biāo)曲線，結(jié)
果顯示，近場(chǎng)地震對(duì)于大壩的應(yīng)力、位移影響更大，
并且相同條件下的超應(yīng)力分布與非線性損傷開裂分布
基本一致(見圖7和圖8)。
2．2．2拱壩
文獻(xiàn)[10]對(duì)拱壩Pacoima大壩和MoHow Point大
表2 DCR指標(biāo)控制
超應(yīng)力面積比例
結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)DCR 評(píng)價(jià)要求
拱壩重力壩
微小或無損傷DCR≤1．O O．O O．0 對(duì)于MDE的結(jié)構(gòu)響應(yīng)處于彈性狀態(tài)，認(rèn)為沒有損傷或沒有損傷的可能性，結(jié)構(gòu)安全
中等損傷1．O2．0 >20％ >15％ 需要進(jìn)行非線性時(shí)程分析
水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期113
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萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
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圖4 Koyna重力壩模型㈣(單位
時(shí)間／5
圖5最大主應(yīng)力時(shí)程曲線m
時(shí)間／5
圖6 DC只指標(biāo)曲線‘17
壩進(jìn)行了數(shù)值模擬，模型考慮了橫縫和大壩一地基接
觸的非線性，得到大壩在六條不同地震波下的響應(yīng)。
‰¨__：
114
圖7 DCR超應(yīng)力面積分布(近場(chǎng)地震)m
首先進(jìn)行了線性時(shí)程分析，得到
一系列的大壩應(yīng)力時(shí)程曲線(見
圖9)和DCR指標(biāo)曲線(見圖10
和圖11)，Pacoima大壩的應(yīng)力
時(shí)程曲線的DCR<2，DCR—C，D
性能曲線在臨界值以下，并且
超應(yīng)力面積在USACE評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
規(guī)定值以內(nèi)，Pacoima大壩的抗
震性能良好，破壞損傷在合理范
圍內(nèi)，不需要進(jìn)行非線性分析，
這與大壩經(jīng)歷San Femando和
Northridge地震時(shí)的行為一致。
相反，Morrow Point大壩的DCR—C仍性能曲線超過
了臨界值，這表明大壩在地震作用下存在明顯的非線
性行為(橫縫的開裂和拉伸破壞)，對(duì)大壩進(jìn)行了非
線性分析，結(jié)果表明沒有嚴(yán)重?fù)p傷破壞。
通過以上有關(guān)研究成果可以看出，基于性能的抗
震評(píng)價(jià)準(zhǔn)則利用了一系列定量化的指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)失效狀
態(tài)進(jìn)行分級(jí)(見表2)的同時(shí)，也明確了評(píng)價(jià)要求，這
為拱壩安全分級(jí)評(píng)價(jià)，提供了可靠依據(jù)。國內(nèi)的抗震
安全評(píng)價(jià)主要以應(yīng)力為判別標(biāo)準(zhǔn)，通過相應(yīng)的應(yīng)力和
位移時(shí)程、裂縫開度對(duì)壩體的非線性行為進(jìn)行判定，
抗震規(guī)范并沒有明確的定量化指標(biāo)規(guī)定結(jié)構(gòu)的破壞等
級(jí)，這對(duì)于分析像拱壩一類的多種影響因素下的復(fù)雜
結(jié)構(gòu)體來說是不充分的，因?yàn)楣皦螌?duì)于應(yīng)力極為敏
感，對(duì)于相同的應(yīng)力容許值，在地震作用下不同的拱
壩可能會(huì)得到不同的響應(yīng)，針對(duì)所存在的問題，國內(nèi)
學(xué)者進(jìn)行了多方面的定量化評(píng)價(jià)分析研究，主要圍繞
抗滑穩(wěn)定、關(guān)鍵部位位移、損傷程度和累積、壩體裂
縫、壩肩穩(wěn)定等方面展開。在重力壩方面，沈懷
至’2”圳根據(jù)壩基交界面的屈服損壞比和殘余滑動(dòng)位
移建立了安全評(píng)價(jià)指標(biāo)；寇立夯m1在USACE定量化
評(píng)價(jià)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上提出了整體和局部損傷指標(biāo)；范書立
等心列通過分析應(yīng)變能、塑性消耗能和損傷消耗能在
強(qiáng)震下的變化，建立了以損傷消
散能為主的破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)；張社
榮等Ⅲo將局部損傷指數(shù)加權(quán)得
到整體損傷指標(biāo)。在拱壩方面，
文獻(xiàn)[25]提出了強(qiáng)震下拱壩損
傷整體判別指標(biāo)；文獻(xiàn)[26]利
用Fenves混凝土塑性損傷模型，
提出了大壩壩體損傷體積比、上
下游壩面損傷面積比及壩體位移
整體指標(biāo)，以此來評(píng)估不同方向
水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期
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萬方數(shù)據(jù)
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(a) (b) (c) (d)
圖8非線性開裂分布(近場(chǎng)地震)m1
的地震動(dòng)對(duì)壩體整體或局部的影響；涂勁等將壩體位
移的突變作為大壩穩(wěn)定的指標(biāo)之一，對(duì)大崗山拱
壩‘271和小灣拱壩‘281抗震穩(wěn)定進(jìn)行分析；張楚漢等‘29]
提出了基于性能的高壩抗震破壞指數(shù)及設(shè)計(jì)框架，潘
堅(jiān)文等歸叫利用損傷變量、橫縫開裂峰值和位移峰值
作為衡量拱壩抗震性能的指標(biāo)；金峰等舊川基于三維
離散元對(duì)拱壩一壩肩系統(tǒng)的壩肩和拱冠位移、抗滑穩(wěn)
定系數(shù)K進(jìn)行了分析。以上研究成果表明建立混凝
土高壩的評(píng)價(jià)指標(biāo)需要考慮多方面的問題，如何建立
統(tǒng)一的指標(biāo)體系和系統(tǒng)的計(jì)算分析方法，區(qū)別何為關(guān)
鍵控制因素和次要因素，并與性能目標(biāo)相關(guān)聯(lián)還需要
做深入研究。
2．3混凝土高壩抗震性能評(píng)價(jià)框架
這里針對(duì)1級(jí)混凝土高壩的抗震要求，采用
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水利水電技術(shù)第48卷20l7年第5期
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
MDE一級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)，對(duì)需要
MCE校核的甲類混凝土拱壩和
重力壩建模，地震荷載輸入，荷
載組合工況，數(shù)值計(jì)算方法和評(píng)
價(jià)指標(biāo)進(jìn)行探討研究，數(shù)值計(jì)算
模型評(píng)價(jià)框架流程如圖12所示。
重力壩相對(duì)簡(jiǎn)單，一般取不同類
型壩的最高壩段，按單個(gè)壩段對(duì)
重力壩的抗震分析，典型拱壩
幾何模型如圖13所示。下面主
要討論強(qiáng)震作用下的高拱壩抗
震安全指標(biāo)及方法。
(1)計(jì)算模型：將壩體、地基、庫水作為整體分
析，荷載按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行選擇。按照現(xiàn)行規(guī)范忽略
庫水的可壓縮性，庫水的動(dòng)水壓力作為附加質(zhì)量考
慮，不計(jì)地震作用下巖體內(nèi)滲透壓力變化的影響。人
工邊界采用黏彈性邊界，因?yàn)榻椥赃吔绻ぷ髁?
相對(duì)較少，精度較高，可以很好地嵌入到各大通用軟
件中。按照MDE的反應(yīng)譜生成加速度、速度時(shí)程和
位移時(shí)程，并將其轉(zhuǎn)換為等效荷載，從數(shù)值模型的巖
基底部輸入該等效荷載口2|。
(2)地震響應(yīng)時(shí)程分析：首先不考慮壩體及地基
的材料非線性，進(jìn)行拱壩地震響應(yīng)接觸非線性計(jì)算分
析。由于拱壩存在橫縫，并考慮到軟弱夾層，即使不
考慮壩體和巖基的材料非線性問題也是一種接觸非線
性問題。典型的混凝土拱壩動(dòng)力響應(yīng)分析應(yīng)有三個(gè)計(jì)
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圖9 Pacoima大壩最大應(yīng)力時(shí)程‘10
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萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
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圖10 Pacoima大壩的DC月指標(biāo)曲線?
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DCR
圖1 1 Morrow Pojnt大壩的DC_R指標(biāo)曲線?
圖12評(píng)價(jià)框架流程
算步驟：①計(jì)算出地基軟弱接觸面的初始?jí)壕o力。如
果當(dāng)前計(jì)算模型無地基軟弱接觸面可以忽略本步的計(jì)
116
(a)橫縫及巖基夾層(b)橫縫及巖基夾層
圖13拱壩計(jì)算模型
算工作；②壩體系統(tǒng)的靜力分析：靜力荷載包括壩體
自重、靜水壓力、土壓力、泥沙壓力、滲流壓力、溫
度應(yīng)力等；③壩體系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析：壩體系統(tǒng)是
在承受靜載同時(shí)遭遇地震荷載的情況，上一步靜力計(jì)
算的結(jié)果作為動(dòng)力計(jì)算的輸人條件，按照上文提到的
uSACE評(píng)價(jià)程序和判別準(zhǔn)則進(jìn)行線性和非線性時(shí)程
分析。
計(jì)算分析給出壩體系統(tǒng)的位移響應(yīng)時(shí)程、橫縫張
開度時(shí)程、應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程、Dc尺等一系列指標(biāo)，以
及相應(yīng)的最大值包絡(luò)圖和最大主應(yīng)力(特別是最大拉
應(yīng)力)包絡(luò)，并與其強(qiáng)度比較，判斷超應(yīng)力區(qū)域，特
別是建基面(壩基與地基的交接面)超應(yīng)力區(qū)域的分
布等，判斷是否需要進(jìn)行材料非線性時(shí)程分析。材料
的非線性時(shí)程分析考慮壩體和巖基材料損傷特性。幾
何模型中的建基面不再作為具有一定強(qiáng)度的潛在接觸
面，認(rèn)為壩和巖基實(shí)體連接。材料本構(gòu)關(guān)系采用混凝
土損傷模型，分析計(jì)算建基面的損傷破壞區(qū)域范圍。
文獻(xiàn)[33—34]基于PcDsRA軟件進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，
給出了損傷變量場(chǎng)(見圖14)。
(a)壩體
dW
蛾黧
(1167 95
¨‰
mng
l獼翔
t)599 99
水一，
(b)地基
圖14損傷變量場(chǎng)‘圳
水利水電技術(shù)第48卷20l 7年第5期
萬方數(shù)據(jù)
(3)評(píng)價(jià)內(nèi)容和指標(biāo)：由于拱壩的主要震害現(xiàn)象
為壩肩等關(guān)鍵部位的突變、壩體橫縫張開、建基面的
變形和失穩(wěn)等，評(píng)價(jià)內(nèi)容如下。
①壩肩穩(wěn)定性安全陛評(píng)價(jià)：將近域地基中兩岸壩
肩按地質(zhì)構(gòu)造確定的各可能滑動(dòng)巖塊的各個(gè)滑動(dòng)面，
以及作為抗震薄弱部位的壩基面，都作為具有摩爾一
庫侖摩擦特性的接觸面處理，可能滑動(dòng)巖塊滑動(dòng)面和
壩基面上的抗滑強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)巖體類別確定，而壩基
面的初始抗拉和抗剪強(qiáng)度則按壩體混凝土等級(jí)取值。
在MDE荷載作用下壩肩巖體各部位的位移響應(yīng)，通
過關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)直觀地反映出突變點(diǎn)(見圖
15)，可將突變點(diǎn)狀態(tài)相應(yīng)的地震動(dòng)輸入與“最大可
信地震”的比值∞5|，作為評(píng)價(jià)在“最大可信地震”作
用下工程不“潰壩”的定量準(zhǔn)則，并判別工程潛在的
“超載”抗震安全裕度。同時(shí)可計(jì)算出由地震加載引
起的接觸面(滑移面)受力時(shí)程。在每一個(gè)時(shí)間步中，
將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)力相結(jié)合并分解為切向和法向的分
量；利用摩爾一庫倫準(zhǔn)則可以在合力法向部分中得到
抗力，相應(yīng)的主動(dòng)力可以從合力的切向部分得到。安
全系數(shù)的時(shí)程即為抗力與主動(dòng)力的比值(見圖16)，
若安全系數(shù)小于1，則不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，判定結(jié)構(gòu)會(huì)維
持穩(wěn)定狀態(tài)。在地震往復(fù)荷載作用下，有時(shí)安全系數(shù)
小于1的持續(xù)時(shí)問很短，并不能引起壩體失穩(wěn)，可以
將超載累計(jì)時(shí)間作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)判拱座潛
在滑動(dòng)巖塊的抗滑穩(wěn)定性及其對(duì)大壩整體安全性的影
響。
②橫縫分開度指標(biāo)：高拱壩在強(qiáng)震作用下，壩頂
部(特別是拱冠處)動(dòng)力放大效應(yīng)顯著，可能會(huì)導(dǎo)致
伸縮橫縫張開。時(shí)程分析可給出如圖17所示的壩體
橫縫的開度時(shí)程。這樣可以根據(jù)時(shí)程判斷橫縫止水帶
是否拉開，縫的張開度應(yīng)小于止水帶的厚度。由于靜
水壓力作用下各壩段間伸縮橫縫被壓緊，因而在低水
位時(shí)遭遇地震所產(chǎn)生的拱向拉應(yīng)力可能是控制的，因
此對(duì)于重要拱壩，宜補(bǔ)充驗(yàn)算地震作用與常遇低水位
組合的工況。
③壩基交界面(建基面)的開裂度和分布范圍：
考慮到地基巖體的抗拉強(qiáng)度較小，假定壩基交界面
未開裂的具有一定抗拉強(qiáng)度的接觸界面僅是在沒考
慮壩體和巖基材料非線性特性的權(quán)宜方法。實(shí)際
上，壩基交界處的開裂有可能向地基內(nèi)延伸。如
果經(jīng)以上(材料)線性時(shí)程分析，結(jié)果建基面開裂
度較大，以貫穿上下游壩基面，并且分布范圍較
廣，要進(jìn)行材料非線性分析確定建基面的實(shí)際損
傷程度。
水利水電技術(shù)第48卷2017年第5期
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馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
時(shí)間／s
(a)z向位移
時(shí)間，s
(b)y向位移
圖1 5拱壩壩肩關(guān)鍵部位位移穩(wěn)定分析m1
10 12 14 16 18 20
時(shí)間／s
圖16安全系數(shù)時(shí)程
對(duì)白鶴灘、楊房溝水電站的抗震安全分析研
究口6。3 7|，考慮了橫縫、壩體一地基和壩體一庫水的
相互作用、材料非線性等因素，對(duì)拱壩體系進(jìn)行了不
同水位的靜力分析、多種工況的抗震安全分析，對(duì)壩
肩穩(wěn)定、橫縫開裂、建基面應(yīng)力集中、關(guān)鍵部位位移
等問題在現(xiàn)行規(guī)范框架下進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)價(jià)分析，具
有很好的參考價(jià)值。
5 0E一03
4 OE—03
— 3 OE—03
蜊2 OE—03
束
”
l OE—03
0 0E+OO
．1 OE—03
． 1
——上游面
I ??一下游面測(cè)黼
O 2 4 6 8 1I
圖17橫縫開度時(shí)程
117
萬方數(shù)據(jù)
馬懷發(fā)，等∥混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法探討
3結(jié)語
本文研究美國水工建筑物基于性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)思
想、安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以及評(píng)估指標(biāo)的定量化方法，并
結(jié)合我國最新發(fā)布的水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)
范(NB 35047q015)分類設(shè)防的原則和要求，針對(duì)1
級(jí)建筑物的高壩MDE的設(shè)防水準(zhǔn)以及MCE的安全目
標(biāo)，較為全面地分析了國內(nèi)外抗震評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)例，探
討提出了壩體一地基一庫水的整體抗震性能評(píng)價(jià)的主
要控制指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的基本框架。評(píng)價(jià)方法建議
結(jié)合usAcE評(píng)價(jià)程序和判別準(zhǔn)則中的結(jié)構(gòu)需求能
力比、超線彈性累計(jì)時(shí)間和性能曲線等定量化指標(biāo)
先進(jìn)行線彈性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，再結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范從壩體關(guān)
鍵部位進(jìn)行非線性響應(yīng)分析修正分步實(shí)施，強(qiáng)調(diào)應(yīng)
力和變形響應(yīng)的累積效應(yīng)，試圖將uSACE評(píng)價(jià)程
序和判別準(zhǔn)則中的定量化指標(biāo)概念引入并嘗試新規(guī)
范所規(guī)定的評(píng)價(jià)目標(biāo)定量化。由于在地震輸入?yún)?
數(shù)、材料性能參數(shù)選取以及計(jì)算方法不同，與其對(duì)
應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)也會(huì)不同，這應(yīng)要求材料物理模型、
地震荷載與計(jì)算評(píng)價(jià)方法相對(duì)應(yīng)為前提，建立系統(tǒng)
的混凝土高壩抗震性能指標(biāo)體系、定量判別準(zhǔn)則和
評(píng)價(jià)方法。
參考文獻(xiàn)：
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(責(zé)任編輯康健)
(上接第55頁)
表6地震工況下廠房上下游墻體節(jié)點(diǎn)對(duì)
變位差極值對(duì)比mm [3]
節(jié)點(diǎn)對(duì)編號(hào)平縫相靠整體連接平縫灌漿規(guī)范允許值
上游側(cè)
1 35．67 27．92 31．94 35．6
節(jié)點(diǎn)對(duì)
2 35．6l 27．93 31．87 35．6
3 36．02 27．97 31．96 35．6
4 35．91 27．81 31．7l 35．6
5 22．05 22．74 22．85 23．6
下游側(cè)6 22．03 22．81 22．82 23．6
節(jié)點(diǎn)對(duì)7 22．22 22．91 22．92 23．6
8 21．98 22．85 22．84 23．6
耐久性。
(2)平縫相靠方案由于高程1 206．4 m以上部位
傳力單一，使得過縫管道的應(yīng)力和變位較大，并且兩
種工況下廠房上下游墻的層間變位是三個(gè)方案中最大
的，其中地震工況下上游側(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)變位差超出規(guī)范允
許值。
(3)無論是校核洪水位工況還是地震工況，整
體連接方案都有利于過縫鋼管減小其環(huán)向應(yīng)力和軸
向應(yīng)力，保證過縫前后鋼管各部位的各向應(yīng)力值在
同一數(shù)量級(jí)上，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象，且其鋼管
應(yīng)力和廠房上下游墻體變位完全符合規(guī)范規(guī)定。其中
校核洪水位工況下鋼管的最大軸向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)
力分別只有平縫相靠方案的19％和17％；地震工況
下廠房的變位也在承受范圍內(nèi)。故本文推薦廠壩連接
形式。
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(責(zé)任編輯郭利娜)

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