混凝土大坝抗震安全评价的历史回顾

　　混凝土大坝的抗震安全评价经历了较长时期的历史发展。安全评价包括强度和稳定两个方面。由于失稳的发展一般是一渐进过程，所以，目前正在研究应用不连续变形方法来分析大坝沿薄弱面失稳的发展过程。这样，将坝基失稳、变形与大坝的变形、应力重分布与破坏过程相结合进行综合考虑。可以更为科学地评价大坝的安全性。这将是今后的发展方向。但就目前情况来说，混凝土大坝特别是拱坝的设计，基本上分别独立地对稳定和应力分析进行检验。稳定分析主要采用极限平衡方法，按塑性力学上限理论计算安全系数。稳定方面出现的问题则通过坝线选择和加固措施来解决。所以，大坝剖面的选择将主要通过应力进行控制。从应力方面评价混凝土大坝的抗震安全性，目前将仍主要建立在容许应力的基础上。各国都根据弹性动力分析计算出的地震应力来进行大坝的抗震设计。本文将主要讨论这方面的问题。由于混凝土大坝在强震中的震害主要表现为受拉出现裂缝，发生应力重分布，使大坝的承载能力降低。因此，混凝土的容许抗拉强度成为大坝抗震安全检验的十分重要的指标。

　　在混凝土坝的设计中，很长时期内，拱坝采用试载法（多拱梁法），重力坝采用材料力学方法进行分析。这种方法计算比较简便，又基本上可以反映大坝的受力特性，所以在比较长的大坝建设实践中发挥了重要作用，同时也积累了一定的经验。但是这种方法采用平面变形假定，忽略了应力集中的影响，也有一定的局限性。在早期混凝土大坝的设计中，基本上采用了不容许拉应力出现的标准。以拱坝为例，认为主要以承受压力为主，对压应力采用比较高的安全系数（正常荷载工况达到4，非常荷载工况达到3），计算中断面的受拉部分按开裂计算，形成内部新的受压拱，进行应力重分布。早期，大坝的设计地震力不高，地震加速度一般取为0.1g左右，这种情况下许多拱坝的安全性主要由静力情况控制。随着坝工建设的发展，这种评价标准在实践中暴露出来的矛盾越来越多。

　　首先，是拉应力的控制标准问题逐渐被突破。由于坝高增加，同时在复杂条件下建设的大坝数量越来越多，初期不容许拉应力出现的标准无法满足设计要求。另一方面，也考虑到大体积混凝土实际上可以承受某种程度的拉应力。从而，在一些混凝土坝的设计中逐步容许一定数量的拉应力。以拱坝表现得最为明显。但是，允许拉应力的数值各坝都不完全相同。总的看来，存在着逐步提高的趋势。以美国为例[1]，1924年设计Pacoima拱坝时，加州工程师取容许拉应力0.7MPa（100psi）；1967年美国土木工程学会与美国大坝委员会总结的拱坝拉应力容许值为0.84～1.26MPa（120～180psi）；1974年美国垦务局标准，容许拉应力在正常荷载时为1.05MPa（150psi），非常荷载时为1.575MpP（225psi）；1977年Auiburn坝设计时，拉应力容许值达到5.25MPa（750psi）；1984年Raphael根据若干座坝混凝土试样的试验值，建议地震时容许拉应力可达6.958MPa（994psi）。拉应力的容许值实际上决定了大坝设计的安全度，因为它决定断面裂缝的范围以及应力重分布的结果。关于拉应力的容许值，各国、各个单位、各座坝取值不同。至今还没有公认的标准，反映了认识上的不一致。这是可以理解的，因为各座坝的具体情况不同，拉应力发生的部位不同，对坝安全性的影响也各不相同，很难要求采取一个统一的标准。

　　其次，随着强震记录的不断积累和丰富，大坝的设计地震加速度数值也呈逐步上升趋势。1940年美国El Centro记录到的最大地震加速度为0.32g（M=7.0）。1970年以后具有特大加速度的记录不断涌现。例如，1973年前苏联Gazli地震时为1.3g（M=7.2）；1978年伊朗地震时0.87g（M=7.4）；1979年美国Imperial Valley地震时为1.7g（M=6.6）；1985年智利地震时0.75g（M=7.8）；1994年美国Northridge地震时为1.82g（M=6.7）；1999年我国台湾集集地震时1.0g左右（M=7.3）。其中，1985年加拿大地震时记录到的最大加速度甚至超过2.0g（M=6.9）。虽然，人们认识到对建筑物响应起作用的应该是有效峰值加速度EPA，但是，实测地震加速度超过甚至远远超过抗震设计中的加速度则是事实。对混凝土大坝设计来说，对坝造成震害的几次强震中实测到的大坝场地加速度是值得重视的。其中，印度Koyna重力坝，1967年12月11日发生M=6.5级强震，震中位于大坝以南偏东2.4km，实测坝基加速度为：坝轴向0.63g，顺河向0.49g，竖向0.34g.伊朗Sefid Rud大头坝，1990年6月21日发生M=7.6级大震，震中距坝址约5m，坝址无仪器记录。相距40km处的强震仪记录到的加速度峰值为0.56g，按地震动衰减规律估算的坝基加速度为0.714g.美国Pacoima拱坝，1971年2月9日发生M=6.6级San Fernando地震时，左坝肩基岩峰顶加速度，水平和垂直分量分别达到1.25g和0.72g，估算坝基加速度约为0.50g左右；1994年1月17日M=6.8级Northridge地震时，实测坝基加速度，水平和竖向分量分别达到0.54g和0.43g，左坝肩峰顶1.58g.这几次地震都对大坝造成了比较强烈的震害。其中还包括我国的新丰江大坝。需要指出，上述大坝都进行过抗震设计。我国的新丰江大头坝，在1959年水库蓄水后不久，由于在库区发生有感地震，1961年按Ⅷ度地震烈度进行过一期加固，水平向设计地震系数0.05.1962年3月19日发生M=6.1级强震时造成大坝头部断裂。印度Koyna重力坝在震前按地震系数0.05进行设计，震后头部转折处出现了严重的水平裂缝；伊朗Sefid Rud大头坝震前按地震系数0.25进行过抗震设计，震后形成了一条几乎贯穿全坝的头部水平裂缝。美国Pacoima拱坝在1971年San Fernando地震时，左坝头与重力墩之间的接缝被拉开，震后进行过加固，1994年Northridge地震时又重新被拉开。大量地震记录超过传统采用的设计地震加速度，因此，按照什么标准进行混凝土大坝的抗震设防，成为设计人员所十分关注的问题。