摘要：采用振型分解反應譜法和時程法，得到了某碾壓混凝土重力壩的線性、非線性地震響應。針對重力壩的結構特點，提出從壩體拉應力區分布、抗滑穩定性、材料強度、塑性區擴展及壩體需求能力比與超應力累積持時等方面綜合評價大壩的抗震安全性能，為大壩的防震抗震工作提供參考。根據綜合評價結果，初步認為在新的地震動校核參數作用下，該大壩結構可能受到低至中等破壞局部開裂，結果符合“設計可修復，校核不潰壩”這一抗震復核目標。

　　關鍵詞：水工結構;混凝土重力壩;抗震安全復核;校核地震;極限抗震能力

　　引言

　　2008年5月12日中國四川汶川地區發生里氏震級達8級，地震烈度達11度的特大地震，對震區水電工程造成了極大影響。不少地區地震烈度遠超中國現行地震烈度區劃圖的設防水準。例如汶川縣草坡河的沙牌混凝土拱壩，按照2001年國家地震烈度區劃圖，壩址區地震基本烈度為7度，以50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度137.5gal作為大壩設防標準。而此次地震壩址區位于8度與9度的交界區，基巖峰值加速度也幾倍于上述設計值(儀器測得最大峰值加速度為950.51gal，出現在汶川縣臥龍臺，距壩區30公里左右)。還有設防烈度為8度的紫坪鋪電站，此次地震卻經歷了近10度的考驗。由此可見，地震具有極大的不確定性，倘若對重要水工建筑物造成嚴重破壞，將引發重大次生災害，給下游人民生命財產和社會經濟發展帶來巨大威脅。

　　因此，“5.12”汶川大地震后，大壩抗震安全受到社會各界和壩工界的高度重視。為做好水電工程防震抗震工作，提高水電工程的防震抗震能力，水電水利規劃設計總院在總結國內外經驗和聽取專家建議的基礎上，制定了《水電工程防震抗震研究設計及專題報告編制暫行規定》，頒布了新的水工建筑物抗震設計規范(2015年)。給出了新的水電工程地震設防標準，并明確提出對重大工程的擋水建筑物應分析校核地震工況下的結構整體穩定性，對高烈度區、失事后可能產生嚴重次生災害的特別重要的擋水建筑物，還應研究極限抗震能力和地震破壞模式。

　　鑒于目前還沒有統一的重力壩抗震安全復核評價方法，本文依據新核定的地震等級參數，采用振型分解反應譜法和時程法，在線性、非線性地震響應的基礎上，提出從壩體拉應力區范圍、穩定性、強度校核、塑性區擴展范圍和壩體需求能力比與超應力累積持時等多角度綜合分析。對某電站壅水結構及重要的非壅水結構進行抗震復核和抗震安全性評價，為重力壩的防震抗震工作提供有益參考。

　　1抗震安全復核方法及評價模型

　　由于地基巖體的非連續性、材料參數的各向異性和各種因素的不確定性，對大壩遭受極端地震作用下的失效模式和破壞機理認識還不夠充分。所采用的各種數學模型、破壞準則也不具有較好的普適性，因此，大壩抗震安全的評價是一個復雜問題，如何結合中國抗震設計規范進行復核分析和評價，目前還沒有一個明確的方法和統一的標準。對于該問題的研究，金峰等從校核地震工況的基本概念出發，按照校核地震下“不潰壩”這一復核目標，提出了一套簡化的計算方法。此法認為著眼點不應該是強度校核，而是整體穩定性。要分階段、分步驟逐步深人復核，當強度不滿足要求時，進行非線性動力計算，而且計算方法和模型宜盡量簡單;出現貫穿性開裂時，再對孤立體的穩定性進行計算;整體失穩后對水庫發生無法控制下泄的后果進行專題評估。

　　1.1多指標的綜合評價標準

　　陳厚群等研究表明，考慮地基巖體的損傷特性才能更合理地反映壩體一地基動態相互作用對壩體地震損傷的影響。因此地基一壩體系統的穩定、壩體的開裂破壞和喪失蓄水能力是決定大壩安全的關鍵和主要因素，任何一個關鍵性能的破壞都會直接影響到壩體的正常運行，抗震能力的評價需從多角度綜合分析。例如，張社榮等從收斂性、塑性區貫通、壩體破壞模式、需求能力比與超應力累積持時等多方面出發，對重力壩基于性能的極限抗震能力進行了探討。趙劍明等從變形、穩定性和防滲體安全方面對深厚覆蓋層上土石壩的極限抗震能力進行了分析。李德玉、張伯艷等采用動力非連續方法，從縫面開合度、開裂范圍等方面研究了官地、小灣等電站的抗震穩定性。本文在線彈性振型分解反應譜法和線性、非線性時程分析的基礎上，從拉應力區范圍(P1)、穩定性(P2)、強度校核(P3)、塑性區破壞范圍(P4)和壩體需求能力比與超應力累積持時(P5)等角度，對重力壩校核地震工況的抗震能力進行綜合復核。從風險角度出發，定義大壩的極限抗震能力為

　　壩體需求能力比(RDc，Ratio of Demand-Capac-ity)定義為壩體拉應力與混凝土抗拉強度的比值，超應力累積持時為大于抗拉強度的壩體拉應力的累積持時。根據Ghanaat以及沈懷至等對混凝土壩破壞等級的劃分，以12時，為嚴重損傷破壞，如圖1所示。

　　1.2動力計算方法

　　考慮豎向地震作用(按水平向的2/3折減)。進行反應譜法分析時采用SRSS方法組合各階振型對應的響應。最后，按照最不利情況，將動力分量作為正值直接與靜力結果進行疊加。根據“暫行規定”和相關規范對該電站新核定的地震動參數和相應反應譜參數、譜曲線如表1和圖2所示。

　　考慮到地震作用的隨機性，分別選用1988年云南瀾滄一耿馬地震時，壩址區和竹塘地震站實測到的兩條當地加速度時程，以及1967年印度Koyna重力壩遭受地震時的強震記錄進行動力分析。綜合考慮地震波采樣頻率與高階模態振動周期的影響，取時問步長△t=0.02s。其加速度時程如圖3所示。

　　目前邊界條件的考慮大體有三種：考慮地基輻射阻尼、無質量地基模型和模擬無限地基有限元模型。一般為了更真實地反映結構的地震響應，需要在模型的截斷邊界上加入吸入邊界，由此模擬遠端地基輻射阻尼對結構響應的影響，此時地基輻射阻尼和材料阻尼的選取應綜合考慮，以免重復計算阻尼。在頻域方面的處理方法有無窮元一有限元耦合法、邊界元以及邊界元一有限元耦合法和有限元一邊界元一無窮元耦合法等。時域方面的處理方法主要有彈簧一阻尼邊界。此外還有比例邊界元、阻尼抽取法等。無質量地基模型由于不考慮地基輻射阻尼效應的影響，使結構響應偏大，低估重力壩的抗震安全度。當條件允許時，可考慮模擬無限地基的有限元模型。由于本文為結合實際工程的復核，鑒于無質量地基模型的保守性，所以在靜力分析時，基巖自重按初始地應力場的方式考慮，而動力計算時按Clough的無質量地基模型考慮。

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