有关土石坝抗震设计的规范修编及探讨--赵剑明

中国水利学会面板坝专业委员会2011年度技术交流会有关土石坝抗震设计的规范修编及探讨赵剑明中国水利水电科学研究院2011.92主要内容水工建筑物抗震设计总则及地震作用土石坝抗震设计面板堆石坝抗震措施3引言•抗震规范和手册的修编–《水工建筑物抗震设计规范》(SL203）)修编–《水工设计手册》第二版修编：（第四卷第七章）水工结构抗震–《混凝土面板堆石坝设计规范（SL228)修编：（水科院负责抗震部分）。科研成果工程经验震害资料4紫坪铺等工程5.12震害5引言•有关抗震规范依据–《工程场地地震安全性评价》GB17741-2005–《中国地震动参数区划图》GB18306-2001–《建筑抗震设计规范》GB50011-2010。。。6水工建筑物抗震设计总则及地震作用水工建筑物的设防标准及其地震危险性的评价要求1.0.4水工建筑物工程场地设计地震动峰值加速度和地震烈度应根据工程等级和场址地震条件按下列规定确定：1一般情况下，应采用《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)确定的基本地震动加速度值及与之对应的地震基本烈度。2地震基本烈度为6度及6度以上地区的坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程，以及地震基本烈度为7度及7度以上地区坝高超过150m的大(1)型工程，其设防依据应根据专门的场址地震危险性分析所提供的、以均质基岩平坦地表地震动峰值加速度表征的成果评定。7水工建筑物抗震设计总则及地震作用水工建筑物的设防标准及其地震危险性的评价要求l.0.5水工建筑物应根据其重要性和工程场地地震基本烈度按表1.0.5确定其工程抗震设防类别。表1.0.5工程抗震设防类别工程抗震设防类别建筑物级别场地地震基本烈度甲1（壅水和重要泄水）乙1（非壅水）、2（壅水）≥6丙2（非壅水）、3丁4、5≥7注1:重要泄水建筑物指其失效可能危及壅水建筑物安全的建筑物。8水工建筑物抗震设计总则及地震作用水工建筑物的设防标准及其地震危险性的评价要求1.0.6各类水工建筑物及与工程抗震安全有关的边坡，抗震设计的设计地震烈度或设计地震动加速度代表值应按下列规定确定：1除工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物外，应采用地震基本烈度及地震动基本加速度作为设计烈度和设计地震动加速度。2工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，应根据其遭受强震影响的危害性，在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度，并将设计地震动加速度增加1倍。9水工建筑物抗震设计总则及地震作用水工建筑物的设防标准及其地震危险性的评价要求1.0.6各类水工建筑物及与工程抗震安全有关的边坡，抗震设计的设计地震烈度或设计地震动加速度代表值应按下列规定确定：3凡按1.0.4作专门的场址地震危险性分析的工程，其设计地震动加速度代表值的概率水准，对壅水建筑物应取基准期100年内超越概率P100为0.02，对非壅水建筑物应取基准期50年内超越概率P50为0.05。10水工建筑物抗震设计总则及地震作用重大工程进行最大可信地震下的校核为确保作专门场址地震危险性分析的重大工程的壅水建筑物不发生严重地震灾变，要求除按设计地震动加速度进行抗震设计外，应对在遭受场址最大可信地震时不发生库水失控下泄的灾变进行专门研究校核，提出抗震安全专题报告；4凡按1.0.4作专门的场址地震危险性分析的工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，除按设计地震动加速度进行抗震设计外，应对在遭受场址最大可信地震时，不发生库水失控下泄的灾变安全裕度进行专门研究并提出抗震安全专题报告。11水工建筑物抗震设计总则及地震作用重大工程最大可信地震校核其中，‘最大可信地震’的峰值加速度应根据场址地震地质条件，应按确定性方法或基准期100年内超越概率P100为0.01的概率法的结果中的大值确定其场地相关设计反应谱应按与设计地震动峰值加速度相应的‘设定地震’法确定，并据以生成人工模拟地震动加速度时程；在结构地震效应的强非线性分析中，应研究地震动的频率非平稳性的影响：当发震断层距离场址小于30km、倾角小于70o时，应计入上盘效应的影响；当其离场址距离小于5km、震级大于7.0时，应研究近场大震中发震断层作为面源破裂的过程，直接生成场址的地震动加速度时程。12水工建筑物抗震设计总则及地震作用重大工程最大可信地震校核13水工建筑物抗震设计总则及地震作用重大工程最大可信地震校核14水工建筑物抗震设计总则及地震作用增加了防震减灾应急预案的要求工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，应按《中华人民共和国防震减灾法》规定，制定防震减灾应急预案。特别要加强和落实对应急备用电源设备及油料储备的定期检查制度，以保证在地震时正常电源供应中断时，泄水建筑物启闭设备能快速紧急启动。工程抗震设防类别为乙类的水工建筑物，宜满足类似要求。15水工建筑物抗震设计总则及地震作用适用范围与现行主要水工建筑物的设计规范相适应，将适用于本规范的壅水建筑物高度定为200m；对高度大于200m的壅水建筑物，规定其抗震安全性应进行专门研究论证。16水工建筑物抗震设计总则及地震作用地基类别与标准设计反应谱根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），调整了地基类别划分基于近期国内外有关研究成果，对‘标准设计反应谱’进行了修改。场地类别I0I1ⅡⅢⅣgT(s)0.200.250.300.400.6517水工建筑物抗震设计总则及地震作用设计地震加速度和标准设计反应谱4.3.1除按1.0.6规定的概率水准由专门的地震危险性分析确定基岩水平向设计地震加速度代表值和场地相关反应谱外，其余应根据GB18306-2001确定Ⅱ类场地的水平向设计地震加速度代表值，再按实际场地类别进行调整，并采用标准设计反应谱。18鉴于水工建筑物抗震设计的进展，对于可采用拟静力法计算地震作用效应的水工建筑物，其高度的规定，从小于70m改为限于50m以下的小型工程。各类水工建筑物的地震作用效应计算方法应根据工程抗震设防类别按表4.5.3的规定采用。表4.5.3地震作用效应的计算方法工程抗震设防类别地震作用效应的计算方法甲动力法乙、丙动力法或拟静力法丁拟静力法或着重采取抗震措施水工建筑物抗震设计总则及地震作用抗震计算方法中，强调了动力法，重新界定了拟静力法的适用范围19水工建筑物抗震设计总则及地震作用细化了人工模拟地震加速度时程的要求4.5.8采用时程分析法计算地震作用效应时，应以阻尼比为5%的设计反应谱为目标谱，生成至少3套人工模拟地震加速度时程作为基岩的输入地震动，各套地震动的各分量之间的相关系数均不大于0.3，设计地震加速度时程的峰值应按4.3.1条或1.0.6条的规定采用。应对按不同地震加速度时程计算的结果进行综合分析，以确定设计采用的地震作用效应。本规范是最低要求。20土石坝抗震设计与抗震计算土石坝的抗震设计应贯穿坝址选择、坝型选择、坝体分区、坝料填筑标准、渗流控制及细部构造环节等抗震计算和抗震措施，并提出保证施工质量的要求，使坝基稳定、坝体分区合理和坝料填筑密实、防渗体系可靠，满足抗震要求。工程措施与理论计算并重变形分析与稳定分析并重21抗震计算抗震计算应包括抗震稳定计算、震后永久变形的变形计算、防渗体安全评价和液化可能性判别等内容，结合抗震措施，进行抗震安全性综合评价。22抗震计算对土石坝的抗震稳定计算，一般采用拟静力法计算地震作用效应。设计烈度7度及7度以上的1、2级土石坝、设计烈度8、9度的50m以上的土石坝、或地基中存在可液化土时，应同时采用有限元法对坝体和坝基的地震作用效应进行动力分析后，对计算结果作出综合判断。23抗震计算拟静力法是多年来的基本方法，但其局限性明显。另一方面，随着经济和社会的发展，人们对大坝抗震安全性的要求越来越高。自从美国提堂（Teton）垮坝及圣费尔南多（SanFernando）坝遭受震害以来，美国垦务局对土石坝的抗震稳定分析，已不再采用拟静力法；陆军工程师兵团仅对地震作用较小（地面峰值加速度≤0.05g）、密实地基上很好填筑的土石坝，采用拟静力法进行抗震稳定分析。目前在美国，土石坝抗震计算主要采用动力法，其内容包括建立在有限元法动力分析基础上的滑动稳定计算和变形计算。24抗震计算近年来，我国在高烈度区设计及建造的一些高土石坝，对工程抗震设计提出了更高要求，除了进行传统的稳定计算外，还需要核算坝体和坝基内的动应力分布、地震引起的孔隙水压力变化、地震引起的坝体变形、以及防渗体的可靠性、坝体与坝肩结合部位的应力分布、变形状况和开裂等数据，这些工作都需要通过动力分析才能完成。此外，在1971年美国圣费尔南多地震中下圣费尔南多坝的液化，1976年我国唐山地震中密云水库白河主坝因保护层液化而引起的滑坡等震害均表明，当坝体和坝基中存在可液化土类时，采用拟静力法不能得出正确的抗震安全评价。25抗震计算近十多年来，动力分析理论和计算方法的发展较快，特别是汶川大地震中紫坪铺大坝的震害与动力计算结果有较强的可比性，证实了动力分析方法的可靠性与先进性，说明了采用动力分析方法进行抗震计算的必要性和重要工程意义。鉴于我国的国情：拟静力法在我国土石坝抗震设计中长期应用中，已积累了较多的工程实践经验；且对我国量大面广的中小型水库的土石坝，目前尚无法广泛采用动力分析方法；并考虑到目前在土石相动力分析中，对土体材料的本构关系及工程安全判据的确定，尚未完全形成共识，所以我国目前仍以拟静力法作为土石坝抗震计算的主要方法，但对设计烈度7度及以上的1、2级土石坝、设计烈度8、9度的50m以上的土石坝、或地基中存在可液化土时，应同时进行基于有限元法的动力分析后，对计算结果作出综合判断。26抗震计算采用有限单元法进行土石坝作用效应的动力分析时，宜符合如下要求：1按材料的非线性应力应变关系计算地震前的初始应力状态；2通过材料动力试验测定动力变形、动力残余变形和动强度等动力特性参数，并结合工程类比选用；3按材料的非线性动应力应变关系进行地震反应分析；4根据地震作用效应计算沿潜在滑裂面的抗震稳定性，以及计算由地震引起的坝体永久变形。5根据地震反应分析成果，从稳定、变形、防渗体安全、液化可能性等方面，按5.2.11条要求进行抗震安全性综合评价。27抗震计算材料动力试验用料应具有代表性，试验条件应反映坝体和坝基土体密度状态和固结应力状态。有条件时，宜采用室内试验和现场测试相结合的方式确定。对坝体的永久变形计算，宜采用包括残余体应变和残余剪应变影响的残余变形计算方法。对于混凝土面板堆石坝，其动水压力可按本规范6.1.9条和6.1.10条的规定确定。28抗震计算5.2.11根据动力计算结果进行抗震安全评价，宜符合如下要求：1根据滑动面的深度、范围及稳定指标超限持时和程度等，综合评判坝坡的抗滑稳定性及其对大坝整体安全性的影响。2对坝体及地基局部剪切破坏（或液化破坏）及其引发整体破坏的可能性进行评价。3残余变形计算应给出坝体残余变形的量值和分布规律，并根据最大震陷率和变形的不均匀程度等综合评价大坝及防渗体的抗震安全性。29动力稳定性抗震稳定性包括坝坡的动力抗滑稳定性和局部动力稳定性动力抗滑稳定性拟静力法动力法：可采用基于应力法的动力法，亦可采用基于强度折减等途径的动力稳定分析方法。动力等效值法动力时程线法:能够得到地震过程中坝坡抗滑稳定安全系数随时间的动态变化过程，可综合评判坝坡的抗震稳定性根据滑动面位置、滑动范围、动力时程线法中安全系数小于1的持时和程度等，参考拟静力法标准，进行综合评价。30动力稳定性局部动力稳定性评价在地震作用下土石坝及地基有可能发生局部的动力破坏，而局部破坏存在引发整体破坏的可能性，因此，对土石坝，尤其是关键区域和关键部位的局部动力稳定性进行评价，有利于分析土石坝抗震中的薄弱部位和环节，以采取合理工程措施，确保工程安全。对于土石坝局部动力稳定性评价可采取坝体单元抗震安全性评价方法。如果单元抗震安全系数小于1，则表明该区域存在动力剪切破坏的可能性，应进一步根据局部破坏范围、破坏程度等，结合其它