大坝的抗震安全性(Dam Safety and Earthquake)

导语：这篇文章是发表在中国工程院院刊的中文译稿, (Martin Wieland: Safety Aspects of Sustainable Storage Dams and Earthquake Safety of Existing Dams [J]. Engineering,2016,2(3):325-331.)。原文较长，本文节选了其中结论性的部分。

三峡大坝高181m, 坝长2355m, 正常蓄水高度175m，库容393亿m^3

1 引言

由于现今大坝的结构安全性通常受地震荷载状况控制，因此主要讨论大坝地震安全特性。地震对大坝的危害包括：地面震动、断层移动、块体移动及其他对特定工程和特定场地的影响。同时也需要考虑水库触发地震活动。

2 地震灾害

地震灾害包括：(1) 地面震动；(2) 坝基沿断层或不连续面错动；(3) 块体移动进入水库，形成冲击波，致使水库水位上升、输电线路受损、道路堵塞等；(4) 特定项目和特定场地灾害(如地面变形、渗漏、液化等)。

3 地震设计标准

对于大坝工程的不同结构和构件的抗震设计，需要采用以下内容设计地震：(1) 安全评估地震(SEE); (2) 设计基准地震(DBE); (3) 运行基准地震(OBE); (4) 施工地震(CE); (5) 最大可信地震(MCE); (6) 最大设计地震(MDE)。 对于某些大坝，针对水库触发地震活动(RTS)或水库诱发地震活动(RIS)，确定附加地震荷载状况。观察到100座以上水库，在水深超过100m处发生过RTS。RTS最大震级达6.3；但是，多数情况下，此类浅源地震的震级往往较小。

4 地震安全标准

混凝土坝的主要地震安全标准如下：(1) 坝基稳定性，即拱坝坝肩楔体和重力结构沿潜在滑动面滑动的稳定性; (2) 由伸缩缝和水平裂缝形成的混凝土块的滑动和倾覆稳定性，即大坝中心顶部附近的混凝土块需经受的最大绝对加速度响应。

5 地震安全和大坝的风险分类

安全概念的两个主要目标是使所有风险最小化，并以可能的最佳方法控制剩余风险。为达到这些目标，大坝工程采用整体安全概念，主要包括以下要素：(1) 结构安全性; (2) 大坝安全监控; (3) 运行安全性; (4) 应急计划。

根据ICOLD标准，大型坝是至少15m高的蓄水坝。在中国，蓄水坝根据水库库容分类，库容大于109 m3的为1级，108〜109m3的为2级，小于108 m3的为3级，依此类推。在瑞士，大坝分类按法律法规进行，大坝高度至少10m，库容超过106 m3的大坝被归入高风险级别。其他的大坝主管部门、组织和业主采用其他定义。因此，瑞士最高风险类别的160座大型坝中，只有12座属于中国的2级坝，多数是3级以下甚至更低的坝。

6 已建坝的抗震安全性

虽然大型水坝是自20世纪30年代以来最早进行系统性抗震设计的建筑物，但由于多数老坝的设计采用的是现今认为已过时的地震设计标准和分析方法，所以这些坝的地震安全性是未知的。因此，需要采用现行抗震设计标准和现代的动态分析方法，重新评估已建坝的抗震安全性，修复有缺陷的大坝。已建坝在抗震安全性方面面临的一个重要问题是，大多数有关大坝的规范、规定、建议和导则主要是针对新大坝的设计。试运行时被认为是安全的大坝设计未必永远安全，这可能与大多数建筑业主和用户的看法不一致。有必要定期检查大型坝的抗震设计标准和地震安全性，即必须考虑定期抗震检查的预算。到现在为止，只有一座高18.5m的土石坝在2011年日本东北大地震中损毁，大坝失事引发的洪水造成8人丧生。

7 结论

在大坝的抗震设计和地震安全性评价中，主要关注下列项目：

（1）对大多数大坝工程来说，地震灾害是多元灾害。地震动是所有大坝地震准则中需要考虑的主要危害，然而，落石和断层移动可能比地震动更为危险。

（2）当附近发生强烈地震时，坝基中活动断层的移动或不连续面(断层、节理、层理面)的运动可能是活跃的，这对于混凝土坝是最严重的危害。如果没有其他位置可以选作坝址，那么正确的解决方案就是，设计一座土心墙堆石坝，并设宽反滤区和过渡区。

（3）现今大型坝的地震安全性包括以下要素：①结构安全；②大坝安全监测；③运行安全和维护；④应急计划。所有要素都是同样重要的。

（4）抗震安全并不是大坝固有的性质，但可以利用能安全抵抗地面强震影响的抗震设计和建造技术，来保证大坝及附属结构物的安全。

（5）由于安全是可持续性的先决条件，多数大坝设计将地震荷载作为临界荷载，对地震灾害(洪水)的各种安全管理已经成为大坝可持续的基本要求。

（6）即使一个土木结构在建设时是安全的，但不能保证其在生命周期内永远安全，这是不现实的。在大坝的生命周期内，需要对其进行多次地震安全评估，因为可能出现下述情况：得到地震灾害新信息，有新的设计和安全标准被采用，下游山谷的发展导致地震危险性增强。

（7）保持大坝处于安全状况需要对设备、设施及土木结构进行妥善保养。对土木结构维护的关注少于对电厂设施维护，因为后者的好处可以直接体现在发电量上，而土木结构维护和大坝安全不产生可见的效益。因此，需要适当的平衡。

（8）有关新坝型(混凝土面板堆石坝、沥青心墙坝、土工膜面板土石坝、碾压混凝土坝等)和高坝经受强烈地震时的动态性状，迄今几乎没有得到任何观测数据。

（9）为在发生强烈地震后控制和降低水库水位，溢洪道和底孔闸门在震后必须能够操作。这些闸门系统的抗震设计准则与坝体采用的准则是相同的；然而，性能标准必须是能保证地震后闸门的功能。设计师和闸门系统的供应商尚不熟悉这些地震安全性要求。

为了进行抗震分析、设计和安全评估，需要世界各国科学家提供下列信息：

（1）坝基中活动断层或不连续面的情况，在强震时可能被激活，并产生最大的动力。

（2）坝址遭受最强烈地震的参数(断层、位置、震源深度、震源机制、最大震级、最大断层错动)。

（3）鉴定在强震时可能被破坏或移动的坝址处或者水库边坡。

（4）加速度时程是大坝的非弹性地震分析必需的输入参数。表现这些理想化时程曲线的荷载模型，与实际记录的加速度时程的共同点很少。