水工建筑物抗震设防标准研究

陈厚群

（中国水利水电科学研究院，100044，北京）

一、前 言

各国在发生一次大地震后，通常都会对抗震设计规范重新进行审核和修编。我国在“5·12”汶川大地震后也是如此。目前，已经运行十余年的《水工抗震设计规范》也正在修编中。抗震设防标准是修编中首先需要考虑的问题，包括对国外相关规范和近年提出的 “抗震功能设计（Performance-based Seismic Design）” 概念的参照和思考。《水工建筑物抗震设计规范》修编中对水工建筑物抗震设防标准提出供探讨的初步建议。

二、确定抗震设防标准的基本原则、概念和指导思想

任何结构的设计都是为了保证结构在设定的作用下实现预期的功能目标，这是设计的基本原则。从这个意义上讲也可称之为“功能设计”，因为不存在没有功能目标的设计。抗震设计是为了在设定的地震设防水准下，使结构能满足相应的抗震功能目标要求，以保证其抗震安全。因此，合理建立水工建筑物抗震设防水准框架，是其抗震设计的首要前提，其中涉及与之有关的若干基本概念。

首先是关于“分类设防”的概念，即工程及其中的建筑结构都要按其所发挥作用的重要性，尤其是其一旦失效造成后果的严重性，划分成不同等级。据以设定其需要承受的作用和实现预期功能目标的安全裕度。由于无论是结构承受的作用及其抗力，还是预期功能目标实现的判断，都存在一定的不确定性，因而在设计中需要对不同等级的工程和建筑物设定不同的设防标准和相应的安全裕度。我国对水利水电工程及其建筑物的等级划分都有专门的相应规范。我国现行水工抗震设计规范中，根据工程和建筑物等级及其所在场址的地震活动性，确定其抗震设防类别。

其次是关于“多级设防”的概念，即对同一个工程结构，针对其不同的功能目标要求而提出的不同抗震设防水准要求。这不同于在同一个设防水准下，需满足多个功能目标要求的“多功能目标设防”的概念。实际上，“多级设防”也并非是最近提出的新概念。我国大坝工程一般都需按不同发生频率的正常洪水和校核洪水分别按正常工况和特殊工况进行校核，并对应不同的安全裕度要求。在抗震设计中，核电站最早就提出了按 “安全停堆地震（SSE）”和“运行基本地震的（OBE）”两级设防。20世纪80年代我国建筑抗震设计中也提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的多级设防概念。

在大坝抗震设防方面，最近修订的国际大坝委员会（ICOLD）第72号公报 《大坝地震动参数选择导则（Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams）》中，仍提出大坝按“最大设计地震（MDE）”和“运行基本地震 （OBE）”两级设防的概念。在综合分析众多国家的大坝抗震设计规范和导则后，可以看到：虽然多数国家的大坝抗震设计规范或导则中多采用名称或有不同但实际与MDE、OBE类同的两级抗震设防水准，但一些国家如加拿大、英国、瑞士等实际都只按MDE进行大坝抗震设计。这是因为OBE设防水准的重现期为100～200年，其性能目标为允许产生可修复的局部损坏，而国内外水坝抗震设计的工程实践都表明，它一般不起控制作用。

国际大坝委员会和美国等的导则中还定义了 “最大可信地震(Maximum Credible Earthquake，MCE）”，即根据库坝区地震地质条件实际可能发生的最大地震，其功能目标为不致溃坝引发库水下泄失控，并要求对失事后可能引起严重次生灾害的大坝都将MDE取为 MCE。 “5·12”汶川大地震后，我国国家发展和改革委员会要求对重大工程要按“极限地震”或重现期为10000年的设防标准进行抗震安全校核，但并无明确的相应功能目标要求。

我国最近修编的《建筑抗震设计规范》中规定，对使用功能或其他方面有专门要求，从而需有更具体或更高抗震设防目标的建筑，新增了《建筑抗震性能化设计》一节，并在原建设部1990年颁行的 《建筑地震破坏等级划分标准》中提出的对震害定性划分基础上，在附录中增加了关于分别按中震、大震进行抗震性能设计的目标和设计原则。

此外，在确定水工抗震设防标准时，还涉及所谓“水库地震”的特殊问题。“水库地震”是指由于水库蓄水导致环境物理状态的改变，从而在水库正常蓄水位淹没范围内的库坝区引发地震的现象。在以往国际大坝委员会的《大坝地震动参数选择导则》中曾把水库诱发地震列入大坝抗震设防水准的框架中。美国地震地质学者Allen在1982年曾建议，任何水库的大坝坝高在80～100m以上时，其设计地震均应以可能发生6.5级地震为准。在世界银行咨询专家对我国小浪底工程咨询时，考虑到库区存在活断层，曾建议以迄今世界上4个发生过6级以上水库地震的工程的平均震级，作为小浪底工程的设计地震震级。实际监测结果表明，小浪底工程蓄水前后，库区的地震活动性并未见明显变化。

迄今全球有30多个国家先后报道了100多个与水库蓄水有关的事例，但对其中一些事例是否与水库蓄水有关尚存有争议，其中被较普遍确认的不到一半。在最近国际大坝委员会ICOLD颁布的公报 《水库触发地震——知识概述》中，列出了39个水库地震震例。因此，在众多水坝中发生水库地震的事例所占比率是极小的。迄今，其震级超过6级的仅有4例，最高震级在6.5级以下。

水库地震的成因机制很复杂，至今并未解决。但大致可区分为两类：

一类是与岩溶、矿洞、地表岩体应力调整有关的非构造型的浅层微震，其最大震级不会超过3～4级，对工程和库区不致造成危害。全球已有水库地震的实例绝大多数都属于此类。

另一类是当库水可能向深层渗透，从而触发穿过或邻近库区的、已处于临界状态的发震断层的构造型水库地震，被国际大坝委员会称之为水库触发地震 (Reservoir Triggered Earthquake)。构造型水库地震的实例很少，却是工程抗震所主要关心的。但其震级显然不可能超过被触发的库区发震断层本身的震级。

在《水工建筑物抗震设计规范》的修编中，对确定抗震设防水准的指导思想可归纳如下：

①按抗震设防标准和功能目标相应的原则，建立分类设防的抗震设防标准体系。设防标准必须和地震动参数选择的依据和方法相适应，功能目标必须有可操作的定量准则，其确定的技术途径需在总结国内外的震害和工程实践基础上，依据当前较为成熟的水工抗震科研成果加以更新。

②为综合评价建筑物的抗震安全，抗震设防标准必须与结构地震响应分析方法、材料动态抗力和安全裕度准则相配套。

③抗震设防标准的确定具有很强的政策性和社会责任性，必须结合我国国情，体现安全性和经济性的相对动态平衡。根据水工建筑物的特点，鉴于地震预测的不确定性，考虑到大坝工程与库水、地基动态相互作用后的地震响应的复杂性，以及可能造成次生灾害的震害后果，对震害后果及社会影响大的大坝工程，尤应把确保安全放在首位，其抗震设防标准应适当高于一般工业和民用建筑。规范中的抗震设防标准应作为强制性的最低要求，但并不限制业主因特殊个性需要而加以适当提高。主要由于对次生灾害损失和影响估计的困难，目前尚不具备根据“投资—效益准则”原则通过风险分析确定抗震设防标准的条件。

④抗震设防标准的分级不宜过多，不仅因目前过多分级并无必要，且也难以给出与多级设防标准相应的功能目标的定量准则。

⑤需要跟踪和反映国内外工程抗震实践和科研进展，参照其他部门抗震设计规范，但必须从我国国情和水工建筑物特点出发，与有关各类水工建筑物基本设计规范相适应，并适当保持本规范的连续性。

三、对《水工建筑物抗震设计规范》修编中抗震设防标准框架的建议

根据上述基本原则、概念和指导思想，对修编中的《水工建筑物抗震设计规范》的抗震设防标准提出下列建议。

①目前在抗震设计中一般都采用地震动峰值加速度 (Peak Ground Acceleration，PGA)作为设防参数。 实测的地震动加速度时程中常有一些脉冲型的高频尖峰出现，这些脉冲型高频加速度峰值的历时较一般地面建筑物的基本自振周期短，在地震波的传播中衰减很快，因而造成的破坏后果不大。特别是对于建在强震区的高坝，其设计地震动峰值加速度多由大震、近震控制，其基本频率较地震动加速度峰值的高频低很多，对脉冲型峰值不敏感。目前，《中国地震动参数区划图》采用的与地震动加速度反应谱对应的有效峰值加速度(Effective Peak Acceleration，EPA) 作为表征地震作用强度的主要抗震设计参数是更为合理的。

②设计地震动加速度是指工程场地所在地区半无限空间均质岩体在平坦自由地表的最大水平向地震动峰值加速度，既未考虑工程场地实际的地形条件和岩体具体的地质条件，也不涉及场址要建造的工程结构类型。由于地壳介质的密度由地表往下随地层深度而增大，通常可认为，由地壳深部往地表传播的地震波，其入射方向将逐渐接近垂直水平地表的竖向。由于地表地（震）动包括入射地震波及其在自由地表的反射波，因此，入射地震（动）加速度的幅值可取为其地表幅值的一半。

③根据我国大坝工程抗震设计实践，国际大坝委员会第72号公报《大坝地震动参数选择导则》中的重现期为145年的“运行基本地震”，实际上不起控制作用，在设计中考虑的必要性不大。对于工程抗震安全，有的构造型水库地震因其不可能超过被触发的库区发震断层本身的震级，无需列入水工建筑物抗震设防标准框架。

④建议仍按照现行规范，由水工建筑物等级及所在场地基本烈度确定其抗震类别。水工建筑物可分3个层次设防，即设计烈度小于8度且70 m以下的水坝和40 m以下的非钢筋混凝土进水塔等可作为一般水工建筑物；基本烈度为6度或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，以及基本烈度为7度及7度以上地区坝高超过150 m的大（1）型工程为重大水工建筑物。介于两者之间的可划为重要水工建筑物。

目前对水利水电工程，过多分级必要性不大，且并无如原建设部颁行的《建筑地震破坏等级划分标准》那样的相关规定，难以定量确定相应的功能目标。因而建议对一般和重要水工建筑物仍保持基本按“最大设计地震”的一级设防规定，其相应功能目标为允许产生可修复的局部损坏。重大壅水水工建筑物除按设计地震动加速度进行抗震设计外，应按在遭受场址“最大可信地震”时，不发生库水失控下泄的灾变目标，进行专题研究的校核。

⑤对于一般和重要的水工建筑物，其设防标准依据现行《中国地震动参数区划图》确定的基本地震动加速度值及与之对应的地震基本烈度。对于重大的壅水水工建筑物，其“最大设计地震”应根据专门的场址地震危险性分析，确定基岩地震动峰值加速度。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，这是根据水利水电工程地震危险性分析结果，按照较基本烈度提高一度的设防要求，经统计拟合得出的。

⑥对于一般水工建筑物，可以按“拟静力法”确定地震作用及建筑物的地震效应。对于重要的水工建筑物应采用动力法计算地震作用效应。在线弹性结构分析中采用振型分解法时，或在非线性结构分析中人工生成模拟地震动加速度时程时，可采用规范中给出与场地不相关的统计平均意义上的标准设计反应谱。

⑦对于重大的壅水水工建筑物，宜通过专题研究，按“设定地震”的确定性方法，确定与设计地震动峰值加速度相应的、与场地地震地质条件相关的设计反应谱，并据以生成人工模拟地震动加速度时程。在确定结构地震效应的强非线性分析中，需研究地震动的频率非平稳性的影响。对“最大可信地震”，宜按确定性方法确定。当其距离小于10km、震级大于7.0时，应研究近场大震中发震断层面破裂模式的影响，当发震断层倾角小于70°时，需计入上盘效应的影响，并需在此基础上，直接生成场址的地震动加速度时程。

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