浅析中外水工建筑物抗震设计标准主要差异

张公平，唐忠敏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年来，随着西部大开发和“西电东送”战略的深入实施，我国水电开发逐渐步入中后期，在一大批世界级高坝拔地而起的同时，我国水电建设产能过剩的问题也日益显现，走出国门，积极寻求国际水电产能合作已经成为中国水电工程界的共识。但与之相应的是，伴随着一大批中国企业深度介入国际水电市场，对国际水电技术标准的不熟悉已经成为了制约中国企业立足海外的关键因素。

以水工建筑物抗震设计标准为例，对中国设计咨询企业而言，由于长期从事国内水电工程勘测设计工作，对于一般性(工程抗震设防类别为乙、丙、丁)水工建筑物仅采用相当于中震水平的“设计地震”单级设防的理念早已深入人心，进入国际水电市场后，对于国际常用的水工建筑物抗震设防水准(如MCE、MDE、SEE、DBE、OBE等)、水工建筑物抗震设计计算方法不熟悉等问题一度困扰了许多工程技术人员。本文着眼于水工建筑物抗震设计标准，通过对中、外水工建筑物抗震设防水准，中、外重力坝抗震计算方法等对比分析，揭示了中、外水工建筑物抗震设计标准的主要差异，并结合岷江流域震中附近水电工程在“5·12汶川地震”中的优异表现，解答了对仅采用相当于中震水平的“设计地震”单级抗震设防的水工建筑物能否满足“大震不倒”性能目标要求的疑问。

1 水工建筑物抗震设防水准的差异

1.1 国际水工建筑物抗震设防水准的基本概念

根据ICOLD[1-4]，国际水电工程中常用的水工建筑物抗震设防水准主要有：

(1)最大可信地震(MCE，Maximum Credible Earthquake)。MCE是基于历史地震和区域地质条件，在工程场址处可能产生的最大的地震动事件，MCE计算基于确定性的地震分析(DSHA)。

(2)最大设计地震(MDE，Maximum Design Earthquake)。MDE的重现期采用10 000年，对于允许有小的或者有限损坏的大坝，其重现期可以较短，MDE的地震动系数的确定是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(3)安全评价地震(SEE， Safety Evaluation Earthquake)。SEE是大坝不会出现水库无法控制的下泄所必须抵抗的地震动，也是大坝及安全相关构件的安全评估和抗震设计的决定性地震动。对于重要的大坝，SEE可采用MCE或MDE。

(4)设计基准地震(DBE，Design Basis Earthquake)。DBE是附属结构参照的设计地震，采用475年的地震重现期，DBE地震动参数计算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(5)运行基准地震(OBE，Operating Basis Earthquake)。OBE是大坝生命周期中不发生损坏或者功能丧失的设计地震，采用145年的重现期，OBE地震动参数计算是基于概率性的地震分析(PSHA)。

(6)水库诱发地震(RTE，Reservoir-Triggered Earthquake)。RTE是由水库蓄水、水位下降等所引起的，在坝址位置的最大地震动。

(7)施工地震(CE，Construction Earthquake)。CE是临时建筑物(如围堰)等的设计地震，其计算应考虑临时建筑物的服务期。

(8)附属建筑物设计地震(DEAS，Design Earthquake for Appurtenant Structures)。DEAS是不控制大坝安全的附属建筑物(如取水口、压力管道、厂房、地下洞室等)的设计地震，常采用475年的重现期。

1.2 国际大坝委员会(ICOLD)水工建筑物抗震设防水准

(1)国际大坝委员会(ICOLD)1988年发布的72号公告相关规定。在国际大坝委员会(ICOLD)于1988年发布的72号公告《大坝地震动参数选择导则(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-1989》[2]中提出，大坝按照OBE和MDE两级设防的理念，其设防水准和性能目标要求如下：

①在OBE作用下，大坝不容许发生影响大坝和水库运行的结构性损坏(如裂缝、变形、泄露等)，但是容许发生可修复的损坏；与大坝安全相关的结构及设备(如溢洪道、坝身孔口及闸门系统等)必须完全可以使用，不允许发生扭曲变形等。

②在MDE作用下，大坝允许发生结构性的损坏(如裂缝、变形、泄露等)，但必须确保大坝的稳定性，大坝不会发生大量不可控制的水体下泄的情况；与大坝安全相关的结构及设备(如溢洪道、坝身孔口及闸门系统等)，允许发生少量的扭曲变形，但必须确保其基本功能。

(2)国际大坝委员会(ICOLD)2010年发布的72号修订公告相关规定。在国际大坝委员会(ICOLD)于2010年发布的72号修订公告《大坝地震动参数选择导则(Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Large Dams-2010)》[3]中，引入SEE取代了1988年发布的72号公告中的MDE，采用了OBE和SEE两级设防，OBE和SEE设防水准和性能目标要求与1988年发布的72号公告中的OBE和MDE基本一致，各设防水准地震重现期如表1所示。

表1 国际大坝委员会水工建筑物抗震设防水准及相应的地震重现期

1.3 部分国家水工建筑物抗震设防水准

根据文献[5-12]，部分国家水工建筑物设防水准及相应的地震重现期如表2所示。

表2 部分国家水工建筑物抗震设防水准及相应的地震重现期

1.4 中国水工建筑物抗震设防水准

我国建筑工程界常采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三级抗震设防水准[12]，但我国水工建筑物通常只要求复核能否满足“中震可修”的性能目标要求，即对于一般的水工建筑物(抗震设防类别丙、丁类)通常采用“设计地震”(475年重现期，相当于中震)单级设防，其性能目标要求为允许产生可修复的局部破坏[13-14]，这与国际大坝委员会(ICOLD)对于OBE性能目标是一致的；对于重要的水工建筑物(抗震设防类别甲类的1级壅、泄水建筑物，及抗震设防类别乙类的1级非壅水建筑物)，“设计地震”的重现期还分别提高至4 950年和1 000年；对于特别重要的水工建筑物(抗震设防类别甲类)，除“设计地震”外，还要求论证最大可信地震(MCE)时不发生库水失控下泄灾变(即“大震不倒”)的安全裕度。我国水工建筑物抗震设防水准及相应的地震重现期如表3所示。

1.5 中外水工建筑物抗震设防水准主要差异

综合以上比较分析，中外水工建筑物抗震设防水准主要差异在于：

(1)对于设防水准，除加拿大、英国、瑞士等国家外，国外水工建筑物抗震设防水准大多参考国际大坝委员会(ICOLD)的要求，采用OBE和SEE(或MDE)两级设防；而我国一般水工建筑物(抗震设防类别乙、丙、丁类)通常采用“设计地震”单级设防，仅对特别重要的水工建筑物(抗震设防类别甲类)采用“设计地震”和“校核地震”两级设防。

表3 我国水工建筑物抗震设防水准及相应的地震重现期

(2)对“允许产生可修复的局部破坏”这一性能目标要求，国际大坝委员会(ICOLD)及部分国家采用的OBE进行控制，其重现期仅为145年；而我国采用“设计地震”进行控制，重现期为475年、1 000年和4 950年。说明在这一性能目标要求上，我国水工建筑物抗震设防水准是高于国外抗震设防水准的。

(3)对“不发生库水失控下泄灾变”这一性能目标要求，国际大坝委员会(ICOLD)及部分国家采用SEE(或MDE)进行控制，并且根据水工建筑物重要性、地震活动性等进行分级，采用不同的地震重现期；而我国仅对特别重要的水工建筑物(抗震设防类别甲类)有此要求，对于抗震设防类别乙、丙、丁类的水工建筑物不作要求。

2 水工建筑物抗震设计计算的差异

在国际水电工程界，美国陆军工程师兵团设计标准应用最为广泛。由此，本章主要比较中国标准和美国陆军工程师兵团标准在水工建筑物抗震设计计算方面的部分差异。

2.1 水平地震惯性力计算公式差异

(1)美国陆军工程师兵团水工建筑物地震惯性力计算公式。根据文献[15]，美国陆军工程师兵团所采用的水平地震惯性力计算公式如式1所示：

Pex=Wα

(1)

式中Pex——为水平地震惯性力；

W——为大坝重力；

α——为地震系数。

(2)我国水工建筑物地震惯性力计算公式。根据文献[14]，中国标准所采用的水平地震惯性力计算公式如式2所示：

Ei=αhζGEiαi/g

(2)

式中Ei——为作用在质点i的水平地震惯性力；

αh——为水平向设计地震加速度代表值；

ζ——为地震作用的效应折减系数，除另有规定外，应取0.25；

GEi——为重力作用标准值；

αi——为质点i地震惯性力的动态分布系数，对于建筑物一般取1～3。

g——为重力加速度。

(3)主要差异。比较公式(1)、(2)可知，中、美水工建筑物水平地震惯性力计算公式主要差异在于：

①公式(2)较公式(1)增加了地震作用的效应折减系数ζ，该系数主要用于弥合与传统拟静力方法相应的设计地震动加速度值与实际地震加速度值的差异[16]。

②公式(2)较公式(1)增加了地震惯性力动态分布系数αi，该系数主要反映地震惯性力沿结构高程的分布；对于主要水工建筑物(如土石坝、重力坝、拱坝、水闸、取水口等)，按公式(2)计算出的水平地震惯性力大致相当于按公式(1)计算值的25%～75%。

2.2 重力坝抗滑稳定计算(地震工况)的差异

(1)美国陆军工程师兵团重力坝抗滑稳定性计算(地震工况)的相关规定：根据文献[15]，美国陆军工程师兵团重力坝抗滑稳定(包括沿基底抗滑稳定和深层抗滑稳定)的计算工况和安全系数控制值如图4所示。

表4 美国陆军工程师兵团重力坝抗滑稳定性计算工况及安全系数控制值(地震工况)

(2)我国重力坝抗滑稳定性计算(地震工况)的相关规定：根据文献[17-18]，我国重力坝抗滑稳定的计算工况和安全系数控制值见表5，其中安全系数控制值为承载能力极限状态分项系数表达式中各分项系数的换算值。

表5 我国标准重力坝抗滑稳定性计算工况及安全系数控制值(地震工况)

(3)主要差异。比较表4和表5可知，中、美重力坝抗滑稳定计算(地震工况)主要差异在于：

①美国陆军工程师兵团重力坝抗滑稳定计算需要复核“正常蓄水+OBE地震”“正常蓄水+SEE地震”和“施工完建+OBE地震”三种地震工况，我国标准仅需复核“正常蓄水+设计地震”工况。

②对重力抗滑稳定安全系数控制值，美国陆军工程师兵团对于所有规模的重力坝均采用同一控制值，我国标准则根据重力坝的结构安全级别分级设置控制值，并且我国标准地震工况下稳定安全系数的控制值要大于美国陆军工程师兵团的控制值。

2.3 大坝混凝土动态强度差异

(1)美国陆军工程师兵团大坝混凝土动态强度的相关规定：根据文献[15]，在做重力坝地震分析时，混凝土的压应力通常不起控制作用，混凝土抗拉强度则可取静态抗拉强度的1.5倍。

(2)我国大坝混凝土动态强度的相关规定：根据文献[14]，对不进行专门的试验确定其混凝土材料动态性能的大体积水工混凝土建筑物，其混凝土动态强度的标准值可较静态标准值提高20%，其动态弹性模量标准值可较其静态标准值提高50%。

(3)主要差异。中美标准在大坝混凝土动态抗拉强度差异较大，美国陆军工程师兵团规定大坝混凝土动态抗拉强度可较静态值提高50%，而我国标准的提高幅度为20%。

3 单级抗震设防的水工建筑物在“5·12汶川地震”中的表现

正如本文第2章所论述，我国抗震设防类别乙(2级雍水建筑物)、丙、丁类的水工建筑物仅采用相当于中震水平“设计地震”单级设防，未再按国际大坝委员会(ICOLD)和国外通常的做法复核建筑物在SEE(或MDE)状况下的稳定性。那么，上述采用中震设防的水工建筑物在遭遇大震时表现如何呢？

本章以“5·12汶川地震”中岷江流域距震中最近的7座水电站为例，分析其挡、泄水建筑物在大震中的表现，试图以此来说明采用中震水平的“设计地震”单级设防的水工建筑物在遭遇大震时能否满足“大震不倒”的性能目标要求。根据文献[19-29]，汶川8.0级地震中岷江流域距震中最近的7座水电站挡、泄水建筑物抗震设防水准及震损情况如表6所示。

表6 “5·12汶川地震”岷江流域部分水电站震损情况

由表6可知：

(1)在汶川8.0级地震中，设计基本烈度仅为Ⅶ～Ⅷ的7座大坝在遭遇Ⅸ～Ⅺ大震时无一溃决，挡、泄水建筑物主体结构受损轻微，表现优异，说明我国对抗震设防类别乙(2级雍水建筑物)、丙、丁类的水工建筑物采用“设计地震”单级设防的设防水准是可靠的，能够满足“大震不倒”的性能目标要求。

(2)通过上述水电站泄水建筑物震损情况来看，多座水电站存在因闸门变形、缺乏备用电源等原因导致闸门无法开启，进而造成库水漫顶的情况，说明仅采用“中震可修”单级设防水准的水工闸门在遭遇大震时的可靠性稍显不足，有必要提高设防水准或增加备用设施以满足震后库水下泄的要求。

4 结论及建议

(1)国外水工建筑物大多采用OBE和SEE(或MDE)两级设防，我国对一般的水工建筑物(抗震设防类别乙、丙、丁类)采用“设计地震”单级设防，仅对特别重要的水工建筑物(抗震设防类别甲类)采用“设计地震”和“校核地震”两级设防。

(2)我国“设计地震”与国外OBE的性能目标要求均为“允许产生可修复的局部破坏”，但我国“设计地震”的设防标准(重现期475年、1 000年和4 950年)要高于国外OBE的设防水准(重现期145年)。

(3)我国水工建筑物抗震设计在水平地震惯性力计算、重力坝抗滑稳定计算、大坝混凝土动态性能等与美国陆军工程师兵团标准存在差异，在参与类似工作时要引起注意。

(4)岷江流域距震中最近的7座大坝在“5·12汶川地震”中的优异表现说明，对于抗震设防类别乙(2级雍水建筑物)、丙、丁类的水工建筑物，尽管没有进行SEE、MDE或“校核地震”复核，仍然能够满足“大震不倒”的性能要求；仅按相当于“中震可修”单级设防的水工闸门在遭遇大震时可靠性稍显不足，有必要提高设防水准或增加备用设施以满足震后库水下泄的要求。

(5)在参与国际水电工程时，在满足项目所在国法律要求、合同要求、咨询(监理)工程师要求的同时，应按照确保工程安全、节约工程投资的原则，选取合适的水工建筑物抗震设计标准。