2.2 采用两级地震设防标准 以美国为代表的一些国家,采用两级地震设防标准。这也是目前许多国家坝工抗震设计中的一种趋势。美国垦务局在1970年以前,大坝设计地震加速度采用0.1g,1974年以后提出设计基准地震DBE与最大可信地震MCE两级设防的概念。美国大坝委员会1985年起草并经国际大坝委员会1989年公布的《大坝地震系数选择导则》,明确了使用安全运行地震动OBE与最大设计地震动MDE两级设防的地震动参数选择原则。按照这一准则,在安全运行地震OBE作用时,大坝应能保持运行功能,所受震害易于修复。故一般可进行弹性分析,并采用容许应力准则。在最大设计地震MDE作用时,要求大坝至少能保持蓄水能力。这表示可容许大坝出现裂缝,但不影响坝的整体稳定,不发生溃坝。同时,大坝的泄洪设备可以正常工作,震后能放空水库。OBE一般选为100年内超越概率50%(重现期145年)的地震动水平,以Housner为首的美国大坝安全委员会则建议DBE的重现期为200年,经过经济上合理性的论证时,还可适当延长。关于MDE的概率水准或重现期,没有作明确规定。值得注意的是MDE的决定一般都和大坝的失事后果相联系,只对特别重要的坝,才令MDE等于MCE。确定MCE,一般有确定性方法(地质构造法)和概率法等两种方法,国际大坝委员会的导则认为,就目前的认识水平而言,不可能明确规定必须采用哪种方法。建议同时采用两种方法,并应用工程经验进行判断。
采用两级设防水准有待解决的问题是MDE作用时,如何检验大坝的安全性。目前还没有取得共同的认识,但是近年来已受到许多国家的关注,并且已有了一定的进展。这方面有代表性的是加拿大大坝安全委员会1995年制定的《大坝安全导则》,将大坝按其失事后果区分为4类:①非常小 无伤亡,除大坝本身外,无经济损失;②小 无预期伤亡,中等损失;③高 若干伤亡,较大损失;④很高 大量人员伤亡,很高震害损失。最大设计地震MDE的年超越概率AEF按大坝失事后果确定:①失事后果小的坝:1/100<AEF<1/1000;②失事后果高的坝:1/1000<AEF<1/10000;③失事后果很高的坝:AEF=1/10000.加拿大的BC Hydro公司又将上述准则进一步具体化,按极端情况下的生命损失(LOL)以及社会经济、财政和环境损失(SFE)的金额来区分失事后果的大小:①非常小:LOL<0.01,SFE<10万加元;②小:0.01<LOL<1,10万加元<SFE<1000万加元;③高,1<LOL<100,1000万加元<SFE<10亿加元;④很高:100<LOL<10000,10亿加元<SFE<1000亿加元;⑤特殊高:LOL>10 000,SFE>1000亿加元。关于MDE的年超越概率,正在进一步制订便于操作的准则,但尚未获得最终结果。关于安全评价方法,他们也在研究,认为计算应力只是一个中间步骤,希望确定坝的地震失效模式,了解开裂后坝的动力特性。
欧洲许多国家大都参照国际大坝委员会制定的准则进行考虑。例如,法国按近1000年内发生的最大区域地震在最不利位置处发生时确定MCE,而DBE则按大坝运行期内可能发生一次的地震规模确定。意大利基本上以国际大坝委员会的准则为基础。南斯拉夫大坝MDE的重现期选为1000至10000年,按失事后果确定。瑞士重要大坝的安全评价按MCE考虑,小坝参照房屋建筑的要求考虑。瑞士电力工程服务公司为伊朗若干拱坝(坝高100m左右)进行的抗震设计,MCE的平均重现期定为2000年左右。其地震加速度值约为DBE的两倍。MCE作用时容许大坝开裂,要求检验被裂缝分割的坝体的动态稳定。假设强震时拱坝的结构缝、水平施工缝以及坝基接触面上裂缝均张开,按各坝块为刚体的假设分析裂后坝的稳定性,要求各坝块的相对变形和转动不使坝丧失稳定,不发生坝块坠落。按照他们的经验,设计良好的拱坝,坝的剖面基本上由DBE工况确定。此外,我国台湾按失事的危险性将大坝分为3类,1类MDE=MCE;2类DBE<MDE<MCE;3类OBE<MDE<DBE.其中DBE的重现期为100年,OBE的重现期为25年。
2.3 我国现行规范标准[10] 我国现行的水工建筑物抗震设计规范标准虽然采用了极限状态的计算公式,实质上仍然是以弹性分析为主的容许应力标准,按计算出的最大拉应力来控制坝的安全性。采用一级设防标准,选择的设计地震加速度,对基本烈度(50年超越概率10%,重现期475年)为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度区的场地,分别取为0.1g,0.2g和0.4g.只是对设计烈度小于8度,坝高小于70m的2级或3级的混凝土重力坝和拱坝,容许采用拟静力法分析,引入地震作用效应折减系数ξ=0.25.但对重要大坝,则需将设计地震加速度的水准提高到100年超越概率2%(重现期4950年).地震作用采用反应谱法进行弹性分析,适当提高结构的阻尼比(拱坝3%-5%),材料强度取值也适当提高,混凝土动态强度较静态强度提高30%,动态抗拉强度取为动态抗压强度的10%.计入结构重要性系数,设计状况系数,结构系数和材料分项系数影响后,混凝土的抗拉强度设计值约为材料抗压强度标准值的0.132倍。