关于水工建筑物抗震设计的几点思考

关于水工建筑物抗震设计的几点思考朱伯芳1第一部分：水工抗震设计安全系数的选取第二部分：混凝土坝耐强烈地震而不垮的机理第三部分：抗震设计中混凝土动态弹模的合理取值及其影响2第一部分：水工抗震设计安全系数的选取

1.可靠度理论2.单项安全系数法与多项安全系数法3.土石坝和水闸采用多项系数法的困难4.单项安全系数法便于对比、分析5.折减系数ζ=0.25的启示31.可靠度理论由于样本太少，问题复杂，可靠理论应用于坝工设计，意义不大4坝体应力：强度：状态函数：平均值：均方差：

失效：5

失效概率为

φ(·)为标准化正态分布函数；β为可靠度指标

6、分别为f和的变异系数为强度f的分项系数为应力的分项系数式（2）可改写如下

移项整理后，得到表达式式（3）与式（1）是等价的式（3）是用可靠度理论的基本方程7

设计的精度取决于应力σ和强度f的精度:第一，是否有足够的样本来决定应力和强度的概率分布、平均值和变异系数；第二，应力计算方法是否有足够的精度，使计算的应力比较符合实际。8混凝土抗压强度实际抗压强度90d龄期抗压强度试件形状、试件尺寸及湿筛影响系数为龄期系数最大应力的龄期与90d龄期强度的比值加荷速率影响系数只有试验资料较多其他3个参数，资料都很少，不具备统计意义9（1）拱坝应力-自重应力-坝体表面的水荷载应力-运行期坝体平均温度和等效线性温差应力-地震应力-施工期温度残留应力-非线性温差应力-运行期温度场边界条件的变化（上游水位变化）引起的应力-库区水荷载通过基础变形引起的应力（2）设计中，只考虑了式（6）前4项，忽略了后面4项（3）前4项中计算应力与实际应力有相当的差别，可靠度理论并不能解决，只有改进计算方法才能解决10抗滑稳定T—滑动力，N—轴向压力，A—面积。基岩构造面的的试验资料太太少，难以用来决定定其统计分布布和统计参数数遇到复杂问题题时，“拍脑脑袋”把抗剪剪参数定下来来11混凝土坝：（1）抗滑样本太太少（2）实际应力与与计算应力有有差别，非可可靠度理论所所能解决。结论：可靠度度理论应用于于混凝土坝设设计，实际意意义不大。笔者并不反对对利用概率论论对某些问题题进行分析，，但要认识到到混凝土坝设设计问题的复复杂性及概率率论的局限性性。桥梁可用，房房屋有争论。。122.单项安全系数数法与多项安安全系数法形形式不同而而本质相近水工结构的安安全系数本质质上是经验系系数两种方法最终终结果必然相相近13《混凝土拱坝设设计规范》（DL/5346-2006）为结结构构重重要要性性系系数数，，=1.1、1.0、0.9；为设设计计状状态态系系数数，，=1.0、0.95、0.85为结结构构系系数数，，取取1.2；为摩摩擦擦系系数数的的分分项项系系数数，，取取2.4；为粘粘聚聚力力c的分分项项系系数数，，取取3.0。14电力力行行业业《混凝凝土土拱拱坝坝设设计计规规范范》水利利行行业业《混凝凝土土拱拱坝坝设设计计规规范范》今改改用用下下式式与式式（（7）比比较较，，可可知知15表3《水利利拱拱坝坝规规范范》粘聚聚力力打打8折安安全全系系数数K表2《《水利利拱拱坝坝规规范范》抗剪剪断断安安全全系系数数K表1《《电力力拱拱坝坝规规范范》换算算的的抗抗剪剪断断安安全全系系数数K计算公式荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（7）（粘聚力×1.0）大坝级别ⅠⅡⅢ3.503.253.003.002.752.50计算公式设计状态持久状态短暂状态偶然状态剪摩式（6）安全级别ⅠⅡⅢ3.172.882.593.012.742.462.692.452.20计算公式荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（8）（粘聚力×0.9）大坝级别ⅠⅡⅢ3.152.922.702.702.472.2516《拱坝坝水水规规》与《拱坝坝电电规规》抗剪剪计计算算公公式式虽虽然然差差别别很很大大，，但但实实际际蕴蕴含含的的安安全全系系数数基基本本相相同同。。换句句话话说说，，两两本本规规范范安安全全评评估估方方法法在在形形式式上上差差别别很很大大，，但但实实质质相相近近。。惟一一差差别别是是，，单单一一安安全全系系数数法法不不能能同同时时考考虑虑f和c的不不同同特特性性，，而而多多项项系系数数法法由由于于采采用用不不同同的的材材料料分分项项系系数数可可以以考考虑虑f和c的差差别别，，现现在在采采用用笔笔者者方方法法，，在在抗抗剪剪断断公公式式中中引引入入粘粘聚聚力力折折减减系系数数s，单单一一安安全全系系数数法法同同样样可可以以考考虑虑f和c的差差别别。。因因此此，，单单一一安安全全系系数数的的功功能能与与多多项项安安全全系系数数的的功功能能相相同同，，单单项项安安全全系系数数法法形形式式简简单单。。173.土石石坝坝和和水水闸闸抗抗滑滑稳稳定定安安全全系系数数采采用用多多项项系系数数法法的的困困难难表4土石石坝坝和和水水闸闸遭遭遇遇地地震震时时最最小小抗抗滑滑稳稳定定安安全全系系数数设计规范工程等级ⅠⅡⅢ土石坝设计规范[3]水闸设计规范[4]水工建筑物抗震老规范[5]1.101.101.101.051.051.051.051.051.0518Ⅰ级建建筑筑物物K=1.10到Ⅱ、Ⅲ级建建筑筑物物K=1.05，其其变变幅幅只只有有5％.对于于Ⅰ级建建筑筑物物,=1.10,为了了=1.10,只有有取取=1.0,在此此，，统统计计理理论论已已毫毫无无用用武武之之地地.对于于Ⅲ级建建筑筑物物,=0.90,=1.0，K==0.9，安安全全系系数数＜＜1.0，是是不不妥妥。。电力力行行业业《碾压压式式土土石石坝坝设设计计规规范范》DL/T5395-2007在坝坝体体抗抗滑滑稳稳定定计计算算中中不不采采用用多多项项安安全全系系数数法法而而采采用用单单一一安安全全系系数数法法是是明明智智的的[16].194.单一一安安全全系系数数法法便便于于不不同同工工程程、、不不同同方方案案的的分分析析比比较较两种种评评估估方方法法，，表表现现形形式式不不同同，，而而实实质质相相近近，，但但表表现现形形式式也也是是重重要要的的，，因因为为它它影影响响到到对对不不同同工工程程、、不不同同方方案案的的分分析析与与比比较较。。表5某特特高高拱拱坝坝抗抗滑滑稳稳定定分分析析成成果果（（偶偶然然组组合合））高程（m）作用效应与抗力（要求前者≤后者）抗剪断安全系数K（要求K≥2.70）935…7553334/6443……8769/79025.20…2.42205．折减减系数数ζ=0.25的启示示(1)质点的的水平平向地地震惯惯性力力--水平向向设计计地震震加速速度，，--折减系系数，，--i点重量量，--点的动动态分分布系系数，，g--重力加加速度度.(2)ⅨⅨ度地震震,1960年前，，=0.1g,=1.01960年后，，工业业民用用建筑筑物抗抗震设设计中中取=0.40g水工建建筑物物，=0.40g，=0.2521（1）按设设防的的水坝坝，Ⅷ、Ⅸ度地震震无严严重损损害。。（2）Ⅸ度地震震时，，与工工业民民用建建筑一一致。。（3）计算算地震震荷载载时乘乘以，，回回到了了（4）系数数从从1.0变到0.25，一步步相差差4倍，表表明水水工建建筑物物抗震震设计计的精精度不不是很很高。。（5）多项项系数数法把把公式式搞得得很复复杂，，并无无实质质意义义226.小结（1））由于于样本本太少少，问问题复复杂，，可可靠度度理论论应用用于坝坝工设计，，意义义不大大。（2））单项项安全全系数数法和和多项项系数数法，，形形式不不同，，本质质相近近。（3））单项项安全全系数数法形形式简简单，，便于于分析析比较较。（4））土石石坝和和水闸闸抗滑滑稳定定安全全系数数k=1.10～1.05,多项项系数数法无无法应应用。。23第二部部分混混凝凝土坝坝耐强强烈地地震而而不垮垮的机机理24汶川大大地震震伤亡、、失踪踪87000人房屋、、桥梁梁大大量量破坏坏水坝2380座无一垮垮坝为什么么？25石冈重重力坝坝图4石冈重重力坝坝（单单位：：m）26图5石冈重重力坝坝破坏坏情况况27图6雾社重重力坝坝(单位：：m)H=114m28图7谷关拱拱坝(单位：：m)H=85.1m29图8德基拱拱坝(单位：：m)H=181m30坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害新丰江中1959大头坝1051962.3.191.16.18坝体上部断面突变处产生水平裂缝西菲罗伊朗1967大头坝1061990.6327.3-7.7断面突变处水平裂缝，缝宽1cm，向下游错动2cm柯印纳印1963重力坝1031967.12.103.06.3坝内廊道水平0.51g,竖向0.36g坝体断面突变处水平裂缝宝珠寺中重力坝1322008.5.128.07无损害雾社中1959重力坝1141999.9.217.3坝顶1.02g坝底0.28g无重大损害表1国内外外已建建混凝凝土坝坝震害害简表表31坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害石冈中1977重力坝21.41999.9.217.3水平0.57g竖向0.48g活断层穿过坝轴线处，三个坝段被毁，断层两边坝体错动7.6m，其余坝段完好沙牌中2005拱坝1322008.5.12308.09损害轻微谷关中1961拱坝85.11999.9.21517.3水平0.4g坝体老裂缝扩展，也产生了一些新裂缝德基中1974拱坝1811999.9.217.3水平0.4~0.5g坝基渗水增加，渗出清水帕柯依马美1928拱坝1131971.2.96.46.6水平1.25g竖直0.7g损害较大，推力墩与坝体间接缝张开，推力墩本身裂开并略有移动，左坝肩岩体大面积坍塌表1国内外外已建建混凝凝土坝坝震害害简表表32坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害大吐君盖美1932拱坝771971.2.9326.6渗漏增大勃拉希溪美1970拱坝6519736.6渗漏增大吉勃拉塔美1920拱坝501925.6.256.37渗漏增大拉比美1938拱坝761947.11.137无损伤巴洛沙澳1902拱坝361954.3.15.5坝体有裂缝拉贝尔智利1968拱坝1121985.3.3807.78顺河0.31横河0.114g坝顶裂缝卡勃里尔葡1954拱坝1361969.2.2886无损伤奥迪克塞拉葡1958拱坝411969.2.2887渗漏增大帕特·多夫纳罗1971拱坝1081977.3.46无损伤维德·阿吉斯罗1965拱坝1671977.6.47.5无损伤西里斯南非1953拱坝241969.9.296.46.6开裂，漏水表1国内外外已建建混凝凝土坝坝震害害简表表33图3结构荷荷载Q1—平时，，Q2—地震34房屋、、桥梁梁：安安全系系数1.8~2.0混凝土土坝：：安安全全系数数3.0~4.035图4算例，，混凝凝土重重力坝坝3637图5算例2混凝土土拱坝坝（高高程单单位：：m）383940①平时巨巨大水水平推推力②安全系系数大大静荷载载安全全余度度包住住了动动荷载载混凝土土坝耐耐强震震原因因41远离活活断层层是首首要抗抗震措措施活断层层可能能分叉叉躲开并并不容容易应该重重视42第三部部分混混凝凝土坝坝抗震震设计计中混混凝土土动动态弹弹性模模量的的合理理取值值43小湾拱拱坝静态瞬瞬时弹弹模Es=35GPa静态长长期弹弹模Ee=21GPa动态弹弹模Ed=27GPa=1.3EeEd<Es44静荷载载作用用下的的瞬时时弹性性模量量和持持续弹弹性模模量在加载载的瞬瞬时，，产生生的弹弹性应应变为为：（1）E()为瞬时时弹性性模量量随着时时间而而增加加的应应变称称为徐徐变（2）C(t,)称为徐徐变度度总应变变是弹弹性应应变与与徐变变之之和和（3）（4）J(t,)称为徐徐变柔柔量45图1不同龄龄期加加载时时混凝凝土的的徐变变柔量量46徐变柔柔量的的倒数数称为为持续续弹性性模量量（sustainedelasticmodulus）（7）持续弹弹性模模量与与瞬时时弹性性模量量的比比值为为（8）47持续弹弹性模模量与与瞬时时弹性性模量量的比比值荷载加加荷荷龄期期持荷时时间t-自重=0~3年t-=∞水压=1~5年死死水位位以下下，t-=∞死水位位以上上，0~若干年年稳定温温差=0.5~3年t-=∞水压=0~∞t-=1/2年48美国垦务务局建议议通过试试验求瞬瞬时弹性性模量和和持续弹弹性模量量。在缺缺乏试验验资料时时，建议议取瞬时时弹性模模量Es=34.5MPa，持续弹弹性模量量Ee=20.7MPa，re=20.7/34.5=0.60。49混凝土动动态弹性性模量图2应变速率率对混凝凝土抗压压强度及及弹性模模量的影影响50图3Ed/Es与fd/fs的关系51施工期温温度应力力及全过过程仿真真计算（