王正發(fā)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)大壩統(tǒng)計(jì)資料，截至2015年全世界已在ICOLD注冊(cè)的壩高15 m以上的大壩有58 260座，這些壩及其形成的水庫(kù)工程主要承擔(dān)防洪、發(fā)電、灌溉、供水等興利任務(wù)，在各國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的作用[1]。

大壩支撐著各種規(guī)模的水庫(kù)，關(guān)系到壩下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。20世紀(jì)50年代以來(lái)，法國(guó)、意大利、美國(guó)、印度和中國(guó)共有60多座大中型水庫(kù)大壩失事，造成了嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失。造成大壩事故的原因主要有洪水、地震、大壩年久失修、管理不善等。大壩的安全是公共安全問(wèn)題，越來(lái)越受到世界各國(guó)政府、社會(huì)和人民的重視。就大壩安全設(shè)計(jì)角度而言，衡量大壩安全最關(guān)鍵的2個(gè)方面是防洪和抗震。

中國(guó)和美國(guó)已注冊(cè)大壩數(shù)分別是23 842座和9 265座，是世界第一和第二壩工大國(guó)[1]。美國(guó)是目前世界上唯一的超級(jí)大國(guó)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，科技水平高，大壩安全設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，具有完整的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。中國(guó)自1979年以來(lái)的30多年來(lái)實(shí)行改革開(kāi)放政策，經(jīng)濟(jì)取得了令世人屬目的成就，是正在崛起的新興大國(guó)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)進(jìn)入大壩發(fā)展的高峰時(shí)期，成為世界建壩中心，無(wú)論從建壩數(shù)量、建壩規(guī)模和技術(shù)難度來(lái)說(shuō)，中國(guó)都居于世界首位，在大壩安全設(shè)計(jì)方面也積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn) ，形成了比較完整的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。中、美兩國(guó)大壩防洪和抗震安全設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，因此，對(duì)其進(jìn)行比較研究，有助于我們深入理解大壩安全設(shè)計(jì)理念的內(nèi)涵，對(duì)完善我國(guó)大壩安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義。

1 中、美大壩防洪安全設(shè)計(jì)理念比較

由于洪水發(fā)生具有隨機(jī)性，受流域特性、氣候條件、洪水資料等的影響，設(shè)計(jì)洪水成果存在很大的不確定性;其次，由于世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，對(duì)防洪安全的要求也不同，各國(guó)現(xiàn)行大壩防洪設(shè)計(jì)規(guī)范采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)頗不統(tǒng)一[2-8]。

中、美大壩防洪安全設(shè)計(jì)均是以大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)予以保證。大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)是指水庫(kù)大壩保證自身防洪安全所必須達(dá)到的防御洪水的標(biāo)準(zhǔn)，反映水庫(kù)大壩自身抵御洪水的能力。

中國(guó)現(xiàn)行的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、DL 5180—2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》和SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定是一致的。GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》是新修訂的,自2015年5月1日實(shí)施。老版GB 50201—1995《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的全部?jī)?nèi)容為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》只有特別重要的部分條文為強(qiáng)制性條文，相比較而言，新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的強(qiáng)制性范圍縮小了。隨著新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，DL 5180—2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》和SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》正在進(jìn)行修訂。

中國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)以防御的洪水或潮水的重現(xiàn)期表示；對(duì)于特別重要的大壩,可采用可能最大洪水表示。防洪標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)防護(hù)對(duì)象的不同需要，采用設(shè)計(jì)一級(jí)或設(shè)計(jì)、校核2級(jí)。

設(shè)計(jì)洪水成果是大壩防洪安全的最終體現(xiàn)。在工程設(shè)計(jì)中，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)通常采用設(shè)計(jì)、校核2級(jí)，相應(yīng)的洪水分別稱(chēng)為設(shè)計(jì)洪水和校核洪水。設(shè)計(jì)洪水是指給定設(shè)計(jì)頻率p(%)的洪水，包括設(shè)計(jì)洪峰流量、設(shè)計(jì)洪量及設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，p(%)是年超越概率，與重現(xiàn)期T(年)互為倒數(shù)；校核洪水是指給定設(shè)計(jì)頻率p(%)的洪水或可能最大洪水。

中國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定是按其工程規(guī)模、總庫(kù)容、裝機(jī)容量、效益和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性先劃分工程等別，再根據(jù)工程等別按永久或臨時(shí)水工建筑物在工程中的重要性確定其級(jí)別，同時(shí)考慮壩型、壩高、工程地質(zhì)條件以及工程失事后對(duì)下游危害等因素判定其級(jí)別是否提高一級(jí)或降低一級(jí)，最后以水工建筑物的級(jí)別和筑壩材料的類(lèi)型(土石壩或混凝土壩、漿砌石壩)按山區(qū)、丘陵區(qū)和平原、濱海區(qū)分別確定水庫(kù)工程建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)。這種先分等別再根據(jù)工程等別分級(jí)的做法已在中國(guó)沿用了幾十年，證明在工程實(shí)踐中是切實(shí)可行的。

中國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)制定體現(xiàn)了以下理念：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是指當(dāng)發(fā)生小于或等于該標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，應(yīng)保證大壩的安全或防洪設(shè)施的正常運(yùn)行；校核標(biāo)準(zhǔn)是指遇該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的洪水時(shí)，采取非常運(yùn)用措施，在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護(hù)對(duì)象受到一定的損失。對(duì)于失事后果嚴(yán)重的重要工程，人們都認(rèn)為是不能失事的，自古以來(lái)就有“萬(wàn)無(wú)一失”的說(shuō)法，要做到“萬(wàn)無(wú)一失”，其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于萬(wàn)年一遇。因此，從中國(guó)歷次防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化過(guò)程來(lái)看，水利水電工程的最高防洪標(biāo)準(zhǔn)定為10 000年一遇或可能最大洪水(PMF)，即把PMF與萬(wàn)年一遇洪水并列，反映了人們對(duì)防洪安全的合理需求。

美國(guó)現(xiàn)行的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)體系由聯(lián)邦政府、各州政府和著名的機(jī)構(gòu)如陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)、墾務(wù)局(USBR)、大壩委員會(huì)等頒布的指南所組成，沒(méi)有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)而言，1979年USACE建議的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)、2004年聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)頒布的大壩防洪安全規(guī)范(聯(lián)邦設(shè)計(jì)規(guī)范7509.11_0_code——美國(guó)聯(lián)邦建議的溢洪道設(shè)計(jì)洪水)具有一定的代表性。USACE建議的防洪標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1～3；FEMA建議的防洪標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表1 規(guī)模類(lèi)別表

美國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)以防御的頻率洪水(只用到100年一遇)或50%PMF或PMF表示。防洪標(biāo)準(zhǔn)采用設(shè)計(jì)一級(jí)。

美國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)壩失事后對(duì)其下游的潛在災(zāi)害的大小和壩的規(guī)模(3級(jí)或4級(jí))來(lái)選定。

表2 潛在災(zāi)害類(lèi)別表

表3 建議的安全標(biāo)準(zhǔn)表

表4 FEMA建議的溢洪道設(shè)計(jì)洪水表

美國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)制定體現(xiàn)了以下理念：當(dāng)發(fā)生小于或等于防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水(設(shè)計(jì)洪水)時(shí)，應(yīng)保證大壩的安全或防洪設(shè)施的正常運(yùn)行；當(dāng)發(fā)生大于防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護(hù)對(duì)象受到一定的損失。

從中、美大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化過(guò)程看，制定防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)均遵循了以下原則：以工程失事后對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的影響大小為依據(jù)，影響較大的工程承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)小一點(diǎn)，反之則可大一些，不顧經(jīng)濟(jì)代價(jià)，片面提高防洪標(biāo)準(zhǔn)和安全性是不合適的。

世界上沒(méi)有絕對(duì)安全的大壩，大壩均存在失事的風(fēng)險(xiǎn)，差別僅僅是失事的風(fēng)險(xiǎn)大小而已。傳統(tǒng)的大壩防洪安全分析認(rèn)為漫壩風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自超標(biāo)洪水。大壩在整個(gè)運(yùn)行期間抗御洪水的安全度取決于設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期T洪水(a)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期N(a)，中、美現(xiàn)行大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全度為:

(1)

或

R(防洪，N)=1

(2)

式中：p(年、洪水)是年超越概率，%。

2 中、美大壩抗震安全設(shè)計(jì)理念比較

由于地震發(fā)生的不確定性，以及所取得的強(qiáng)震記錄仍屬有限，各國(guó)現(xiàn)行大壩抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)頗不統(tǒng)一[9-14]。

中、美大壩抗震安全設(shè)計(jì)均是以大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)予以保證。大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指水庫(kù)大壩保證自身抗震安全所必須達(dá)到的抗御地震破壞的標(biāo)準(zhǔn)，反映水庫(kù)大壩自身抗御地震破壞的能力。

中國(guó)現(xiàn)行的大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)主要有DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。前者是水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后者是水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定是一致的，均是強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)抗御的地震烈度的超越概率表示，采用一級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

大壩抗震設(shè)防類(lèi)別應(yīng)根據(jù)大壩的重要性和工程場(chǎng)地基本烈度確定?；玖叶仁侵?0 a期限內(nèi)一般場(chǎng)地條件下可能遭遇超越概率P50為0.10的地震烈度。一般為《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖(1990)》上所標(biāo)示的地震烈度值，對(duì)重大工程應(yīng)通過(guò)專(zhuān)門(mén)的場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作確定。設(shè)計(jì)烈度是在基本烈度基礎(chǔ)上確定的作為工程設(shè)防依據(jù)的地震烈度。大壩抗震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)烈度一般采用基本烈度；工程抗震設(shè)防類(lèi)別為甲類(lèi)的大壩可根據(jù)其遭受強(qiáng)震影響的危害性在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度作為設(shè)計(jì)烈度；凡按規(guī)范規(guī)定必須作專(zhuān)門(mén)的地震危險(xiǎn)性分析的工程，其設(shè)計(jì)地震加速度代表值的概率水準(zhǔn)，對(duì)壅水建筑物應(yīng)取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率P100為0.02,對(duì)非壅水建筑物應(yīng)取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50 a內(nèi)超越概率P50為0.10；其它特殊情況需要采用高于基本烈度的設(shè)計(jì)烈度時(shí)，應(yīng)經(jīng)主管部門(mén)批準(zhǔn)；施工期的短暫狀況可不與地震作用組合，空庫(kù)時(shí)，如需要考慮地震作用可將設(shè)計(jì)地震加速度代表值減半進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)地震加速度和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜成果是大壩抗震安全的最終體現(xiàn)。中國(guó)大壩設(shè)計(jì)地震加速度須根據(jù)確定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(概率水準(zhǔn))由專(zhuān)門(mén)的地震危險(xiǎn)性分析確定。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別和結(jié)構(gòu)自振周期T按規(guī)范給定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜確定。

中國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是按其工程的重要性和工程場(chǎng)地基本烈度，先確定工程抗震設(shè)防類(lèi)別，再根據(jù)建筑物級(jí)別，按壅水和非壅水確定場(chǎng)地基本烈度，一般采用基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度；同時(shí)，對(duì)于工程抗震設(shè)防類(lèi)別為甲類(lèi)的大壩可根據(jù)其遭受強(qiáng)震影響的危害性在基本烈度基礎(chǔ)上提高度1度作為設(shè)計(jì)烈度。這種先分等別再根據(jù)建筑物級(jí)別的做法已在中國(guó)沿用了幾十年，證明在工程實(shí)踐中是切實(shí)可行的。

中國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用一級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了以下理念：根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的水工建筑物能抗御設(shè)計(jì)烈度地震；如有局部損壞，經(jīng)一般處理后仍可正常運(yùn)行。

美國(guó)現(xiàn)行的大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)體系由聯(lián)邦政府、各州政府和著名的機(jī)構(gòu)如陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)、大壩委員會(huì)等頒布的規(guī)定和指南所組成，沒(méi)有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。 主要有陸軍工程師兵團(tuán)的ER 1110-2-1806《土木工程項(xiàng)目地震設(shè)計(jì)與評(píng)估》(1995)、EP 1110-2-12《碾壓混凝土壩地震設(shè)計(jì)規(guī)定》(1995)、聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)頒布的FEMA 65 《聯(lián)邦大壩安全指南——壩的地震分析與設(shè)計(jì)》(2005)。

美國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也是以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)抗御的地震的超越概率表示，采用兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即運(yùn)行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake，簡(jiǎn)記為 OBE)和最大設(shè)計(jì)地震(Maximum Design Earthquake，簡(jiǎn)記為MDE)或安全評(píng)估地震(Safety Evaluation Earthquake，簡(jiǎn)記為SEE)。對(duì)于特別重要的大壩,其MDE或SEE可采用最大可信地震(Maximum Credible Earthquake,簡(jiǎn)記為MCE)。

OBE，運(yùn)行基準(zhǔn)地震，通俗地理解，相當(dāng)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 是指在工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(或設(shè)計(jì)使用壽命)內(nèi)，在一個(gè)工程場(chǎng)址合理地可預(yù)期發(fā)生的產(chǎn)生地面運(yùn)動(dòng)的地震。OBE的相關(guān)功能要求是大壩在遭遇OBE時(shí)，其功能不受影響，在設(shè)計(jì)工況下能正常安全運(yùn)行。OBE 旨在保護(hù)大壩免受經(jīng)濟(jì)損失或喪失服務(wù)功能。因此，OBE的概率水準(zhǔn)可以基于經(jīng)濟(jì)考慮而選擇。

MDE或SEE，最大設(shè)計(jì)地震或安全評(píng)估地震，通俗地理解，相當(dāng)于校核標(biāo)準(zhǔn)，是指能產(chǎn)生對(duì)待設(shè)計(jì)或評(píng)估的大壩而言的最高級(jí)別地面運(yùn)動(dòng)的地震。MDE或SEE可視情況取為MCE或一個(gè)低于MCE的設(shè)計(jì)地震。在確定MDE或SEE大小時(shí)要考慮的因素是大壩的潛在災(zāi)害類(lèi)別、項(xiàng)目功能(供水、娛樂(lè)、防洪等)的關(guān)鍵性和恢復(fù)運(yùn)行功能需要的時(shí)間。一般情況下，MDE或SEE相關(guān)功能要求是大壩在遭遇MDE或SEE時(shí)，不能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，例如水庫(kù)的不受控制的泄洪，盡管可以容忍重大損害或經(jīng)濟(jì)損失。如果大壩包括一個(gè)關(guān)鍵的供水水庫(kù)，那么預(yù)期的損害應(yīng)限制允許大壩水庫(kù)在一個(gè)可接受的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。MDE是用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)物抗震性能的，通常取對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用的MCE；然而，如大壩失事不會(huì)產(chǎn)生生命損失，且假定產(chǎn)生的成本效益和財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的，那么取一個(gè)較小的地震作為MDE是可以的。

MCE，最大可信地震，是指沿一個(gè)已知斷層或在一個(gè)特定的地震構(gòu)造區(qū)或當(dāng)前的地殼構(gòu)造框架下很有可能發(fā)生的最大地震。由于場(chǎng)址受各種震源產(chǎn)生的地震影響，每一個(gè)地震均有其自身的斷層機(jī)制、最大地震震級(jí)和離場(chǎng)址的距離，因此，一個(gè)工程場(chǎng)址往往有多個(gè)由不同震源產(chǎn)生的MCE,每個(gè)MCE都有其特定的地震動(dòng)參數(shù)和反應(yīng)譜形狀。最終起控制作用的工程場(chǎng)址的MCE由確定性地震災(zāi)害分析法(Deterministic Seismic Hazard Analysis，簡(jiǎn)記為DSHA) 確定，可基于所有已知的區(qū)域的和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和地震資料通過(guò)判斷確定。

設(shè)計(jì)地震動(dòng)特性參數(shù)是大壩抗震安全的最終體現(xiàn)，主要包括地面動(dòng)峰值加速度、場(chǎng)地反應(yīng)譜和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局定期公開(kāi)發(fā)布。

美國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用兩級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了以下理念：當(dāng)大壩遭受OBE的地震作用時(shí)，要求大壩保持正常運(yùn)行功能，所受震害輕微。在遭受最大設(shè)計(jì)地震MDE作用時(shí)，要求大壩至少保持蓄水能力，不發(fā)生潰壩但可容許大壩發(fā)生某種程度甚至嚴(yán)重的震害。

從中、美兩國(guó)大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的變化過(guò)程看，制定抗震標(biāo)準(zhǔn)時(shí)均遵循了以下原則：以工程失事后對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的影響大小為依據(jù)，影響較大的工程承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)小一點(diǎn)，反之則可大一些，不顧經(jīng)濟(jì)代價(jià)，片面提高抗震標(biāo)準(zhǔn)和安全性是不合適的。

現(xiàn)行中、美大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是美國(guó)抗震標(biāo)準(zhǔn)傾向于用以風(fēng)險(xiǎn)分析為基準(zhǔn)的方法來(lái)確定大壩的抗震概率水平。風(fēng)險(xiǎn)分析方法強(qiáng)調(diào)了“潛在破壞模態(tài)分析”的重要性。要求識(shí)別大壩的各種破壞模式，了解破壞發(fā)展進(jìn)程中大壩特性的變化及其發(fā)生機(jī)制，了解超越峰值強(qiáng)度后的材料剩余強(qiáng)度以判定大壩破壞發(fā)展進(jìn)程的快慢程度。在大壩的健康診斷與安全監(jiān)測(cè)中目前已強(qiáng)調(diào) 了“性能指標(biāo)”的內(nèi)容，以便加深對(duì)破壞模態(tài)發(fā)展過(guò)程的了解并及早提出預(yù)警信號(hào)。為此，需要確定性能指標(biāo)所相應(yīng)的安全限值和預(yù)警限值。

大壩抗震安全的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自超標(biāo)地震。大壩在整個(gè)運(yùn)行期間抗御地震的安全度,用超越概率可表示為1-PN；若用設(shè)計(jì)地震的重現(xiàn)期T地震(a)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期N(a)表示，中、美兩國(guó)現(xiàn)行大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的抗震安全度為：

(3)

或

R(抗震，N)=1

(4)

式中：PN是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率，%。

3 中、美大壩防洪和抗震安全設(shè)計(jì)理念比較結(jié)果

中、美大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的概率水平是以年超越概率表示，而抗震標(biāo)準(zhǔn)的概率水平是以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率表示。盡管中、美兩國(guó)大壩防洪和抗震標(biāo)準(zhǔn)的概率水平表示方式不同，但中、美兩國(guó)現(xiàn)行大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全度和大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的抗震安全度的計(jì)算公式是一樣的。年超越概率p年(%)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期N(a)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率PN(%)、重現(xiàn)期T(a)和安全度RN之間的關(guān)系為：

(5)

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期取100(a)和50(a)，項(xiàng)目各頻率防洪安全度成果見(jiàn)表5，項(xiàng)目抗震安全度成果見(jiàn)表6。

表5 項(xiàng)目各頻率的防洪安全度成果表

表6 項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為PN(%)的抗震安全度成果表

根據(jù)概率論，項(xiàng)目在其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，防洪和抗震綜合安全的可靠度應(yīng)為：

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)=(1-p(洪水、年))N×(1-PN)

=(1-p(洪水、年))N×(1-p(地震、年))N

(6)

或

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)

(7)

中、美防洪設(shè)計(jì)中均有可能最大洪水的概念，若從發(fā)生概率來(lái)理解，可能最大洪水應(yīng)是防洪的最高級(jí)別。

中國(guó)大壩抗震設(shè)計(jì)中沒(méi)有最大可信地震的概念；而美國(guó)抗震設(shè)計(jì)中有最大可信地震的概念，若從壩失事的潛在災(zāi)害大小考慮，具有與可能最大洪水相當(dāng)?shù)陌踩饬x。

4 結(jié) 語(yǔ)

中、美大壩防洪和抗震安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)各成體系，均能滿足各自國(guó)家大壩安全設(shè)計(jì)和評(píng)估的需求。中、美大壩防洪設(shè)計(jì)分別采用二級(jí)和一級(jí)，以年超越概率表示；而中、美大壩抗震設(shè)計(jì)分別采用一級(jí)和二級(jí)，以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率表示。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的防洪安全和抗震安全的可靠度計(jì)算公式具有相同的形式。

中、美大壩防洪安全和抗震安全設(shè)計(jì)理念的重大差異是美國(guó)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和抗震標(biāo)準(zhǔn)的確定基本達(dá)到了統(tǒng)一，均是以壩失事后的潛在災(zāi)害類(lèi)別作為重要判據(jù)，重視風(fēng)險(xiǎn)分析。

中、美兩國(guó)對(duì)大壩防洪安全和抗震安全的要求客觀地反映了中、美兩國(guó)綜合國(guó)力的差異，防洪安全

和抗震安全設(shè)計(jì)本質(zhì)上是防洪安全、抗震安全與經(jīng)濟(jì)之間的權(quán)衡，應(yīng)與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相適應(yīng)。防洪和抗震既不能過(guò)度，也不能失度，防洪安全和抗震安全設(shè)計(jì)必須妥善解決好安全與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境之間的矛盾。

參考文獻(xiàn):

[1] 國(guó)際大壩委員會(huì)官網(wǎng)，http://www.icold-cigb.org.

[2] GB50201—2014,防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2014.

[3] GB50201—94,防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,1994.

[4] DL5180—2003,水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)電力出版社,2003.

[5] SL 252—2000,水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2000.

[6] Engineer Regulation No. 1110-8-2 (FR), "Inflow Design Floods for Dams and Reservoirs" [S].Department of the Army,U.S. Army Corps of Engineers,1991.

[7] FEMA 333,"Federal Guidelines for Dam Safety——Hazard Potential Classification System for Dams"[S].U.S. DEPARTMENT OF HOMELAND SECURITY, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, January 2004.

[8] FEMA 94,"Federal Guidelines for Dam Safety——Selecting and Accommodating Inflow Design Floods for Dams"[S]. U.S. DEPARTMENT OF HOMELAND SECURITY, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY ,April 2004.

[9] DL 5073—2000,水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2000.

[10] SL 203—97,水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,1997.

[11] 林皋.大壩抗震安全[D].中國(guó)工程院第三次地下工程與基礎(chǔ)設(shè)施公共安全學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2007.

[12] Engineer Regulation No. 1110-2-1806," Earthquake Design and Evaluation for Civil Works Projects"[S].Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers,31 July 1995.

[13] Engineer Pamphlet No. 1110-2-12," SEISMIC DESIGN PROVISIONS FOR ROLLER COMPACTED CONCRETE DAMS"[S]. Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers,30 September 1995.

[14] FEMA 65," Federal Guidelines for Dam Safety——Earthquake Analyses and Design of Dams "[S]. U.S. DEPARTMENT OF HOMELAND SECURITY, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY ,May 2005.