Martin Wieland

水庫大壩的安全問題和已建大壩的抗震安全性

Martin Wielanda,bCommittee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams, Paris 75116, France

a r t i c l e i n f o

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Received 7 April 2016

Revised form 29 June 2016

Accepted 24 August 2016

Available online 19 September 2016

大壩

抗震設計

地震安全性

已建壩

設計標準

地震災害

可持續(xù)性

使用壽命

對任何蓄水大壩工程的基本性能要求都是安全性，它包括以下安全要素：①結(jié)構(gòu)安全性；②大壩安全監(jiān)控；③運行安全和維護；④應急計劃。長期安全包括：首先，分析影響項目的所有災害，即自然環(huán)境災害、人造環(huán)境災害、特定項目和特定場地災害。本文討論的是大壩地震安全的特點。大壩是自20世紀30年代以來最早開始進行系統(tǒng)性抗震結(jié)構(gòu)設計的建筑物，但由于多數(shù)大壩設計采用的是現(xiàn)今認為已過時的地震設計標準和動態(tài)分析方法，因此無法了解那些老壩的地震安全性。因此，需要基于當前最新做法，重新評估已建壩的地震安全性，并改造有缺陷的大壩。通常建議對大壩進行特定場地的地震危險性分析。當前的大壩以及用于控制強震后水庫安全的設施必須能承受安全評估地震的地面運動。地震動參數(shù)可以利用概率或確定性地震危險性分析確定。強震作用下，大壩可能發(fā)生非彈性變形，因此需要在時域內(nèi)進行地震分析。此外，地震對大壩造成的危害包括地面震動、斷層移動、塊體移動等。工程師所需的地面運動并非實際的地震地面運動，而是地面運動模型，用以進行大壩的抗震安全設計。同時必須牢記，在大壩較長的生命周期內(nèi)，需要進行多次大壩安全評估。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

任何結(jié)構(gòu)或基礎設施的基本性能是安全性。因此，對于蓄水大壩，關注重點必須是大壩的長期安全性?，F(xiàn)今，大壩安全性需要一個整體的概念，包括以下要素：

(1) 結(jié)構(gòu)安全；

(2) 大壩安全監(jiān)控；

(3) 運行安全和維護；

(4) 應急計劃。

大壩的長期安全包括：分析影響項目的所有災害，即自然環(huán)境災害、人造環(huán)境災害、特定項目和特定場地災害。由于現(xiàn)今大壩的結(jié)構(gòu)安全性通常受地震荷載狀況控制，因此，我們主要討論大壩地震安全特性。

對于大壩，通常建議進行特定場地的地震危險性分析，而這些分析是由地震學家進行的。重要的是，大壩工程師作為地震災害分析結(jié)果的最終用戶，清楚規(guī)定了大壩工程所需的地震安全概念，但這是地震學家不熟悉的。當前的大壩和用于控制震后水庫安全的相關設施(如溢洪道閘門和底部泄水孔閘門)必須能夠承受安全評估地震(SEE)工況。SEE地震動參數(shù)可以通過基于概率方法的地震危險性分析，或考慮最不利地震情形的確定性分析方法確定。SEE期間，大壩可能發(fā)生非彈性變形，因此需要在時域內(nèi)進行地震分析。一般情況下，可由地震學家提供反應譜或一致概率反應譜作為其地震災害研究結(jié)果，但是對于大壩的非彈性分析則需要加速度時程。此外，地震對大壩的危害包括：地面震動、斷層移動、塊體移動及其他對特定工程和特定場地的影響。同時也需要考慮水庫觸發(fā)地震活動(RTS)。

大壩工程師所需的地面運動(加速度時間歷程)并非實際的地震地面運動，而是地面運動模型，它將用于大壩安全設計。

同時必須牢記，在大壩較長的生命周期內(nèi)，需進行多次大壩安全評估。

大壩地震分析和設計的最新實踐記錄在國際大壩委員會(ICOLD)針對大壩地震設計編制的技術公報和導則[1–5]中，即

(1) 公報112，新構(gòu)造學與大壩[1]；

(2) 公報120，有效抵抗地震地面運動的大壩設計特點[2]；

(3) 公報123，大壩附屬結(jié)構(gòu)抗震設計和評估[3]；

(4) 公報137，水庫和地震活動狀態(tài)知識[4]；

(5) 公報148，大型壩地震動參數(shù)選擇[5]。

公報112和137分別與建于斷層上的大壩和水庫觸發(fā)地震相關，即大壩地震災害的特點。公報120和121提供在強震期間表現(xiàn)良好的大壩抗震設計概念和抗震設計結(jié)構(gòu)特點的相關導則。公報148提供大壩、相關安全設施和附屬結(jié)構(gòu)的最新地震設計導則。

相關安全設施是指溢洪道閘門和底部泄水孔，其在地震后必須發(fā)揮作用，以便控制水庫水位，并在大壩損壞的情況下，降低水庫水位，以便對大壩進行修復和(或)加固。

本文基于國際大壩委員會大壩抗震專委會針對大壩設計編制的出版物[1–5]和作者已發(fā)表的論文[6–9]，提供關于地震災害、地震設計、性能標準、已建壩地震安全和大壩的可持續(xù)性的概況。

2.地震災害

地震災害屬于多元性災害，包括針對大壩的以下主要災害[9]：

(1) 地面震動；

(2) 壩基沿斷層或不連續(xù)面錯動；

(3) 塊體移動進入水庫，形成沖擊波，致使水庫水位上升、輸電線路受損、道路堵塞等；

(4) 特定項目和特定場地災害(如地面變形、滲漏、液化等)。

地面震動通常被視為主要的地震災害。但是，混凝土壩的壩基移動比地面震動更加危險，因為任何移動將導致高度超靜定的拱壩，產(chǎn)生復雜且無法用數(shù)字模型進行可靠預測的開裂。當壩基移動和地面震動同時發(fā)生，造成大壩開裂，壩的動態(tài)性狀變得相當復雜。因此，需要認真研究壩基移動的可能性。即使沒有震源斷層通過壩基，附近斷層的強震也可能導致壩基沿不連續(xù)面移動。不連續(xù)面是指斷層、剪切區(qū)、裂縫、接縫和層理面。由于地基移動取決于場地條件和地震活動斷層與最大表面移動的距離，因此，地基移動的狀況是難以預估的。某些斷層甚至可能在地表附近裂開，造成不連續(xù)面。

相對于拱壩易受壩基錯動損害，經(jīng)適當設計的土心墻堆石壩可以應對此類移動。因此，在可能存在斷層移動的情況下，適當設計的土心墻堆石壩將成為合適的解決方案[1,2]。

塊體移動進入水庫將形成可能漫過壩頂?shù)挠坷恕Ｅc土石壩相比，混凝土壩更加適于抵抗有限的漫頂。然而，借助充足的超高、較寬的壩頂和(或)上游護墻或防浪墻，可以減少甚至消除漫頂導致的災害。

此外，塊體移動進入水庫將增加庫區(qū)沉積量，可能堵塞底部泄水孔。但是這通常在地震后數(shù)月或數(shù)年內(nèi)發(fā)生，有時間采取補救措施。

山區(qū)巖崩可能損壞輸電塔，導致發(fā)電廠自動停機。但更重要的是，巖崩將損壞閘門控制結(jié)構(gòu)、設備、應急電源發(fā)電機、控制裝置等，這些是操作溢洪道和底部泄水孔閘門所需的。必須保證強震后這些閘門仍可操作，以便用于控制或降低水庫水位，并適當泄洪。如果這些閘門被堵塞，可能導致漫頂，將使土石壩比混凝土壩面臨更嚴重的安全問題。

因此，可以得出結(jié)論，需要從地震學家和地質(zhì)學家處獲取以下相關資料：①地面震動；②壩基移動(如果計劃建造整體式混凝土壩，此點至關重要)；③壩和水庫區(qū)內(nèi)臨界比降。

通常，地震危險性分析僅與地面運動參數(shù)估算相關，如峰值地面加速度(PGA)和反應譜。

可利用Wieland [9]和ICOLD公報148 [5]論及的概率方法和(或)確定性地震災害分析方法確定地面運動參數(shù)。因此，壩體和相關安全構(gòu)件必須能夠承受1萬年重現(xiàn)期(概率性分析)或最不利地震情形(確定性分析)下安全評估地震(SEE)的地面運動。在概率性分析中，應使用地面運動參數(shù)的平均值，而在確定性分析中，應使用平均值加一個σ值。如果同時采用概率性分析和確定性分析(推薦做法)，應使用最大地面運動參數(shù)。

在觀察100個以上大壩的水庫觸發(fā)地震活動(RTS) [4]后認為，盡管可能與地震預報一樣困難，但地震學家有必要研究此類災害，并對事態(tài)有所預判。一般情況下，由于大壩抗震設計已采用最大設計地震，因此，RTS并不控制大壩安全問題，但是可能影響大壩和水庫區(qū)內(nèi)采用較低設計地震值(與大壩相比)的建筑物和基礎。此外，中級地震的頻率噪聲可能對人員有所干擾。

3.地震設計標準

對于大壩工程的不同結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震設計[5,9]，需要采用以下內(nèi)容設計地震：

(1) 安全評估地震(SEE)：SEE的設防目標是保證大壩能夠抵御不受控的庫水泄放。SEE用于大壩及安全相關構(gòu)件的安全評估和抗震設計。在SEE后，大壩及安全相關構(gòu)件必須能夠發(fā)揮作用。

(2) 設計基準地震(DBE)：DBE重現(xiàn)期為475年，為許多國家采用，是附屬結(jié)構(gòu)的參考設計地震。DBE地面運動參數(shù)是基于概率性地震危險性分析(PSHA)得出的，可以采用DBE地面運動參數(shù)的平均值(注：可依據(jù)工程所在區(qū)域建筑物或橋梁的地震規(guī)范和規(guī)定，確定DBE的重現(xiàn)期)。

(3) 運行基準地震(OBE)：OBE是預計在大壩生命周期內(nèi)可能發(fā)生的， 要求大壩必須無損壞或功能損失。在100年的大壩生命周期內(nèi)，其發(fā)生概率約為50 %。重現(xiàn)期取145年[5]。OBE地面運動參數(shù)基于PSHA估算，可以采用OBE地面運動參數(shù)的平均值。

(4) 施工地震(CE)：CE用于臨時結(jié)構(gòu)物(如圍堰)設計，并考慮臨時結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前，存在若干不同的計算方法。對于臨時導流設施，假定其設計壽命存在10 %的超越概率。此外，施工導流設施的CE重現(xiàn)期可以采用導流設計洪水的重現(xiàn)期。

可以利用概率法或確定性地震災害分析法確定SEE地面運動，即

(1) 最大可信地震(MCE)：MCE是根據(jù)地震歷史和區(qū)域地震構(gòu)造，預計在壩址區(qū)發(fā)生的最大地面運動，基于確定性地震情形進行估算。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，MCE地震動參數(shù)應當取84百分位數(shù)(平均值+標準差)。

(2) 最大設計地震(MDE)：對于大壩而言，MDE的重現(xiàn)期為1萬年。對于小的或有限損壞的大壩，規(guī)定的重現(xiàn)期可能縮短。MDE地面運動參數(shù)可基于PSHA估算。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，應當采用MDE地面運動參數(shù)平均值。在單一地震源(斷層)成為主要地震災害的情況下，可將一致概率反應譜用于此地震設計。否則，可以根據(jù)地震危險性按照潛源的震級與震源距分解，確定不同的地震情形。

對于主要大壩而言，SEE可視為MCE或MDE地面運動。通常情況下，必須采用上述兩種地震的最不利地面運動參數(shù)。如果無法對MCE進行實際評估，則SEE至少應等同于MDE。

通常用概率方法(推薦采用地面運動參數(shù)平均值)確定MDE、DBE、OBE和CE地面運動參數(shù)；對于MCE地面運動，通常使用確定性地震情形(應當使用地面運動參數(shù)值的84 百分位數(shù))。但是，對于MDE、DBE、OBE 和CE，也可以定義確定性情形。

不同設計地震由以下地震動參數(shù)定義：

(1) 水平和垂直地震分量的峰值地面加速度(PGA)。

(2) 典型的水平和垂直地震分量的加速反應譜為5 %阻尼，即從概率性地震危險性分析中獲取CE、OBE、DBE和MDE的一致概率反應譜(平均值)，以及用不同衰減模型從確定性分析中獲取MCE加速反應譜值的84百分位數(shù)。

(3) 通過隨機過程或記錄地震地面運動的縮放比例，確定MCE地面運動水平和垂直分量的反應譜擬合加速度時程。水平和垂直地震分量的人工加速度時程應屬于隨機獨立變量。考慮到余震，建議增加地面強震的持續(xù)時間。

在斷層移動的情況下，需要對地面震動進行類似估算。由于地震災害分析主要與地面震動相關，因此，大壩設計師似乎難以對不同類型設計地震的斷層移動進行定量估算。

對于地下結(jié)構(gòu)物，其外加變形作用比慣性效應影響更大，也需要不同設計地震的位移地面運動參數(shù)或位移時程。

通過加速度時程可更好地描述地面運動。大壩及其附屬設施的任何非線性動態(tài)分析均需要地震動時程?？梢灶A計，在SEE地面運動下大壩將發(fā)生非彈性變形。根據(jù)ICOLD [5]規(guī)定，應考慮“設計加速度時程”的以下幾個方面：

(1) 反應譜擬合的加速度時程的三個分量必須分別統(tǒng)計。

(2) 可假定順河向和橫河向的水平地震分量的加速度時程。若采用其他方向，亦無需修改。

(3) 應以涵蓋余震的方式選擇地面強震的持續(xù)時間，即應選擇具有較長地面強震持續(xù)時間的記錄。

(4) 對于易受損壞過程影響及與地面強震持續(xù)時間相關的大壩(如孔隙壓力積聚)，應使用具有較長地面強震持續(xù)時間的地震記錄。

(5) 對于大壩的安全復核，至少應考慮SEE地面運動時三種不同的地震。

延長的地面強震持續(xù)時間(用于大壩抗震分析和設計)的反應譜擬合加速度時程，可能與實際時程截然不同；盡管不熟悉大壩抗震設計的地震學家和其他專家難以理解或接受，但它們將用于安全設計。

應當指出的是，在任何結(jié)構(gòu)(包括大壩)設計中，設計師將使用簡化荷載和分析模型進行安全設計，即使荷載模型與實際災害性質(zhì)不相符，這也適用于地震災害和地震地面運動。

對于某些大壩，針對水庫觸發(fā)地震活動(RTS)或水庫誘發(fā)地震活動(RIS)，確定附加地震荷載狀況?。觀察到100座以上水庫，在水深超過100 m處發(fā)生過RTS。RTS最大震級達6.3；但是，多數(shù)情況下，此類淺源地震的震級往往較小。如果大型壩工程可能或預計存在RTS，那么，DBE和OBE地面運動參數(shù)應涵蓋假定在水庫蓄水后幾年內(nèi)發(fā)生RTS時的參數(shù)[4]。

4.地震性能標準

ICOLD公報148 [5]針對壩體和安全相關構(gòu)件及設備給出的一般性能標準可理解如下[9]：

(1) OBE期間的壩體性能：大壩和水庫不出現(xiàn)影響運行的結(jié)構(gòu)性損壞(裂縫、變形、滲漏等)，可修復的輕微損壞亦可接受。

(2) SEE期間的壩體性能：結(jié)構(gòu)破壞(裂縫、變形、滲漏等)是可接受的，只要確保壩體穩(wěn)定性，且不會出現(xiàn)大量庫水下泄，造成大壩下游區(qū)域洪水泛濫。

(3) OBE期間及之后的安全相關部件和設備的性能：在OBE之后，這些部件和設備應完全可以操作，且OBE期間，其應保持彈性狀態(tài)。

(4) SEE期間及之后的安全相關部件和設備：在SEE后，這些部件和設備必須完全可操作?？山邮茌p微變形和損壞(如閘門密封件滲漏)，只要不影響部件和設備的相關功能。

對于SEE，防滲心墻堆石壩的主要安全標準如下：

(1) 超高損失，即地震后，水庫水位應低于大壩防滲心墻頂部。

(2) 內(nèi)部侵蝕，即地震后，細反濾區(qū)至少50 %的初始厚度必須可用。

(3) 地震后邊坡的滑動安全系數(shù)(考慮到填筑材料的孔隙壓力積聚和殘余強度參數(shù))應大于1。

第二個標準同樣適用于壩基位于強震期間可能移動的斷層或不連續(xù)面的土心墻堆石壩。此外，此類場地僅適宜修建土心墻堆石壩。

混凝土壩的主要地震安全標準如下：

(1) 壩基穩(wěn)定性，即拱壩壩肩楔體和重力結(jié)構(gòu)沿潛在滑動面滑動的穩(wěn)定性。

(2) 由伸縮縫和水平裂縫形成的混凝土塊的滑動和傾覆穩(wěn)定性，即大壩中心頂部附近的混凝土塊需經(jīng)受的最大絕對加速度響應。

可以得出結(jié)論，發(fā)生強震后，當發(fā)電廠停機，水無法通過發(fā)電水道泄出時，只要底部泄水孔和溢洪道閘門可操作，便可安全泄放適量的洪水。為了控制強震后的水庫水位，無需所有溢洪道孔口均發(fā)揮作用。

5.地震安全和大壩的風險分類

5.1.整體大壩安全概念

安全概念的兩個主要目標是使所有風險最小化，并以可能的最佳方法控制剩余風險。為達到這些目標，大壩工程采用整體安全概念，主要包括以下要素：

(1) 結(jié)構(gòu)安全性(主要要素：地質(zhì)、水力和抗震設計標準；當出現(xiàn)新數(shù)據(jù)，或制定了新導則、規(guī)定或規(guī)范時，設計標準和分析方法可能必須更新)。

(2) 大壩安全監(jiān)控(主要要素：大壩監(jiān)測儀器、壩工專家定期安全評估)。

(3) 運行安全性(主要要素：正常和異常水文條件下水庫運行的可靠運用曲線、人員培訓、大壩維護、清淤、工程支持。較長使用壽命的最重要要素是維護所有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件)。

(4) 應急計劃(主要要素：應急行動計劃、洪水淹沒圖、水位報警系統(tǒng)、疏散計劃等)。

因此，只要根據(jù)整體安全概念確保上述安全要素得到適當執(zhí)行，大壩即可視為安全的。

?注：過去經(jīng)常使用的術語“水庫誘發(fā)地震活動”并不正確，因為水庫無法誘發(fā)地震，而是觸發(fā)地震。因此，正確的技術術語為“水庫觸發(fā)地震活動”。

定期進行安全評估是必不可少的，可據(jù)此得知為了維護或改善安全性，或者延長使用壽命需要采取的措施。試運行后，必須盡快糾正觀察到的不足之處。不同大壩安全要素的詳細描述請參見文獻[9]。

如果一座大壩不符合當前大壩安全標準或出現(xiàn)異常狀況，則降低風險的最有效方式是降低水庫水位。

必須指出的是，新建和已建大型大壩必須滿足當前的適用安全標準。因此，不推薦采用基于風險的考慮剩余使用壽命的方法?？傊?，對于住在新建或已建大壩下游的人員，其安全性應無差異。這意味著不得推遲安全更新。

5.2.應急計劃

在許多國家，應急計劃仍然是大壩行業(yè)較新型的事務，因此，在此進行額外討論。在應急計劃概念中，假定每座壩都可能倒塌或損毀，盡管設計師、業(yè)主和管理機構(gòu)對這一假定難以接受。因此，必須分析水庫失控洪水下泄引起的大壩失事的后果。

可以考慮眾多大壩失事的情形，但是應急計劃的主要目的是挽救生命，因此，必須將重點放在發(fā)生最壞情形和最嚴重后果時的報警和人員疏散。這些情形不考慮大壩失事概率。最壞的情形是軍事行動造成的蓄滿水的水庫大壩瞬間潰決。

在緊急情況下，大壩業(yè)主負責監(jiān)控，確定相應的報警級別，發(fā)出通知，在大壩實施緊急行動，確定緊急情況解除時間，并記錄所有活動。在緊急情況下，大壩業(yè)主立即通知負責報警和疏散受影響人口的管理機構(gòu)。

使用專用水位報警系統(tǒng)進行報警。疏散計劃是依據(jù)潰壩洪水波分析，其顯示最壞失事情形下的淹沒區(qū)域，即大壩瞬間潰決。此外，從分析中獲取洪水波到達時間、流動速度和水深。

瑞士的65座大型壩均配備有功能齊全的洪水報警系統(tǒng)。第一個報警系統(tǒng)安裝于50多年前。幸運的是，到目前為止，這些洪水報警系統(tǒng)從來未使用過。

5.3.大壩風險分類

什么是大型壩？這似乎是一個微不足道的問題，但如果談及大壩(風險)分類，實際上沒有統(tǒng)一答案。根據(jù)ICOLD標準，大型壩是至少15 m高的蓄水壩。

在中國，蓄水壩根據(jù)水庫庫容分類，庫容大于109m3的為1級，108～109m3的為2級，小于108m3的為3級，依此類推。在瑞士，大壩分類按法律法規(guī)進行，大壩高度至少10 m，庫容超過106m3的大壩被歸入高風險級別。其他的大壩主管部門、組織和業(yè)主采用其他定義。因此，瑞士最高風險類別的160座大型壩中，只有12座屬于中國的2級壩，多數(shù)是3級以下甚至更低的壩。

大壩的風險分類對(地震)設計標準、性能標準和其他規(guī)范或規(guī)定的設計要求有深遠的意義。因此，在不同國家和業(yè)主的大壩抗震安全評估中，有必要首先調(diào)查大壩的風險分類。

可接受風險是風險分類的主要問題。任何定量風險分析的前提條件都是大壩失事概率計算。由于每座壩都是特定的，只能通過各種大量計算，包括大量敏感性分析來大致完成。由于這些困難，要求建壩時更明確地專注于盡可能減小大壩潰決庫水失控下泄形成洪水的可能性，比如在瑞士。

總之，大壩的風險分類是一個懸而未決的問題，不同國家和業(yè)主之間的差異非常大。

6.大壩的可持續(xù)性

一個可持續(xù)的大壩項目需以下述條件為基礎：①安全方面；②環(huán)境方面；③經(jīng)濟方面；④社會方面。大壩是基礎設施，必須向利益相關方提供利益(食品生產(chǎn)、供電、供水、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑娛樂、通航等)[8]。

技術安全是一切技術的決定條件，任何不安全的技術都是沒有前途的。一些老壩的建壩歷史已超過2000年，但仍然在使用。大壩可持續(xù)的主要前提是大壩安全。盡管其他要求也很重要，但是首先必須確保大壩安全。為了多用途壩的設計和施工，要求大壩工程管理者必須是大壩或土木工程師，而不是技術背景和經(jīng)驗不足的人。

建壩產(chǎn)生的水庫必須適當管理，大壩也需要持續(xù)維護。許多大型水庫用于發(fā)電和防洪。然而在未來，水庫將成為更有價值的生活和工業(yè)供水來源。因此，對大壩和水庫的需求將繼續(xù)存在。不論其他的特定用途如何，對所有大壩的可持續(xù)性和安全性要求將持續(xù)存在。

私營業(yè)主和基礎設施開發(fā)人員使用特許期作為大壩項目的設計壽命。例如，瑞士的水電站項目特許期為80年，其他國家特許期可能短至30年。大壩業(yè)主將保證所有的結(jié)構(gòu)和設備的設計滿足特許期的要求。特許期滿時，項目的所有權(quán)通常被移交給政府。因此，特許權(quán)和特許期結(jié)束時，授予特許權(quán)和特許期滿后擁有該項目的主管部門必須特別關注還剩余很多使用年限的大壩。

此外，大壩的試運行費用通常被忽視，不得不由未來的業(yè)主承擔。這意味著，政府應規(guī)定，大壩的設計需符合已發(fā)布的國際導則，如ICOLD發(fā)布的規(guī)定。機電設備和控制設備可能是唯一在特許期結(jié)束時，需要進行更換的構(gòu)件。因此，對于一個可持續(xù)的大壩項目，壩體以及與大壩安全相關的設施和組成部分均應設計為具有長期使用壽命，而不考慮特許期。因此，大壩項目的最終所有者必須在授予特許權(quán)期間便考慮到這些問題。

任何大壩在其生命周期內(nèi)都應是技術上安全和可操作的。鑒于大型蓄水壩的潛在破壞力，必須按照第4部分中討論的完整安全概念進行安全評估。

一般情況下，如果一個大壩以及安全相關設施(底孔、溢洪道)都得到適當?shù)木S護，其老化過程可以控制，則大壩的狀態(tài)能得以保護。因此，可以得出結(jié)論，即適當維護可保證大壩壽命，也就是說，大壩可能具有幾百年的使用壽命。

泥沙淤積嚴重將影響水庫使用壽命。適當?shù)哪嗌彻芾聿呗钥梢允顾畮炷嗌秤俜e維持正常，這些策略必須立足于對河流的詳細研究以及泥沙輸移、流域特點和沖沙裝置等。

7.已建壩的抗震安全性

雖然大型水壩是自20世紀30年代以來最早進行系統(tǒng)性抗震設計的建筑物，但由于多數(shù)老壩的設計采用的是現(xiàn)今認為已過時的地震設計標準和分析方法，所以這些壩的地震安全性是未知的。因此，需要采用現(xiàn)行抗震設計標準和現(xiàn)代的動態(tài)分析方法，重新評估已建壩的抗震安全性，修復有缺陷的大壩。

已建壩在抗震安全性方面面臨的一個重要問題是，大多數(shù)有關大壩的規(guī)范、規(guī)定、建議和導則主要是針對新大壩的設計[7]。

試運行時被認為是安全的大壩設計未必永遠安全，這可能與大多數(shù)建筑業(yè)主和用戶的看法不一致。由于地震工程學仍然是一個相對年輕的學科，因此，設計標準、分析方法、設計理念等可能會發(fā)生變化，尤其是按照當前水準設計的大壩在地震中遭受損壞時。因此有必要定期檢查大型壩的抗震設計標準和地震安全性(其他結(jié)構(gòu)也一樣)，即必須考慮定期抗震檢查的預算。

一般情況下，大壩業(yè)主和經(jīng)營者都不愿意執(zhí)行這種檢查，除非有法律、規(guī)定和大壩安全監(jiān)管機構(gòu)制約，該機構(gòu)有權(quán)力和方法確保規(guī)則得到遵守執(zhí)行。一般來說，當大壩業(yè)主為其項目申請新的特許權(quán)時，應對設計標準進行全面評估。

再者，一旦被視為安全的東西將永遠保持安全，這種看法是危險的錯誤觀念。因此，在大壩漫長的生命周期內(nèi)，需要進行多次地震安全性評估。

到現(xiàn)在為止，只有一座高18.5 m的土石壩在2011年日本東北大地震中損毀，大壩失事引發(fā)的洪水造成8人喪生。這件事給人的印象是，精心設計的大壩經(jīng)歷地震還是安全的。如果有必要，應該按照現(xiàn)行最先進的做法重新評估已建壩的抗震安全性和改善已建壩。

首要的是，必須重新評估壩址區(qū)的地震危險性，確保符合現(xiàn)行抗震設計標準。

筆者1999年負責國際大壩委員會大壩抗震專委會時，就一直關注調(diào)查已建壩的地震安全性。從那時起，一些國家一直在積極調(diào)查已建壩的抗震安全性。20世紀90年代，在加州大型壩的綜合地震安全性檢查中，發(fā)現(xiàn)116座大壩需要改進，包括控制(降低)水庫水位。瑞士大壩業(yè)主對政府管理的所有大型壩的地震安全性進行了評價，安全報告于2013年年底前提交。報告顯示：大壩的平均年齡為65年，其中大部分使用0.1的地震系數(shù)和擬靜力分析方法進行抗震設計。對于地震安全檢查，政府部門已規(guī)定了一個10年的期限。 然而，大多數(shù)國家的報告只在給定的截止期限前不久才完成。

國際大壩委員會大壩抗震專委會強烈建議，世界各地都要對年限較久的大壩進行抗震安全性檢查。

8.結(jié)論

在大壩的抗震設計和地震安全性評價中，主要關注下列項目：

(1) 對大多數(shù)大壩工程來說，地震災害是多元災害。地震動是所有大壩地震準則中需要考慮的主要危害，然而，落石和斷層移動可能比地震動更為危險。

(2) 當附近發(fā)生強烈地震時，壩基中活動斷層的移動或不連續(xù)面(斷層、節(jié)理、層理面)的運動可能是活躍的，這對于混凝土壩是最嚴重的危害。如果沒有其他位置可以選作壩址，那么正確的解決方案就是，設計一座土心墻堆石壩，并設寬反濾區(qū)和過渡區(qū)。

(3) 現(xiàn)今大型壩的地震安全性包括以下要素：①結(jié)構(gòu)安全；②大壩安全監(jiān)測；③運行安全和維護；④應急計劃。所有要素都是同樣重要的。

(4) 抗震安全并不是大壩固有的性質(zhì)，但可以利用能安全抵抗地面強震影響的抗震設計和建造技術，來保證大壩及附屬結(jié)構(gòu)物的安全。

(5) 由于安全是可持續(xù)性的先決條件，多數(shù)大壩設計將地震荷載作為臨界荷載，對地震災害(洪水)的各種安全管理已經(jīng)成為大壩可持續(xù)的基本要求。

(6) 即使一個土木結(jié)構(gòu)在建設時是安全的，但不能保證其在生命周期內(nèi)永遠安全，這是不現(xiàn)實的。在大壩的生命周期內(nèi)，需要對其進行多次地震安全評估，因為可能出現(xiàn)下述情況：得到地震災害新信息，有新的設計和安全標準被采用，下游山谷的發(fā)展導致地震危險性增強。

(7) 保持大壩處于安全狀況需要對設備、設施及土木結(jié)構(gòu)進行妥善保養(yǎng)。對土木結(jié)構(gòu)維護的關注少于對電廠設施維護，因為后者的好處可以直接體現(xiàn)在發(fā)電量上，而土木結(jié)構(gòu)維護和大壩安全不產(chǎn)生可見的效益。因此，需要適當?shù)钠胶狻?/p>

(8) 有關新壩型(混凝土面板堆石壩、瀝青心墻壩、土工膜面板土石壩、碾壓混凝土壩等)和高壩經(jīng)受強烈地震時的動態(tài)性狀，迄今幾乎沒有得到任何觀測數(shù)據(jù)。

(9) 為在發(fā)生強烈地震后控制和降低水庫水位，溢洪道和底孔閘門在震后必須能夠操作。這些閘門系統(tǒng)的抗震設計準則與壩體采用的準則是相同的；然而，性能標準必須是能保證地震后閘門的功能。設計師和閘門系統(tǒng)的供應商尚不熟悉這些地震安全性要求。

為了進行抗震分析、設計和安全評估，需要世界各國科學家提供下列信息：

(1) 壩基中活動斷層或不連續(xù)面的情況，在強震時可能被激活，并產(chǎn)生最大的動力。

(2) 壩址遭受最強烈地震的參數(shù)(斷層、位置、震源深度、震源機制、最大震級、最大斷層錯動)。

(3) 鑒定在強震時可能被破壞或移動的壩址處或者水庫邊坡。

(4) 加速度時程是大壩的非彈性地震分析必需的輸入?yún)?shù)。表現(xiàn)這些理想化時程曲線的荷載模型，與實際記錄的加速度時程的共同點很少。

[1] ICOLD. Bulletin 112: neotectonics and dams. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 1998.

[2] ICOLD. Bulletin 120: design features of dams to effectively resist seismic ground motion. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2001.

[3] ICOLD. Bulletin 123: earthquake design and evaluation of structures appurtenant to dams. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2002.

[4] ICOLD. Bulletin 137: reservoirs and seismicity —state of knowledge. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2011.

[5] ICOLD. Bulletin 148: selecting seismic parameters for large dams, guidelines. Paris: Committee on Seismic Aspects of Dam Design, International Commission on Large Dams; 2016.

[6] Wieland M. Seismic aspects of dams, general report, Q.83 seismic aspects of dams. In: Proceedings of the 21st International Congress on Large Dams; 2003 Jun 16–20; Montreal, Canada; 2003.

[7] Wieland M. Earthquake safety of existing dams, keynote lecture. In: Proceedings of the 1st European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (a joint event of the 13th European Conference on Earthquake Engineering & 30th General Assembly of the European Seismological Commission); 2006 Sep 3–8; Geneva, Switzerland; 2006.

[8] Wieland M. Safety aspects of sustainable storage dams. In: Proceedings of the 3rd International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, Mini-Symposium on Sustainable Dams and Embankments; 2012 Oct 3–6; Vienna, Austria; 2012.

[9] Wieland M. Seismic hazard and seismic design and safety aspects of large dam projects. In: Proceedings of the 2nd European Conference on Earthquake Engineering; 2014 Aug 24–29; Istanbul, Turkey; 2014.

E-mail address: martin.wieland48@gmail.com

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3): 325–331

Martin Wieland. Safety Aspects of Sustainable Storage Dams and Earthquake Safety of Existing Dams. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.011