水工建筑物抗震设计规范条文说明

'中华人民共和国电力行业标准水工建筑物抗震设计规范条文说明主编单位中国水利水电科学研究院批准部门中华人民共和国国家经济贸易委员会 目次总则场地和地基地震作用和抗震计算土石坝重力坝拱坝水闸水工地下结构进水塔水电站压力钢管和地面厂房 总则本条简要说明制定本规范的目的特别指明了要防止水工建筑物地震破坏导致的次生灾害本条规定了本规范的适用范围国内外震害情况表明水工建筑物一般从度开始出现地震损害因此各国都以度作为抗震计算和设防的起点但国内外也有度地震造成水工建筑物损害的实例特别在一些施工质量较差的工程的薄弱部位设计烈度为度时抗震计算不会起控制作用因此只要求对重要水工建筑物参照本规范采取适当的抗震措施设计烈度在度以上的工程国内外仅有个别实例且都未经设计强震考验又鉴于我国主要水工建筑物的设计规范都仅适用于级建筑物因此本规范明确主要适用于设计烈度为度的级水工建筑物对级水工建筑物可参照使用其中土石坝适用于碾压式均质坝分区坝及人工防渗材料坝混凝土坝适用于混凝土实体重力坝坝顶溢流重力坝宽缝重力坝空腹重力坝混凝土拱坝支墩坝浆砌石重力坝和浆砌石拱坝等可参照使用水闸适用于平原地区但山区丘陵区的泄水闸可参照使用溢洪道可参见重力坝和水闸有关规定使用地下结构适用于水工隧洞直段埋设管道地下厂房等大型洞室及河岸式进出口等建筑物调压塔可参照进水塔有关规定使用厂房包括河床式坝后式岸坡式水电站厂房泵站厂房可参照使用这些使用范围都是和各类水工建筑物相应的设计规范相协调一致的对设计烈度高于度的水工建筑物或高度大于的壅水建筑物目前缺乏较成熟的抗震经验要求对其抗震安全性进行专门研究论证后报主管部门审查批准水工建筑物抗震设防目标是针对以设计烈度为指标的设防标准的水工建筑物特别是水坝遭受强震万一发生溃决 将导致严重次生灾害因此设防目标首先要确保在遭遇设计烈度的地震时不发生严重破坏导致次生灾害考虑到目前对地震规律和水工建筑物地震破坏机理认识的局限性以及我国的具体国情要在强震时完全避免某些局部损坏将导致工程设计很不经济有些目前在技术上也有一定困难因此容许有轻微损坏但经一般处理后仍可正常运用本条主要规定了水工建筑物的设防标准及其地震危险性的评价要求我国目前仍以地震烈度作为各类工程抗震设防依据的基本指标现行的中国地震烈度区划图给出的年期限内一般场地条件下可能遭遇超越概率为的地震基本烈度是一般工程项目抗震设防的依据但对于级壅水建筑物这类极端重要的工程由于一旦遭受重大震害而失事会导致不堪设想的严重后果同时也考虑到当前国内外地震预报工作尚处于发展阶段及我国近几十年来多次大震发生在预期的低烈度区的实际情况本规范规定可根据其遭受震害的危害性在基本烈度基础上提高度作为设计烈度现行中国地震烈度区划图使用说明中规定对重大工程特殊工程可能产生严重次生灾害的工程应进行专门地震危险性评价工作水利水电工程地质勘察规范对此有具体规定本条与这些规定基本协调一致但因中国地震烈度区划图已采用地震危险性分析方法所以再按地震危险性分析进行烈度复核已无必要地质行业标准工程场地地震安全性评价工作规范中只对地震烈度分界线附近及某些地震工作深度不够的边远地区才要求进行烈度复核与工程等级无关而且对已有数十个重大水利水电工程用地震危险性分析进行烈度复核的结果都和中国地震烈度区划图一致从工程抗震角度对水工建筑物划分工程抗震设防类别的目的是根据其重要性和场地地震基本烈度对各类建筑物确定设计烈度选择抗震计算中地震作用效应的计算方法和调整重要性系数工程抗震设防类别的划分和中的结构安全级别 相协调在专门的地震危险性分析中设计地震的概率水准系根据对已有重要水利水电工程地震危险性分析结果进行校准后确定的其确定超越概率的期限和中规定的各类建筑物的设计基准期相一致国内外已有不少水库诱发地震实例水库地震的诱发机制目前仍在探索中已有震例的统计分析结果表明坝高大于和库容大于亿的水库水库诱发地震的概率增大鉴于水库诱发地震的特点需进行有别于构造地震的专门分析研究目前烈度大于度的水库诱发地震为数不多蓄水前后的监测为研究其发展趋势和诱发机理所必需本条基于国内外已有的水工建筑物震害和工程抗震实践的经验提出了从总体概念上改善结构抗震性能的抗震设计基本原则和要求在各类建筑物的章节中分别据此规定具体条文大型水工建筑物如遭受震害修复困难应作为设防重点水工建筑物大多结构复杂体积庞大涉及结构和地基的动力相互作用结构和库水的动力流固耦合影响目前在抗震计算中还难以完全了解结构的地震破坏机理和确切反映复杂的实际条件因此国内外对高烈度区的重要水工建筑物都要求对抗震计算进行动力模型试验验证并提出坝体的强震观测设计这对于确保工程抗震安全提高抗震设计水平是必需的试验验证和强震观测不仅针对结构本身而且对拱坝等结构应重视坝肩和坝基岩体等对结构抗震安全性至关重要的部位 场地和地基场地国内外水工建筑物震害表明有些震害是地震动直接引起结构破坏有些是地震首先引起场地变形破坏从而加剧建筑物的破坏如地震引起的地震断裂将建筑物错断库水诱发水库地震地震诱发崩塌滑坡导致建筑物被砸毁或涌浪引起漫坝事故大面积砂土液化和不均匀沉陷引起建筑物倾斜或倒塌等因此地震区的建筑物应选择有利地段避开不利地段未经充分论证不得在危险地段进行建设有利不利和危险地段的划分应按构造活动性边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评价地面破坏的实例统计表明等于或大于级地震的极震区相当于度及度以上地震区才可能产生有害的地震断裂和大规模崩塌滑坡又难以处理故划入危险地段级以上级以下地震的极震区相当于度以上地震区就有可能产生砂土液化和不均匀沉陷但已掌握既经济又有效的处理方法所以划为不利地段这两条是关于场地的概念和分类标准主要是作为在抗震计算中选择设计反应谱的依据水工建筑物开挖后的场地土类型系表层土刚度软硬的表征所谓表层土在覆盖层较薄条件下一般指覆盖层土在深厚覆盖层条件下可取深度内刚度较小的土层场地土类型可根据剪切波速划分也可根据代表性的岩土特征进行类比确定场地类别是场地条件的综合表征除考虑表层土软硬特征外还考虑了覆盖层厚度的影响对边坡稳定条件较差的情况应核算其设计地震烈度下的稳定性一般采用拟静力法与刚体极限平衡法配套使用对 于重要工程也可采用比较精确的动力分析法与有限单元法配套使用地基本条系水工建筑物抗震设计规范以下简称规范第条并作了补充对于坝闸等壅水建筑物的地基和岸坡在地震作用下除要求不发生失稳破坏和渗透破坏避免产生影响建筑物的有害变形外还要求地基和岸坡不发生地裂位错地陷崩塌等破坏现象本条系规范第条关于液化土的判别标准采用水利水电工程地质勘察规范液化土判别标准但需要说明对以下两点作了调整本规范主要适用于设计烈度度的级水工建筑物的抗震设计因此对度以上的情况未予考虑关于标准贯入试验判别标准中的近震和远震问题场地在相同的地震烈度下远震的震级高振动时间长造成的破坏更严重因此区分远震和近震是必要的但在实际应用中尚存在一定的困难按现行的地震烈度区划图我国绝大多数地区只考虑近震的影响按给出的结果仅有少数城镇属于远震的范围其中度区远震个度区远震个度区远震个水利水电工程大都不在城镇因此缺乏确定远震和近震的依据应用比较困难鉴于绝大多数地区只考虑近震的影响因此在条文中只列出近震作为一般标准当有地震危险性分析成果能明确场地烈度比主要潜在震源的震中烈度低两度时可以按远震考虑此时对于度和度相应的临界标准贯入锤击数应增加两击这样与的标准是一致的地基中的可液化土层应查明分布范围分析其危害程度根据工程实际情况选择合理工程措施具体工程措施很多从本质上讲可以归纳为以下几方面改变地基土的性质使其不具备发生液化的条件加密可液化土的密实度改变其应力 状态改善排水条件限制地震中土体孔隙水压力的产生和发展避免液化或减轻液化程度围封可液化地基消除或减轻液化破坏的危害性条文中所列的是较常用的方法若液化土层埋深浅工程量小可采用挖除换土的方法该方法造价低施工快质量高处理后砂层的相对密度可达到以上重夯击实法也多有采用加密深度可达以上填土压重常用于土石坝上下游地基围封液化土层和桩基主要用于水闸排灌站等水工建筑物本条系规范附录一关于地基中可能发生液化的土层和软弱粘土层的评价方法的软弱粘土部分若软弱粘土层的深度浅工程量小可采用挖除或置换的方法对土坝地基中的软弱粘土层可采用砂井排水放缓坝坡加上下游压重对闸基中的软弱粘土可采用预压固结桩基或复合地基在软弱粘土地基上不宜修建混凝土坝砌石坝和堆石坝本条系规范第条本条系规范第条 地震作用和抗震计算地震动分量及其组合地震动可分解为三个互相垂直的分量在接近震中的高烈度区地震动的竖向分量较显著根据现阶段已有的大量强震记录的统计分析地震动的两个水平向峰值加速度大致相同竖向峰值加速度则平均仅为水平向的壅水建筑物承受侧向水压力其中土石坝和混凝土重力坝包括支墩坝等都靠坝体自重维持稳定在竖向地震作用下抗滑稳定安全系数将有所降低并在坝体产生全断面的拉应力研究表明长悬臂大跨度或高耸的水工混凝土结构由竖向强地震作用在结构上部产生的轴力是不可忽略的对若干已建工程试设计结果表明对土石坝在度地震时计入竖向地震作用后其抗滑稳定安全系数的降低一般不超过度时约降低左右危险滑弧的位置改变很少混凝土重力坝包括支墩坝在度地震时计入竖向地震作用使抗滑稳定安全系数降低度时约降低竖向地震作用引起的坝体上部动应力在一维计算中约占水平地震作用下的在二维计算中更小对双曲拱坝竖向地震分量作用及其和水平向地震分量组合问题非常复杂目前各国规范对此的规定也不统一又因目前动力拱梁分载法程序尚不具备竖向调整功能致使计算竖向地震作用存在实际困难根据有限单元法程序计算结果当水深与坝高之比约时竖向地震作用对一般拱坝的地震作用效应影响不大就平均而言坝体的拱梁应力较仅考虑水平向地震作用时约增加水平位移增加约对于级双曲拱坝或严重不对称空腹等特殊坝型地震烈度又较高时竖向地震对坝体的反应不能忽视宜进行专门研究 对于土石坝混凝土重力坝等壅水建筑物其沿坝轴向的刚度很大这个方向的地震作用力将传至两岸因此可以不计其作用效应对于拱坝顺河流方向和垂直河流方向的地震作用效应及其最大应力部位都不相同其值相当因此都应计入由于地震的三个分量的峰值并非同时出现而当其分别作用于建筑物时其最大反应也不同时出现因而有一个峰值在时间上的遇合问题总地震作用效应一般取各方向地震的作用效应平方总和的方根值研究表明取水平向和竖向地震作用效应的平方总和方根值或将竖向地震作用效应乘以的遇合系数后与水平向地震作用效应直接相加两者结果大致相当地震作用的类别目前国内外在水工建筑物抗震设计中都只计入水平向地震作用引起的动水压力研究表明由于土石坝除面板堆石坝外的上游坝坡较缓其地震动水压力影响很小可以忽略瞬时的地震作用对渗透压力浮托力的影响很小地震引起的浪压力数值也不大在抗震计算中都可予以忽略地震淤沙压力的机理十分复杂目前在国内外的工程抗震设计中大多是在计算地震动水压力时将建筑物前水深算到库底而不再另行计入地震淤沙压力但当坝前的淤沙高度很大时已有初步研究成果表明这样近似处理结果可能偏于不安全因此对高坝遇到这类情况应作专门研究设计地震加速度和设计反应谱在工程抗震设计中与烈度对应的设计地震加速度代表值的取值直接影响抗震设防的标准和基本建设投资现有资料统计结果表明烈度和峰值加速度的统计关系具有很大的离散性因此设计烈度对应的设计地震加速度代表值实质上是这一抗震设计基本参数的设计标准为保持规范的连续性和与各 类工程抗震设计规范的协调统一表中水平向设计地震加速度的代表值系根据建设部的建标号文关于统一抗震设计规范地面运动加速度设计取值的要求确定在采用基于反应谱的动力法作抗震计算时设计反应谱是又一个重要设计基本参数其形状及有关参数主要与场址场地类别及地震震中离场址的远近有关即所谓场地相关反应谱本规范规定的设计反应谱基本采用在大量国外的和少量国内的强震记录计算结果的统计资料基础上给出的均值反应谱形式但一些参数的取值则根据水工建筑物的特点确定已有研究表明场地土越硬地震震中越近场地加速度反应中高频分量越多并且反映地震卓越周期的特征周期越小而非岩性地基的最大反应还与覆盖层厚度有关但从目前已有的统计资料中尚不足以从平均意义上区分场地类别和震中距对反应谱最大值的影响设计反应谱的最大值与结构阻尼值有关结构阻尼的机理十分复杂它隐含了相邻介质的相互作用和能量在地基中逸散的影响与水位地基土特性以及体系振动频率和地震动强度等因素有关并具有非线性特征在理论上目前尚难搞清原型结构实测的阻尼值受激振力限制而偏小因此本规范列出的各有关水工建筑物设计反应谱最大值的代表值系参照国内外实测阻尼数据及考虑强震时因阻尼值增大动力效应降低等因素综合的反映工程经验的设计标准表中给出的设计反应谱特征周期只反映了场地类别对地震动卓越周期的影响并未计入远震时主要由面波引起的长周期分量的影响这一方面是考虑到远震和近震目前还缺乏一个较为一致的确切定义且中国地震烈度区划图和专门的地震危险性分析结果都是综合有关的各个潜在震源的影响无法区分远震和近震的影响另一方面远震时设计反应谱特征周期延长主要影响高度大基频低的结构从已有的水工结 构工程实例看像小湾这样高达的双曲拱坝的基本周期才接近重力坝则高达的大迭克申斯坝其基本周期约高的小浪底进水塔基本周期约为可见基本周期超过的水工结构不多从安全计本条规定在设计烈度不大于度时若结构基本周期超过将反应谱特征周期延长此外将设计反应谱适用的最大周期取为是因为强震记录的数字化处理难以反映大于的长周期反应谱值地震作用和其他作用的组合大地震和非常洪水的发生概率都很小其相遇的概率就更小了因此一般情况下在抗震计算中将地震作用与水库的正常蓄水位组合已有研究表明土石坝的上游坡的抗震稳定性并非是最高库水位控制因此需要选用最不利的常遇水位进行验算抽水蓄能电站水位降落属正常运行条件对于这类电站上下池的土石坝在抗震稳定计算中应考虑水位降落已有研究表明高拱坝在遭遇强震时在顶部动力放大效应明显的抗震薄弱部位地震产生的动应力较大在和静态应力叠加后拱向仍有较大拉应力可导致经灌浆的伸缩横缝张开从而增大梁向拉应力由于静水压力作用下各坝段间伸缩横缝被压紧因而在低水位时遭遇地震所产生的拱向拉应力可能是控制的因此对于重要拱坝宜补充地震作用和常遇低水位组合的验算水闸边墩和翼墙在低水位时若地下水位较高此时垂直河流向地震作用下可能会控制配筋因此对重要水闸也宜补充地震作用和常遇低水位组合的验算结构计算模式和计算方法抗震验算必须遵循作用结构分析方法和安全判别准则三者相互配套的原则作为特殊组合中的地震作用也必须和各类建筑物的基本设计规范相呼应并受其制约我国现行重力坝和拱 坝设计规范中分别规定以一维悬臂梁和拱梁分载法的计算结果作为衡量安全的主要依据而碾压式土石坝设计规范中则规定采用瑞典圆弧法和简化的毕肖普法进行稳定分析并相应地采用了在长期工程实践中形成的安全判别准则为此在这些建筑物的抗震计算中必须采用相应的计算模式混凝土重力坝包括支墩坝在通常情况下横缝都不灌浆根据我国新丰江艹侵窝坝印度柯依那坝英国黑溪坝及日本管野木地山坝等经受度地震的调查资料相邻坝段间都有错动的迹象横缝间漏水量也有所增加表明强震时全坝的整体性较差土石坝坝址河谷的宽高比一般较大将坝体作为顺河流向及垂直河流向两个方向的二维剪切梁进行动力分析的结果表明当矩形河谷的宽高比大于时坝的两岸对坝中部约束的影响不大坝体地震作用接近于按一维单宽剪切梁振动求得的结果地震作用是随时间迅速变化的动态作用抗震计算应当考虑地震动的运动特征和建筑物的动态特性因此应当以动力分析为基础对于工程抗震设防类别为甲类的混凝土水工建筑物都应采用动力法作抗震计算考虑到目前土石坝坝料的非线性特性抗震计算中的动态本构关系非线性动力分析方法及相应的抗震安全性判别准则等都尚在继续探讨中暂时还难以列入规范作硬性规定因此仍以拟静力法为主进行抗震计算此外根据我国具体情况对量大面广的中小型水工建筑物目前也只能按拟静力法进行抗震计算对工程抗震设防类别为丁类的级水工建筑物则强调应着重采取抗震措施保证其抗震安全性水工建筑物与地基和库水的动力相互作用在抗震计算中有重要影响在坝体和地基的动力相互作用方面已有研究成果的主要结论是坝基各点的地震动输入并非均匀无限地基的能量逸散有重要影响但对这两方面的不同研究成果有相当差异目前仍处于探讨阶段尚难得出公认的方法和结论此外还要考虑到所采用的计算模式的限制因此暂时还只能以无质量地 基底部均匀输入的近似方式考虑结构和地基间的动力相互作用和地震动的输入在坝体和库水的动力相互作用方面目前把坝体和库水作为一个耦合体系进行动力分析已无困难可以直接给出满库坝体地震作用效应研究的重点集中在库水可压缩性引起的共振效应和库岸淤积的吸能作用方面已有成果表明库水可压缩性影响并非如特定条件下理论分析结果那样严重特别在计入库岸淤积的吸能作用后更是如此因此在混凝土坝的动力分析中计算坝体和库水动力相互作用产生的动水压力时可以忽略库水的可压缩性而以坝面附加质量的形式计入这些简化途径也是目前国内外重大水利水电工程抗震设计动力分析中普遍采用的对于高度大于的大坝库水可压缩性和地震动不均匀输入影响可专门研究论证拟静力法的抗震计算是在对地震区设计或已建的各类水工建筑物进行大量动力分析的基础上按不同结构类型高度归纳出大体上能反映结构动态反应特性的地震作用效应沿高度分布规律以动态分布系数表征对不同的水工建筑物它可以是地震惯性力或地震加速度分布并可根据震害和工程设计实践经验确定总的最大地震惯性力由此得出分布的地震作用仍以静态作用形式给出从而使设计中避免了繁复的动力分析拟静力法中地震作用的效应折减系数的引入主要为了弥合按设计地震加速度代表值进行动力分析的结果与宏观震害现象的差异并和国内外已有工程抗震设计实践相适应形成这些差异的原因是水工建筑物在静态作用下的计算模式和参数取值主要只是一种在相当程度上带有经验性的设计标准往往不能反映实际的安全裕度另外拟静力法的抗震计算也难以完全反映结构的动态地震作用效应及其地震破坏机理在拟静力法的抗震计算中各类水工建筑物的动态分布系数的分布和取值以及安全判别准则在各有关章节中分别规定 水工混凝土材料动态性能在混凝土坝的动力分析中在强震作用下重力坝的坝顶和坝踵部位势必出现相当数量的拉应力而难以达到设计规范中有关基本不出现拉应力的要求拱坝的地震拉应力值更大也势必超过设计规范中基于经验性给出的允许拉应力值的安全标准大量动力分析结果表明混凝土的抗震强度验算中拉应力值常起控制作用因此在混凝土水工建筑物的抗震计算中应明确规定混凝土抗拉强度的标准值及其相应的安全准则目前国内外工程界较多采用的是美国垦务局根据试验结果确定的取混凝土抗压强度的作为其弯拉强度值考虑到我国新的混凝土等级划分以及施工具体情况从偏于安全考虑混凝土动态抗拉强度的标准值取为动态抗压强度标准值的国内外已有的混凝土材料试验资料表明干试件在相应于地震作用的快速加荷下其抗压强度增长以上湿试件增长更多多数资料表明混凝土抗拉强度的增长甚至比抗压强度还多达以上因此混凝土的动态抗压强度标准值至少可较静态标准值提高这已为国内外工程界普遍接受至于动态抗拉强度标准值规定也较静态标准值提高实际上由于在作强度校核时作用效应综合了地震作用和静态作用的影响目前在不同静态作用下承受快速加荷的水工混凝土动态强度国内外都缺乏试验资料难以在动态强度的增长中考虑其随静态作用比例的变化而且强震时在综合应力中动态应力是主要的同时也为了避免使抗震计算复杂化因而一般都只能规定在地震作用时动态强度的增长比例但增长幅度取值较试验结果为小以近似体现总的作用效应中有一部分静态作用的影响有关大坝混凝土与地基岩体及有缝隙岩体的动态抗剪强度试验资料目前国内外都很少见从已有资料中尚难以判断其动静态抗剪强度的差异因此规定在地震作用下的抗滑稳定计算中动态抗剪强度参数的标准值可取其静态的标准值迄今在 确定性方法中均取静态均值为标准值规定抗力的分项系数系考虑其自身的变异性而导致的性能降低系数因此在地震作用下的抗力分项系数均取与静态作用下的相同在确定性方法中抗力分项系数为承载能力分项系数极限状态抗震设计要求各类水工结构设计规范均应据此制定相应的规定为此本规范的修订也体现了向可靠度设计原则转轨的要求目前国内外各类结构的可靠度设计中都遵循了保持规范连续性的要求采用所谓套改的方法即在现行的确定性方法的规范基础上对分项系数极限状态设计式中的系数进行校准按照在转轨套改中积极慎重区别对待的精神本规范按中的分项系数极限状态设计方法统一给出了各类水工建筑物的抗震强度和稳定验算公式但各类水工建筑物的分项系数取值及其含义则根据实际情况区别对待对于具备条件的重要结构在用动力法作抗震验算时其结构系数是通过可靠度分析的校准求得相应一定的可靠指标具有明确的概率含义对于暂时还不具备条件的结构以及采用拟静力法作抗震计算的中小型工程结构系数主要从现行的确定性方法中的安全系数换算求得以求第一步先在形式上和保持一致便于在今后积极创造条件在改进设计方法时赋予概率含义水工建筑物是按设计烈度确定其地震作用的在性质上符合中规定的出现概率很小持续时间很短的偶然作用和偶然设计状况在各类水工建筑物的设计规范中历来都把地震作用与校核洪水的作用都列为出现概率小的特殊作用组合偶然作用的分项系数应取为设计状况系数是为了考虑在不同设计状况下可以有不同的可靠度水准作为偶然状况考虑的非常洪水作用时对重力坝的初步校核结果认为设计状况系数取为宜实际上在地震作用 下水工建筑物的目标可靠度水准目前还难以有统一的规定因此也取其设计状况系数为最终的抗震可靠度水准是由套改校准的结构系数体现的在本规范抗震验算中规定的结构系数其相应的静态作用和材料性能分项系数取值列于表表静态作用和材料性能分项系数静态作用材料性能水压力混凝土强度动重力坝拱坝浮托力摩擦力力重力坝坝基法渗透压力凝聚力混凝土容重拱座岩体摩擦力凝聚力其他混凝土结构拟静力法在由确定性法设计的现行规范的安全系数按水利水电工程结构可靠度设计统一标准套改校准结构系数时一般以现有规范中采用的作用和抗力值为标准值水工钢筋混凝土结构的地震作用效应及抗力计算都需符合的要求因此仅对其地震作用作出统一规定但考虑到目前建筑部门在钢筋混凝土结构抗震设计中核算截面强度时采用的设计地震系数都为设计烈度对应值的因此在按动力法确定对应设计烈度的弹性反应的地震作用效应时也相应折减至以求统一在按拟静力法确定地震作用效应时已根据水工建筑物的经验引入地震作用的效应折减系数故不需再作折减拟静力法中的地震作用一般稍偏于安全因此钢筋混凝土结构的地震作用的效应折减系数取值较动力法稍小地震动土压力地震动土压力问题十分复杂国内外目前大多采用在静土压力的计算式中增加对滑动土楔的水平向和竖向地震作用 以此近似估算主动动土压力值鉴于近似计算的滑动平面假定在计算被动动土压力时与实际情况差得很远使结果不合理因此地震被动动土压力问题也应结合工程经验作专门研究 土石坝抗震计算和附录我国规范中规定对土石坝采用拟静力法进行抗震稳定计算我国碾压式土石坝设计规范和碾压式土石坝设计规范修改和补充规定以下简称土石坝规范及补充规定规定土石坝的静力稳定分析以瑞典圆弧法为主并辅以简化的毕肖普法多年来拟静力法在我国土石坝的抗震设计中发挥了很大作用积累了较丰富的经验日本大坝委员会年发布了坝工设计规范日本建设省河川局开发科年颁发土石坝抗震设计指南其中土石坝的抗震设计与我国规范类似自从提堂垮坝及圣费尔南多坝遭受震害以来美国垦务局已不再用拟静力法进行土石坝的抗震稳定分析陆军工程师兵团仅对地震作用较小地面峰值加速度的密实地基上很好填筑的土石坝采用拟静力法由于发展早资料较多目前在美国土石坝抗震计算主要采用动力法其内容包括建立在有限元法动力分析基础上的滑动稳定计算和变形计算近年来我国在高烈度区设计及建造的一些高土石坝已进行了动力分析以研究用拟静力法无法得出的坝体和坝基内的动应力分布及地震引起的坝体变形此外年美国圣费尔南多地震中下圣费尔南多坝的液化年我国唐山地震中密云水库白河主坝因保护层液化而引起的滑坡均表明当坝体和坝基中存在可液化土类时采用拟静力法不能作出正确的安全评价鉴于拟静力法在我国土石坝抗震设计中的实际作用针对我国大量的中小型水库绝大多数为土石坝无法广泛采用动力分析 这一国情根据国内外土石坝抗震设计的水平并考虑到在动力分析中部分的计算参数选择及工程安全判据方面资料尚不够充分本规范规定仍以拟静力法作为土石坝抗震设计的主要方法但对于高烈度区的大型土石坝和地基中存在可液化土的土石坝在进行拟静力法计算的同时应进行动力计算以便对工程抗震安全作综合判断本规范附录的中只规定对土石坝进行动力分析的基本要求和附录中的与土石坝的静力稳定分析方法一致土石坝的拟静力法分析以瑞典圆弧法为主对于重要工程可同时采用简化毕肖普法附录中的与分别绘出了采用瑞典圆弧法进行土石坝坝坡抗震稳定计算的公式与基本上根据规范第条和补充规定中的规定经套改得出的结构系数考虑到土石坝等级已在结构的重要性系数中计入故对各级土石坝可予以归并采用简化毕肖普法确定土石坝坝坡稳定安全系数的公式如下??式中各符号的意义与瑞典圆弧法相同见附录由于该式是一个求的迭代计算公式无法给出用显式表达的结构抗力和结构系数故表中对于不同的重要性系数给出了与的换算关系表中按的规定对级建筑物取对级建筑物取表与的关系 本规范沿用了规范中水平向地震作用的图形形状和适用坝高范围的规定并取竖向地震的和水平向地震的相同但对的最大值作了随设计烈度增高而减小的规定基于下列考虑如图所示实测资料表明对于土石坝来说坝顶加速度放大倍数虽然受到决定坝体动力特性的坝型坝料地基几何尺寸等因素的影响但对同一座土石坝坝顶加速度放大倍数随地震动加速度的增高而降低这一现象的原因在于土石料为非线性材料随着动力变形的增大动剪切模量降低和阻尼因素增大致使土石坝的基频降低坝顶加速度放大倍数减小在动力分析中考虑土石料的非线性动力特性也可以得出与实测资料类似的结果实测值本规范采用值图土石坝坝顶加速度放大倍数实测资料因此本规范作出了土石坝坝顶加速度放大倍数因烈度不同而异的规定在度时保留规范的值度时略有提高度时稍降低 影响土的动态强度的因素很多包括土的密实程度颗粒的级配形状定向排列稠度以及振动应力和应变的大小振动频率和历时振动前土的应力状态等等因此原则上应通过动力试验测定抗震稳定分析中土体的抗剪强度规范实施十几年来的实践也表明对于地震区的大中型工程有必要也有条件进行动力试验大量的动力试验结果表明在循环荷载作用下土石料中孔隙水压力增高导致有效应力降低土的动态强度被削弱因此虽然在有些情况下土的动态强度会有所提高如在瞬间加荷时粘性土的强度甚至成倍增加但在土石坝的抗震设计中动态强度不应高于静态强度现有资料表明对碾压密实的土体用三轴仪测定的动态强度和静态强度很接近其原因在于这些土体在短时的地震作用下不致产生显著压缩以致由于孔压增高使强度降低因此在动态强度测试还未普遍推广的情况下国外的大坝抗震设计仍多采用静态强度指标如美国陆军工程兵师团建议采用无地震时的强度日本建设省年的土石坝抗震设计指南也规定采用静态有效强度指标进行抗震稳定分析无粘性土主要是堆石砂砾石的内摩擦角随法向应力的增加而减小的现象早就为大家所熟知对于现代碾压堆石这一现象更为明显对于无粘性土一般认为不应计入凝聚力值而采用常量内摩擦角使强度指标不能反映实际数值稳定安全系数偏低甚至使现有堆石坝坝坡出现浅层滑动起控制作用而致坝坡的计算安全系数值不能满足规范要求的现象混凝土面板堆石坝的上游坝坡一般为左右动水压力对坝体地震作用效应影响不宜忽略抗震措施土石坝遭遇沿坝轴线方向的地震时坝体压缩两岸容易发生张力致使防渗体产生裂缝所以在地震区建坝坝轴 线一般宜采用直线或向上游弯曲以便在蓄水期间发生地震时减少两坝肩产生裂缝的机率经震害调查堆石坝比土坝震害率小损害程度较低日本宫城近海地震发生后调查座有震害的坝中仅有一座是堆石坝土坝中均质坝较分区坝震害重均质坝体积大浸润线高尤其当高蓄水位坝体土料饱和时震害较严重所以在坝型选择时应优先选用堆石坝只有在当地有丰富的合适的土料而又缺乏石料的中小型工程中才选用均质坝为改善均质坝的抗震性能宜设内部排水如竖向排水或水平排水系统以降低浸润线在地震时刚性心墙不能适应土坝的振动和变形与周围填土的不同沉陷量容易产生裂缝所以在高烈度区不宜建刚性心墙坝土石坝规范规定坝顶超高包括最大波浪在坝坡上的爬高最大风壅水面高度与安全加高又规定地震区的安全加高应包括地震坝顶沉陷和涌浪高度从国内外的实例资料看如果坝基与坝体质量良好在地震烈度度地区地震引起的坝顶沉陷并不明显一般不超过坝高的产生较大地震沉陷的西克尔陡河喀什下圣费尔南多海勃根等坝的沉陷都与坝体和地基的液化坝体的滑坡有关由于产生的机理不同地震的附加沉陷量很难计算特别是对覆盖层较厚及有液化土层的情况目前美国采用纽马克法计算填筑良好坝体顶部的地震沉陷规定采用此方法沿破坏面计算的变形不超过约地震涌浪与地震机制震级坝面到对岸距离水库面积岸坡和坝坡坡度等因素有关在设计时常预留涌浪超高一般地震涌浪高度可根据设计烈度和坝前水深采用日本地震涌浪按坝高计算由于坝体的动力放大作用坝体上部的地震加速度较下部大在坝顶附近地震加速度最大因此在强地震区宜适当加宽坝顶使坝顶受损后仍能保持坝的稳定鉴于同样的原因可采用上部缓下部陡的断面国内外强地震区的一些土石坝已采取了这 一措施震害调查表明土石坝震害的主要表现是裂缝在设计中要适当采取防止裂缝的措施在强地震区要适当加厚防渗体和过渡层以防止出现贯通性裂缝或减少裂缝所产生的渗透破坏土石坝坝顶是产生裂缝的主要部位防渗体与岸坡基岩或其他混凝土刚性建筑物的联接部位由于其刚度的差别最容易在地震时产生裂缝因此要特别注意这些部位防渗体的设计与施工震害实践表明土石料抗震性能的好坏直接影响土石坝震害的程度国内近年来的几次大地震有大量土坝经受了度度强震的考验没有发生垮坝事故但有一些坝坝壳砂料和砂砾石料碾压不密实在较低的烈度时上游坝壳或保护层的水下部分反而发生滑坡事故如渤海湾地震中冶原王屋黄山三座宽心墙砂壳坝处于度地震区上游均发生滑坡海城地震中处于度区的石门心墙坝上游坝坡滑动唐山地震中处于度区的密云水库白河主坝上游斜墙保护层的砂砾料液化引起滑坡滑坡方量约万而附近的潮河主坝和一些副坝均未发生问题由此可见提高土石坝抗震性能的重要措施之一就是选用抗震性能和渗透稳定性较好且级配良好的土石料筑坝并对坝料压实均匀的中砂细砂粉砂及粉土不易压实饱和后易于液化抗冲刷性能差不宜作为强震区的筑坝材料如果当地只有此种材料或采用其他材料不经济时宜用在干燥区坡面在一定范围内用大块石压重与近年来施工技术的发展相比规范第条对于粘性土的压实度要求偏低本次修改对于粘性土的填筑密度及堆石的设计孔隙率一律按补充规定的有关条文并规定在强地震区宜采用规定范围的上限考虑坝体的动力放大作用尤其要注意坝体上部的压实度要求关于无粘性土的压实标准美国陆军工程师兵团编制的 中提出所有填料区相对密度均不小于这个要求适用于排水层和反滤层以及较大的透水材料区但不适用于抛石护坡下的垫层参考地基液化宏观调查资料及研究成果为了防止液化本规范对无粘性土的压实标准提出了用相对密度控制的具体要求坝下埋管在地震时发生裂缝的较多严重的甚至将管壁裂穿沿管壁漏水冲刷危及坝的安全甚至使土石坝毁坏因此对于级土石坝不宜在坝下埋设输水管如限于条件必须在坝下埋管时应将管道放置岩基或坚硬的土层上或将有压管建在坝下的廊道中土基上一定要做管座以减少地基的不均匀沉陷坝下埋管宜用抗震性能好的现浇钢筋混凝土管或金属管钢筋混凝土管分段以一段为宜接头处要做好止水和反滤在靠近管道的填土层采用纯粘土并要仔细压实此外闸门宜设在进水口或防渗体的前端使管道的大部分处于无压状态 重力坝抗震计算我国采用有限元法进行重力坝的动力分析发展很快能在各种复杂条件下给出较精确的地震荷载但即使在静载情况下将有限元分析成果作为工程设计依据仍有一定困难国内外仍普遍用材料力学法来计算重力坝应力并设计坝的断面我国现行重力坝设计规范也规定以工程人员熟悉的材料力学法计算结果作为衡量其强度安全的主要依据并在长期工程实践中积累了丰富经验基于抗震计算方法必须和基本设计规范的分析方法相呼应的原则明确规定材料力学法是重力坝动力分析的基本方法对于工程抗震设防类别为甲类或结构复杂或地基条件复杂的重力坝同时规定采用有限单元法进行补充分析计算抗滑稳定的抗剪断强度公式计入了滑动面上客观存在的抗剪断凝聚力因而比较接近实际而采用抗剪强度公式验算基本荷载组合的抗滑稳定安全系数为基于安全系数不宜小于的一般概念规范不得已对低坝降低了地震荷载取值稍欠安全因此对重力坝抗滑稳定分析只规定抗剪断强度一个公式坝体带动部分基岩沿软弱结构面滑动的稳定分析方法以及材料物理力学指标的测试方法取值标准等尚需进一步探索研究故规定应专门研究规范基于大量动力分析成果用拟静力法确定的地震荷载基本上可反映重力坝的震害和实际的地震反应简单方便易于为广大设计人员掌握尤其较适于中小型工程设计故予以保留但缩小了应用范围仅限于工程抗震设防类别为乙丙类的烈度较低且高度不大于的重力坝 目前国内外工程抗震设计的动力分析普遍采用振型分解反应谱法一般可较好地给出重力坝的动力反应反应谱值系经回归拟合并经平滑整理的均值因此对特殊重要的重力坝需补充进行时程分析法计算为保持抗震规范的连续性应在满足规范安全系数的基础上采用动力可靠度方法对重力坝进行抗震可靠指标的校准和结构系数的计算参照水利水电工程结构可靠度设计统一标准附件一对坝高共计个满足现行规范要求的典型重力坝断面采用其静态可靠度分析的各项要求和基本数据计入静动态作用计算了对应度顺河流向和竖向地震作用下重力坝的抗拉抗压强度及整体抗滑稳定的动力可靠指标结构系数以及按现行规范设计的安全系数结果表明抗拉抗压和抗滑稳定的结构系数与传统的安全系数间有较好的对应性考虑到我国新丰江印度柯依那等坝的震害中虽然坝体顶部都发生裂缝但大坝并未发生滑移损坏而目前的抗滑稳定计算都是静态的有别于实际地震时的瞬态往复滑移因此动力法的抗滑稳定安全系数可取为在抗震可靠度计算中与此相应的取抗滑稳定结构系数为则在度地震作用下可靠指标达以上可靠概率为按现行规范设计的重力坝在度地震作用下抗滑稳定安全系数大于若按规范用拟静力法校核时安全系数都在以上不会增加方量但度地震时以上的高坝或基岩较弱的以上的坝无论动力法或拟静力法都不能满足要求需稍增加方量但不超过地震作用下重力坝的抗压强度有较大安全裕度对坝体混凝土等级并不起控制作用取抗压结构系数为时可靠指标大于相应于按现行规范设计的重力坝抗压安全系数在以上计算给出的结构系数最小值为已超过要求的不起控制作用可以与第章中的拱坝动力法结构系数归并简化都取为重力坝由于动力放大效应的影响其上部是抗震薄弱部位即使在度地震作用下按现行规范设计的 左右的坝坝体实际抗拉安全系数仅可靠概率仅对度地震需要局部提高混凝土等级至坝体实际抗拉强度安全系数方可达以上可靠指标达以上度地震时以上高坝即使局部混凝土等级提高到抗拉安全系数仍难达需作专门研究和处理取抗拉结构系数以上可靠概率相应于原规范中的抗拉安全系数为修编本规范选择了具有较充分代表性坝高从的座已建混凝土重力坝采用悬臂梁法并辅以有限元法进行基于反应谱理论的系统的动力分析统计分析结果表明规范规定的地震荷载对高左右的坝吻合很好而对以下的低坝约小以上稍欠安全按规范拟静力地震荷载计算的坝踵动应力对高的坝较接近而左右的坝则偏小以上关于坝顶动应力规范对左右的坝比较接近对左右的低坝偏小以上因此本规范将规范的地震惯性力系数一律取这样对以下的坝总地震惯性力增加的坝则增加鉴于这次系统动力分析对坝高以下的坝坝顶动力放大倍数与坝高关系并不明显坝顶放大倍数一律取沿坝高的分布按变化为质点高度为坝高其变化曲线与规范中坝高重力坝地震惯性力分布系数基本一致这样对坝的分布图形基本不变而以下的坝的坝体应力特别是坝顶应力有较多改变更接近动力分析结果基本保持规范的规定不变但考虑到拟静力法的近似性取消了对河谷宽度和水面延伸长度的修正重力坝拟静力法的结构系数是基于与规范保持连续性的原则在形式上采用给出的分项系数极限状态设计式套改确定的抗滑稳定及抗拉抗压强度结构系数分别相当于原规范中的安全系数为 抗震措施为避免重力坝地震时的破坏和损害很大程度上还有赖于采取有效的抗震措施重力坝坝体的震害主要有坝体上部裂缝如我国新丰江坝距坝顶坝高处和印度柯依那坝距坝顶?坝高处的贯穿性裂缝的典型震害以及溢洪道闸墩廊道等部位出现裂缝或原有裂缝的延伸其次是廊道伸缩缝等处漏水或原有漏水量的增加再有是坝顶附属结构如坝顶栏杆桥梁等的破坏对此本规范作了相应规定而对于其它的工程措施如注意提高重力坝的地基处理质量做好坝底接触灌浆和固结灌浆切实保证大坝混凝土的浇筑质量加强温度控制与养护等尽量减少表面裂缝发生的措施坝内孔口和廊道易发生裂缝在拉应力区适当增加布筋在下游设坝后桥支墩坝及宽缝坝下游面留足够交通孔洞和排水通道重要水库应设置泄水底孔隧洞等应急设施等等为设计和施工应考虑或必须做到的基本要求本规范不再具体列出 拱坝抗震计算根据我国中条的规定拱坝应力分析一般以拱梁分载法作为基本方法由于地震作用属特殊作用抗震规范不能不受基本规范的约束因此规定拱坝强度分析以静动力拱梁分载法为基本分析方法采用拱梁分载法对拱坝进行抗震计算解决了静动应力的叠加问题并可以在相同的基础上制定出与静态作用配套的结构安全准则而对于工程抗震设防类别为甲类的重要拱坝和结构特殊或地基条件复杂的拱坝宜补充用有限元法作动力分析对于重要的拱坝应采用动力法进行抗震分析动力法分析成果可大大提高拱坝抗震设计的精度和深度而对于及其以下设计烈度小于度的中小型拱坝考虑到传统的设计方法已为广大设计人员所熟悉根据我国具体情况仍保留采用拟静力法计算坝体地震作用效应的规定振型分解反应谱法是现阶段结构动力分析的最基本方法然而拱坝作为空间结构其地震作用效应与地面运动的频谱特性有关对重要拱坝有时需要得到特定地震记录作用下的地震作用效应可采用时程分析法按的规定进行比较验算刚体极限平衡法是目前国内外在拱坝设计中作为分析拱座稳定的最常用方法我国也规定了用刚体极限平衡法计算静态作用下的拱座稳定但对于工程抗震设防类别为甲类的拱坝或地质情况复杂的拱坝宜采用有限单元法或模型试验进行比较论证拱座稳定分析问题十分复杂它不但受坝址地形地质条件的影响而且在地震时作用在滑动岩块上的拱端推力其大小和方向都随时间而变化滑动体的滑动模式也并非固定岩 体的物理力学参数与其静态值也有区别另一方面至今有缝隙岩体材料的动态试验资料太少成果又都很离散因此目前尚难以进行抗震可靠度分析在用确定性方法进行拱座稳定计算时只能对上述问题作适当简化并取基岩的静态力学参数值进行计算分析已有分析研究表明拱坝岸坡的地震加速度沿高程有一定的动态放大效应但计算的数学模型有一定假定目前国内外对坝址岸坡的地震动态放大效应尚缺乏实测资料的充分验证拱座岩体稳定的抗震计算的模型方法和参数取值都较粗略因此暂不计入可能滑动岩块的地震动态放大效应而在由安全系数套改的结构系数中体现根据对我国十余座在地震区的已建拱坝抗震动力可靠度分析的成果当取消规范中综合影响系数后拱坝在静动综合作用下假定坝体混凝土等级为时坝体实际最小抗压强度安全系数都大于抗压可靠指标在以上结构系数不小于在坝体实际抗拉强度安全系数不小于的要求下求得的结构系数对以上和以下的拱坝分别约为和仅少数拱坝在度地震作用下需要局部提高混凝土等级拱座稳定的动力可靠度分析目前尚不够成熟考虑到岸坡山体动态放大效应和坝基不均匀输入时的拟静模态反应影响坝肩稳定安全系数取值宜较动力法的重力坝稍大故取安全系数为按确定性方法套改后确定拟静力法计算拱坝地震作用效应时由于坝型及河谷地形不同很难综合得出动态分布系数的分布规律鉴于拟静力法仅适用于设计烈度小于度且坝高及其以下的拱坝因此在规范的基础上参照仅少量国外如日本现行规范取坝顶为坝基为沿高程按线性内插沿拱圈均布的简化分布规律动水压力也采用目前国内外通用的威斯特伽特的简化公式由此求得的用于动力法中的附加质量是偏于安全的 用拟静力法进行抗震计算其强度与拱座稳定结构系数是直接按我国中特殊荷载组合情况下的抗压和拱座稳定安全系数及允许拉应力值的规定指标套改而得出的其中坝体混凝土取抗震措施在坝型优化时应充分考虑坝体抗震的要求使坝体在不同水位作用下其上部尽量压紧应力场分布均匀充分利用混凝土材料的强度特性例如高的英古里拱坝在坝体体型选择上首先根据抗震要求采用了多项式函数逼近优化后的拱坝体型和垫座式的坝基周边缝另一个位于地震区的哥斯达黎加的卡奇坝该坝有两个预应力岸墩中央坝段拱度很大且很薄拱坝高达而底厚仅在坝顶用水平锚索施加预应力经动力计算表明在强震作用下坝顶动位移值很大但由于坝体结构柔软应力反应却不大双曲拱坝向上游倒悬过大地震时有可能引起倒悬坝块附近接缝开裂破坏坝体的整体性因此地震区的双曲拱坝宜减小向上游的倒悬拱坝的抗震安全首先取决于地基和拱座的稳定地震区的拱坝除满足对地基的一般要求外还应避免两岸岩性相差太大及两岸山头过于单薄要特别注意两岸基岩的抗震稳定性例如美国的帕柯依玛拱坝在年圣费尔南多地震时由于左岸山头比较陡峭单薄使基岩的加速度值增加很多在左岸坝肩基岩上实测加速度达造成左岸拱圈与拱座间伸缩缝自坝顶张开深达因此要认真做好对地基内软弱部位的加固工作可采取诸如灌浆混凝土塞局部加预应力锚筋支护等措施认真做好坝基防渗帷幕和排水幕减低拱坝两岸岩体内的水头提高地基系统的稳定性与强度坝体遭受地震作用时其变形增大相邻坝段可能产生相对位移坝段间的接缝止水易遭损坏成为抗震薄弱部位因 此必须注意分缝的构造设计横缝止水宜采用能适应较大变形的接缝止水型式和材料以承受地震作用时接缝多次张开例如英古里拱坝根据不同水头在上游面设置数量和宽度不等的多道加宽半环形止水设施根据国内外拱坝动力分析成果地震时坝体最大应力区在坝体中上部拱冠附近因此在拱坝的抗震设计中必须采取有效的工程措施以加强这一薄弱部位的抗震性能例如安皮斯塔拱坝根据试验结果加强了顶部拱圈的刚性卡奇拱坝设计中采取了加强坝体整体性的工程措施减少伸缩缝在坝顶埋设预应力钢缆英古里拱坝对有轴向受拉及小偏心受拉的拱截面以及压应力超过的部位都布置钢筋在坝体上部坝高范围内布设了水平钢筋网在坝体上部约坝高范围内布置竖向构造钢筋适当提高坝体局部混凝土等级增强抗力强度也是拱坝的一种有效抗震措施地震时坝顶加速度大顶上附属结构容易产生断裂倾斜和倒塌等震害因此要采用轻型简单整体性好和具有足够强度的结构减小附属结构突出于坝体的尺寸以降低地震惯性力要特别注意交通桥机架桥等结构连接部位的结构选型防止受震时出现断裂倒塌或脱落 水闸抗震计算规范考虑到当时量大面广的水闸结构进行动力分析有一定实际困难因此只规定采用拟静力法作水闸抗震计算目前用动力法对水闸作地震作用效应计算已具备条件因此规定对于高烈度区及地基有可液化土的重要水闸结构必须采用动力法进行抗震计算在本规范修订中对水闸结构按拟静力法计算的动态分布系数作了专门研究对四个典型的水闸进行了大量动力分析包括基于规范反应谱的振型分解反应谱法和输入地震波的时程分析法动力计算结果顺河流方向沿水闸高度的动态分布系数都小于规范所规定的值而垂直河流方向用振型分解反应谱法计算所得的沿水闸高度的动态分布系数除嶂山闸机架桥顶为大于规范规定的值外其余均小于规范规定的值用时程分析法计算所得的沿水闸高度的动态分布系数除嶂山闸在输入塔夫脱地震波时机架桥顶为大于规范的值外其余也均小于规范规定值这一结果表明嶂山闸的机架桥在垂直河流方向的刚度较小致使在机架桥顶产生较大的鞭梢效应加大了地震作用效应因此本规范仍保留了规范中拟静力法的动态分布系数值但要求水闸结构设计中沿高度的刚度特别是垂直河流方向刚度变化宜均匀避免发生突变以防止因地震时应力集中而使机架桥发生破坏考虑到实际水闸结构顺河流方向和垂直河流方向基本上均为对称结构空间振动的耦联影响较小因此可以将水闸结 构分别简化为顺河流向和垂直河流向的平面体系进行抗震动力分析在动力法计算中可采用以下三种计算模型多质点体系多跨多层框架平面体系二维杆块结合体系对四个典型实例的计算结果表明用上述三种简化模型计算水闸的自振特性与模型试验和原型测试较一致因而是可行的合理的其中多质点体系只考虑了一个闸孔的侧向支承作用不能完全反映整个闸段的振动情况但由于这种方法计算比较简便因此可以用于中小型水闸的抗震计算多跨多层框架平面体系考虑了整个闸段几个闸孔的相互连系较好地反映了闸室的实际结构状况因此可以广泛地用于各类水闸的抗震计算二维杆块结合体系同样也考虑了整个闸段几个闸孔的相互连系也是一种有效的抗震计算方法可广泛用于各类水闸的抗震计算但由于水闸闸墩顺河流方向较长作为平面块体处理对顺河流向的振动计算较为合理而对垂直河流向的振动计算稍差动力计算结果表明顺河流向的振动一般只要取前三阶振型即可满足工程要求垂直河流向的振动一般亦取前三阶振型即可但对于横向支撑连系较复杂的结构宜考虑前五阶振型较为合理考虑到水闸结构与船闸结构类似因此本条所采用的公式选自交通部水运工程水工建筑物抗震设计规范地震区的水闸闸室为钢筋混凝土结构所以应按照的规定进行截面承载力抗震验算规定的考虑地震作用时的抗滑稳定安全系数接近只是一种设计标准因此需要对地震作用效应进行折减验算土基上水闸沿基础底面抗滑稳定时工程抗震设防类别为甲乙及丙类的结构系数分别由其安全系数为及套改并适当归并后求得按抗剪断强度公式验算山区 丘陵地区岩基上水闸沿基础面的抗滑稳定时其结构系数可参照对重力坝的规定抗震措施水闸大多建筑在软弱地基上在地震作用下其破坏相当严重震害主要表现在地基和建筑物两个方面因而在修筑水闸时应注意地基处理如对液化土层进行封围或采用桩基以提高地基的承载力当采用桩基时应特别注意防止震后地基与闸底板的脱离造成管涌通道如蓟运河新防潮闸采用井柱桩基分离式底板在年唐山地震时由于闸墩与底板沉陷量不同使部分底板与粘土地基脱离底板与上游铺盖下游消力池之间的塑料止水带撕裂造成漏水通道由于及时处理才免使闸功能失效而破坏因而必须采取有效的防渗措施结构上采用多道止水分缝处采用柔性连接同时应选用强度大柔性好的止水材料震害调查表明凡采用桩基整体式钢筋混凝土结构的震害较轻而分离式结构震害较重采用浆砌块石结构的震害最为严重因此地震区不宜建筑浆砌块石结构的水闸当地震烈度较高度以上时不宜采用分离式结构而采用整体式桩基结构的水闸由震害调查及动力分析可知机架桥越高地震作用效应越强顶部重量越大地震作用效应也越大因此宜降低机架桥高度减轻其顶部重量以减少地震作用效应同时应采取防止机架桥横梁在地震时落梁的措施边墩及岸坡丧失稳定性主要表现为沉陷倾倒倒塌滑移震害调查表明除地质条件外还与墙后地震主动动土压力有关若墙后填土过高或有附加荷重或地下水位过高均会产生较大的地震主动动土压力对稳定不利故规定应适当降低墙后填土高度减少附加荷重并降低地下水位等有利于边墩及岸坡稳定的措施 震害调查表明护坦消力池海漫等结构的破坏形式主要是纵横裂缝并有垂直错动以至反滤破坏止水撕裂造成渗漏通道因此规定防渗铺盖宜采用混凝土结构适当布筋并须加强反滤和增强止水 水工地下结构抗震计算国内外震害资料表明地下结构的震害比地面结构轻地表加速度小于和地表速度小于时岩基中的隧洞基本上不发生震害因此只对设计烈度为度的地下结构或设计烈度为度的级地下结构验算建筑物和地基的抗震强度和稳定性鉴于地下结构进出口部位围岩是抗震薄弱部位故对设计烈度大于度较软弱的围岩应验算其抗震稳定性理论分析和震害资料表明地面下地震加速度随深度渐减前苏联地震区建设法规中规定地面下深处设计地震加速度可取为地面的印度结构抗震设计规范规定地面下处设计地震加速度可减少日本冈本舜三教授根据日本的少量实测资料建议在地下几十米深处的设计地震加速度可取为地面的由于缺乏足够的实测记录规范主要参照前苏联的有关规定现综合国内外已有资料及我国唐山地震震害实践规定在地面下处设计地震加速度代表值减为地面的多次地震经验表明地下结构特别是地下管道的破坏主要是围岩变形而不是地震惯性力由于地下结构受周围介质的约束不可能产生共振响应地震惯性力的影响很少其惯性力可以忽略对于长度超过地震波长的水工隧洞直段和埋设管道在其衬砌及管道和地基在地震时的运动完全一致以及地震动近似作为卓越周期为的简谐平面波的假定下可以导出计算衬砌的最大轴向弯曲和剪切应力计算式通常压缩波速大致是剪切波速的倍而地震波包含了这两种波作为近似公式为偏于安 全在轴向和弯曲剪切应力计算式中分别取压缩波速和剪切波速实际上衬砌或管道和地基间有相互作用影响两者间有一定的相对滑移故所给出的计算式偏于保守另一方面地震波并非简谐平面行进波地基内空间各点为随机的地震动场使衬砌的地震应力可能增大综合这些因素可以认为按本条规定计算结果大致接近实际对于沿线地形地质条件变化比较复杂的水工隧洞地下竖井水工隧洞的转弯段和分岔段地下厂房等深埋地下洞室及河岸式进出口等浅埋洞室目前在一定的简化和假定下虽然已有一些不同的计算方法但仍然比较复杂特别是地基内地震位移场的确定不同情况下地基动刚度的求解都还不是为一般水工设计人员所掌握必需进行专门研究特别是计算中的简化假定参数取值及计算结果都还缺乏足够的依据和验证资料尚不够成熟到能列入规范因此只作原则规定抗震措施震害调查表明地下结构埋深愈大震害愈轻两条线路间交角增大震害趋于减轻震害表明在强烈地震作用下隧洞进出口受害最重如衬砌裂缝洞口塌陷入口堵塞等加强水工地下结构的进出口部位不仅有利于减轻震害而且也有利于检修和维护通过增加衬砌厚度来抵抗地震破坏较为困难震害表明这种方式有时甚至效果相反根据国内外地下管道的设计经验和震害调查结果防震缝的设置对于避免和减轻震害具有很好的效果 进水塔抗震计算重要的进水塔多为钢筋混凝土结构抗震计算结果需提供作为配筋依据的内力或应力进水塔作为高耸结构强震时在地震惯性力和动水压力的侧力作用下其抗震稳定性特别是抗倾覆稳定性以及塔底地基承载力会有问题必须验算随着工程建设规模日益扩大进水塔作为工程咽喉对枢纽抗震安全性的影响更为突出因此对重要的进水塔结构规范中规定用拟静力法作抗震计算已不够精确需要采用动力法求地震作用效应但对量大面广的中小型进水塔仍可采用拟静力法进行抗震计算进水塔塔内外的动水压力在塔体的地震作用中占有重要比例如小浪底工程高的进水塔动力分析中的塔内外动水压力合力及其对塔底的弯矩几乎都和塔体惯性力和力矩接近因此在动力分析中需要考虑塔体和内外水体的动力相互作用此外地基刚度对塔体动力特性有显著影响不应忽略中小型进水塔可按变截面悬臂梁进行动力分析但应同时考虑弯曲和剪切变形转动惯性的影响可以忽略塔底地基变形影响可采用坝工设计中常用的伏格特地基系数或其它半无限平面的集中参数法对于重大工程或结构复杂的进水塔宜用有限元法进行动力分析可采用三维梁或三维块体及板单元本条拟静力法的动态分布系数沿用了规范的规定在进水塔的动水压力分析中可不计水体可压缩性影响因而动水压力仅体现惯性作用可作为附加质量处理 动水压力可以分为由地面运动加速度和塔体弹性加速度反应所引起的刚性和弹性动水压力两部分组成对于作为高耸结构的进水塔体现与塔体动力相互作用的弹性动水压力部分影响显著依据已有研究成果可以按刚性动水压力求得附加质量在动力分析中通过附加质量可体现刚性和弹性动水压力的效应在拟静力法中是在对不同典型进水塔作动力分析基础上经归纳后直接以动水压力形式给出的这较之国外一些有关规范中都只计入刚性动水压力的规定要合理由于给出的动水压力是对不同进水塔各阶振型贡献综合的结果不能据此求得动水压力附加质量本条规定的动水压力附加质量是在对不同类型的进水塔进行较深入的动力计算成果基础上并参考印度前苏联日本等国有关的最新规范后经综合分析给出实际工程进水塔结构复杂其截面沿高度有变化精确求解十分困难研究表明从工程实用角度可按沿高度平均截面的规则柱体近似求解塔内外动水压力主要随比值和截面形状变化其中分别为塔体垂直地震作用方向的迎水面平均宽度和水深进水塔常遇的比值大致在间不同比值的动水压力沿高度分布略有差异为简化计本条给出的分布规律系根据求得形状系数根据不同形状进水塔动态数值分析研究成果归纳给出塔内动水压力沿高度分布更接近矩形考虑到塔内水平截面形状复杂其值一般不会很大为简化计可近似取沿高度均布的塔内水体质量作为其动水压力附加质量在拟静力法中给出的动水压力计算式基本沿用规范规定由于是组合了刚性动水压力和各阶振型弹性动水压力的结果因而更为合理由于引入了形状系数进行修正对一般多为非圆形截面的进水塔动水压力更符合塔内动水压力取均匀的分布系数因而当时的乘积为这样规定较规范更有依据对高柔进水塔稍 偏于安全塔体前后最大水深不同时计算比较复杂为简化计动水压力代表值或附加质量代表值可分别按两种最大水深计算后取其平均值研究表明当塔体相连成一排的塔体群其比值接近时动水压力与重力坝采用的威斯特伽特简化公式计算结果相近差别仅在于塔体前后都有水动水压力代表值或附加质量代表值在水平截面的分布仍沿用规范规定在对进水塔作抗滑和抗倾覆校核时一般都采用静力法实际上地震动是瞬间往复运动滑动位移一般不涉及帷幕开裂问题塔体倾覆更需要有一个发展过程现行的抗滑和抗倾覆校核方法以及根据工程经验制定的相应安全准则都只是一种设计标准因此对高耸塔形结构的抗震稳定计算应采用与上述方法和安全准则相配套的折减系数进水塔工程多为钢筋混凝土结构其截面强度抗震验算中因采用线弹性分析方法取地震作用的效应折减系数为在抗震稳定性和地基承载力的抗震验算中应采用同样的地震作用效应折减系数使结果和其他部门现行的建筑和构筑物抗震设计规范相应对于中小型进水塔工程采用拟静力法进行抗震计算时已引入地震作用的效应折减系数在拟静力法中归纳的动态分布系数是偏于安全的考虑到地震作用的短暂性根据我国其它有关国家标准的规定例如建筑抗震设计规范和构筑物抗震设计规范地基的地震动态承载力的标准值一般可较静态时增大在目前对于进水塔这类高耸结构即使塔体的地震作用效应按动力分析求得其抗滑和抗倾覆的校核计算都仍按静力法计算在计算中塔基假定为刚性平面塔基面上的垂直正应力应按材料力学方法计算与此配套的安全判别标准 为在考虑地震的偶然状况中按抗剪断强度公式计算的抗滑稳定和抗倾覆稳定的安全系数可分别取为和塔底地基承载力的校核中一般要求塔基边缘最大压应力不超过倍的地基动态承载力的标准值其平均压应力不大于地基动态承载力标准值 水电站压力钢管和地面厂房压力钢管已有震害表明敷设在构造破碎裂隙发育地基软弱或山脊高坎深坑等地段的明管地震时损坏较严重如日本某水电站的压力钢管敷设在十分陡峻的风化岩山坡上在关东大地震时由于岩石崩塌造成锚定支座的破坏镇墩和支墩位于坚硬土层上的明管震害较轻我国东川地震中某矿钢筋混凝土管道支座遭受度地震作用产生不均匀沉陷日本市之濑和上打波两座水电站压力钢管在北美浓地震时支座下沉分别达和因此地震区明管的镇墩支墩宜设置在坚硬土层并适当缩短间距加大断面在应力集中部位增加布筋管道接头是抗震薄弱部位日本十胜冲地震中给水管接头损坏占水管损坏总量的我国通海海城地震震害表明刚性接头大多松动漏水而柔性接头都完好无损地面厂房我国新丰江水电站坝后式厂房在遭受级水库地震作用后厂房有轻微损坏机组间伸缩缝都有扩大迹象厂房排架柱与柱间填充墙接触面处产生裂缝厂房发电机层钢筋混凝土风道和机墩连接处出现细微环向裂缝因此对结构刚度有突变温度应力大等薄弱部位宜适当增加布筋'