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混凝土大坝的抗震安全评价

本文论证了混凝土大坝重点是高拱坝的抗震安全评价的实践与发展现状。现有的评价

准则主要依据混凝土的强度,特别是抗拉强度来判断大坝的安全性。大坝的应力计算则

以弹性动力分析为基础。各国规范关于地震设防水平和大坝的容许拉应力数值有很大差

别,表明认识上的不一致。事实上,由于各坝坝高、坝型、地形、地质条件不同,地震

时坝身中某一部分产生的最大拉应力不足以全面反映大坝的抗震安全性。混凝土的动态

强度是大坝抗震安全评价中的一个薄弱环节。大坝抗震设计中目前只依据Raphael进行

的局部加载速率的试验结果选取混凝土的动强度。实际上,地震作用下,不同的坝不同

部位的应变速率是不相同的,而且混凝土的动强度还和应变历史、初始静抗压强度、含

水量以及尺寸效应等许多因素有关,有待作深入研究。在以上分析基础上,文中建议了

混凝土大坝抗震安全评价的合理方法以及进一步的研究方向。

随着国民经济的发展,小湾、溪洛渡等一批300m级世界超高拱坝和龙滩等200m级

高碾压混凝土重力坝即将在我国西部高烈度地震区进行建设。高坝的抗震性评价关系到

下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全,具有特殊重要的意义。目前有关混凝

土大坝在地震作用下的动力分析技术已经取得了很大的进步,我们可以对复杂形状的拱

坝进行比较严密的三维坝水地基系统的地震响应分析。在计算中可以考虑河谷地震动的

不均匀输入;可以考虑拱坝结构缝在强震作用下的相对滑移和转动;可以考虑拱坝和无

限地基的动力相互作用影响等。混凝土大坝的弹性振动响应分析可以达到比较高的计算

精度。但是,对混凝土大坝抗震安全评价有关的一些重要问题,其中包括地震设防标准,

混凝土材料的动力特性等,都还没有得到很好解决。以下,我们对一些问题的发展现状

作一些分析。

1、混凝土大坝抗震安全评价的历史回顾

混凝土大坝的抗震安全评价经历了较长时期的历史发展。安全评价包括强度和稳定

两个方面。由于失稳的发展一般是一渐进过程,所以,目前正在研究应用不连续变形方

法来分析大坝沿薄弱面失稳的发展过程。这样,将坝基失稳、变形与大坝的变形、应力

重分布与破坏过程相结合进行综合考虑。可以更为科学地评价大坝的安全性。这将是今

后的发展方向。但就目前情况来说,混凝土大坝特别是拱坝的设计,基本上分别独立地

对稳定和应力分析进行检验。稳定分析主要采用极限平衡方法,按塑性力学上限理论计

算安全系数。稳定方面出现的问题则通过坝线选择和加固措施来解决。所以,大坝剖面

的选择将主要通过应力进行控制。从应力方面评价混凝土大坝的抗震安全性,目前将仍

主要建立在容许应力的基础上。各国都根据弹性动力分析计算出的地震应力来进行大坝

的抗震设计。本文将主要讨论这方面的问题。由于混凝土大坝在强震中的震害主要表现

为受拉出现裂缝,发生应力重分布,使大坝的承载能力降低。因此,混凝土的容许抗拉

强度成为大坝抗震安全检验的十分重要的指标。

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在混凝土坝的设计中,很长时期内,拱坝采用试载法(多拱梁法),重力坝采用材料

力学方法进行分析。这种方法计算比较简便,又基本上可以反映大坝的受力特性,所以

在比较长的大坝建设实践中发挥了重要作用,同时也积累了一定的经验。但是这种方法

采用平面变形假定,忽略了应力集中的影响,也有一定的局限性。在早期混凝土大坝的

设计中,基本上采用了不容许拉应力出现的标准。以拱坝为例,认为主要以承受压力为

主,对压应力采用比较高的安全系数(正常荷载工况达到4,非常荷载工况达到3),计

算中断面的受拉部分按开裂计算,形成内部新的受压拱,进行应力重分布。早期,大坝

的设计地震力不高,地震加速度一般取为0.1g左右,这种情况下许多拱坝的安全性主

要由静力情况控制。随着坝工建设的发展,这种评价标准在实践中暴露出来的矛盾越来

越多。

首先,是拉应力的控制标准问题逐渐被突破。由于坝高增加,同时在复杂条件下建

设的大坝数量越来越多,初期不容许拉应力出现的标准无法满足设计要求。另一方面,

也考虑到大体积混凝土实际上可以承受某种程度的拉应力。从而,在一些混凝土坝的设

计中逐步容许一定数量的拉应力。以拱坝表现得最为明显。但是,允许拉应力的数值各

坝都不完全相同。总的看来,存在着逐步提高的趋势。以美国为例[1],1924年设计

Pacoima拱坝时,加州工程师取容许拉应力0.

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