高拱坝抗震设计的最新进展

迄今为止，国内外经受7度以上地震作用的拱坝工程约13座，其中包括经受住5·12汶川大地震，位于岷江上游的沙牌碾压混凝土拱坝，坝体都未受重大损伤，但一些拱坝遭受强震震害实例表明，拱坝上部，特别是两端坝肩易发生局部损坏。最为典型的是美国高115m的帕柯依玛（Pacoima）拱坝，在1971年和1994年两次遭受强震，第一次震后坝体与左岸重力墩间垂直接缝张开最大达10mm，延伸约14m，经采用后张预应力锚索加固后，在第二次地震后，在相同部位原加固部分的锚索被拔出，坝肩岩体又重新开裂并侧移达50mm，而坝体仍未受重大损坏。震害充分表明，拱坝坝肩稳定是其抗震安全的关键和薄弱部位。强震中坝体和坝肩山体动态放大效应显著，虽然坝肩岩体并未失稳，但其局部开裂、错动所产生的变形导致坝体严重开裂（Sharma et al.，1997）。

近年来，我国高拱坝抗震分析取得显著进展。目前在坝体强度的抗震分析中，已经在将坝体及其地基作为一个体系的前提下，充分考虑了坝体、地基和库水的动力相互作用，坝体横缝在强震时开合的非线性接触影响，沿河谷两岸坝基各点地震动相位和幅值差异导致的非均匀输入，坝体体系振动能量向远域无限地基逸散的辐射阻尼，以及坝肩近域地基中各类不同岩性及地质构造差异及其材料非线性特性的影响等因素，开发了能同时反映上述诸因素的更切近实际的包括坝体、地基和库水体系的空间三维数学模型及能同时反映上述诸因素和多种非线性交叉的有效的时域显式动态分析方法，并在一些重要问题上取得了试验验证（陈厚群等，1999）。但是，方法本身尚有不少有待进一步改进和完善之处。主要问题是数值计算效率尚需有较大幅度的提高；并需通过不同方法和途径，对数学模型、参数取值、求解方法等进行比较验证。

此外，坝肩抗震稳定对拱坝体系整体抗震安全往往产生决定性影响。但这方面现行的分析概念和方法都亟待改进。目前在国内外拱坝设计规范中规定，并在工程中广泛应用的是刚体极限平衡法，即单独取出坝肩各可能滑动岩块，按由地基传递的最大拱推力，用刚体极限平衡法对其作沿滑裂面的静态抗滑稳定校核并给出相应的安全系数。这种方法既不能考虑地震作用时，作用在岩块上的拱推力、其自身惯性力以及由此确定的滑动模式随时间的变化，也未计入坝体和坝肩岩块变形耦合以及岸坡岩体的地震动放大效应。实际上，在坝体横缝张开的情况，坝肩与坝基的交接面是坝体抗震薄弱部位，这个部位可能远在坝肩岩体作整体滑移前，由于其局部开裂、错动引起的坝肩变形就已导致拱座与坝基交接面的严重开裂。另外，即使坝肩岩块瞬时失稳，由于地震的短暂和往复作用，也不一定导致岩块和拱坝体系的整体失稳。因此，这种方法并不能反映强震时高拱坝坝肩失稳的实际情况，其安全系数不能代表实际的抗震安全裕度，也无法解释已有震害现象，更难以对最大可信地震作用下拱坝整体溃决失效的功能目标给出其定量准则（Chen Houqun et al.，2003）。(www.xing528.com)

为此，应当把坝体和包括关键潜在滑动岩块的部分坝肩岩体作为一个综合体系，建立计入坝体和坝肩岩块在地震作用下的动态变形耦合、坝肩岩块局部开裂错动，以及坝体薄弱部位开裂的数学模型和求解方法，尤其是更合理地处理坝踵受角缘效应影响的应力集中问题。更重要的是要提出易于为工程界理解和接受、并具可操作性的高拱坝体系整体失效的参数指标和安全判别的定量准则，以解决高拱坝的地震破坏机理，抗震功能设计中最大可信地震时功能目标和准则这一核心问题，提出有效的工程抗震措施建议并提供其科学依据。

为了能确切反映上述高拱坝坝体和坝肩地震反应的实际性态，实际工程的动态数值计算的规模都极为巨大，在目前普遍应用的计算设备和采用常规的串行计算方法，计算时间很长，在坝体地基复杂的情况下，甚至难以求解，无法开展更深入的研究。因此，采用高性能并行数值计算分析高拱坝工程抗震安全问题是一个符合发展方向的可行途径。