國內外水利水電工程抗震標準初探

黃向春, 熊　博

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津　300222; 2.水利部 海委引灤工程管理局，河北 唐山　064309)

0　引言

地震是一種自然災害,強震多會造成較為嚴重損失。因此,在水利水電工程勘察與設計工作中,大壩等建筑物的工程場地地震安全性向來受到重視,也同樣為設計等方面關注;但在水利水電工程領域,國內外抗震設防標準、場地地震參數選取存在較為明顯差別;隨著全球經濟的發展,國內眾多公司和專業技術人員參與或涉及到國際水利水電工程的勘測設計領域。分析、研究國內外水利水電工程抗震標準和地震參數選取具有較為現實的指導意義。

1　國內抗震標準

據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010),中國建筑物抗震設防采用三水準設防,即常說的“小震不壞、中震可修、大震不倒”[1-2]。據《水工建筑物抗震設計規范》(SL203—97)、《水工建筑物抗震設計規范》(DL5073—2000),采用一級(最大設計地震MDE)設防水準,其相應性能目標為如有局部破壞,經一般處理后仍可正常運行[3-5]。

在國內水利水電領域,對于高壩大庫或位于強震地區建筑物,工程場地地震安全性分析和評價,規程規范有較為完整、全面的規定,如《水利水電工程地質勘察規范》GB50487—2008、《水利水電工程區域構造穩定性勘察技術規程》DL/T5335—2006等。一般來說,工程場地地震安全性評價主要包括區域構造背景研究、活斷層及其活動性判定和地震動參數確定三個方面的工作。

中小型水利水電工程或建筑物,在大多數情況下,不會涉及到場地地震安全性評價專題工作,多直接參照現行國家標準《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)選用地震動參數。

另據《水利水電工程地質勘察規范》GB50487—2008,壩高>200 m的工程或庫容>10×109m3的大(1)型工程,以及50年超越概率10%的地震動峰值加速度≥0.10g地區且壩高>150 m的大(1)型工程,應進行場地地震安全性評價。對50年超越概率10%的地震動峰值加速度≥0.10g地區,土石壩壩高超過90 m、混凝土壩及漿砌石壩壩高超過130 m的其他大型工程,宜進行場地地震安全性評價工作。對50年超越概率10%的地震動峰值加速度≥0.10g地區的引調水工程的重要建筑物,宜進行場地地震安全性評價工作。其他大型工程可按現行國家標準《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)確定地震動參數[6]。

場地地震安全性評價的主要目的是提供不同基準期、不同超越概率下的地震動參數,主要是加速度。

2　國外抗震標準

2.1　國際大壩委員會(ICOLD)標準

據ICOLD(international commission on large dams)1989年72號公報“大壩地震參數選擇導則”(Bulletin 72 selecting seismic parameters for large dams),運行基本地震(OBE,Operating Basis Earthquake)基準期為100年,超越概率為50%,重現期為145年[7];最大設計地震(MDE,Maximum Design Earthquake)基準期為100年,超越概率為10%,重現期為950年。最大可信地震(MCE,Maximum Credible Earthquake)基準期為100年,超越概率、重現期未定,通常采用確定性方法確定。

2010年國際大壩委員會72號公報“大壩地震參數選擇導則”[8],安全評價地震(Safety Evaluation Earthquake，SEE)代替了98版中MDE和國際大壩委員會46公報“地震和大壩設計”(ICOLD Bulletin 46 Seismicity and Dam Design)中的設計基本地震(Design Basis Earthquake，DBE)。MCE重現期未指定,如未發現明顯的地震背景,MCE可采用概率法確定,取很長時間重現期,例如10 000年。SEE重現期也未明確指定,通常選取10 000年,如失事后可能出現重大社會災害的大壩,SEE通常可選取確定性方法確定的MCE或重現期較長(例如10 000年)的概率法確定的地震;如對人們生命危險不大,SEE可選取較小重現期地震。

2.2　歐洲標準

歐洲標準8“結構抗震設計”(Eurocode 8 (1998):Design of Structures for Earthquake Resistance)是歐盟區域內廣泛應用建筑物的抗震設計規范,其主要適用于樓房和土木工程的設計和施工,不適用核電站、大壩和海上建筑物等;為此,1998年,成立ICOLD歐洲部工作組就歐盟各成員國大壩地震評價方法進行對比分析,推動大壩抗震設計和施工。

1991年英國發布了“大壩地震風險工程導則”(An Engineering guide to Seismic Risk to Dams in the United Kingdom,the British seismic guide),導則提供全國地震區劃圖,全國共劃分為A、B和C三個區帶,A區重現期30 000年PGA為0.375g,10 000年重現期PGA為0.25g,1 000年重現期PGA為0.10g;1998年,又發布了“大壩地震風險工程導則應用注解”(the Application Note to An Engineering Guide to Seismic Risk to Dams in the United Kingdom),重現期10 000年的PGA等直線圖取代了地震區劃圖。其基本采用ICOLD SEE 和OBE兩級設防,并采用ICOLD bulletin 72大壩災害分級標準將大壩劃分為I-Ⅳ四個等級,重現期依次為1 000年、3 000年、10 000年、30 000年;MCE重現期采用30 000年或依據場地條件確定。

據2010年11月法國大壩委員會標準(Congres Francais des Grands Barrages),OBE基準期為100年,超越概率為40%,重現期為200年。MDE基準期為100年,超越概率為1.98%,重現期為5 000年。

2.3　美國標準

在美國并無統一的大壩抗震設計規范或導則。1999年4月美國大壩委員會(USCOLD)發布“修訂的大壩地震參數選擇導則”(Updated Guidelines for Selecting Seismic Parameters for Dam Projects),采用OBE和MDE兩級設防。最大設計地震的重現期多取3 000～10 000年。

據美國陸軍師團規范“土木工程地震設計和評價”(earthquake design and evaluation for civil works projects)ER1110-2-1806(1995)[9],建筑物抗震通常采用運行基本地震、最大設計地震和最大可信地震三個標準。運行基本地震為100年基準期，重現期為144年,超越概率50%,通常采用概率法確定。最大設計地震是指建筑物設計或評估所能承受最大水平的地震。建筑物不能發生致命性破壞,地震造成破壞或經濟損失是可以承受的,通常采用概率法或確定性法確定。但設防標準無明文規定,在實際工作中,有時選用最大可信地震,有時采用重現期為200年或500年,主要依據實際情況確定。但據有關文獻,通常情況下,MDE超越概率為10%,但有時為1%。最大可信地震是指依據地震和地質資料預測某個特定震源所能夠產生最大地震,通常采用概率法確定。但設防標準無明文規定,在實際工作中,一般情況下超越概率為2%或5%,重現期為2 000年或5 000年,基準期為100年。

此外,美國墾務局在1970年以前,大壩設計地震加速度采用0.1g,1974年以后提出設計基準地震DBE與最大可信地震MCE兩級設防的概念[10]。

2.4　全球地震災害圖(global seismic hazard map)

1992年,在聯合國科教文組織支持下,國際巖石圈組織發起了全球地震災害評估項目,也是作為聯合國千年計劃中減少自然災害項目,1999年完成。全球共劃分了16個區域,主要成果為地震動峰值加速度區劃圖,基準期為50年,超越概率為10%,重現期為475年。

在缺乏地震基礎資料情況下,全球地震災害圖可以作為一個現實的、快速的、初步的成果參照使用。

2.5　項目所在國國家標準

世界各國地震觀測與研究水平差別較大,因此,工程抗震設計水平也不盡一致,發達國家均建立了相應的國家或行業標準,而大部分不發達地區和國家尚未發布相應標準。

為此,針對國際工程項目的地震動參數確定應首先選用項目所在國家或地區的標準或規范,這是一種最直接、實用,且能夠得到普遍認可的方法。如項目所在國家尚未建立相應的標準或規范,可采用其他途徑獲取資料。

3　地震參數常規確定方法

國內大型工程安評從業單位資質的審批、安評技術規范編制、安評報告評審及審批由國家地震局及其下屬部門管理;而國外水利水電工程的場地地震安全性評價工作多由業主委托專業咨詢公司完成,無需報請政府批準,僅由項目審批單位審批。由于國外多數欠發達國家尚無國家或行業標準和規范,因此,工程場地的安全性評價工作也千差萬別,提交成果也不盡相同。總的來看,地震參數確定采用的方法主要為概率分析法、確定性分析方法。確定性分析方法就是利用已知近場地震、歷史地震資料和基本地質資料,誘發工程場址產生離散、單值地震活動或模式的地面運動,從而推求有關地震參數;通常,假定地震發生在距離場址最近地帶。概率分析法是在確定性分析方法基礎上,假定場地在特定周期內地面運動概率,推算地震有關參數的方法;概率分析法用來確定在工程或建筑物壽命周期內某一震級特定超越概率或重現期條件下的地面運動參數。

4　地震烈度

在世界范圍內,各國抗震設計工作發展很不平衡。在大部分發達國家,不再使用地震烈度區劃圖,取而代之是地震動參數區劃圖,基本采取以場地類別為基礎,編制不同抗震水平的地震動參數區劃圖;對于一些欠發達地區或國家,依然沿用地震烈度區劃圖;而一些地震工作發展較為落后國家或地區,建筑物抗震設計工作亦較落后,全國性地震烈度區劃圖尚未發布。2001年中國已經發布了《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001),不再采用地震烈度。

在國際工程抗震領域,先后提出了眾多的地震烈度劃分體系和標準,主要有美國M.M烈度表、前蘇聯烈度表、日本JMA烈度表、歐洲R-F烈度表、歐洲MCS烈度表、歐洲EMS-98、MSK烈度表(聯合國科教文組織1964年國際地震和地震工作會議推薦的)等,使用較為廣泛的主要為修訂的MSK烈度表,其主要劃分為12級;中國的地震烈度也劃分為12級,與MSK烈度表基本一致。

5　地震災害等級劃分

國內水利水電工程地震災害等級劃分尚無現行標準和規程規范,但國標和行業標準僅對工程場址定性劃分為有利地段、不利地段和危險地段[11],見表1。

據國際大壩委員會標準,大壩地震災害等級劃分見表2-表4。

據《全球地震災害圖》,地震災害等級劃分詳見表5。

表1　工程場址地段劃分

表2　地震災害等級(ICOLD)

表3　大壩潛在風險評價(ICOLD)

表4　風險等級(ICOLD)

表5　地震災害等級

6　國內外對比分析

6.1　抗震設防水平

在國際水利水電工程中,建筑物的抗震設計采用最大可信地震、最大設計地震、運行基本地震、設計基本地震、水庫誘發地震 (Reservoir Triggered Earthquake,RTE)、施工地震(Construction level Earthquake,CE)、安全評價地震等。雖然設計地震工況較多,但從以往及現行的抗震設計標準和規范來看,多年來基本沿用兩級設防的基本理念,在1989年版國際大壩委員會發布的“大壩地震動參數選擇導則”中,大壩按MDE和OBE兩級設防;2010年版導則中,采用了SEE和OBE兩級設防。縱觀世界各國的大壩抗震設計規范或導則中,大多數國家采用MDE(或SEE)和OBE兩級抗震設防水準,僅有英國、瑞士等少數國家按MDE進行大壩抗震設計。重要大壩,MCE多取MDE,MCE重現期多為5 000-10 000年。

據《水工建筑物抗震設計規范》(SL203—97)、《水工建筑物抗震設計規范》(DL 5073—2000),中國大壩等水工建筑物采用了最大設計地震一級設防水準,水工建筑物按其級別和場址地震烈度確定抗震設防類別。通常情況下,依據全國地震區劃圖確定其抗震設防烈度,一般大壩大震設防水準低于國外的MCE或SEE,其設防地震重現期也較一般OBE的要求高;而重要大壩均需進行專題研究,設防類別為甲類,MDE重現期為4 950年,對應100年超越概率為2%,由此可見,重要大壩的大震設防水準與國外MCE接近。

6.2　基準期和超越概率

在國際水利水電工程領域,工程抗震設計通常采用最大設計地震、運行基本地震兩級水平設防;運行基本地震的邊界條件較為清晰、明確,即100年內超越概率為50%,重現期為145年;但最大設計地震的邊界條件較為模糊、籠統。ICOLD (1989)-selecting seismic parameters for large dams,Guidelines,普遍認為MDE為100年內超越概率10%,重現期為950年;在修訂2010年版中,安全評價地震取代了MDE,不再采用MDE。此外,對于工程失事后可能引起嚴重次生災害的大壩,MDE取為MCE。MCE可用確定性分析確定,或按地震危險性分析方法,取很長時期內超越概率為50%的地震。安全評價地震的重現期未明確,但大多選用10 000年;要求建筑物結構損壞是可接受的,水庫不能出現無法控制的洪水;代表最大荷載的極限狀態。對于臨時導流建筑物,在設計周期(design life)內,CE的超越概率選取10%,也可選用設計洪水;但在2010年版國際大壩委員會導則中,未明確CE重現期。

在法國的標準“Congres Francais des Grands Barrages”(2010)中,安全評價地震為在100年內超越概率1.98%,重現期為5 000年;而基本運行地震為在100年內超越概率為50%,重現期為200年。

6.3　地震參數確定采用方法

在國內,一般情況下,中小型水利水電工程大壩地震動參數可直接依據國家地震局正式發布的《中國地震動峰值加速度區劃圖》;但對于大型水工建筑物,均按照規范要求進行場地地震安全性專題評價,進而確定地震參數。

在ICOLD導則中,重要建筑物SEE可選取MCE或MDE,通常選取較為保守參數。SEE可采取概率分析法和(或)確定性分析法估算,MCE依據確定性分析法估算;MDE依據概率分析法估算。MDE、DBE、OBE和 CE一般采用概率分析法估算,但也可采取確定性分析法估算。

在EM規范中,MCE通常采用確定性分析方法估算,MDE可采用確定性方法或概率分析法估算,OBE一般采取概率分析法估計。

由于各成員國地震災害和震源特性差異,歐洲Eurocode 8 EN1998-1將地震作用作為基本條款提出,各個國家規定不同地震參數(Nationally Determined Parameters,簡稱NDP),并可在相關附錄(National Annexes)中得到確認或修改。

6.4　地震烈度與地震危險性

目前,世界各國采用地震烈度劃分標準不盡相同,而發達國家或部分發展中國家,水利水電工程抗震設計中,地震加速度逐步取代了地震烈度,在抗震設計工作中,地震烈度作用逐步降低,不再采用,而采用加速度。

世界各地對于地震災害危險性等級的劃分還不很統一,等級大多劃分為4或5個等級,每個等級劃分標準不完全一致,且含義亦不盡一致;有些標準最低等級定義為低,有些標準最低等級定義為很低、非常低等;而最高等級定義為高、很高、極高、非常高,術語較為混亂;每個等級代碼不一致,有些采用小寫數字,有些大寫數字,有些為字母或數字與字母組合,還有部分沒有代碼;劃分依據基本是一致的,即采用加速度,但EM 1110-2-1902采用地震系數(seismic coefficient,ψ=ah/g,ah為水平加速度)[12],巴基斯坦未采用定量指標,僅定性描述;此外,每個等級劃分標準差別較大。

6.5　地震參數選取

據馬丁·維蘭德(Martin Wieland)發表的論文“修訂的國際大壩委員會大壩地震設計和運行標準”(ICOLD’s revised seismic design and performance criteria for large storage dams)和其在2012年葡萄牙里斯本舉行的第15屆世界地震工程大會提交的論文“大壩地震設計和運行標準”(seismic design and performance criteria for large storage dams),MCE采用確定性分析法,依據ICOLD(2010),MCE地震參數選取84%分位值,即平均值加一個標準差。高壩MDE重現期為10 000年,而潛在地震危險性小或有限的大壩,其重現期可采用較短時間;MDE采用概率分析法確定,依據ICOLD(2010),MDE取平均值。SEE可選用概率分析法或確定性分析法確定,如SEE采用MCE,而MCE采用確定性分析法確定,地震參數選取84%分位值,即平均值加一個標準差;如SEE選用MDE,而MDE采用概率分析法確定,地震參數通常選取平均值。此外,高壩SEE可選取MCE或 MDE,通常選取較為保守參數,如無法確定MCE,則SEE不能小于MDE。重現期475年的DBE為附屬建筑物參照設計地震,采取概率分析法確定,并取平均值,需要注意的是,DBE重現期應依據橋梁和建筑物的抗震規范確定。據ICOLD(2010),OBE基準期為100年超越概率為50%,重現期為145年;OBE采取概率分析法確定,并取平均值。CE用于臨時建筑物設計,估算方法差別較大,對于臨時導流建筑物,在其設計期限內,超越概率假定為10%,也可選取設計洪水。而MDE、DBE、OBE和 CE通常采用概率分析法確定,并選取平均值,MCE采用確定性分析法,即84%保證率相應數值(84 percentile values);此外,MDE、DBE、OBE和 CE也可以采用確定性分析法確定。

另據ICOLD Bulletin 72(2010版),對失事后果嚴重或極嚴重的大壩,如選用確定性分析法估算地震參數,SEE應取84%保證率相應數值,且如采用概率分析法平均年超越概率(AEP)不能<1/10 000。對于失事后果中等的大壩,如選用確定性分析法估算地震參數,SEE應取50%～84%保證率相應數值,且如采用概率分析法平均年超越概率不能<1/3 000。對于失事后果較小的大壩,如選用確定性分析法估算地震參數,SEE應取50%保證率相應數值,且如采用概率分析法平均年超越概率不能<1/1 000。此外,建議峰值垂直加速度通常為峰值水平加速度2/3。

由此可見,在ICOLD導則中,地震參數選取較為明確,在世界各國的相應地震標準或規范中,也基本遵循這樣原則,并且在工程實踐中,基本也是這樣執行的。

位于欠發達國家的水利水電工程,尚無可利用的國家權威部門發布的地震動參數國家標準,水利水電工程的地震動參數需進行地震危險性評價工作,進而確定場地的地震動參數,提供設計采用;此外,即使有可利用的地震動參數標準,但其具有相應的適應條件,大型或特大型水利水電工程,也需要進行場地地震危險性專題評估,確定針對具體大型工程和場地條件的地震動參數;在國際水利水電工程場地地震危險性評估領域,一般主要采用確定性分析法和概率分析法分別確定地震參數,然后依據實際條件提供推薦參數或由設計選用相應的地震參數;在確定設計地震參數時,有時兩種方法分析獲得的地震參數差別較大,通常采用較為保守的地震參數提供設計選用,這一點得到普遍認可。

7　結論與建議

(1)各國地震和構造背景差別很大,地震活動性差異亦較大,總的來看,國際大壩委員會和多數國家水利水電的工程抗震設計基本采取OBE和SEE(MDE、 MCE)兩級設防標準,但有些國家或行業標準采用一級設防標準。

(2)在國際水利水電工程領域,以及國際大壩委員會有關標準,OBE重現期、基準期、超越概率等基本參數均有明確規定,而SEE、MDE、MCE的重現期、基準期、超越概率等基本參數還未完全明確、統一。

(3)對于高壩大庫,在充分收集和分析工程所在國家標準或地區地震資料基礎上,地震危險性專題評估是通行的做法,以便確定場地地震參數。

(4)如項目所在國的地震參數國家標準或行業標準可以利用,據此初步確定工程場地地震參數。

(5)OBE、 SEE、MDE、MCE的加速度確定方法主要有確定性分析法、概率分析法;如兩種方法獲得加速度差別較大,多選用較為保守地震加速度數值。

(6)目前,各國地震烈度劃分標準和等級、地震危險性等級劃分標準等方面還很不統一,在實際工作中需注意。

(7)國內外水利水電工程的抗震及其管理還存在明顯的差別,特別是大型工程的地震場地安全性評價工作,在實際工作中宜“統籌兼顧”中不宜“照章辦事”。

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