基于性能的高土石壩抗震風險分析

王　琪,朱　晟,馮燕明

(1.水電水利規劃設計總院,北京100120；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南昆明650051)

?

基于性能的高土石壩抗震風險分析

王琪1,朱晟2,馮燕明3

(1.水電水利規劃設計總院,北京100120；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南昆明650051)

摘要：在總結世界各國大壩抗震設防標準的基礎上,建立了基于性能的高土石壩抗震風險分析模型。根據大壩地震危險性分析,確定了基于性能的地震動輸入標準及地震峰值加速度的概率分布形式,建立地震作用下高土石壩常見破損模式(壩坡穩定和永久變形)的結構易損性模型；結合震后損失建議了高土石壩抗震風險評價矩陣。

關鍵詞：高土石壩；風險分析；地震危險性；結構易損性；評價標準

0引言

在強震區修筑高土石壩面臨著巨大的挑戰,如果高壩因遭遇地震而出現險情,將會危及下游生命財產安全及社會環境等。合理確定土石壩的抗震設防標準、研究土石壩地震作用下的破壞形式與破壞機理,將抗震設防標準與相應的性能相結合,進而指導土石壩的抗震實踐,是當前壩工界亟需解決的重大關鍵技術問題之一。世界上經歷強震考驗的高壩較少,迄今尚無高土石壩因地震作用而潰決的報道。

目前,我國大壩風險分析的研究工作尚處于起步階段,吳世偉[1]對工程可靠度進行了研究,提出了研究結構風險的構思；沈懷志等[2- 4]對混凝土壩進行了基于功能抗震風險分析研究,提出了一種在不同震級作用下高壩震害損失的計算方法,探討了發電經濟功能下的高拱壩建設方案的風險決策問題；賈超[5]總結了高壩風險分析的事件樹法,明確系統的變化過程,進而找出預防事故發生的途徑,建立了因損傷水平的不同而造成使用功能不能充分發揮帶來的結構損失風險分析模型。本文擬針對高土石壩的抗震風險問題進行研究。

1基于性能的土石壩抗震設防標準

由于壩工界對大壩抗震能力認識存在差異[6],且各國地震地質構造也不相同,故采用的抗震設計規范中對地震荷載參數的選取也有較大差別。國際大壩委員會(ICOLD)推薦大壩按兩級設防[7-9]：運行基本地震(OperatingBasisEarthquake,OBE)和最大設計地震(MaximumDesignEarthquake,MDE),并將壩址區可能發生的最大地震定義為最大可信地震(MaximumCredibleEarthquake,MCE)。盡管不同國家、不同部門規定的大壩抗震控制標準不同,但關于大壩抗震設防的原則基本一致,即,在OBE作用下,不發生持續、嚴重破壞,保障大壩不做額外修復工作仍舊能夠繼續正常運行；在MDE作用下,將失事風險控制在一個可以接受的范圍內,防滲體和壩基不產生貫穿性裂縫,不發生庫水漫頂等災難性破壞。

根據《汶川地震災區水電工程震損調查及工程抗震復核》[10],結合土石壩壩體及相關設施的外觀形態、功能完整性和修復難易程度,將土石壩震害等級初步分為5級,見表1。

表1土石壩震害等級劃分標準

震害等級外觀形態運行功能特征修復難易程度未震損完好正常直接可用震損輕微保持完好基本正常,僅需簡單維修、維護,就可投入使用短時間內即可修復使用震損較重局部震損需限制使用條件1年之內可修復使用震損嚴重損壞嚴重基本喪失,但具備修復可能3年之內可修復使用損毀毀壞功能完全喪失,不具備修復可能無法修復,需要重建

在研究選取抗震性能指標時,在不潰壩的情況下,對應表1中土石壩震害等級,選定不同的設防標準見表2。

表2基于性能的土石壩抗震設防標準

抗震性能指標等級狀態抗震設防標準輸入地震基巖輸入加速度震損程度B1中震不壞OBE50年超越概率10%未震損或震損輕微B2大震可修MDE100年超越概率2%震損較重B3極震不倒MCE100年超越概率1%震損嚴重B4———潰壩

2高土石壩抗震風險分析模型

根據風險定義,地震后結構失效概率是地震危險性分析成果和結構易損性概率的函數

(1)

2.1地震危險性分析

在大壩的抗震分析中,通常用場地的峰值加速度表征地震特性,高小旺等[12-14]認為場地峰值加速度服從極值Ⅱ型概率分布,其累計概率分布函數為

(2)

式中,ag為眾值加速度,取一定時期內超越概率為63.2%的峰值加速度；K為形狀參數。ag和K可根據工程地震危險性分析資料給出的不同超越概率峰值加速度數據,進行最小二乘法擬合求得。

對式(2)求導,可得到地震峰值加速度的概率密度函數,即

(3)

2.2土石壩結構抗震易損性分析

基于性能的大壩結構抗震易損性分析,是研究不同概率水平的地震峰值加速度作用下,結構發生各級破損的概率。易損性分析主要包括：①結構破損等級臨界指標的確定；②對每一種破損等級的臨界狀態,輸入不同地震波進行計算,獲得達到臨界狀態的地震峰值加速度,進行概率分析；③擬合概率曲線,得到易損性函數[2,15]

(4)

式中,α、β、δ、μ為擬合系數。

對于土石壩而言,可選擇壩坡抗滑穩定安全系數和震后永久變形作為結構破損評價指標。進行可靠性分析時,選擇壩料力學特性參數(粘聚力C和摩擦角φ)作為隨機變量,研究表明這兩個隨機參數均符合正態分布,可采用蒙特卡羅法提取樣本構造隨機數,對大壩進行壩坡抗滑穩定及有限元計算：①壩坡穩定。輸入不同設防標準下的地震加速度,用擬靜力法進行壩坡抗滑穩定計算,得到不同抗震性能下的最小安全系數；根據不同破損標準的壩坡動力抗滑穩定安全系數,輸入不同地震加速度得到達到臨界狀態的時各加速度對應的破壞概率,即地震反應譜加速度易損性曲線,然后擬合得到易損性概率函數。②永久變形。通過靜動力有限元計算土石壩永久變形,確定達到各級破損狀態的臨界豎向永久變形值,進而計算不同破損等級的結構失事概率,得到結構的地震易損性曲線,建立易損性函數。

假定土石壩壩坡失穩和過大永久變形結構破壞2種破損模式是相互獨立事件,即出現一種險情就將對大壩安全造成威脅,則按照串聯系統計算大壩綜合失事概率為

(1-Pf(D))

(5)

式中,Pf(S)為壩坡失穩概率；Pf(D)為壩體永久變形的失事概率。

2.3震后損失分析

大壩遭受地震破壞的后果,應考慮人員傷亡、經濟損失和社會環境影響3個方面。我國對于土石壩的抗震設防本著“以人為本”的原則設計,要求“極震不倒”,力求將人的生命損失降低到最低,故本模型未考慮人員傷亡。

地震后,水利水電工程的經濟損失由直接經濟損失、間接經濟損失和救災直接投入費用構成。大壩結構由于地震導致的破損,屬于壩體在地震中的直接經濟損失,可用震后維修加固費用衡量；由地震造成的蓄水發電、供水等功能受損屬于間接經濟損失,可以用發電效益減損、供水等造成的經濟損失來估算；地震救災直接投入費用按實際投入確定,也可以根據需要按直接經濟損失進行初步估計。

C=Cd+Ci+Cs

(6)

式中,C為總經濟損失；Cd為直接經濟損失；Ci為間接經濟損失；Cs為救災直接投入費用。經濟損失計算方法為：①直接經濟損失。Cd可以用Cd=αC0進行估算,其中,α為損失比系數,取值可參考文獻[16]；C0為工程造價。②間接經濟損失。主要指由于大壩結構破壞造成的功能損失,考慮工程的水力發電功能,Ci可以用Ci=βW進行估算,其中,β為間接損失系數,可依據工程的震損程度選取,基本完好可直接使用,可認為無間接損失,取β=0；輕微震損可在短時間內修復,認為一個季度可修復,占年均生產效益的1/4,β=0.25；較重震損情況在一年內可修復使用,可取β=1；嚴重震損3年內修復使用,β>1。W為水電站正常運行時多年平均年發電效益,可用多年平均發電量乘以平均電價計算。③救災直接投入費用。在無法得到確切投入費用時,可按Cs=γCd估計,其中,γ為經驗系數,選取可參考文獻[17]。

震損評估還包括社會與環境影響評估,但是由于社會環境影響涉及面及其廣泛,包含社會政治因素、人的心理因素、河道生態環境、人文景觀等多方面因素,比較復雜。目前國際上對此研究尚不成熟,也尚未制定關于社會與環境影響的風險標準。我國對社會與環境影響風險僅做了初步探討,《中華人民共和國環境影響評價法》將建設項目對環境的影響程度,劃分成重大、輕度、小影響3類,要求對建設項目的環境影響評價實行分類管理,但是尚無定論何種影響狀態屬于何等影響程度。由于地震作用造成的環境破壞可以通過相應治理使其修復,因此對社會環境的損失評估亦可以從經濟角度考慮,將其劃歸到經濟損失評估中。

3高土石壩抗震風險評價標準

3.1大壩結構抗震易損性評價標準

大壩結構抗震易損性描述了在不同地震荷載作用下壩體發生的破壞概率。Vick和J.Barneich、美國墾務局、澳大利亞大壩委員會等[18]根據經驗提出了幾種判別標準；李雷等[18]結合多年對水庫大壩的安全鑒定工作,提出了結合我國具體情況的定性描述與定量概率轉換關系；《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南(試行)》、《城市軌道交通工程風險評估指南(征求意見稿)》劃分了風險事件發生可能性等級。

根據我國水利水電工程建設及社會經濟發展現狀,周建平等[19]建議我國大中型水庫大壩年失事率取1.0×10-3/a,參照澳大利亞的風險標準制定原則,以年失事率的10%作為可容忍風險,以失事率的1%作為可接受風險。高土石壩的基準使用期為100a,故年失事率轉化為失事概率后,失事概率小于0.01是可接受的,超過0.1是不可容忍的。

參考各國各領域關于破壞概率等級的研究成果,將大壩抗震易損性等級按結構失事概率劃分為5級,擬定大壩抗震易損性等級劃分標準見表3。

表3大壩抗震易損性等級劃分標準

可能性等級定量判斷標準定性判斷標準風險承受水平1Pf<0.0001幾乎不可能20.0001≤Pf<0.01不太可能可接受30.01≤Pf<0.1可能可容忍40.1≤Pf<0.5很可能50.5≤Pf<1非常可能不可容忍

3.2震后損失評價標準

大壩的地震經濟損失與工程造價和震后破損程度有關,由于工程的規模造價不同,震損程度與經濟損失并無直接的線性對應關系,另外,經濟損失還與地區經濟發展水平和國民經濟風險接受能力有關。根據《生產安全事故報告和調查處理條例》、《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》、《企業職工傷亡事故經濟損失統計標準》等,結合我國現有國情和水庫大壩規模,建議將高土石壩地震直接經濟損失劃分為5個等級,其中,小于500萬元是可接受的,超過1億元是不可容忍的,建議劃分標準見表4。

表4高土石壩地震經濟損失等級標準

震損等級后果描述直接經濟損失判斷標準風險承受水平A輕微500萬元以下可接受B較輕500萬～1000萬元C中等1000萬～5000萬元D嚴重5000萬～1億元可容忍E災難1億元以上不可容忍

3.3建議高土石壩抗震風險評價矩陣

根據風險事件發生可能性和風險損失建立,如表5所示的風險評價矩陣,建議高土石壩的抗震風險等級分為3級：Ⅰ為可接受的低風險,需加強管理保持控制風險在可接受范圍內；Ⅱ為警告級的可容忍中等風險,需制定風險削減措施降低風險；Ⅲ為不可容忍的高危風險,需要納入目標管理或制定風險管理方案。

表5高土石壩的抗震風險評價矩陣

損失等級可能性等級ABCDE輕微較輕中等嚴重災難性1幾乎不可能ⅠⅠⅠⅠⅠ2不太可能ⅠⅠⅡⅡⅡ3可能ⅡⅡⅡⅢⅢ4很可能ⅡⅡⅢⅢⅢ5非常可能ⅢⅢⅢⅢⅢ

4結語

依據抗震設防標準,建立了高土石壩地震風險分析模型,將大壩抗震性能與地震后結構發生破壞的可能性以及震后損失聯系在一起,評價結果可為工程進行風險管理提供客觀依據。高土石壩抗震風險管理是一個長期動態循環的過程,針對不同的風險等級進行風險控制,制定相應的應急預案,可為高土石壩的安全運行提供有力保障。

參考文獻：

[1]吳世偉. 結構可靠度分析[M]. 北京： 人民交通出版社, 1990.

[2]沈懷至. 基于性能的混凝土壩-地基系統地震破損分析與風險評價[D]. 北京： 清華大學, 2007.

[3]金峰, 賈超, 王品江, 等. 基于功能的高壩建設方案的風險決策研究[J]. 巖土力學, 2006(8)： 1421- 1424.

[4]沈懷至, 金峰, 張楚漢. 基于功能的混凝土重力壩抗震風險模型研究[J]. 巖土力學, 2008(12)： 3323- 3328.

[5]賈超, 李新群. 高壩風險分析的事件樹法[J]. 水力發電, 2006, 32(8)： 71- 74.

[6]萬宗禮. 國內外水壩設計中地震研究的差異[J]. 西北水電, 2003(4)： 52- 56.

[7]維蘭德M.,胡云鶴. 地震與大壩安全[J]. 水利水電快報, 2011(2)： 33- 35.

[8]WIELANDM.ReviewofSeismicDesignCriteriaofLargeConcreteandEmbankmentDams[C]//73rdAnnualMeetingofICOLD,Tehran, 2005.

[9]VWIELANDM.LargeDamstheFirstStructuresDesignedSystematicallyAgainstEarthquakes[C]//14thWorldConferenceonEarthquakeEngineering,Beijing,China, 2008.

[10]水電水利規劃設計總院. 汶川地震災區水電工程震損調查及工程抗震復核[R]. 北京： 水電水利規劃設計總院, 2008.

[11]中國地震局地震預測研究所. 四川省岷江紫坪鋪水利樞紐工程場地地震安全性評價復核報告[R]. 北京： 中國地震局地震預測研究所, 2009.

[12]高小旺, 鮑靄斌. 用概率方法確定抗震設防標準[J]. 建筑結構學報, 1986(2)： 55- 63.

[13]高小旺, 鮑靄斌. 地震作用的概率模型及其統計參數[J]. 地震工程與工程振動, 1985, 5(1):13- 22.

[14]高小旺, 魏璉, 韋承基. 以概率為基礎的抗震設防方法若干問題[J]. 世界地震工程, 1986(3)：17- 21.

[15]王篤波, 劉漢龍, 于陶. 基于變形的土石壩地震風險分析[J]. 巖土力學, 2012, 33(5)： 1479- 1485.

[16]蘇燕, 武甲中. 軟土地基堤防工程地震風險評價研究[J]. 福州大學學報： 自然科學版, 2011(1)： 129- 136.

[17]GB/T18208.4—2005地震現場工作第4部分-災害直接損失評估[S].

[18]李雷, 王仁鐘, 盛金保, 等. 大壩風險評價與風險管理[M]. 北京： 中國水利水電出版社,2006.

[19]周建平, 杜效鵠. 我國水電站大壩潰壩生命風險標準討論[J]. 中國水能及電氣化, 2010(5)： 14- 18.

[20]趙劍明, 劉小生, 溫彥鋒, 等. 紫坪鋪大壩汶川地震震害分析及高土石壩抗震減災研究設想[J]. 水力發電, 2009, 35(5)： 11- 14.

[21]杜效鵠, 周建平. 水利水電工程風險及其應對思路的探討[J]. 水力發電, 2010, 36(8)： 1- 4, 8.

(責任編輯焦雪梅)

收稿日期：2014- 01- 12

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃項目(2009BAK56B02)

作者簡介：王琪(1987—)，女，山東曲阜人，工程師，碩士，主要從事科技期刊編輯和水工結構抗震風險分析方面的研究工作．

中圖分類號：TV641.1；TB114.3

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0057- 04

SeismicRiskAnalysisofHighEarth-rockDamBasedonPerformance

WANGQi1,ZHUSheng2,FENGYanming3

(1.ChinaRenewableEnergyEngineeringInstitute,Beijing100120,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerElectricity,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China;3.PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,Yunnan,China)

Abstract:After analyzing dam seismic standards in the world, a seismic risk analysis model of high earth-rock dam is established based on performance. Combined with the seismic hazard analysis, the earthquake input criteria and probability distribution of peek ground acceleration are determined. The structural fragility models are established respectively for the common failure modes of dam slope instability and permanent deformation. Combining with the earthquake damage consequences, a matrix rank is suggested to evaluate the seismic risk level．

Key Words:high earth-rock dam; risk analysis; seismic hazard; structural fragility; assessment standard