土石壩地震危險性分析
——美國州大壩安全官員聯(lián)合會最新報告

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土石壩地震危險性分析
——美國州大壩安全官員聯(lián)合會最新報告

美國州大壩安全官員聯(lián)合會(ASDSO)2015年出版了兩期簡報，內(nèi)容都是關(guān)于加拿大西部BC水電公司所屬大壩建筑物的地震破壞情況。對BC水電公司開展的地震危險性研究及ASDSO針對抗震穩(wěn)定性組織的網(wǎng)絡(luò)研討會進行了簡要介紹。

大壩建筑物；地震；抗震穩(wěn)定性；美國

根據(jù)2014年底完成的長期地震危險性研究，BC水電公司提出了加拿大不列顛哥倫比亞省主要大壩加固計劃。研究表明，溫哥華(Vancouver)島和布里奇(Bridge)河水系上大壩的地震風(fēng)險較高，而其他重點流域大壩建筑物的地震危險性不高，皮斯(Peace)河和哥倫比亞(Columbia)河水系所面臨的地震風(fēng)險比以往要低或處于相同水平，地勢較低的平原地區(qū)大壩的地震風(fēng)險與以往相同。

美國州大壩安全官員聯(lián)合會(ASDSO)將土石壩地震危險性作為關(guān)注重點。美國一家組織最新一期網(wǎng)絡(luò)研討會也將地震穩(wěn)定性評價作為主要內(nèi)容，包括抗震性能和各類評估方法，如土壤特性、液化、循環(huán)軟化、變形和穩(wěn)定性分析等。在討論諸如場地特征和評估方法的基本原理時，以美國加利福尼亞州的勒尼漢(Lenihan)壩和圣費爾南多(Lower San Femando)下壩這兩座遭受地震損壞的大壩為例進行了詳細分析。在討論地震危險性問題時選擇了密西西比州伊尼德(Enid)壩。

1 地震危險性與大壩抗震性

2014年底，BC水電公司公布了為期6 a的大壩地震危險性研究成果，以加拿大溫哥華島和內(nèi)陸布里奇河流域為重點進行了進一步研究，并編制了投資計劃，對危險性高的大壩進行加固。

BC水電公司的報告顯示，內(nèi)陸低海拔地區(qū)的地震危害性并不大，相應(yīng)的分析也得出了同樣的結(jié)果。而皮斯河和哥倫比亞河上大壩的地震危險性甚至比之前計算的還要小。

BC水電公司稱，這項研究是多年來不同領(lǐng)域?qū)＜夜餐蛟斓木分鳎ǖ卣饘W(xué)家、物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家。通過分析不列顛哥倫比亞省及其臨近地區(qū)記錄的歷史地震事件，旨在確定地震熱點，建立預(yù)測模型，評估大壩和附屬建筑物區(qū)地震引起的地面運動水平。

在2015年底地震研究報告發(fā)布會上，BC水電公司表示“就預(yù)測地震災(zāi)害而言，報告中所使用的研究方法是目前最先進的計算模型”，并聲稱這是北美水電行業(yè)首次采用該模型。

BC水電公司發(fā)電業(yè)務(wù)執(zhí)行副總裁奧里萊表示，這一新的計算模型證明該省大壩地震危險性狀況一直沒有改變，公司已經(jīng)制訂了最新行動計劃來應(yīng)對溫哥華島地震災(zāi)害增加的情況。

在內(nèi)陸布里奇河流域，正在進行一項旨在評估太沙基(Terzaghi)壩現(xiàn)狀的研究。BC水電公司表示，在未來的計劃中將優(yōu)先開展塞頓(Seton)壩的研究，而為了降低拉喬伊(La Joie)壩峰值水平的研究計劃已經(jīng)實施。

在未來9～10a內(nèi)，BC水電公司計劃投資約19億加元，用于提升大壩的抗震安全性。正在進行的工程包括溢洪閘升級改造，投資近 7.5億加元的拉斯金(Ruskin)壩和廠房將在2017年完工。

之前開展的工作包括埃爾西(Elsie)壩、科奎特勒姆(Coquitlam)壩和斯特拉斯考納(Strathcona)壩進水塔的升級改造，其中科奎特勒姆壩項目規(guī)模最大，耗資6 500萬加元，包括在現(xiàn)有建筑物下游新建土石壩，這項工程已于2008年完工。

此外，BC水電公司還投資輸配電系統(tǒng)抗震性能的升級改造，主要工程包括已完工的耗資 1.7億加元的溫哥華市中央輸電系統(tǒng)、即將開工的溫哥華市中心加固工程、溫哥華島電網(wǎng)和變電站工程。

2 溫哥華島上大壩的抗震安全性

溫哥華島是不列顛哥倫比亞省的地震活動強烈區(qū)， 島上主要發(fā)育坎貝爾(Campbell)河和約旦(Jordan)河水系。 BC水電公司開展的地震敏感性研究表明， 約旦河流域的地震危害性是坎貝爾河流域的兩倍。 在新修訂的溫哥華島地震活動計劃中， 考慮了近幾年發(fā)生的地震， 奧里萊最近表示， 計劃在未來10 a內(nèi)投資7億加元用于提升大壩的抗震安全性。

2.1 坎貝爾河水系

正在針對坎貝爾河水系制定約翰哈特(John Hart)壩和拉得爾(Ladore)壩的升級改造計劃，已提交斯特拉斯考納壩的計劃，針對科莫克斯(Comox)壩、埃爾西(Elsie)壩和蓬特萊吉(Puntledge)壩的研究工作也在計劃中。

在約翰哈特電站，一項耗資11億加元的電廠重建項目正在進行，2014年底開工，旨在提高地震安全性和電力可靠性。大壩的升級改造也是該工程的一部分，已先行實施。

同樣，現(xiàn)場進水塔工程完工后，對斯特拉斯考納壩進行了抗震性能研究。應(yīng)對埃爾西壩壩址抗震性進行進一步研究，從而確定投資方向。

2.2 約旦河水系

BC水電公司早在20世紀(jì)90年代早期就開始對約旦河壩進行升級改造。最新的地震研究顯示，約旦河壩距卡斯卡迪亞(Cascadia)斷層約40 km，最近發(fā)生的里氏8到9級大地震引起的地面運動要比預(yù)想的強烈得多。

BC水電公司指出，這項新的研究表明，為了提高抗震穩(wěn)定性，更進一步的升級改造或重建是有必要的。

然而，該公司“并不確信”升級改造在技術(shù)上是否可行，上游的埃利奧特(Ellio)壩也需要進行升級，而且在技術(shù)上是可行的。

BC水電公司計劃與約旦河當(dāng)?shù)鼐用窈凸賳T進行討論，評估這項研究成果，同時還要討論“大地震導(dǎo)致大壩破壞”的避險措施。

3 抗震穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)研討會

2015年ASDSO組織了土石壩抗震分析網(wǎng)絡(luò)研討會，其主題主要集中在兩方面，一是性能、特性和評價方法，二是穩(wěn)定性和變形。

3.1 性能、特性和評價方法

首位發(fā)言者R.阿姆斯特朗列出了在地震加速度作用下土石壩的主要破壞模式，包括斷層引起的開裂、可能導(dǎo)致漫頂?shù)膲误w脫坡和沉降、側(cè)向剪切變形、相鄰層剛度差異導(dǎo)致的開裂、壩肩或進水塔垮塌導(dǎo)致的輸水渠堵塞等。

他簡要回顧了美國歷史上地震引起的潰壩事件，包括1906年圣安德列斯(San Andreas)壩、1925年謝菲爾德(Sheffield)壩、1971年和1994年圣費爾南多下壩以及1989年奧地利(Austrian)壩。然而，大部分建造質(zhì)量良好的壩都經(jīng)受住了地震考驗，但由于大壩失穩(wěn)會產(chǎn)生嚴重后果，需要在震后對大壩結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析。

探索地震對土石壩產(chǎn)生破壞的機理，涉及地震波在壩體中的傳播以及壩體和壩基抗剪強度的降低。對砂土和粘性土，動態(tài)抗剪強度的研究方法不同，地震導(dǎo)致砂土產(chǎn)生液化，而粘性土則在循環(huán)動荷載作用下發(fā)生軟化。

關(guān)鍵問題是選擇合適的評價方法，首先需要確定壩體、壩基是粗粒土還是細粒土主導(dǎo)。由于沒有絕對、簡單和通用的定義，結(jié)合大多數(shù)研究結(jié)果，一般認為，細顆粒含量15%～50%的土定義為由細粒土主導(dǎo)的土，確定細粒土動態(tài)剪應(yīng)力采用循環(huán)軟化評價法。確定土的可塑性有助于選擇最佳評價方法。

對粗粒含量較多的土，液化分析是更直接的評價方法，盡管實施原位測試有一定難度。循環(huán)動荷載軟化評價也可以采用原位測試，但室內(nèi)試驗也是有效的方法。

在網(wǎng)絡(luò)研討會上討論各評價方法時，R.阿姆斯特朗詳細介紹了對各種概化模型所建立的不同評價方法以及各種修正系數(shù)，并分析了垂直有效應(yīng)力增加對抗循環(huán)動荷載軟化的影響。

R.阿姆斯特朗還回顧了在壩址區(qū)獲取關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)的地面調(diào)查手段和有關(guān)試驗方法。他盛贊貝克爾貫入試驗(BPT，類似于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，廣泛應(yīng)用于北美地區(qū))。這一孔內(nèi)測試方法的最新進展，解釋了錘擊能量向貫入器端部傳遞的機理。相關(guān)研究與開發(fā)由加州大學(xué)戴維斯(UC Davis)分校主導(dǎo)，洛杉磯水電局資助。

阿姆斯特朗總結(jié)出如下幾點：

(1) 為查明地震對土石壩造成的破壞，應(yīng)重點對壩頂位移、裂縫、旋轉(zhuǎn)滑移和側(cè)向擴張進行觀測；

(2) 確定最合適的評價方法和土的動態(tài)抗剪強度非常重要；

(3) 液化評價建立在原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上；

(4) 循環(huán)動荷載軟化評價的關(guān)鍵是通過原位測試或室內(nèi)試驗確定不排水抗剪強度。

3.2 壩體穩(wěn)定性與變形

變形直接關(guān)系到土石壩的安全運行，而壩體結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性取決于變形。

地震中和地震后應(yīng)檢查壩體變形情況，需要分析的關(guān)鍵點是：慣性效應(yīng)、由于超孔隙水壓力和應(yīng)變所導(dǎo)致的剛度和強度的降低、土體壓縮導(dǎo)致的體積變化(非飽和、松散到中等密實的無粘性土)。

一般情況下，臨界條件發(fā)生在震后，因此可以監(jiān)測到變形，除非發(fā)生震后失穩(wěn)。為分析變形所采用的評估方法，需要選擇合適的抗剪強度，需要考慮超孔隙水壓力和應(yīng)變過大導(dǎo)致的承載力下降，以及動態(tài)剪應(yīng)力引起的土體積和透水性的變化。

液化對震后抗剪強度起著重要作用。如果認為土層在特定地震中具有液化風(fēng)險，那么抗剪強度就應(yīng)該選取液化后的剩余抗剪強度，否則就要選取不排水抗剪強度和排水抗剪強度二者中的低值，選取的原則取決于土的類別，粘土和粉土一般選取前者。

土在動荷載作用下的特性可以通過經(jīng)驗方法和數(shù)值模擬(間接或直接計算)來評估，包括變形。

經(jīng)驗方法可以提供初步評估，并可以與詳細分析結(jié)果互相映證。

間接方法包括滑塊法和應(yīng)變勢能法。Newmark滑塊法是根據(jù)地震加速度和屈服加速度差值，通過二重積分法來計算位移。每一對數(shù)值都是分別通過塊體在動荷載作用下的特征曲線和極限平衡穩(wěn)定分析(考慮強度降低)曲線獲得的，而后建立時間關(guān)系曲線，從而可以求出地震過程中每一時刻的位移值。另外，根據(jù)土的類別，還要計算土的體積變化。

非線性分析是直接方法，當(dāng)土承受的動荷載接近其強度時，其屈服或變形表現(xiàn)為塑性變形，通過非線性分析可以確定總應(yīng)力和有效應(yīng)力，不管孔隙水壓力與體積應(yīng)變在塑性變形階段是否耦合。非線性分析主要涉及4種應(yīng)力應(yīng)變模型，最簡單的是線彈塑性模型(如摩爾-庫倫模型)，雙曲彈塑性模型、多重嵌套屈服面模型和邊界亞塑性模型則比較復(fù)雜。

在案例分析中，多重嵌套屈服面模型用來評估勒尼漢壩的總應(yīng)力，該壩在1989年洛馬·普雷塔(Loma Prieta)大地震中受到損壞，模型模擬壩頂位移效果良好。1971年圣費爾南多地震對圣費爾南多下壩影響的分析表明，液化影響了上游壩殼的穩(wěn)定性。分析中采用了相對簡單的非耦合摩爾-庫倫模型與雙曲彈塑性模型，重點分析壩體在動荷載作用下不同土層的強度。總體而言，數(shù)值模擬提供了符合實際情況的分析方法，每種方法所預(yù)測的液化區(qū)域基本相同。

伊尼德壩特別長，但高度有限，臨近新馬德里(New Madrid)斷裂帶，地表地質(zhì)調(diào)查表明，在循環(huán)動荷載作用下建筑物可能同時面臨軟化和液化問題。沿大壩選擇眾多斷面進行了多重時間歷程分析，結(jié)果表明，最大設(shè)計地震(震級 7.6，震中距145 km，地震加速度 0.19 g)條件下潛在位移不足以造成大壩失穩(wěn)。

總而言之，包括非線性分析方法在內(nèi)的評估方法，為研究變形提供了強有力的工具，但所有的工作都需要經(jīng)驗豐富的工程師進行調(diào)整，實際工作中必須注意這一點。

楊家凱 馬貴生 譯

(編輯：朱曉紅)

2017-03-01

1006-0081(2017)07-0046-03

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