土石壩地震危險性分析
——美國州大壩安全官員聯合會最新報告

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土石壩地震危險性分析
——美國州大壩安全官員聯合會最新報告

美國州大壩安全官員聯合會(ASDSO)2015年出版了兩期簡報，內容都是關于加拿大西部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針對抗震穩定性組織的網絡研討會進行了簡要介紹。

大壩建筑物；地震；抗震穩定性；美國

根據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險比以往要低或處于相同水平，地勢較低的平原地區大壩的地震風險與以往相同。

美國州大壩安全官員聯合會(ASDSO)將土石壩地震危險性作為關注重點。美國一家組織最新一期網絡研討會也將地震穩定性評價作為主要內容，包括抗震性能和各類評估方法，如土壤特性、液化、循環軟化、變形和穩定性分析等。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，內陸低海拔地區的地震危害性并不大，相應的分析也得出了同樣的結果。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域專家共同打造的精品之作，包括地震學家、物理學家和地質學家。通過分析不列顛哥倫比亞省及其臨近地區記錄的歷史地震事件，旨在確定地震熱點，建立預測模型，評估大壩和附屬建筑物區地震引起的地面運動水平。

在2015年底地震研究報告發布會上，BC水電公司表示“就預測地震災害而言，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首次采用該模型。

BC水電公司發電業務執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，公司已經制訂了最新行動計劃來應對溫哥華島地震災害增加的情況。

在內陸布里奇河流域，正在進行一項旨在評估太沙基(Terzaghi)壩現狀的研究。BC水電公司表示，在未來的計劃中將優先開展塞頓(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實施。

在未來9～10a內，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模最大，耗資6 500萬加元，包括在現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、即將開工的溫哥華市中心加固工程、溫哥華島電網和變電站工程。

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， 島上主要發育坎貝爾(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， 考慮了近幾年發生的地震， 奧里萊最近表示， 計劃在未來10 a內投資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，最近發生的里氏8到9級大地震引起的地面運動要比預想的強烈得多。

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，而且在技術上是可行的。

BC水電公司計劃與約旦河當地居民和官員進行討論，評估這項研究成果，同時還要討論“大地震導致大壩破壞”的避險措施。

3 抗震穩定性網絡研討會

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

3.1 性能、特性和評價方法

首位發言者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、可能導致漫頂的壩體脫坡和沉降、側向剪切變形、相鄰層剛度差異導致的開裂、壩肩或進水塔垮塌導致的輸水渠堵塞等。

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，大部分建造質量良好的壩都經受住了地震考驗，但由于大壩失穩會產生嚴重后果，需要在震后對大壩結構進行穩定性分析。

探索地震對土石壩產生破壞的機理，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，動態抗剪強度的研究方法不同，地震導致砂土產生液化，而粘性土則在循環動荷載作用下發生軟化。

關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。由于沒有絕對、簡單和通用的定義，結合大多數研究結果，一般認為，細顆粒含量15%～50%的土定義為由細粒土主導的土，確定細粒土動態剪應力采用循環軟化評價法。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。循環動荷載軟化評價也可以采用原位測試，但室內試驗也是有效的方法。

在網絡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，并分析了垂直有效應力增加對抗循環動荷載軟化的影響。

R.阿姆斯特朗還回顧了在壩址區獲取關鍵原始數據的地面調查手段和有關試驗方法。他盛贊貝克爾貫入試驗(BPT，類似于標準貫入試驗，廣泛應用于北美地區)。這一孔內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。相關研究與開發由加州大學戴維斯(UC Davis)分校主導，洛杉磯水電局資助。

阿姆斯特朗總結出如下幾點：

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

(2) 確定最合適的評價方法和土的動態抗剪強度非常重要；

(3) 液化評價建立在原位標準貫入試驗經驗公式的基礎上；

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

3.2 壩體穩定性與變形

變形直接關系到土石壩的安全運行，而壩體結構的抗震穩定性取決于變形。

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

一般情況下，臨界條件發生在震后，因此可以監測到變形，除非發生震后失穩。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變過大導致的承載力下降，以及動態剪應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險，那么抗剪強度就應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驗方法和數值模擬(間接或直接計算)來評估，包括變形。

經驗方法可以提供初步評估，并可以與詳細分析結果互相映證。

間接方法包括滑塊法和應變勢能法。Newmark滑塊法是根據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定分析(考慮強度降低)曲線獲得的，而后建立時間關系曲線，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，當土承受的動荷載接近其強度時，其屈服或變形表現為塑性變形，通過非線性分析可以確定總應力和有效應力，不管孔隙水壓力與體積應變在塑性變形階段是否耦合。非線性分析主要涉及4種應力應變模型，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，數值模擬提供了符合實際情況的分析方法，每種方法所預測的液化區域基本相同。

伊尼德壩特別長，但高度有限，臨近新馬德里(New Madrid)斷裂帶，地表地質調查表明，在循環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，結果表明，最大設計地震(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。

總而言之，包括非線性分析方法在內的評估方法，為研究變形提供了強有力的工具，但所有的工作都需要經驗豐富的工程師進行調整，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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