解析水工結構抗震分析及設計

李振亮 水發(fā)規(guī)劃設計有限公司

眾所周知，水工建筑物由于與水體等接觸較多，且埋置較深，因而以較長的線路布置進行適當疏導，在此條件限制下，水工建筑物的作業(yè)便容易受到多方面的影響，例如，高地下水位、強地震等。其中，地震對于水工建筑的影響十分嚴重，即一方面會導致建筑物的損害，另一方面也對社會居民的生命、財產安全造成影響。結合我國的地理狀況，本文將以水工結構抗震分析作為切入點，進行具體的水工結構抗震設計理論論述，期以為我國水工建筑的抗震設計提供可靠的、適用性的理論依據。

1.地震安全性評價概述

水運工程地震安全性評價建立的根據即相關參數的具體限制及要求，通常以《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》、《水運工程抗震設計規(guī)范》等為準，從而保證在具體條件下的水運工程地震安全性評價。隨著水運工程關于抗震工作的研究與發(fā)展，目前我國逐漸形成了以地震危險性概率分析法等為主的新型方式，這種方式主要是以水運工程場地及其周邊環(huán)境的相關信息收集、分析為基礎，例如其地震地質條件、地震活動規(guī)律、應力場等，從而實現風險評估的客觀性、科學性、可靠性，進一步提高工程規(guī)劃與設計的可用性。通常情況下，相關人員均會以速度、設計反應譜等進行地震動參數的信息收集。又因不同設計下的水運工程建筑物具有差異性的抗震能力，所以相關人員必須以具體的內容分析，進行可靠的地震評價，例如，水工結構地震危險性的概率分析和不確定性分析等等。需要注意的是，作為整體工作的基礎，地震地質工作必須得到有效延伸，保證其水工結構趨于的具體活動構造完整化、清晰化，從而使得如震源位置、最大震級等信息的把握符合準確性標準。

2.汶川地震對水工結構抗震設計的啟迪

首先，由于相關結構本身的穩(wěn)定性對于強震而言具有明顯的抵抗力，即水工壩基巖體和邊坡等，因此，二者對于水工結構壩的抗震能力而言十分突出，需要得到合理重視。在汶川地震中，采用預應力錨固處理的水工結構與沒有采用預應力錨固處理的水工結構形成鮮明對比，即在百米級大壩的壩肩巖體、壩基以及高邊坡等的具體比較中，前者具有明顯的穩(wěn)定性，后者則發(fā)生了嚴重坍滑。在這種比較下，則表明水工壩基和邊坡加固的工程措施對于水工結構的抗震能力提升而言，是十分必要且有效的。

其次，根據汶川地震中水工壩體的震害相關記錄發(fā)現，其具體抗震設計中的泄水結構抗震能力仍未得到充分重視。即地震應急預案必須進行相關的能源應急預備，例如，泄水結構正常作業(yè)以及應急能源的充足等，從而保證泄水結構在地震狀態(tài)下的有效、合理運行，避免因強震中的應急預案確實而導致的泄水結構無法作業(yè)。

再次，汶川地震作為罕見的高強度地震，其本身就具有一定的不可預知性，但是，這也提醒相關工作人員必須具備高度的警戒意識以及敏銳的判斷能力。具體而言，水工結構的地震評估必須以極限狀態(tài)為準，即 “最大可信地震”，從而以此為根據，保證水工結構設計對于潰壩、次生災害等的抵抗能力處于優(yōu)質范圍內。另外，由于地震評估工作本身具有一定的粗略性，使得水工結構的抗震設計無法完善整體的抗震效用，這是由地震的客觀狀況而導致的。就百米級別的水工高壩而言，汶川地震中的高壩與新建的高壩二者并不能進行統(tǒng)一性的比較，因其地理、環(huán)境、建造方式等等均具有差異，且后者沒有強震考驗的先例。

最后，通過對汶川地震的發(fā)震斷層研究，能夠提升相關研究人員對于水工結構抗震設計的多方面認識。具體如下：由于汶川地震本身屬于高強度地震，因此其發(fā)震斷層也就具有十分顯著的縱深效果，即發(fā)震斷層較長，超過320 km，發(fā)震斷層深度廣，即20 km，且震時超過100s，就地震能量的釋放而言，由于縱深效果較強，也就導致了其在時間和空間的分布上具有十分顯著的不均衡特征，這就導致對其的具體分析不能以一致性的點源分析為準。通過對其進行具體研究且結合震害經驗表明，在水工結構的抗震設計中，由于地理因素的差異性，導致相同水工結構在地理上也具有一定的差異性；同時，結構受力狀況的具體把握也受到區(qū)位因素的影響，進而導致地震動的反應狀況具有一定的不穩(wěn)定性。

3.水工結構抗震設計的幾點建議

3.1 抗震設防水準框架的確定

第一，則是對重大水工建筑物而言，要求相關人員必須以相關規(guī)則進行具體的抗震設計，即“設定地震法”（以場地地震危險性分析并綜合概率法和確定性方法為基礎），從而保證在場地信息的基礎上，進行科學的地震模型模擬，推動重大水工建筑物抗震設防水準框架的科學性、完整性發(fā)展。

第二，則要求相關人員必須進行合理的峰值加速度計算，即以場地地震地質條件為計算基礎，保證“最大可信地震”狀態(tài)下的合理計算，根據相關要求，其必須以對應方法進行準確的計算，即確定性的方法或者基準期100年內超越概率為0.01的概率法，進而進行最大值選取。

第三，由于強震本身具有一定的塑性可能，所以要求抗震設防必須進行全面性的考慮，即將地震動加速度幅值以及頻譜非平穩(wěn)性等納入考慮范圍內。

3.2 對標準設計反應譜的建議

標準設計反應譜通常作為一種可行性的統(tǒng)計規(guī)律而存在，即其能夠通過地震動反應譜的衰減關系，進行差異性的地震信息統(tǒng)計，相關信息如地震等級和地震場址距離的地震動加速度反應譜等等。現階段，目前，地震動反應譜和地震震級以及場址距離間的規(guī)律性具有粗略性特征，即其均是以實際強震信息的統(tǒng)計作為形式，無法保證地震相關的具體信息規(guī)律性與可靠性。

隨著諸多國家對于水工結構抗震設計的研究，大多數國家紛紛展開了與其地域相關的地震反應譜研究工作，其中尤以美國為首，其以全世界發(fā)生的多數地震信息作為依據，展開了陸續(xù)的反應譜研究工作，即173次地震中的3551個強震記錄等。因此，在我國與北美大陸地理環(huán)境較為相似的前提上，我國水工結構的抗震設計反應譜研究工作可以美國的相關研究為基礎。

3.3 水工結構混凝土的動態(tài)力學性能

水工結構混凝土的動態(tài)力學性能首先是由多重因素決定的，即要求相關人員必須以具體的動態(tài)力學性能參數為依據，即如混凝土動態(tài)抗拉、彈性模量等等，從而保證其動態(tài)力學性能計算的準確性、可靠性，需要注意的是，其參數獲取必須以剪切受拉和彎曲受拉強度為主。通常情況下，水工結構的抗拉強度值均會以試驗的形式進行，且其試驗過程必須符合全面性要求，即全級配試件抗折試驗。

3.4 水工土石壩的動力分析

水工土石壩結構的地震響應顯著的復雜性首先是由其材料本構關系決定的，即塑性性能很強，這就導致了其模擬條件較為復雜，且無法保證模擬狀態(tài)的統(tǒng)一性，即分析狀態(tài)與實際狀態(tài)的差異性。在現階段的水工土石壩動力分析工作中，以《水工建筑物抗震設計規(guī)范》為代表的擬靜力的方法雖然進行了抗震設計，但是由于其本身對于地震的動態(tài)力學性能把握具有一定的粗略性，所以就無法保證相關計算的可靠性，即如水工壩體及基礎的壩體地震變形等。

4.結語

由于水工結構的受力情況和邊界條件等本身具有較為突出的復雜性，所以就導致地震作用下的復雜狀況更為劇烈。這就要求相關人員必須時刻遵守相關的水工結構抗震設計規(guī)則，保證其水工結構抗震設計的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等等，推動水工建筑的抗震設計向著科學化、標準化方向進步。