关于水工建筑物抗震设计的几点思考

1、关于水工建筑物抗震设计的几点思考朱 伯 芳1第一部分分：水工工抗震设设计安全全系数的的选取第二部分分：混凝凝土坝耐耐强烈地地震而不不垮的机机理第三部分分：抗震震设计中中混凝土土动态弹弹模的合合理取值值及其影影响2第一部分分：水工工抗震设设计安全全系数的的选取1.可靠度理理论2.单项安全全系数法法与多项项安全系系数法3.土石坝和和水闸采采用多项项系数法法的困难难4.单项安全全系数法法便于对对比、分分析5.折减系数数=0.25的启示31.可靠度理理论由于样本本太少，问题复复杂，可可靠理论论应用于于坝工设设计，意意义不大大4坝体应力力 ：强度：状态函数数：平均值：均方差：失效：5 失效概率率为 ()

2、为标准化化正态分分布函数数；为可靠度度指标 6、 分别别为f和的的变异系系数为强度f的分项系系数为应力的的分分项系数数式（2）可改写写如下 移项整理理后，得得到表达达式式（3）与式（1）是等价价的式（3）是用可可靠度理理论的基基本方程程7设计的精精度取决决于应力力和强度f的精度:第一，是是否有足足够的样样本来决决定应力力和强度度的概率率分布、平均值值和变异异系数；第二，应应力计算算方法是是否有足足够的精精度，使使计算的的应力比比较符合合实际。8混凝土抗抗压强度度实际抗压压强度90d龄期抗压压强度试件形状状、试件件尺寸及及湿筛影影响系数数为龄期系系数最大应力力的龄期期 与90d龄期强度度的比值值

3、加荷速率率影响系系数只有试试验验资料较较多其他3个参数，资料都都很少，不具备备统计意意义9（1）拱坝应应力-自重应力力-坝体表面面的水荷荷载应力力-运行期坝坝体平均均温度和和等效线线性温差差应力-地震应力力-施工期温温度残留留应力-非线性温温差应力力-运行期温温度场边边界条件件的变化化（上游游水位变变化）引引起的应应力-库区水荷荷载通过过基础变变形引起起的应力力（2）设计中中，只考考虑了式式（6）前4项，忽略略了后面面4项（3）前4项中计算算应力与与实际应应力有相当的的差别，可靠度度理论并不不能解决决，只有有改进计计算方法法才能解解决10抗滑稳定定T滑动力，N轴向压力力，A面积。基岩构造造面的

4、试试验资料料太少，难以用来来决定其其统计分分布和统统计参数数遇到复杂杂问题时时，“拍拍脑袋”把抗剪剪参数定定下来11混凝土坝坝：（1）抗滑样样本太少少（2）实际应应力与计计算应力力有差别别，非可可靠度理理论所能能解决。结论：可可靠度理理论应用用于混凝凝土坝设设计，实实际意义义不大。笔者并不不反对利利用概率率论对某某些问题题进行分分析，但但要认识识到混凝凝土坝设设计问题题的复杂杂性及概概率论的的局限性性。桥梁可用用，房屋屋有争论论。122.单项安全全系数法法与多项项安全系系数法形式不同同而本质质相近水工结构构的安全全系数本本质上是是经验系系数两种方法法最终结结果必然然相近13混凝土拱拱坝设计计规

5、范（DL/5346-2006）为结构重重要性系系数，=1.1、1.0、0.9；为设计状状态系数数，=1.0、0.95、0.85为结构系系数，取取1.2；为摩擦系系数的的分项系系数，取取2.4；为粘聚力力c的分项系系数，取取3.0。14电力行业业混凝土拱拱坝设计计规范水利行业业混凝土拱拱坝设计计规范今改用下下式与式（7）比较，可知15表3水利拱坝坝规范粘聚力打打8折安全系系数K表2水利拱坝坝规范抗剪断安安全系数数K表1电力拱坝坝规范换算的抗抗剪断安安全系数数K计算公式 荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（7）（粘聚力1.0）大坝级别 3.503.253.00 3.002.752.50 计算

6、公式 设计状态 持久状态短暂状态偶然状态 剪摩式（6）安全级别 3.172.882.59 3.012.742.46 2.692.452.20 计算公式 荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（8）（粘聚力0.9）大坝级别 3.152.922.70 2.702.472.2516拱坝水规规与拱坝电规规抗剪计算算公式虽虽然差别别很大，但实际际蕴含的的安全系系数基本本相同。换句话说说，两本本规范安安全评估估方法在在形式上上差别很很大，但但实质相相近。惟一差别别是，单单一安全全系数法法不能同同时考虑虑f和c的不同特特性，而而多项系系数法由由于采用用不同的的材料分分项系数数可以考考虑f和c的差别，现在采

7、采用笔者者方法，在抗剪剪断公式式中引入入粘聚力力折减系系数s，单一安安全系数数法同样样可以考考虑f和c的差别。因此，单一安安全系数数的功能能与多项项安全系系数的功功能相同同，单项项安全系系数法形形式简单单。173.土石坝和和水闸抗抗滑稳定定安全系系数采用用多项系系数法的的困难表4土石坝和和水闸遭遭遇地震震时最小小抗滑稳稳定安全全系数设计规范 工程等级 土石坝设计规范3水闸设计规范4水工建筑物抗震老规范51.101.101.101.051.051.051.051.051.0518级建筑物物K=1.10到、级建筑物物K=1.05，其变幅幅只有5.对于级建筑物物,=1.10,为了=1.10,只有取=

8、1.0,在此，统统计理论论已毫无无用武之之地.对于级建筑物物, =0.90,=1.0，K=0.9，安全系系数1.0，是不妥妥 。电力行业业碾压式土土石坝设设计规范范DL/T5395-2007在坝体抗抗滑稳定定计算中中不采用用多项安安全系数数法而采采用单一一安全系系数法是是明智的的16.194.单一安全全系数法法便于不不同工程程、不同同方案的的分析比比较两种评估估方法，表现形形式不同同，而实实质相近近，但表表现形式式也是重重要的，因为它它影响到到对不同同工程、不同方方案的分分析与比比较。表5某特高拱拱坝抗滑滑稳定分分析成果果（偶然然组合）高程（m） 作用效应与抗力（要求前者后者） 抗剪断安全系数

9、K（要求K2.70） 935755 3334 / 6443 8769 / 7902 5.202.42 205折减系系数=0.25的启示(1)质点的水水平向地地震惯性性力-水平向设设计地震震加速度度，-折减系数数，-i点重量，-点的动态态分布系系数，g-重力加速速度.(2)度地震,1960年前，=0.1g,=1.01960年后，工工业民用用建筑物物抗震设设计中取取=0.40g水工建筑筑物，=0.40g，=0.2521（1）按设设防防的水坝坝，、度地震无无严重损损害。（2）度地震时时，与工工业民用用建筑一一致。（3）计算地地震荷载载时乘以以，回到了了（4）系数从从1.0变到0.25，一步相相差4倍

10、，表明明水工建建筑物抗抗震设计计的精度度不是很很高。（5）多项系系数法把把公式搞搞得很复复杂，并并无实质质意义226.小结（1）由由于样本本太少，问题复复杂，可可靠度度理论应应用于坝坝工设计，意义不大大。（2）单单项安全全系数法法和多项项系数法法 ，形形式不同同，本质质相近。（3）单单项安全全系数法法形式简简单，便便于分析析比较。（4）土土石坝和和水闸抗抗滑稳定定安全系系数k=1.101.05,多项项系数法法无法应应用。23第二部分分混凝凝土坝耐耐强烈地地震而不不垮的机机理24汶川大地地震伤亡、失失踪87000人房屋、桥桥梁大大量破破坏水坝2380座无一垮坝坝为什么？25石冈重力力坝图4石冈重

11、力力坝（单单位：m）26图5石冈重力力坝破坏坏情况27图6雾社重力力坝(单位：m)H=114m28图7谷关拱坝坝(单位：m)H=85.1m29图8德基拱坝坝(单位：m)H=181m30坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害新丰江中1959大头坝1051962.3.191.16.18坝体上部断面突变处产生水平裂缝西菲罗伊朗1967大头坝1061990.6327.3-7.7断面突变处水平裂缝，缝宽1cm，向下游错动2cm柯印纳印1963重力坝1031967.12.103.06.3坝内廊道水平0.51g,竖向0.36g坝体断面突变处水平裂缝宝珠寺中重力坝13

12、22008.5.128.07无损害雾社中1959重力坝1141999.9.217.3坝顶1.02g坝底0.28g无重大损害表1国内外已已建混凝凝土坝震震害简表表31坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害石冈中1977重力坝21.41999.9.217.3水平0.57g竖向0.48g活断层穿过坝轴线处，三个坝段被毁，断层两边坝体错动7.6m，其余坝段完好沙牌中2005拱坝1322008.5.12308.09损害轻微谷关中1961拱坝85.11999.9.21517.3水平0.4g坝体老裂缝扩展，也产生了一些新裂缝德基中1974拱坝1811999.9.21

13、7.3水平0.40.5g坝基渗水增加，渗出清水帕柯依马美1928拱坝1131971.2.96.46.6水平1.25g竖直0.7g损害较大，推力墩与坝体间接缝张开，推力墩本身裂开并略有移动，左坝肩岩体大面积坍塌表1国内外已已建混凝凝土坝震震害简表表32坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害大吐君盖美1932拱坝771971.2.9326.6渗漏增大勃拉希溪美1970拱坝6519736.6渗漏增大吉勃拉塔美1920拱坝501925.6.256.37渗漏增大拉比美1938拱坝761947.11.137无损伤巴洛沙澳1902拱坝361954.3.15.5坝体有

14、裂缝拉贝尔智利1968拱坝1121985.3.3807.78顺河0.31横河0.114g坝顶裂缝卡勃里尔葡1954拱坝1361969.2.2886无损伤奥迪克塞拉葡1958拱坝411969.2.2887渗漏增大帕特多夫纳罗1971拱坝1081977.3.46无损伤维德阿吉斯罗1965拱坝1671977.6.47.5无损伤西里斯南非1953拱坝241969.9.296.46.6开裂，漏水表1国内外已已建混凝凝土坝震震害简表表33图3结构荷载载Q1平时，Q2地震34房屋、桥桥梁：安安全系系数1.82.0混凝土坝坝：安安全系系数3.04.035图4算例，混混凝土重重力坝3637图5算例2混凝土拱拱坝

15、（高高程单位位：m）383940平时巨大大水平推推力安全系数数大静荷载安安全余度度包住了了动荷载载混凝土坝坝耐强震震原因41远离活断断层是首首要抗震震措施活断层可可能分叉叉躲开并不不容易应该重视视42第三部分分混凝凝土坝抗抗震设计计中混凝凝土动动态弹性性模量的的合理取取值43小湾拱坝坝静态瞬时时弹模Es=35GPa静态长期期弹模Ee=21GPa动态弹模模Ed=27GPa=1.3EeEd Es44静荷载作作用下的的瞬时弹弹性模量量和持续续弹性模模量在加载的的瞬时，产生的的弹性应应变为：（1）E()为瞬时弹弹性模量量随着时间间而增加加的应变变称为徐徐变（2）C(t,)称为徐变变度总应变是是弹性应应

16、变与与徐变之之和（3）（4）J(t,)称为徐变变柔量45图1不同龄期期加载时时混凝土土的徐变变柔量46徐变柔量量的倒数数称为持持续弹性性模量（sustainedelasticmodulus）（7）持续弹性性模量与与瞬时弹弹性模量量的比值值为（8）47持续弹性性模量与与瞬时弹弹性模量量的比值值荷载加加荷龄龄期持荷时间间t-自重=03年t-=水压=15年死死水位以以下，t-=死水位以以上，0若干年稳定温差差=0.53年t-=水压=0t-=1/2年48美国垦务务局建议议通过试试验求瞬瞬时弹性性模量和和持续弹弹性模量量。在缺缺乏试验验资料时时，建议议取瞬时时弹性模模量Es=34.5MPa，持续弹弹性模

17、量量Ee=20.7MPa，re=20.7/34.5=0.60。49混凝土动动态弹性性模量图2应变速率率对混凝凝土抗压压强度及及弹性模模量的影影响50图3Ed/Es与fd/fs的关系51施工期温温度应力力及全过过程仿真真计算（9）运行期静静态变位位和应力力计算持续弹性性模量Ee（10）（常态混混凝土）（碾压混混凝土）混凝土坝坝抗地震震计算动态弹性性模量（11）动态弹模模比rd=1.1552混凝土坝坝抗震设设计与计计算中弹弹性模量量取值问问题及其其影响水工建筑筑物抗震震设计规规范DL5073-1997第4.6.1条规定“混凝土动动态强度度和动态态弹性模模量的标标准值可可较其静静态标准准值提高高30%”瞬时弹性性模量Es持续弹性性模量Ee实际上广广泛采用用持续弹弹性模量量的1.30倍Ed=1.3Ee=1.30.60Es=0.78Es（13）Ed=1.15Es（11）Ed偏小47.4%53动态弹性性模量偏偏小47.4%，对抗震震设计的的影响（1）动态变变位偏大大47.4%（2）坝的自自振周期期偏大约约21.4%T（15）（3）地震荷荷载偏小小19.1%设计反应应谱（16）54结语（1）由由于样本本太少，问题复杂杂，可靠靠度理