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混凝土坝抗震安全评价指标和方法研究

文档作者：马怀发1 张坤2 王立涛2 文档来源： 1．中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室 2．中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
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水利水电技术第48卷2017年第5期
混凝土坝抗震安全评价指标和方法研究
马怀发1”，张坤2，王立涛2
(1．中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；
2．中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，北京100048)
摘要：以提出混凝土坝整体抗震性能评价指标体系和方法框架为目标，分析研究了美国水工建筑物
设计规范(ER&amp;amp;EM)基于性能目标的抗震评价方法、评价标准、定量化性能指标，同时对国内外相
关成果进行了对比分析。针对高混凝土坝的最大设计地震(MDE)的设防水准以及最大可信地震
(MCE)的安全目标，为了更好地评价地震动作用下结构性态，应注重定量化评估坝体一地基一库水
的整体效应，以及应力和变形响应的累积效应，结合现有的高混凝土坝的抗震评估，进行线弹性评价
和非线性响应分析。线弹性评价预测应引入USACE评价程序和判别准则中的结构需求能力比、超线
弹性累计时间和性能曲线等定量化指标，再结合现行规范从坝体关键部位、横缝等方面进行非线性响
应分析修正分步实施，建立混凝土高坝抗震性能定量化评价框架。研究成果为混凝土坝抗震性能评价
提供参考。
关键词：混凝土坝；地震作用；抗震安全评价；评价指标
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2017．05．018
中图分类号：TU43+TV312 文献标识码：A 文章编号：1000．0860(2017)05—0110．10
A prdiIIlinary study on perfomance-based seisIllic翰托ty eValuati伽ind麟of concrete dams
MA Huaifal一，ZHANG Kun2，WANG“ta02
(1．State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in RiVer Basin，China Institude of Water Resources and
Hydmpower Research，Beijing 100038，China；2．Eanhquake En西neering Research Center，China Institude of Water
Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China)
Abstract： In order to propose the evaluation index system and method fhmework 0f the wh01e seisIIlic ped．o瑚ance of concrete
dam，the seismic evaluation methods，evaluation cdteria，and quantitative perfbmlance indicators of USACE eanhquake design
and evaluation of concrete hydraIllic stmctures were studied in tlle paper，and the domestic and foreign related results were com-
畔ed and analyzed．According to the s如ty objectives of the maximum des洒eanhquake(MDE)and the maximum credible
eanllqual(e(McE)of l】igh concrete dams，in orderto better evaluate t11e stnlctural behavior under gmund motion，it is suggested
that quantitative assessment《inte铲al ef耗ct with dam—foundation—resewoir water and the cuml】lative e珏宅ct of stress and defo玎nation
response were emphasi2ed to evaluate dam stmctural behavior with sejsmic loading． To foml framework of quantitatiVe eValuation
of sejsmic pedbmaIlce of high concrete d咖s，it should be evaluated wim elastic computation and funher nonlinear response
analysis，combined诵th the existing seismic evaluation of the high concrete dam，the linear elasticity prediction should be intro—
duced into evaluation procedure and judgment criterion with quantitative index of USACE based on the demaIld—c印acity讯tio，the
收稿日期：2017．03—27
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51679265)；中国水利水电科学研究院科研专项(E舶1458412016)；中国水利水电科学研究院流域水
循环模拟与调控国家重点实验室科研项目(2016TS09)
作者简介：马怀发(1962一)，男，教授级高级工程师，博士，主要从事计算力学、水工结构抗震及混凝土细观力学分析研究。E—mail：
ma}If@iwhr-com
通信作者：张坤(1991一)，男，硕士研究生，主要从事水工结构抗震数值模拟研究。E—mail：zIlangkun707070@163．com
110 阢舯R舀o“懈d"d Hyd唧们w，E增协e一馏％L 48 ND．5
万方数据
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
cumlllative overstress duration and出e spatial extent of overstressed regions，tllen combined with existing no硼s，corrected by山e
noIllinear response analyses f如m the key parts of dams and contraction joints．The research results proVide a reference for the e’
valuation of seismic perf0珊ance of concrete dam．
Keywords：concrete dam；seismic loading；seismic safety eValuation；eValuation index
0 引言
我国许多已建和拟建的大坝中，有不少都处于地
震高烈度区，如溪洛渡水电站(最大坝高278 m)、小
湾水电站(最大坝高294．5 m)、白鹤滩水电站(最大
坝高279 m)等，均属于300 m级高坝。其库容大、
装机容量高，并且设计地震烈度多在Ⅷ～Ⅸ度之间
(设计地震加速度一般为O．2～O．329，大岗山拱坝甚
至超过0．559)。地震作用工况已成为强震区高坝设
计的控制工况，高坝工程的地震响应分析及其极限能
力分析是抗震安全评价的核心内容。我国抗震规
范⋯对1级建筑物的高坝要求采用MDE一级设防水
准。MDE对应基准期100年，超越概率2％的地震动
参数，相应性能目标为容许局部损坏、经一般处理后
仍可正常运行。对甲类的壅水和重要泄水建筑物要求
进行McE校核不发生库水失控下泄的灾变安全裕度，
并规定对重大工程、特殊工程、可能产生严重次生
灾害的工程应进行专门地震安全性评价工作。规范
给出了大坝混凝土动态抗压强度标准值，动态弹性
模量标准值相对其静态的标准值，动态抗拉强度标
准值相对于抗压强度标准值的取值标准，并规定在
混凝土的抗震强度验算中，认为拉应力值常起控制
作用‘¨。
在高坝抗震安全评价中应考虑其在强震作用下产
生的、包括坝体和地基局部损伤、开裂和滑移在内的
整体位移响应的突变，作为由量变到质变的整体失稳
的极限状态等。对于结构的抗震性能目标总体要求中
震不坏、大震可修、极震不倒⋯，但没有明确对应
两类设防水准的结构稳定性定量指标和判别准则，显
然这种状态可能导致不同研究者对相同工程会给出不
同的评价。明确合理的评价指标及其判别准则对确定
在最为经济合理的条件下结构承载能力的理想状态非
常重要。
本文研究和借鉴美国水工抗震设计规范(us—
AcE)心。1结构抗震设计和评估定量化指标及分级设
防评价方法，旨在应力控制、超应力时程和整体损伤
破坏识别方面为我国现行规范改进分类设防水准及其
性能目标相对应的指标及其计算、判别方法提供参
水利水电技术第48卷2017年第5期
考，并且从坝体关键部位的应力和位移累积效应方面
丰富国内抗震安全评估内容。
1 混凝土抗震设计评价及其指标分析
1．1 抗震设防标准及其性能目标
设防地震与坝体结构性能目标相关联，是按一
定设防水准所规定的运行地震(OBE)或最大设计地
震(MDE)。国际大坝委员会(ICOLD)的“大坝地震
动参数选择导则”M o包括USACE建议的采用分级设
防方式。uSACE基于性能的设计思路，采用两级地
震设防标准，即设防地震为运行基准地震OBE(超
越概率为50％，重现期为145年)和最大设计地震
MDE，其性能目标控制与结构材料的力学性能相联
系(见图1)，性能目标共分为三个等级，相应的性
能目标如表1所列。按照混凝土材料的变形性质控
制性能指标，界限明确，便于采用与之对应的数值
计算方法。
我国的大坝采用最大设计地震MDE一级设
防一q]。重要大坝MDE的抗震设防标准接近于国外
多数国家McE的设防水平，其对应的性能目标和
运行基本地震OBE的性能要求相近，而对于工程抗
震设防类别低于甲类的大坝，相应的设防重现期也
高于一般的0BE要求。高混凝土坝数值模型应考虑
半无限大体地基远域辐射阻尼、坝体横缝及地基夹
层的接触非线性、坝体一地基材料的非线性问题和
库水作用等因素。目前我国抗震规范⋯仅以容许应
力建立强度判断条件，以最大拉应力安全系数来控
制混凝土坝的抗震安全性，而高坝抗震设计目前仍
采用线弹性理论，缺乏与性能目标相对应的计算方
法。这显然不能对高坝系统安全稳定性进行全面地
评估，需要进行计算方法及其定量指标体系的研
究。
1．2抗震评价分析方法及指标
usAcE(EMl 1 10一2—6053)∞1对水工结构的抗震
评价按照不同的性能目标，设计的不同阶段由线性
(静力、动力)计算到非线性(静力、动力)计算，
由简单方法到复杂方法，以渐进式步骤进行。这些
方法有地震系数法(极限平衡法)、等价横向力法、反
万方数据
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
表1 USACE设防标准及其性能目标
适用性能当遭受0BE地震动时，结构材料处于弹性变形阶段，经历0BE后结构依然可以正常使用和运行
当结构遭受极端地震(MDE小于MCE)时，可以允许一些结构单元变形超过弹性极限，潜在损伤区域在一定范围，荷载处于非线性
抗损伤性能
强化阶段，虽有一定损伤但修复后仍可承受非地震荷载
结构在遭受极端地震(MDE等于McE)时，其在破坏的情况下不发生倒塌，不危及人的生命。结构材料的延性要求要比前两个等级
抗溃坝性能
的性能高，需要进行非线性静态和非线性动态分析
R
瑙
魍
裂
静
一／1．／ 抗溃坝性能◆抗拉强度
(a)素混凝土拉应力与抗拉强度的关系
阶段)
曲率
(b)钢筋混凝土弯矩与曲率关系
图1 性能控制曲线
应谱一模态分析法、时程一模态分析法以及非线性
时程一直接积分法等。uSACE以反应谱一模态分析
法作为混凝土坝抗震评价的初步计算方法，根据结
构的承载能力判断是否进一步采用线性时程法。41
(时程一模态分析法)，然后通过时程一模态分析进
一步判断非线性指标，决定是否进行非线性时程分
析。文献[5]给出了一系列结构运行性能控制和结
构损伤控制指标，其中包括：结构需求能力比
(DCR)、超线弹性累计时间指标(G加)及性能曲
线。
(1)结构需求能力比(D勰)：对于混凝土坝，结
构需求能力比定义为荷载产生的计算拉应力(需求)
与混凝土抗拉强度的比值。对于重力坝，计算拉应力
为主拉应力；对于拱坝，高应力通常沿拱或者梁的方
向，取拱向或者梁向的拉应力需求计算Dc尺。us—
AcE规定，混凝土的静态抗拉强度f=1．珑∥3(／：为
混凝土的抗压强度)，如图2所示，认为名义动态抗
112
拉强度为静态抗拉强度的两倍。
(2)超线弹性累计时间(∞)：超线弹性累计时
间是荷载超过结构材料抗拉强度的总持续时间，即
D衄≥1的总持续时间。如图3(a)和(b)所示，其中
曲线(a)有五次应力谐波幅值超过了l，同时，曲线
(b)只有一次。但是，曲线(a)超出D衄值等于1
的总时间为5形3，曲线(b)为∥3，根据两个曲线
的基本周期r得到累计非线性总时间都是0．4 s。可
见，虽然超过的次数不一致，但是总的持续时间是
相同的。显然，只是通过应力循环的次数不能很好
地表征结构破坏等级，应该将累计超线弹性持续时
间和D勰相结合，才能更准确地确定结构破坏程
度。
(3)性能曲线：性能曲线是超线弹性累计时间
(c，D)或者超应力面积比与结构需求能力比(DC尺)的
关系曲线，能够反映结构非线性或损伤的程度。如图
3(c)和(d)所示，按照损伤判别准则，结构损伤程度
限定在一个小的区域内(三角形区域内)，基于线性
分析评价还是有效的。对于不同类型的结构，非线性
响应或损伤的空间分布是不相同的。
图2极限强度指标(USACE)
2混凝土坝设计地震评估框架
2。1 USACE评价程序和判别准则
usAcE对重力坝和拱坝的评价程序和判别准则
水利水电技术第48卷2017年第5期
万方数据
芝
星
耋
士
圈錾
翊瓣
翱
需求能力比DC尺
fc)
2
1
琶o
Q
·1
—2
零＼
丑
套
血
娶
恒
R
瑙
剿
图3抗震性能指标定义
基本相同，其评价的基本思路是先进行线弹性评价
预测，再进行非线性响应分析修正。首先采用反应
谱一模态分析法，判断结构需求能力比(D衄)是否
超过允许值，如不满足便进行线性时程法分析。采
用线性时程法系统分析和评估：结构需求能力比
(DcR)，超线弹性累计时间(伽)，超应力的空间
分布和结构可能的失效形态，以评估结构的损伤程
度和可以接受的非线性响应的水平。特别是在MDE
作用下所计算出的结构应力可能超出允许值，坝体
结构会产生某种程度的损伤，在极端情况下坝体
结构还会承受严重损伤，但要控制不会导致溃坝
和库水下泄，如果超出指标临界值，再进行非线
性时程分析评价。uSACE的DCR指标取值如表2
所列。
2．2 USACE评价准则的应用
基于usACE安全评价框架，文献[10]从设计
和评估准则、地震动反应谱和加速度时程的选择标
准、分析方法和评估程序详细介绍了重力坝和拱坝
的性能设计和安全评价程序，并进行了实例验证。
文献[11]基于功能的抗震设计和拱坝的破坏模式提
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
出了高拱坝抗震功能设计框架。
另外，文献[12—13]有关定量
化指标评估研究表明，基于应力
的方法更容易达到极限值，通过
应力评估拱坝安全性能相对于通
过应变评估的结果保守。在地震
作用下，水库泄水导致上下游坝
面过应力面积增加¨4|。利用
D僚一C仍指标、超应力分布
(主应力)分析¨纠显示，基于坝
缝接触非线性模型在上下游坝
顶处的位移要比基于材料非线
性模型的偏大，最大主应力分
布有较大区别。基于刚性、无
质量、有质量基岩的地震响应
分析¨刮表明，无质量地基的坝
体中心部分的悬臂梁位移大于
质量地基和刚性地基，刚性地
基的DCR指标曲线和过应力面积曲线更容易达到极
限值。基于性能的D衄、伽、超应力面积比等指
标可以很好地定量反映地震动作用下的结构性态。
下面将分别介绍对重力坝和拱坝的定量化分析评价
实例。
2．2．1 重力坝
文献[17]将usACE定量化评价准则引入到重力
坝的抗震安全评价中，模拟了Koyna重力坝(见图4)
对于近场和远场地震的响应，首先输入1967年Koy．
na地震进行线性分析，得到最大主应力时程曲线和
DCR—c∞曲线(见图5和图6)，两种曲线都超过了
临界值，进而利用塑性损伤模型进行非线性分析，并
得到了不同时间段的开裂分布，这与其他学者¨卜191
的数值模型研究结果能够很好地吻合。第二步对比了
大坝在近场和远场地震作用下的定量化指标曲线，结
果显示，近场地震对于大坝的应力、位移影响更大，
并且相同条件下的超应力分布与非线性损伤开裂分布
基本一致(见图7和图8)。
2．2．2拱坝
文献[10]对拱坝Pacoima大坝和MoHow Point大
表2 DCR指标控制
超应力面积比例
结构失效状态DCR 评价要求
拱坝重力坝
微小或无损伤DCR≤1．O O．O O．0 对于MDE的结构响应处于弹性状态，认为没有损伤或没有损伤的可能性，结构安全
中等损伤1．O2．0 >20％ >15％ 需要进行非线性时程分析
水利水电技术第48卷2017年第5期113
O 陀 嘶 加
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万方数据
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
悴
{a)
图4 Koyna重力坝模型㈣(单位
时间／5
图5最大主应力时程曲线m
时间／5
图6 DC只指标曲线‘17
坝进行了数值模拟，模型考虑了横缝和大坝一地基接
触的非线性，得到大坝在六条不同地震波下的响应。
‰¨__：
114
图7 DCR超应力面积分布(近场地震)m
首先进行了线性时程分析，得到
一系列的大坝应力时程曲线(见
图9)和DCR指标曲线(见图10
和图11)，Pacoima大坝的应力
时程曲线的DCR<2，DCR—C，D
性能曲线在临界值以下，并且
超应力面积在USACE评价准则
规定值以内，Pacoima大坝的抗
震性能良好，破坏损伤在合理范
围内，不需要进行非线性分析，
这与大坝经历San Femando和
Northridge地震时的行为一致。
相反，Morrow Point大坝的DCR—C仍性能曲线超过
了临界值，这表明大坝在地震作用下存在明显的非线
性行为(横缝的开裂和拉伸破坏)，对大坝进行了非
线性分析，结果表明没有严重损伤破坏。
通过以上有关研究成果可以看出，基于性能的抗
震评价准则利用了一系列定量化的指标对结构失效状
态进行分级(见表2)的同时，也明确了评价要求，这
为拱坝安全分级评价，提供了可靠依据。国内的抗震
安全评价主要以应力为判别标准，通过相应的应力和
位移时程、裂缝开度对坝体的非线性行为进行判定，
抗震规范并没有明确的定量化指标规定结构的破坏等
级，这对于分析像拱坝一类的多种影响因素下的复杂
结构体来说是不充分的，因为拱坝对于应力极为敏
感，对于相同的应力容许值，在地震作用下不同的拱
坝可能会得到不同的响应，针对所存在的问题，国内
学者进行了多方面的定量化评价分析研究，主要围绕
抗滑稳定、关键部位位移、损伤程度和累积、坝体裂
缝、坝肩稳定等方面展开。在重力坝方面，沈怀
至’2”圳根据坝基交界面的屈服损坏比和残余滑动位
移建立了安全评价指标；寇立夯m1在USACE定量化
评价准则基础上提出了整体和局部损伤指标；范书立
等心列通过分析应变能、塑性消耗能和损伤消耗能在
强震下的变化，建立了以损伤消
散能为主的破坏评价指标；张社
荣等Ⅲo将局部损伤指数加权得
到整体损伤指标。在拱坝方面，
文献[25]提出了强震下拱坝损
伤整体判别指标；文献[26]利
用Fenves混凝土塑性损伤模型，
提出了大坝坝体损伤体积比、上
下游坝面损伤面积比及坝体位移
整体指标，以此来评估不同方向
水利水电技术第48卷2017年第5期
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(a) (b) (c) (d)
图8非线性开裂分布(近场地震)m1
的地震动对坝体整体或局部的影响；涂劲等将坝体位
移的突变作为大坝稳定的指标之一，对大岗山拱
坝‘271和小湾拱坝‘281抗震稳定进行分析；张楚汉等‘29]
提出了基于性能的高坝抗震破坏指数及设计框架，潘
坚文等归叫利用损伤变量、横缝开裂峰值和位移峰值
作为衡量拱坝抗震性能的指标；金峰等旧川基于三维
离散元对拱坝一坝肩系统的坝肩和拱冠位移、抗滑稳
定系数K进行了分析。以上研究成果表明建立混凝
土高坝的评价指标需要考虑多方面的问题，如何建立
统一的指标体系和系统的计算分析方法，区别何为关
键控制因素和次要因素，并与性能目标相关联还需要
做深入研究。
2．3混凝土高坝抗震性能评价框架
这里针对1级混凝土高坝的抗震要求，采用
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水利水电技术第48卷20l7年第5期
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
MDE一级设防水准，对需要
MCE校核的甲类混凝土拱坝和
重力坝建模，地震荷载输入，荷
载组合工况，数值计算方法和评
价指标进行探讨研究，数值计算
模型评价框架流程如图12所示。
重力坝相对简单，一般取不同类
型坝的最高坝段，按单个坝段对
重力坝的抗震分析，典型拱坝
几何模型如图13所示。下面主
要讨论强震作用下的高拱坝抗
震安全指标及方法。
(1)计算模型：将坝体、地基、库水作为整体分
析，荷载按照现行规范进行选择。按照现行规范忽略
库水的可压缩性，库水的动水压力作为附加质量考
虑，不计地震作用下岩体内渗透压力变化的影响。人
工边界采用黏弹性边界，因为建立黏弹性边界工作量
相对较少，精度较高，可以很好地嵌入到各大通用软
件中。按照MDE的反应谱生成加速度、速度时程和
位移时程，并将其转换为等效荷载，从数值模型的岩
基底部输入该等效荷载口2|。
(2)地震响应时程分析：首先不考虑坝体及地基
的材料非线性，进行拱坝地震响应接触非线性计算分
析。由于拱坝存在横缝，并考虑到软弱夹层，即使不
考虑坝体和岩基的材料非线性问题也是一种接触非线
性问题。典型的混凝土拱坝动力响应分析应有三个计
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图9 Pacoima大坝最大应力时程‘10
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马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
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图10 Pacoima大坝的DC月指标曲线⋯
O 1 l 2 l 3 1 4 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 O
DCR
图1 1 Morrow Pojnt大坝的DC_R指标曲线⋯
图12评价框架流程
算步骤：①计算出地基软弱接触面的初始压紧力。如
果当前计算模型无地基软弱接触面可以忽略本步的计
116
(a)横缝及岩基夹层(b)横缝及岩基夹层
图13拱坝计算模型
算工作；②坝体系统的静力分析：静力荷载包括坝体
自重、静水压力、土压力、泥沙压力、渗流压力、温
度应力等；③坝体系统的动力响应分析：坝体系统是
在承受静载同时遭遇地震荷载的情况，上一步静力计
算的结果作为动力计算的输人条件，按照上文提到的
uSACE评价程序和判别准则进行线性和非线性时程
分析。
计算分析给出坝体系统的位移响应时程、横缝张
开度时程、应力响应时程、Dc尺等一系列指标，以
及相应的最大值包络图和最大主应力(特别是最大拉
应力)包络，并与其强度比较，判断超应力区域，特
别是建基面(坝基与地基的交接面)超应力区域的分
布等，判断是否需要进行材料非线性时程分析。材料
的非线性时程分析考虑坝体和岩基材料损伤特性。几
何模型中的建基面不再作为具有一定强度的潜在接触
面，认为坝和岩基实体连接。材料本构关系采用混凝
土损伤模型，分析计算建基面的损伤破坏区域范围。
文献[33—34]基于PcDsRA软件进行了实例验证，
给出了损伤变量场(见图14)。
(a)坝体
dW
蛾黧
(1167 95
¨‰
mng
l猕翔
t)599 99
水一，
(b)地基
图14损伤变量场‘圳
水利水电技术第48卷20l 7年第5期
万方数据
(3)评价内容和指标：由于拱坝的主要震害现象
为坝肩等关键部位的突变、坝体横缝张开、建基面的
变形和失稳等，评价内容如下。
①坝肩稳定性安全陛评价：将近域地基中两岸坝
肩按地质构造确定的各可能滑动岩块的各个滑动面，
以及作为抗震薄弱部位的坝基面，都作为具有摩尔一
库仑摩擦特性的接触面处理，可能滑动岩块滑动面和
坝基面上的抗滑强度指标根据岩体类别确定，而坝基
面的初始抗拉和抗剪强度则按坝体混凝土等级取值。
在MDE荷载作用下坝肩岩体各部位的位移响应，通
过关键部位的位移响应直观地反映出突变点(见图
15)，可将突变点状态相应的地震动输入与“最大可
信地震”的比值∞5|，作为评价在“最大可信地震”作
用下工程不“溃坝”的定量准则，并判别工程潜在的
“超载”抗震安全裕度。同时可计算出由地震加载引
起的接触面(滑移面)受力时程。在每一个时间步中，
将静态和动态节点力相结合并分解为切向和法向的分
量；利用摩尔一库伦准则可以在合力法向部分中得到
抗力，相应的主动力可以从合力的切向部分得到。安
全系数的时程即为抗力与主动力的比值(见图16)，
若安全系数小于1，则不会发生滑动，判定结构会维
持稳定状态。在地震往复荷载作用下，有时安全系数
小于1的持续时问很短，并不能引起坝体失稳，可以
将超载累计时间作为一项评价指标，综合评判拱座潜
在滑动岩块的抗滑稳定性及其对大坝整体安全性的影
响。
②横缝分开度指标：高拱坝在强震作用下，坝顶
部(特别是拱冠处)动力放大效应显著，可能会导致
伸缩横缝张开。时程分析可给出如图17所示的坝体
横缝的开度时程。这样可以根据时程判断横缝止水带
是否拉开，缝的张开度应小于止水带的厚度。由于静
水压力作用下各坝段间伸缩横缝被压紧，因而在低水
位时遭遇地震所产生的拱向拉应力可能是控制的，因
此对于重要拱坝，宜补充验算地震作用与常遇低水位
组合的工况。
③坝基交界面(建基面)的开裂度和分布范围：
考虑到地基岩体的抗拉强度较小，假定坝基交界面
未开裂的具有一定抗拉强度的接触界面仅是在没考
虑坝体和岩基材料非线性特性的权宜方法。实际
上，坝基交界处的开裂有可能向地基内延伸。如
果经以上(材料)线性时程分析，结果建基面开裂
度较大，以贯穿上下游坝基面，并且分布范围较
广，要进行材料非线性分析确定建基面的实际损
伤程度。
水利水电技术第48卷2017年第5期
量
＼
桧
翅
g
＼
稔
翅
5
4
蒸s
剞2
铝1
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
时间／s
(a)z向位移
时间，s
(b)y向位移
图1 5拱坝坝肩关键部位位移稳定分析m1
10 12 14 16 18 20
时间／s
图16安全系数时程
对白鹤滩、杨房沟水电站的抗震安全分析研
究口6。3 7|，考虑了横缝、坝体一地基和坝体一库水的
相互作用、材料非线性等因素，对拱坝体系进行了不
同水位的静力分析、多种工况的抗震安全分析，对坝
肩稳定、横缝开裂、建基面应力集中、关键部位位移
等问题在现行规范框架下进行了详细的评价分析，具
有很好的参考价值。
5 0E一03
4 OE—03
— 3 OE—03
蜊2 OE—03
束
”
l OE—03
0 0E+OO
．1 OE—03
． 1
——上游面
I ⋯⋯一下游面测黼
O 2 4 6 8 1I
图17横缝开度时程
117
万方数据
马怀发，等∥混凝土坝抗震安全评价指标和方法探讨
3结语
本文研究美国水工建筑物基于性能目标的设计思
想、安全评价标准，以及评估指标的定量化方法，并
结合我国最新发布的水电工程水工建筑物抗震设计规
范(NB 35047q015)分类设防的原则和要求，针对1
级建筑物的高坝MDE的设防水准以及MCE的安全目
标，较为全面地分析了国内外抗震评价应用实例，探
讨提出了坝体一地基一库水的整体抗震性能评价的主
要控制指标和评价方法的基本框架。评价方法建议
结合usAcE评价程序和判别准则中的结构需求能
力比、超线弹性累计时间和性能曲线等定量化指标
先进行线弹性评价预测，再结合现行规范从坝体关
键部位进行非线性响应分析修正分步实施，强调应
力和变形响应的累积效应，试图将uSACE评价程
序和判别准则中的定量化指标概念引入并尝试新规
范所规定的评价目标定量化。由于在地震输入参
数、材料性能参数选取以及计算方法不同，与其对
应的评价指标也会不同，这应要求材料物理模型、
地震荷载与计算评价方法相对应为前提，建立系统
的混凝土高坝抗震性能指标体系、定量判别准则和
评价方法。
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(责任编辑康健)
(上接第55页)
表6地震工况下厂房上下游墙体节点对
变位差极值对比mm [3]
节点对编号平缝相靠整体连接平缝灌浆规范允许值
上游侧
1 35．67 27．92 31．94 35．6
节点对
2 35．6l 27．93 31．87 35．6
3 36．02 27．97 31．96 35．6
4 35．91 27．81 31．7l 35．6
5 22．05 22．74 22．85 23．6
下游侧6 22．03 22．81 22．82 23．6
节点对7 22．22 22．91 22．92 23．6
8 21．98 22．85 22．84 23．6
耐久性。
(2)平缝相靠方案由于高程1 206．4 m以上部位
传力单一，使得过缝管道的应力和变位较大，并且两
种工况下厂房上下游墙的层间变位是三个方案中最大
的，其中地震工况下上游侧节点对变位差超出规范允
许值。
(3)无论是校核洪水位工况还是地震工况，整
体连接方案都有利于过缝钢管减小其环向应力和轴
向应力，保证过缝前后钢管各部位的各向应力值在
同一数量级上，不会出现应力突变现象，且其钢管
应力和厂房上下游墙体变位完全符合规范规定。其中
校核洪水位工况下钢管的最大轴向应力和最大环向应
力分别只有平缝相靠方案的19％和17％；地震工况
下厂房的变位也在承受范围内。故本文推荐厂坝连接
形式。
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(责任编辑郭利娜)

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