王正發(fā)

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)大壩統(tǒng)計資料，截至2015年全世界已在ICOLD注冊的壩高15 m以上的大壩有58 260座，這些壩及其形成的水庫工程主要承擔(dān)防洪、發(fā)電、灌溉、供水等興利任務(wù)，在各國的社會經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的作用[1]。

大壩支撐著各種規(guī)模的水庫，關(guān)系到壩下游地區(qū)人民生命財產(chǎn)的安全。20世紀(jì)50年代以來，法國、意大利、美國、印度和中國共有60多座大中型水庫大壩失事，造成了嚴(yán)重的生命、財產(chǎn)損失。造成大壩事故的原因主要有洪水、地震、大壩年久失修、管理不善等。大壩的安全是公共安全問題，越來越受到世界各國政府、社會和人民的重視。就大壩安全設(shè)計角度而言，衡量大壩安全最關(guān)鍵的2個方面是防洪和抗震。

中國和美國已注冊大壩數(shù)分別是23 842座和9 265座，是世界第一和第二壩工大國[1]。美國是目前世界上唯一的超級大國，經(jīng)濟實力雄厚，科技水平高，大壩安全設(shè)計理念先進，具有完整的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。中國自1979年以來的30多年來實行改革開放政策，經(jīng)濟取得了令世人屬目的成就，是正在崛起的新興大國。20世紀(jì)90年代以來，中國進入大壩發(fā)展的高峰時期，成為世界建壩中心，無論從建壩數(shù)量、建壩規(guī)模和技術(shù)難度來說，中國都居于世界首位，在大壩安全設(shè)計方面也積累了比較豐富的經(jīng)驗 ，形成了比較完整的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。中、美兩國大壩防洪和抗震安全設(shè)計各有特點，因此，對其進行比較研究，有助于我們深入理解大壩安全設(shè)計理念的內(nèi)涵，對完善我國大壩安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義。

1 中、美大壩防洪安全設(shè)計理念比較

由于洪水發(fā)生具有隨機性，受流域特性、氣候條件、洪水資料等的影響，設(shè)計洪水成果存在很大的不確定性;其次，由于世界各國經(jīng)濟發(fā)展水平不同，對防洪安全的要求也不同，各國現(xiàn)行大壩防洪設(shè)計規(guī)范采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)頗不統(tǒng)一[2-8]。

中、美大壩防洪安全設(shè)計均是以大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)予以保證。大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)是指水庫大壩保證自身防洪安全所必須達到的防御洪水的標(biāo)準(zhǔn)，反映水庫大壩自身抵御洪水的能力。

中國現(xiàn)行的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》和SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》。3個標(biāo)準(zhǔn)在大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定是一致的。GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》是新修訂的,自2015年5月1日實施。老版GB 50201—1995《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的全部內(nèi)容為強制性國家標(biāo)準(zhǔn)，而新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》只有特別重要的部分條文為強制性條文，相比較而言，新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的強制性范圍縮小了。隨著新版GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的實施，DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》和SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》正在進行修訂。

中國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)以防御的洪水或潮水的重現(xiàn)期表示；對于特別重要的大壩,可采用可能最大洪水表示。防洪標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)防護對象的不同需要，采用設(shè)計一級或設(shè)計、校核2級。

設(shè)計洪水成果是大壩防洪安全的最終體現(xiàn)。在工程設(shè)計中，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)通常采用設(shè)計、校核2級，相應(yīng)的洪水分別稱為設(shè)計洪水和校核洪水。設(shè)計洪水是指給定設(shè)計頻率p(%)的洪水，包括設(shè)計洪峰流量、設(shè)計洪量及設(shè)計洪水過程線，p(%)是年超越概率，與重現(xiàn)期T(年)互為倒數(shù)；校核洪水是指給定設(shè)計頻率p(%)的洪水或可能最大洪水。

中國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定是按其工程規(guī)模、總庫容、裝機容量、效益和在國民經(jīng)濟中的重要性先劃分工程等別，再根據(jù)工程等別按永久或臨時水工建筑物在工程中的重要性確定其級別，同時考慮壩型、壩高、工程地質(zhì)條件以及工程失事后對下游危害等因素判定其級別是否提高一級或降低一級，最后以水工建筑物的級別和筑壩材料的類型(土石壩或混凝土壩、漿砌石壩)按山區(qū)、丘陵區(qū)和平原、濱海區(qū)分別確定水庫工程建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)。這種先分等別再根據(jù)工程等別分級的做法已在中國沿用了幾十年，證明在工程實踐中是切實可行的。

中國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)制定體現(xiàn)了以下理念：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，是指當(dāng)發(fā)生小于或等于該標(biāo)準(zhǔn)洪水時，應(yīng)保證大壩的安全或防洪設(shè)施的正常運行；校核標(biāo)準(zhǔn)是指遇該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的洪水時，采取非常運用措施，在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護對象受到一定的損失。對于失事后果嚴(yán)重的重要工程，人們都認為是不能失事的，自古以來就有“萬無一失”的說法，要做到“萬無一失”，其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于萬年一遇。因此，從中國歷次防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化過程來看，水利水電工程的最高防洪標(biāo)準(zhǔn)定為10 000年一遇或可能最大洪水(PMF)，即把PMF與萬年一遇洪水并列，反映了人們對防洪安全的合理需求。

美國現(xiàn)行的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)體系由聯(lián)邦政府、各州政府和著名的機構(gòu)如陸軍工程師兵團(USACE)、墾務(wù)局(USBR)、大壩委員會等頒布的指南所組成，沒有強制性標(biāo)準(zhǔn)。相對而言，1979年USACE建議的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)、2004年聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)頒布的大壩防洪安全規(guī)范(聯(lián)邦設(shè)計規(guī)范7509.11_0_code——美國聯(lián)邦建議的溢洪道設(shè)計洪水)具有一定的代表性。USACE建議的防洪標(biāo)準(zhǔn)見表1～3；FEMA建議的防洪標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表1 規(guī)模類別表

美國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)以防御的頻率洪水(只用到100年一遇)或50%PMF或PMF表示。防洪標(biāo)準(zhǔn)采用設(shè)計一級。

美國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)壩失事后對其下游的潛在災(zāi)害的大小和壩的規(guī)模(3級或4級)來選定。

表2 潛在災(zāi)害類別表

表3 建議的安全標(biāo)準(zhǔn)表

表4 FEMA建議的溢洪道設(shè)計洪水表

美國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)制定體現(xiàn)了以下理念：當(dāng)發(fā)生小于或等于防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水(設(shè)計洪水)時，應(yīng)保證大壩的安全或防洪設(shè)施的正常運行；當(dāng)發(fā)生大于防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,在保證大壩安全的前提下，允許次要建筑物局部或不同程度的損壞，次要防護對象受到一定的損失。

從中、美大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化過程看，制定防洪標(biāo)準(zhǔn)時均遵循了以下原則：以工程失事后對政治、經(jīng)濟、社會和環(huán)境的影響大小為依據(jù)，影響較大的工程承擔(dān)風(fēng)險小一點，反之則可大一些，不顧經(jīng)濟代價，片面提高防洪標(biāo)準(zhǔn)和安全性是不合適的。

世界上沒有絕對安全的大壩，大壩均存在失事的風(fēng)險，差別僅僅是失事的風(fēng)險大小而已。傳統(tǒng)的大壩防洪安全分析認為漫壩風(fēng)險主要來自超標(biāo)洪水。大壩在整個運行期間抗御洪水的安全度取決于設(shè)計洪水重現(xiàn)期T洪水(a)和設(shè)計基準(zhǔn)期N(a)，中、美現(xiàn)行大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全度為:

(1)

或

R(防洪，N)=1

(2)

式中：p(年、洪水)是年超越概率，%。

2 中、美大壩抗震安全設(shè)計理念比較

由于地震發(fā)生的不確定性，以及所取得的強震記錄仍屬有限，各國現(xiàn)行大壩抗震設(shè)計規(guī)范采用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)頗不統(tǒng)一[9-14]。

中、美大壩抗震安全設(shè)計均是以大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)予以保證。大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指水庫大壩保證自身抗震安全所必須達到的抗御地震破壞的標(biāo)準(zhǔn)，反映水庫大壩自身抗御地震破壞的能力。

中國現(xiàn)行的大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)主要有DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》和SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》。前者是水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后者是水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2個標(biāo)準(zhǔn)在大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面的規(guī)定是一致的，均是強制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

中國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)抗御的地震烈度的超越概率表示，采用一級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

大壩抗震設(shè)防類別應(yīng)根據(jù)大壩的重要性和工程場地基本烈度確定?；玖叶仁侵?0 a期限內(nèi)一般場地條件下可能遭遇超越概率P50為0.10的地震烈度。一般為《中國地震烈度區(qū)劃圖(1990)》上所標(biāo)示的地震烈度值，對重大工程應(yīng)通過專門的場地地震危險性評價工作確定。設(shè)計烈度是在基本烈度基礎(chǔ)上確定的作為工程設(shè)防依據(jù)的地震烈度。大壩抗震設(shè)計的設(shè)計烈度一般采用基本烈度；工程抗震設(shè)防類別為甲類的大壩可根據(jù)其遭受強震影響的危害性在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度作為設(shè)計烈度；凡按規(guī)范規(guī)定必須作專門的地震危險性分析的工程，其設(shè)計地震加速度代表值的概率水準(zhǔn)，對壅水建筑物應(yīng)取設(shè)計基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率P100為0.02,對非壅水建筑物應(yīng)取設(shè)計基準(zhǔn)期50 a內(nèi)超越概率P50為0.10；其它特殊情況需要采用高于基本烈度的設(shè)計烈度時，應(yīng)經(jīng)主管部門批準(zhǔn)；施工期的短暫狀況可不與地震作用組合，空庫時，如需要考慮地震作用可將設(shè)計地震加速度代表值減半進行抗震設(shè)計。

設(shè)計地震加速度和設(shè)計反應(yīng)譜成果是大壩抗震安全的最終體現(xiàn)。中國大壩設(shè)計地震加速度須根據(jù)確定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(概率水準(zhǔn))由專門的地震危險性分析確定。設(shè)計反應(yīng)譜應(yīng)根據(jù)場地類別和結(jié)構(gòu)自振周期T按規(guī)范給定的設(shè)計反應(yīng)譜確定。

中國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是按其工程的重要性和工程場地基本烈度，先確定工程抗震設(shè)防類別，再根據(jù)建筑物級別，按壅水和非壅水確定場地基本烈度，一般采用基本烈度作為設(shè)計烈度；同時，對于工程抗震設(shè)防類別為甲類的大壩可根據(jù)其遭受強震影響的危害性在基本烈度基礎(chǔ)上提高度1度作為設(shè)計烈度。這種先分等別再根據(jù)建筑物級別的做法已在中國沿用了幾十年，證明在工程實踐中是切實可行的。

中國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用一級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了以下理念：根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范進行抗震設(shè)計的水工建筑物能抗御設(shè)計烈度地震；如有局部損壞，經(jīng)一般處理后仍可正常運行。

美國現(xiàn)行的大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)體系由聯(lián)邦政府、各州政府和著名的機構(gòu)如陸軍工程師兵團(USACE)、大壩委員會等頒布的規(guī)定和指南所組成，沒有強制性標(biāo)準(zhǔn)。 主要有陸軍工程師兵團的ER 1110-2-1806《土木工程項目地震設(shè)計與評估》(1995)、EP 1110-2-12《碾壓混凝土壩地震設(shè)計規(guī)定》(1995)、聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)頒布的FEMA 65 《聯(lián)邦大壩安全指南——壩的地震分析與設(shè)計》(2005)。

美國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也是以設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)抗御的地震的超越概率表示，采用兩級標(biāo)準(zhǔn)，即運行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake，簡記為 OBE)和最大設(shè)計地震(Maximum Design Earthquake，簡記為MDE)或安全評估地震(Safety Evaluation Earthquake，簡記為SEE)。對于特別重要的大壩,其MDE或SEE可采用最大可信地震(Maximum Credible Earthquake,簡記為MCE)。

OBE，運行基準(zhǔn)地震，通俗地理解，相當(dāng)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)， 是指在工程設(shè)計基準(zhǔn)期(或設(shè)計使用壽命)內(nèi)，在一個工程場址合理地可預(yù)期發(fā)生的產(chǎn)生地面運動的地震。OBE的相關(guān)功能要求是大壩在遭遇OBE時，其功能不受影響，在設(shè)計工況下能正常安全運行。OBE 旨在保護大壩免受經(jīng)濟損失或喪失服務(wù)功能。因此，OBE的概率水準(zhǔn)可以基于經(jīng)濟考慮而選擇。

MDE或SEE，最大設(shè)計地震或安全評估地震，通俗地理解，相當(dāng)于校核標(biāo)準(zhǔn)，是指能產(chǎn)生對待設(shè)計或評估的大壩而言的最高級別地面運動的地震。MDE或SEE可視情況取為MCE或一個低于MCE的設(shè)計地震。在確定MDE或SEE大小時要考慮的因素是大壩的潛在災(zāi)害類別、項目功能(供水、娛樂、防洪等)的關(guān)鍵性和恢復(fù)運行功能需要的時間。一般情況下，MDE或SEE相關(guān)功能要求是大壩在遭遇MDE或SEE時，不能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，例如水庫的不受控制的泄洪，盡管可以容忍重大損害或經(jīng)濟損失。如果大壩包括一個關(guān)鍵的供水水庫，那么預(yù)期的損害應(yīng)限制允許大壩水庫在一個可接受的時間內(nèi)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。MDE是用來評估結(jié)構(gòu)物抗震性能的，通常取對結(jié)構(gòu)起控制作用的MCE；然而，如大壩失事不會產(chǎn)生生命損失，且假定產(chǎn)生的成本效益和財產(chǎn)損失的風(fēng)險是可以接受的，那么取一個較小的地震作為MDE是可以的。

MCE，最大可信地震，是指沿一個已知斷層或在一個特定的地震構(gòu)造區(qū)或當(dāng)前的地殼構(gòu)造框架下很有可能發(fā)生的最大地震。由于場址受各種震源產(chǎn)生的地震影響，每一個地震均有其自身的斷層機制、最大地震震級和離場址的距離，因此，一個工程場址往往有多個由不同震源產(chǎn)生的MCE,每個MCE都有其特定的地震動參數(shù)和反應(yīng)譜形狀。最終起控制作用的工程場址的MCE由確定性地震災(zāi)害分析法(Deterministic Seismic Hazard Analysis，簡記為DSHA) 確定，可基于所有已知的區(qū)域的和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和地震資料通過判斷確定。

設(shè)計地震動特性參數(shù)是大壩抗震安全的最終體現(xiàn)，主要包括地面動峰值加速度、場地反應(yīng)譜和振動持續(xù)時間，由美國地質(zhì)調(diào)查局定期公開發(fā)布。

美國大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用兩級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了以下理念：當(dāng)大壩遭受OBE的地震作用時，要求大壩保持正常運行功能，所受震害輕微。在遭受最大設(shè)計地震MDE作用時，要求大壩至少保持蓄水能力，不發(fā)生潰壩但可容許大壩發(fā)生某種程度甚至嚴(yán)重的震害。

從中、美兩國大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的變化過程看，制定抗震標(biāo)準(zhǔn)時均遵循了以下原則：以工程失事后對政治、經(jīng)濟、社會和環(huán)境的影響大小為依據(jù)，影響較大的工程承擔(dān)風(fēng)險小一點，反之則可大一些，不顧經(jīng)濟代價，片面提高抗震標(biāo)準(zhǔn)和安全性是不合適的。

現(xiàn)行中、美大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是美國抗震標(biāo)準(zhǔn)傾向于用以風(fēng)險分析為基準(zhǔn)的方法來確定大壩的抗震概率水平。風(fēng)險分析方法強調(diào)了“潛在破壞模態(tài)分析”的重要性。要求識別大壩的各種破壞模式，了解破壞發(fā)展進程中大壩特性的變化及其發(fā)生機制，了解超越峰值強度后的材料剩余強度以判定大壩破壞發(fā)展進程的快慢程度。在大壩的健康診斷與安全監(jiān)測中目前已強調(diào) 了“性能指標(biāo)”的內(nèi)容，以便加深對破壞模態(tài)發(fā)展過程的了解并及早提出預(yù)警信號。為此，需要確定性能指標(biāo)所相應(yīng)的安全限值和預(yù)警限值。

大壩抗震安全的風(fēng)險主要來自超標(biāo)地震。大壩在整個運行期間抗御地震的安全度,用超越概率可表示為1-PN；若用設(shè)計地震的重現(xiàn)期T地震(a)和設(shè)計基準(zhǔn)期N(a)表示，中、美兩國現(xiàn)行大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的抗震安全度為：

(3)

或

R(抗震，N)=1

(4)

式中：PN是設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率，%。

3 中、美大壩防洪和抗震安全設(shè)計理念比較結(jié)果

中、美大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的概率水平是以年超越概率表示，而抗震標(biāo)準(zhǔn)的概率水平是以設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率表示。盡管中、美兩國大壩防洪和抗震標(biāo)準(zhǔn)的概率水平表示方式不同，但中、美兩國現(xiàn)行大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全度和大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)的抗震安全度的計算公式是一樣的。年超越概率p年(%)、設(shè)計基準(zhǔn)期N(a)、設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率PN(%)、重現(xiàn)期T(a)和安全度RN之間的關(guān)系為：

(5)

工程項目設(shè)計基準(zhǔn)期取100(a)和50(a)，項目各頻率防洪安全度成果見表5，項目抗震安全度成果見表6。

表5 項目各頻率的防洪安全度成果表

表6 項目設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為PN(%)的抗震安全度成果表

根據(jù)概率論，項目在其設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，防洪和抗震綜合安全的可靠度應(yīng)為：

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)=(1-p(洪水、年))N×(1-PN)

=(1-p(洪水、年))N×(1-p(地震、年))N

(6)

或

R(防洪、抗震，N)=R(防洪、N)×R(抗震、N)

(7)

中、美防洪設(shè)計中均有可能最大洪水的概念，若從發(fā)生概率來理解，可能最大洪水應(yīng)是防洪的最高級別。

中國大壩抗震設(shè)計中沒有最大可信地震的概念；而美國抗震設(shè)計中有最大可信地震的概念，若從壩失事的潛在災(zāi)害大小考慮，具有與可能最大洪水相當(dāng)?shù)陌踩饬x。

4 結(jié) 語

中、美大壩防洪和抗震安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)各成體系，均能滿足各自國家大壩安全設(shè)計和評估的需求。中、美大壩防洪設(shè)計分別采用二級和一級，以年超越概率表示；而中、美大壩抗震設(shè)計分別采用一級和二級，以設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率表示。設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的防洪安全和抗震安全的可靠度計算公式具有相同的形式。

中、美大壩防洪安全和抗震安全設(shè)計理念的重大差異是美國大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和抗震標(biāo)準(zhǔn)的確定基本達到了統(tǒng)一，均是以壩失事后的潛在災(zāi)害類別作為重要判據(jù)，重視風(fēng)險分析。

中、美兩國對大壩防洪安全和抗震安全的要求客觀地反映了中、美兩國綜合國力的差異，防洪安全

和抗震安全設(shè)計本質(zhì)上是防洪安全、抗震安全與經(jīng)濟之間的權(quán)衡，應(yīng)與國家的經(jīng)濟實力相適應(yīng)。防洪和抗震既不能過度，也不能失度，防洪安全和抗震安全設(shè)計必須妥善解決好安全與經(jīng)濟、社會、環(huán)境之間的矛盾。

參考文獻:

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