王　琪,朱　晟,馮燕明

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京100120；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南昆明650051)

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基于性能的高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)分析

王琪1,朱晟2,馮燕明3

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京100120；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南昆明650051)

摘要：在總結(jié)世界各國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,建立了基于性能的高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)分析模型。根據(jù)大壩地震危險(xiǎn)性分析,確定了基于性能的地震動(dòng)輸入標(biāo)準(zhǔn)及地震峰值加速度的概率分布形式,建立地震作用下高土石壩常見(jiàn)破損模式(壩坡穩(wěn)定和永久變形)的結(jié)構(gòu)易損性模型；結(jié)合震后損失建議了高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣。

關(guān)鍵詞：高土石壩；風(fēng)險(xiǎn)分析；地震危險(xiǎn)性；結(jié)構(gòu)易損性；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

0引言

在強(qiáng)震區(qū)修筑高土石壩面臨著巨大的挑戰(zhàn),如果高壩因遭遇地震而出現(xiàn)險(xiǎn)情,將會(huì)危及下游生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)環(huán)境等。合理確定土石壩的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、研究土石壩地震作用下的破壞形式與破壞機(jī)理,將抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的性能相結(jié)合,進(jìn)而指導(dǎo)土石壩的抗震實(shí)踐,是當(dāng)前壩工界亟需解決的重大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。世界上經(jīng)歷強(qiáng)震考驗(yàn)的高壩較少,迄今尚無(wú)高土石壩因地震作用而潰決的報(bào)道。

目前,我國(guó)大壩風(fēng)險(xiǎn)分析的研究工作尚處于起步階段,吳世偉[1]對(duì)工程可靠度進(jìn)行了研究,提出了研究結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的構(gòu)思；沈懷志等[2- 4]對(duì)混凝土壩進(jìn)行了基于功能抗震風(fēng)險(xiǎn)分析研究,提出了一種在不同震級(jí)作用下高壩震害損失的計(jì)算方法,探討了發(fā)電經(jīng)濟(jì)功能下的高拱壩建設(shè)方案的風(fēng)險(xiǎn)決策問(wèn)題；賈超[5]總結(jié)了高壩風(fēng)險(xiǎn)分析的事件樹(shù)法,明確系統(tǒng)的變化過(guò)程,進(jìn)而找出預(yù)防事故發(fā)生的途徑,建立了因損傷水平的不同而造成使用功能不能充分發(fā)揮帶來(lái)的結(jié)構(gòu)損失風(fēng)險(xiǎn)分析模型。本文擬針對(duì)高土石壩的抗震風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1基于性能的土石壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

由于壩工界對(duì)大壩抗震能力認(rèn)識(shí)存在差異[6],且各國(guó)地震地質(zhì)構(gòu)造也不相同,故采用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)地震荷載參數(shù)的選取也有較大差別。國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)推薦大壩按兩級(jí)設(shè)防[7-9]：運(yùn)行基本地震(OperatingBasisEarthquake,OBE)和最大設(shè)計(jì)地震(MaximumDesignEarthquake,MDE),并將壩址區(qū)可能發(fā)生的最大地震定義為最大可信地震(MaximumCredibleEarthquake,MCE)。盡管不同國(guó)家、不同部門(mén)規(guī)定的大壩抗震控制標(biāo)準(zhǔn)不同,但關(guān)于大壩抗震設(shè)防的原則基本一致,即,在OBE作用下,不發(fā)生持續(xù)、嚴(yán)重破壞,保障大壩不做額外修復(fù)工作仍舊能夠繼續(xù)正常運(yùn)行；在MDE作用下,將失事風(fēng)險(xiǎn)控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi),防滲體和壩基不產(chǎn)生貫穿性裂縫,不發(fā)生庫(kù)水漫頂?shù)葹?zāi)難性破壞。

根據(jù)《汶川地震災(zāi)區(qū)水電工程震損調(diào)查及工程抗震復(fù)核》[10],結(jié)合土石壩壩體及相關(guān)設(shè)施的外觀形態(tài)、功能完整性和修復(fù)難易程度,將土石壩震害等級(jí)初步分為5級(jí),見(jiàn)表1。

表1土石壩震害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

震害等級(jí)外觀形態(tài)運(yùn)行功能特征修復(fù)難易程度未震損完好正常直接可用震損輕微保持完好基本正常,僅需簡(jiǎn)單維修、維護(hù),就可投入使用短時(shí)間內(nèi)即可修復(fù)使用震損較重局部震損需限制使用條件1年之內(nèi)可修復(fù)使用震損嚴(yán)重?fù)p壞嚴(yán)重基本喪失,但具備修復(fù)可能3年之內(nèi)可修復(fù)使用損毀毀壞功能完全喪失,不具備修復(fù)可能無(wú)法修復(fù),需要重建

在研究選取抗震性能指標(biāo)時(shí),在不潰壩的情況下,對(duì)應(yīng)表1中土石壩震害等級(jí),選定不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2基于性能的土石壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

抗震性能指標(biāo)等級(jí)狀態(tài)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)輸入地震基巖輸入加速度震損程度B1中震不壞OBE50年超越概率10%未震損或震損輕微B2大震可修MDE100年超越概率2%震損較重B3極震不倒MCE100年超越概率1%震損嚴(yán)重B4———潰壩

2高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)分析模型

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)定義,地震后結(jié)構(gòu)失效概率是地震危險(xiǎn)性分析成果和結(jié)構(gòu)易損性概率的函數(shù)

(1)

2.1地震危險(xiǎn)性分析

在大壩的抗震分析中,通常用場(chǎng)地的峰值加速度表征地震特性,高小旺等[12-14]認(rèn)為場(chǎng)地峰值加速度服從極值Ⅱ型概率分布,其累計(jì)概率分布函數(shù)為

(2)

式中,ag為眾值加速度,取一定時(shí)期內(nèi)超越概率為63.2%的峰值加速度；K為形狀參數(shù)。ag和K可根據(jù)工程地震危險(xiǎn)性分析資料給出的不同超越概率峰值加速度數(shù)據(jù),進(jìn)行最小二乘法擬合求得。

對(duì)式(2)求導(dǎo),可得到地震峰值加速度的概率密度函數(shù),即

(3)

2.2土石壩結(jié)構(gòu)抗震易損性分析

基于性能的大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性分析,是研究不同概率水平的地震峰值加速度作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生各級(jí)破損的概率。易損性分析主要包括：①結(jié)構(gòu)破損等級(jí)臨界指標(biāo)的確定；②對(duì)每一種破損等級(jí)的臨界狀態(tài),輸入不同地震波進(jìn)行計(jì)算,獲得達(dá)到臨界狀態(tài)的地震峰值加速度,進(jìn)行概率分析；③擬合概率曲線(xiàn),得到易損性函數(shù)[2,15]

(4)

式中,α、β、δ、μ為擬合系數(shù)。

對(duì)于土石壩而言,可選擇壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和震后永久變形作為結(jié)構(gòu)破損評(píng)價(jià)指標(biāo)。進(jìn)行可靠性分析時(shí),選擇壩料力學(xué)特性參數(shù)(粘聚力C和摩擦角φ)作為隨機(jī)變量,研究表明這兩個(gè)隨機(jī)參數(shù)均符合正態(tài)分布,可采用蒙特卡羅法提取樣本構(gòu)造隨機(jī)數(shù),對(duì)大壩進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定及有限元計(jì)算：①壩坡穩(wěn)定。輸入不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的地震加速度,用擬靜力法進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算,得到不同抗震性能下的最小安全系數(shù)；根據(jù)不同破損標(biāo)準(zhǔn)的壩坡動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),輸入不同地震加速度得到達(dá)到臨界狀態(tài)的時(shí)各加速度對(duì)應(yīng)的破壞概率,即地震反應(yīng)譜加速度易損性曲線(xiàn),然后擬合得到易損性概率函數(shù)。②永久變形。通過(guò)靜動(dòng)力有限元計(jì)算土石壩永久變形,確定達(dá)到各級(jí)破損狀態(tài)的臨界豎向永久變形值,進(jìn)而計(jì)算不同破損等級(jí)的結(jié)構(gòu)失事概率,得到結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線(xiàn),建立易損性函數(shù)。

假定土石壩壩坡失穩(wěn)和過(guò)大永久變形結(jié)構(gòu)破壞2種破損模式是相互獨(dú)立事件,即出現(xiàn)一種險(xiǎn)情就將對(duì)大壩安全造成威脅,則按照串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算大壩綜合失事概率為

(1-Pf(D))

(5)

式中,Pf(S)為壩坡失穩(wěn)概率；Pf(D)為壩體永久變形的失事概率。

2.3震后損失分析

大壩遭受地震破壞的后果,應(yīng)考慮人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)環(huán)境影響3個(gè)方面。我國(guó)對(duì)于土石壩的抗震設(shè)防本著“以人為本”的原則設(shè)計(jì),要求“極震不倒”,力求將人的生命損失降低到最低,故本模型未考慮人員傷亡。

地震后,水利水電工程的經(jīng)濟(jì)損失由直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失和救災(zāi)直接投入費(fèi)用構(gòu)成。大壩結(jié)構(gòu)由于地震導(dǎo)致的破損,屬于壩體在地震中的直接經(jīng)濟(jì)損失,可用震后維修加固費(fèi)用衡量；由地震造成的蓄水發(fā)電、供水等功能受損屬于間接經(jīng)濟(jì)損失,可以用發(fā)電效益減損、供水等造成的經(jīng)濟(jì)損失來(lái)估算；地震救災(zāi)直接投入費(fèi)用按實(shí)際投入確定,也可以根據(jù)需要按直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行初步估計(jì)。

C=Cd+Ci+Cs

(6)

式中,C為總經(jīng)濟(jì)損失；Cd為直接經(jīng)濟(jì)損失；Ci為間接經(jīng)濟(jì)損失；Cs為救災(zāi)直接投入費(fèi)用。經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算方法為：①直接經(jīng)濟(jì)損失。Cd可以用Cd=αC0進(jìn)行估算,其中,α為損失比系數(shù),取值可參考文獻(xiàn)[16]；C0為工程造價(jià)。②間接經(jīng)濟(jì)損失。主要指由于大壩結(jié)構(gòu)破壞造成的功能損失,考慮工程的水力發(fā)電功能,Ci可以用Ci=βW進(jìn)行估算,其中,β為間接損失系數(shù),可依據(jù)工程的震損程度選取,基本完好可直接使用,可認(rèn)為無(wú)間接損失,取β=0；輕微震損可在短時(shí)間內(nèi)修復(fù),認(rèn)為一個(gè)季度可修復(fù),占年均生產(chǎn)效益的1/4,β=0.25；較重震損情況在一年內(nèi)可修復(fù)使用,可取β=1；嚴(yán)重震損3年內(nèi)修復(fù)使用,β>1。W為水電站正常運(yùn)行時(shí)多年平均年發(fā)電效益,可用多年平均發(fā)電量乘以平均電價(jià)計(jì)算。③救災(zāi)直接投入費(fèi)用。在無(wú)法得到確切投入費(fèi)用時(shí),可按Cs=γCd估計(jì),其中,γ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),選取可參考文獻(xiàn)[17]。

震損評(píng)估還包括社會(huì)與環(huán)境影響評(píng)估,但是由于社會(huì)環(huán)境影響涉及面及其廣泛,包含社會(huì)政治因素、人的心理因素、河道生態(tài)環(huán)境、人文景觀等多方面因素,比較復(fù)雜。目前國(guó)際上對(duì)此研究尚不成熟,也尚未制定關(guān)于社會(huì)與環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)社會(huì)與環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)僅做了初步探討,《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》將建設(shè)項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的影響程度,劃分成重大、輕度、小影響3類(lèi),要求對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)實(shí)行分類(lèi)管理,但是尚無(wú)定論何種影響狀態(tài)屬于何等影響程度。由于地震作用造成的環(huán)境破壞可以通過(guò)相應(yīng)治理使其修復(fù),因此對(duì)社會(huì)環(huán)境的損失評(píng)估亦可以從經(jīng)濟(jì)角度考慮,將其劃歸到經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估中。

3高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大壩結(jié)構(gòu)抗震易損性描述了在不同地震荷載作用下壩體發(fā)生的破壞概率。Vick和J.Barneich、美國(guó)墾務(wù)局、澳大利亞大壩委員會(huì)等[18]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出了幾種判別標(biāo)準(zhǔn)；李雷等[18]結(jié)合多年對(duì)水庫(kù)大壩的安全鑒定工作,提出了結(jié)合我國(guó)具體情況的定性描述與定量概率轉(zhuǎn)換關(guān)系；《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》、《城市軌道交通工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(征求意見(jiàn)稿)》劃分了風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生可能性等級(jí)。

根據(jù)我國(guó)水利水電工程建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀,周建平等[19]建議我國(guó)大中型水庫(kù)大壩年失事率取1.0×10-3/a,參照澳大利亞的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定原則,以年失事率的10%作為可容忍風(fēng)險(xiǎn),以失事率的1%作為可接受風(fēng)險(xiǎn)。高土石壩的基準(zhǔn)使用期為100a,故年失事率轉(zhuǎn)化為失事概率后,失事概率小于0.01是可接受的,超過(guò)0.1是不可容忍的。

參考各國(guó)各領(lǐng)域關(guān)于破壞概率等級(jí)的研究成果,將大壩抗震易損性等級(jí)按結(jié)構(gòu)失事概率劃分為5級(jí),擬定大壩抗震易損性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3大壩抗震易損性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

可能性等級(jí)定量判斷標(biāo)準(zhǔn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)承受水平1Pf<0.0001幾乎不可能20.0001≤Pf<0.01不太可能可接受30.01≤Pf<0.1可能可容忍40.1≤Pf<0.5很可能50.5≤Pf<1非?？赡懿豢扇萑?/p>

3.2震后損失評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大壩的地震經(jīng)濟(jì)損失與工程造價(jià)和震后破損程度有關(guān),由于工程的規(guī)模造價(jià)不同,震損程度與經(jīng)濟(jì)損失并無(wú)直接的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系,另外,經(jīng)濟(jì)損失還與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和國(guó)民經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)接受能力有關(guān)。根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》、《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》、《企業(yè)職工傷亡事故經(jīng)濟(jì)損失統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等,結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情和水庫(kù)大壩規(guī)模,建議將高土石壩地震直接經(jīng)濟(jì)損失劃分為5個(gè)等級(jí),其中,小于500萬(wàn)元是可接受的,超過(guò)1億元是不可容忍的,建議劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4高土石壩地震經(jīng)濟(jì)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

震損等級(jí)后果描述直接經(jīng)濟(jì)損失判斷標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)承受水平A輕微500萬(wàn)元以下可接受B較輕500萬(wàn)～1000萬(wàn)元C中等1000萬(wàn)～5000萬(wàn)元D嚴(yán)重5000萬(wàn)～1億元可容忍E災(zāi)難1億元以上不可容忍

3.3建議高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生可能性和風(fēng)險(xiǎn)損失建立,如表5所示的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣,建議高土石壩的抗震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為3級(jí)：Ⅰ為可接受的低風(fēng)險(xiǎn),需加強(qiáng)管理保持控制風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi)；Ⅱ?yàn)榫婕?jí)的可容忍中等風(fēng)險(xiǎn),需制定風(fēng)險(xiǎn)削減措施降低風(fēng)險(xiǎn)；Ⅲ為不可容忍的高危風(fēng)險(xiǎn),需要納入目標(biāo)管理或制定風(fēng)險(xiǎn)管理方案。

表5高土石壩的抗震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

損失等級(jí)可能性等級(jí)ABCDE輕微較輕中等嚴(yán)重災(zāi)難性1幾乎不可能ⅠⅠⅠⅠⅠ2不太可能ⅠⅠⅡⅡⅡ3可能ⅡⅡⅡⅢⅢ4很可能ⅡⅡⅢⅢⅢ5非?？赡堍螈螈螈螈?/p>

4結(jié)語(yǔ)

依據(jù)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),建立了高土石壩地震風(fēng)險(xiǎn)分析模型,將大壩抗震性能與地震后結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性以及震后損失聯(lián)系在一起,評(píng)價(jià)結(jié)果可為工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理提供客觀依據(jù)。高土石壩抗震風(fēng)險(xiǎn)管理是一個(gè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)循環(huán)的過(guò)程,針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制,制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,可為高土石壩的安全運(yùn)行提供有力保障。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

收稿日期：2014- 01- 12

基金項(xiàng)目：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAK56B02)

作者簡(jiǎn)介：王琪(1987—)，女，山東曲阜人，工程師，碩士，主要從事科技期刊編輯和水工結(jié)構(gòu)抗震風(fēng)險(xiǎn)分析方面的研究工作．

中圖分類(lèi)號(hào)：TV641.1；TB114.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)04- 0057- 04

SeismicRiskAnalysisofHighEarth-rockDamBasedonPerformance

WANGQi1,ZHUSheng2,FENGYanming3

(1.ChinaRenewableEnergyEngineeringInstitute,Beijing100120,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerElectricity,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China;3.PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,Yunnan,China)

Abstract:After analyzing dam seismic standards in the world, a seismic risk analysis model of high earth-rock dam is established based on performance. Combined with the seismic hazard analysis, the earthquake input criteria and probability distribution of peek ground acceleration are determined. The structural fragility models are established respectively for the common failure modes of dam slope instability and permanent deformation. Combining with the earthquake damage consequences, a matrix rank is suggested to evaluate the seismic risk level．

Key Words:high earth-rock dam; risk analysis; seismic hazard; structural fragility; assessment standard