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土石壩地震危險(xiǎn)性分析
——美國州大壩安全官員聯(lián)合會(huì)最新報(bào)告

美國州大壩安全官員聯(lián)合會(huì)(ASDSO)2015年出版了兩期簡報(bào)，內(nèi)容都是關(guān)于加拿大西部BC水電公司所屬大壩建筑物的地震破壞情況。對(duì)BC水電公司開展的地震危險(xiǎn)性研究及ASDSO針對(duì)抗震穩(wěn)定性組織的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)進(jìn)行了簡要介紹。

大壩建筑物；地震；抗震穩(wěn)定性；美國

根據(jù)2014年底完成的長期地震危險(xiǎn)性研究，BC水電公司提出了加拿大不列顛哥倫比亞省主要大壩加固計(jì)劃。研究表明，溫哥華(Vancouver)島和布里奇(Bridge)河水系上大壩的地震風(fēng)險(xiǎn)較高，而其他重點(diǎn)流域大壩建筑物的地震危險(xiǎn)性不高，皮斯(Peace)河和哥倫比亞(Columbia)河水系所面臨的地震風(fēng)險(xiǎn)比以往要低或處于相同水平，地勢較低的平原地區(qū)大壩的地震風(fēng)險(xiǎn)與以往相同。

美國州大壩安全官員聯(lián)合會(huì)(ASDSO)將土石壩地震危險(xiǎn)性作為關(guān)注重點(diǎn)。美國一家組織最新一期網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)也將地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)作為主要內(nèi)容，包括抗震性能和各類評(píng)估方法，如土壤特性、液化、循環(huán)軟化、變形和穩(wěn)定性分析等。在討論諸如場地特征和評(píng)估方法的基本原理時(shí)，以美國加利福尼亞州的勒尼漢(Lenihan)壩和圣費(fèi)爾南多(Lower San Femando)下壩這兩座遭受地震損壞的大壩為例進(jìn)行了詳細(xì)分析。在討論地震危險(xiǎn)性問題時(shí)選擇了密西西比州伊尼德(Enid)壩。

1 地震危險(xiǎn)性與大壩抗震性

2014年底，BC水電公司公布了為期6 a的大壩地震危險(xiǎn)性研究成果，以加拿大溫哥華島和內(nèi)陸布里奇河流域?yàn)橹攸c(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并編制了投資計(jì)劃，對(duì)危險(xiǎn)性高的大壩進(jìn)行加固。

BC水電公司的報(bào)告顯示，內(nèi)陸低海拔地區(qū)的地震危害性并不大，相應(yīng)的分析也得出了同樣的結(jié)果。而皮斯河和哥倫比亞河上大壩的地震危險(xiǎn)性甚至比之前計(jì)算的還要小。

BC水電公司稱，這項(xiàng)研究是多年來不同領(lǐng)域?qū)＜夜餐蛟斓木分?，包括地震學(xué)家、物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家。通過分析不列顛哥倫比亞省及其臨近地區(qū)記錄的歷史地震事件，旨在確定地震熱點(diǎn)，建立預(yù)測模型，評(píng)估大壩和附屬建筑物區(qū)地震引起的地面運(yùn)動(dòng)水平。

在2015年底地震研究報(bào)告發(fā)布會(huì)上，BC水電公司表示“就預(yù)測地震災(zāi)害而言，報(bào)告中所使用的研究方法是目前最先進(jìn)的計(jì)算模型”，并聲稱這是北美水電行業(yè)首次采用該模型。

BC水電公司發(fā)電業(yè)務(wù)執(zhí)行副總裁奧里萊表示，這一新的計(jì)算模型證明該省大壩地震危險(xiǎn)性狀況一直沒有改變，公司已經(jīng)制訂了最新行動(dòng)計(jì)劃來應(yīng)對(duì)溫哥華島地震災(zāi)害增加的情況。

在內(nèi)陸布里奇河流域，正在進(jìn)行一項(xiàng)旨在評(píng)估太沙基(Terzaghi)壩現(xiàn)狀的研究。BC水電公司表示，在未來的計(jì)劃中將優(yōu)先開展塞頓(Seton)壩的研究，而為了降低拉喬伊(La Joie)壩峰值水平的研究計(jì)劃已經(jīng)實(shí)施。

在未來9～10a內(nèi)，BC水電公司計(jì)劃投資約19億加元，用于提升大壩的抗震安全性。正在進(jìn)行的工程包括溢洪閘升級(jí)改造，投資近 7.5億加元的拉斯金(Ruskin)壩和廠房將在2017年完工。

之前開展的工作包括埃爾西(Elsie)壩、科奎特勒姆(Coquitlam)壩和斯特拉斯考納(Strathcona)壩進(jìn)水塔的升級(jí)改造，其中科奎特勒姆壩項(xiàng)目規(guī)模最大，耗資6 500萬加元，包括在現(xiàn)有建筑物下游新建土石壩，這項(xiàng)工程已于2008年完工。

此外，BC水電公司還投資輸配電系統(tǒng)抗震性能的升級(jí)改造，主要工程包括已完工的耗資 1.7億加元的溫哥華市中央輸電系統(tǒng)、即將開工的溫哥華市中心加固工程、溫哥華島電網(wǎng)和變電站工程。

2 溫哥華島上大壩的抗震安全性

溫哥華島是不列顛哥倫比亞省的地震活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)， 島上主要發(fā)育坎貝爾(Campbell)河和約旦(Jordan)河水系。 BC水電公司開展的地震敏感性研究表明， 約旦河流域的地震危害性是坎貝爾河流域的兩倍。 在新修訂的溫哥華島地震活動(dòng)計(jì)劃中， 考慮了近幾年發(fā)生的地震， 奧里萊最近表示， 計(jì)劃在未來10 a內(nèi)投資7億加元用于提升大壩的抗震安全性。

2.1 坎貝爾河水系

正在針對(duì)坎貝爾河水系制定約翰哈特(John Hart)壩和拉得爾(Ladore)壩的升級(jí)改造計(jì)劃，已提交斯特拉斯考納壩的計(jì)劃，針對(duì)科莫克斯(Comox)壩、埃爾西(Elsie)壩和蓬特萊吉(Puntledge)壩的研究工作也在計(jì)劃中。

在約翰哈特電站，一項(xiàng)耗資11億加元的電廠重建項(xiàng)目正在進(jìn)行，2014年底開工，旨在提高地震安全性和電力可靠性。大壩的升級(jí)改造也是該工程的一部分，已先行實(shí)施。

同樣，現(xiàn)場進(jìn)水塔工程完工后，對(duì)斯特拉斯考納壩進(jìn)行了抗震性能研究。應(yīng)對(duì)埃爾西壩壩址抗震性進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而確定投資方向。

2.2 約旦河水系

BC水電公司早在20世紀(jì)90年代早期就開始對(duì)約旦河壩進(jìn)行升級(jí)改造。最新的地震研究顯示，約旦河壩距卡斯卡迪亞(Cascadia)斷層約40 km，最近發(fā)生的里氏8到9級(jí)大地震引起的地面運(yùn)動(dòng)要比預(yù)想的強(qiáng)烈得多。

BC水電公司指出，這項(xiàng)新的研究表明，為了提高抗震穩(wěn)定性，更進(jìn)一步的升級(jí)改造或重建是有必要的。

然而，該公司“并不確信”升級(jí)改造在技術(shù)上是否可行，上游的埃利奧特(Ellio)壩也需要進(jìn)行升級(jí)，而且在技術(shù)上是可行的。

BC水電公司計(jì)劃與約旦河當(dāng)?shù)鼐用窈凸賳T進(jìn)行討論，評(píng)估這項(xiàng)研究成果，同時(shí)還要討論“大地震導(dǎo)致大壩破壞”的避險(xiǎn)措施。

3 抗震穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)

2015年ASDSO組織了土石壩抗震分析網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，其主題主要集中在兩方面，一是性能、特性和評(píng)價(jià)方法，二是穩(wěn)定性和變形。

3.1 性能、特性和評(píng)價(jià)方法

首位發(fā)言者R.阿姆斯特朗列出了在地震加速度作用下土石壩的主要破壞模式，包括斷層引起的開裂、可能導(dǎo)致漫頂?shù)膲误w脫坡和沉降、側(cè)向剪切變形、相鄰層剛度差異導(dǎo)致的開裂、壩肩或進(jìn)水塔垮塌導(dǎo)致的輸水渠堵塞等。

他簡要回顧了美國歷史上地震引起的潰壩事件，包括1906年圣安德列斯(San Andreas)壩、1925年謝菲爾德(Sheffield)壩、1971年和1994年圣費(fèi)爾南多下壩以及1989年奧地利(Austrian)壩。然而，大部分建造質(zhì)量良好的壩都經(jīng)受住了地震考驗(yàn)，但由于大壩失穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，需要在震后對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

探索地震對(duì)土石壩產(chǎn)生破壞的機(jī)理，涉及地震波在壩體中的傳播以及壩體和壩基抗剪強(qiáng)度的降低。對(duì)砂土和粘性土，動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度的研究方法不同，地震導(dǎo)致砂土產(chǎn)生液化，而粘性土則在循環(huán)動(dòng)荷載作用下發(fā)生軟化。

關(guān)鍵問題是選擇合適的評(píng)價(jià)方法，首先需要確定壩體、壩基是粗粒土還是細(xì)粒土主導(dǎo)。由于沒有絕對(duì)、簡單和通用的定義，結(jié)合大多數(shù)研究結(jié)果，一般認(rèn)為，細(xì)顆粒含量15%～50%的土定義為由細(xì)粒土主導(dǎo)的土，確定細(xì)粒土動(dòng)態(tài)剪應(yīng)力采用循環(huán)軟化評(píng)價(jià)法。確定土的可塑性有助于選擇最佳評(píng)價(jià)方法。

對(duì)粗粒含量較多的土，液化分析是更直接的評(píng)價(jià)方法，盡管實(shí)施原位測試有一定難度。循環(huán)動(dòng)荷載軟化評(píng)價(jià)也可以采用原位測試，但室內(nèi)試驗(yàn)也是有效的方法。

在網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上討論各評(píng)價(jià)方法時(shí)，R.阿姆斯特朗詳細(xì)介紹了對(duì)各種概化模型所建立的不同評(píng)價(jià)方法以及各種修正系數(shù)，并分析了垂直有效應(yīng)力增加對(duì)抗循環(huán)動(dòng)荷載軟化的影響。

R.阿姆斯特朗還回顧了在壩址區(qū)獲取關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)的地面調(diào)查手段和有關(guān)試驗(yàn)方法。他盛贊貝克爾貫入試驗(yàn)(BPT，類似于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于北美地區(qū))。這一孔內(nèi)測試方法的最新進(jìn)展，解釋了錘擊能量向貫入器端部傳遞的機(jī)理。相關(guān)研究與開發(fā)由加州大學(xué)戴維斯(UC Davis)分校主導(dǎo)，洛杉磯水電局資助。

阿姆斯特朗總結(jié)出如下幾點(diǎn)：

(1) 為查明地震對(duì)土石壩造成的破壞，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)壩頂位移、裂縫、旋轉(zhuǎn)滑移和側(cè)向擴(kuò)張進(jìn)行觀測；

(2) 確定最合適的評(píng)價(jià)方法和土的動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度非常重要；

(3) 液化評(píng)價(jià)建立在原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上；

(4) 循環(huán)動(dòng)荷載軟化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是通過原位測試或室內(nèi)試驗(yàn)確定不排水抗剪強(qiáng)度。

3.2 壩體穩(wěn)定性與變形

變形直接關(guān)系到土石壩的安全運(yùn)行，而壩體結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性取決于變形。

地震中和地震后應(yīng)檢查壩體變形情況，需要分析的關(guān)鍵點(diǎn)是：慣性效應(yīng)、由于超孔隙水壓力和應(yīng)變所導(dǎo)致的剛度和強(qiáng)度的降低、土體壓縮導(dǎo)致的體積變化(非飽和、松散到中等密實(shí)的無粘性土)。

一般情況下，臨界條件發(fā)生在震后，因此可以監(jiān)測到變形，除非發(fā)生震后失穩(wěn)。為分析變形所采用的評(píng)估方法，需要選擇合適的抗剪強(qiáng)度，需要考慮超孔隙水壓力和應(yīng)變過大導(dǎo)致的承載力下降，以及動(dòng)態(tài)剪應(yīng)力引起的土體積和透水性的變化。

液化對(duì)震后抗剪強(qiáng)度起著重要作用。如果認(rèn)為土層在特定地震中具有液化風(fēng)險(xiǎn)，那么抗剪強(qiáng)度就應(yīng)該選取液化后的剩余抗剪強(qiáng)度，否則就要選取不排水抗剪強(qiáng)度和排水抗剪強(qiáng)度二者中的低值，選取的原則取決于土的類別，粘土和粉土一般選取前者。

土在動(dòng)荷載作用下的特性可以通過經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬(間接或直接計(jì)算)來評(píng)估，包括變形。

經(jīng)驗(yàn)方法可以提供初步評(píng)估，并可以與詳細(xì)分析結(jié)果互相映證。

間接方法包括滑塊法和應(yīng)變勢能法。Newmark滑塊法是根據(jù)地震加速度和屈服加速度差值，通過二重積分法來計(jì)算位移。每一對(duì)數(shù)值都是分別通過塊體在動(dòng)荷載作用下的特征曲線和極限平衡穩(wěn)定分析(考慮強(qiáng)度降低)曲線獲得的，而后建立時(shí)間關(guān)系曲線，從而可以求出地震過程中每一時(shí)刻的位移值。另外，根據(jù)土的類別，還要計(jì)算土的體積變化。

非線性分析是直接方法，當(dāng)土承受的動(dòng)荷載接近其強(qiáng)度時(shí)，其屈服或變形表現(xiàn)為塑性變形，通過非線性分析可以確定總應(yīng)力和有效應(yīng)力，不管孔隙水壓力與體積應(yīng)變在塑性變形階段是否耦合。非線性分析主要涉及4種應(yīng)力應(yīng)變模型，最簡單的是線彈塑性模型(如摩爾-庫倫模型)，雙曲彈塑性模型、多重嵌套屈服面模型和邊界亞塑性模型則比較復(fù)雜。

在案例分析中，多重嵌套屈服面模型用來評(píng)估勒尼漢壩的總應(yīng)力，該壩在1989年洛馬·普雷塔(Loma Prieta)大地震中受到損壞，模型模擬壩頂位移效果良好。1971年圣費(fèi)爾南多地震對(duì)圣費(fèi)爾南多下壩影響的分析表明，液化影響了上游壩殼的穩(wěn)定性。分析中采用了相對(duì)簡單的非耦合摩爾-庫倫模型與雙曲彈塑性模型，重點(diǎn)分析壩體在動(dòng)荷載作用下不同土層的強(qiáng)度?？傮w而言，數(shù)值模擬提供了符合實(shí)際情況的分析方法，每種方法所預(yù)測的液化區(qū)域基本相同。

伊尼德壩特別長，但高度有限，臨近新馬德里(New Madrid)斷裂帶，地表地質(zhì)調(diào)查表明，在循環(huán)動(dòng)荷載作用下建筑物可能同時(shí)面臨軟化和液化問題。沿大壩選擇眾多斷面進(jìn)行了多重時(shí)間歷程分析，結(jié)果表明，最大設(shè)計(jì)地震(震級(jí) 7.6，震中距145 km，地震加速度 0.19 g)條件下潛在位移不足以造成大壩失穩(wěn)。

總而言之，包括非線性分析方法在內(nèi)的評(píng)估方法，為研究變形提供了強(qiáng)有力的工具，但所有的工作都需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際工作中必須注意這一點(diǎn)。

楊家凱 馬貴生 譯

(編輯：朱曉紅)

2017-03-01

1006-0081(2017)07-0046-03

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