| 单词 | 水坝抗震 |
| 释义 | 【水坝抗震】 拼译：earthquake analysis of dams 主要研究水坝的抗震设计理论和方法以及有效的工程措施，以保障地震活动区内水坝的安全。 20世纪20年代末和30年代初在日本和美国初步形成大坝的抗震设计方法，以水平地震惯性力代表地震作用，设计中只考虑其静力影响。设计地震加速度主要根据经验确定，例如50年代以前建成的大坝，日本多取为0．12～0．15g，美国则取为0．1g。这一设计准则至今仍被世界各国水坝抗震设计规范所采用，只是在上述基础上进行了一定的完善改进。例如，将设计地震加速度按照地区的地震活动性、坝的重要性以及坝的结构型式等因素分别进行取值，补充考虑竖直向地震分量的影响，并参照动力分析的结果确定地震加速度沿坝高的分布规律等。这样计算比较简便，同时又基本反应了地震动力作用对大坝的影响，称为拟静力理论。地震时库水对大坝的作用也是水坝抗震设计中的一个重要因素。Westergaard于1933年提出了地震动水压力的计算理论，得出了直立坝面地震动水压力的分布规律。他的理论主要基于刚性坝体和正弦波形的地震地面运动。50年代初Zanger利用电模拟试验法求解了不规则坝面的动水压力，烟野正和小坪清真则将Westergaard的理论发展引伸到弹性坝体、不规则波地震地面运动以及三维空间拱坝地震动水压的情况。二次世界大战后，水坝建设蓬勃发展，许多兴建在地震区的大坝坝高超过100m以上，对水坝抗震提出了新的课题。50～60年代日本在许多新建大坝中埋设了观测仪器，进行了系统的地震观测，同时利用起振机对许多大坝进行了动力特性的现场试验，获得了大坝频率、振动模态、阻尼等实测资料。冈本舜三和日本电力中央研究所还发展了水坝动力模型试验技术。1953年Housner地震反应谱解析方法发表。这样，从实验和理论方面都创造了条件使水坝抗震进入以弹性振动理论和地震反应谱为基础的水坝动力理论阶段。中国的水坝抗震研究在50、60年代也有了很大发展，在水坝的自振特性、地震动水压力、满库地震荷载和地震应力、水坝动力模型试验技术和模型相似律、水坝的抗震设计方法等方面都取得了显著成绩。水诱发地震现象在30年代曾引起人们注意。进入60年代以后，随着世界各国大量兴建高坝和大型水库，水诱发地震的震例不断增加，从而引起普遍重视。但是，关于水诱发地震的成因机制以及预测方法等方面的研究，目前还处在探索阶段。进入70年代以后，水坝抗震研究得到进一步发展，并形成为一门独立学科。水坝抗震目前总体仍处于弹性振动理论阶段。水坝抗震研究已取得以下几方面的进展。1．设计地震动参数与地震动输入模型。重要大坝一般进行专门的地震危险性分析，根据潜在震源区的地震活动性与传播途径的衰减规律，求得一定超越概率水平的设计地震动参数。采用的计算模型有Cornell的点源模型(1968)与洪华生等的线源与面源模型(1977)。80年代后期国际坝会议大坝抗震设计委员会规定大坝按最大设计地震动(MDE)和安全运行地震动(OBE)两级设防。70年代不少学者研究了SH波、P波和SV波以及R波入射时不规则河谷地形的震动分布规律。由于缺乏实际观测资料，在大坝抗震设计中仍采用均匀地震动输入模型。80年代开始探讨不均匀地震动输入对大坝震反应的影响。2．混凝土的动力特性。30年代有的学者就已注意到了加载速率对混凝土强度的影响。1960年烟野正根据强震时大坝可能产生的应变速率，在较广范围内研究了加载速率对混凝土抗压、抗拉强度的影响。80年代前后，美国Raphael等在一些大坝中钻孔取样，进一步研究了大坝混凝土的抗拉强度以及加载速率对混凝土抗压、抗拉强度以及动弹模的影响，其结果至今被大坝抗震设计采用。3．土石坝的抗震设计方法与土、石料的动力特性。1964年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震中，液化造成地基和大量土工建筑物的严重损坏，特别是1971年美国下圣费尔南多土坝地震时发生大规模坍滑，应用传统的分析方法无法进行解释，这些促进了土石坝动力分析方法的发展。Newmark于1965年和Seed于1966年提出了土坡地震永久位移的初步计算模型，并建议作为土石坝抗震安全的评价标准，1973年Seed进一步发展了计算地震位移的应变势方法。60年代起，土在循环加载作用下的动力特性获得广泛研究并逐步应用于土坝的抗震分析。Seed和Lee首先于1966年发表了循环加载条件下饱和砂土液化的研究成果。通过研究发现材料性质对土石坝的动力反应有显著影响。由疏松至中等密度的砂建成的土工建筑物在地震作用下孔隙水压力逐渐上升，剪切强度降低，导致液化和建筑物大规模的变形和破坏。由压密粘土和密实砂建造的土工建筑物则受循环加载的影响较小。目前在了解地震液化机理、评价土坝和地基液化危险性以及减轻液化的工程措施方面取得了很大进展。土、石料在地震作用下表现出强非线性特性。关于土的动力本构关系不同研究者提出的模型不下数十种。Seed和Idriss等在1969年提出了等价线性粘弹性模型，多年来在土石坝抗震分析中仍占主要地位，这种模型计算坝的地震力有一定准确性，但不能计算坝的地震永久位移。70年代后提出了更能确切反应土的动力特性的多屈服面硬化模量场等塑性模型，但计算复杂，参数确定困难，尚有待实验和现场观测验证。60年代中期以后，有限元方法在土石坝的动力分析中获得广泛发展，提出了以等价线性模型为基础的总应力法与有效应力法，与Biot固结理论相结合可考虑孔隙水压力的扩散影响。4．坝－水－地基动力相互作用分析。50年代烟野正与小坪清真利用悬臂梁模型研究了重力坝与库水的耦连振动问题。70年代以后，有限元方法的发展使坝－水库耦连系统和坝－地基耦连系统的研究活跃起来。研究表明，耦连作用对坝的频率和振动模态，地震动输入以及振动能量散逸均发生重要影响。1973年Chopra等应用子结构法和模态分析法进行了直立坝面重力坝与库水系统的相互作用分析。1978年Zienkiewicz等用有限元与无穷元相结合研究了具有任意形状水库边界的重力坝与库水耦连系统的振动问题。关于库水压缩性对坝动力反应的影响在较长时间内曾为研究者所关注。1982年Hall与Chopra应用一维半空间模型考虑了水库基岩对水中压力波的反射吸收作用，使问题逐步明朗化。目前的认识是应同时考虑库水压缩性与水库的边界吸收作用。Chopra等1975年研究了重力坝与基础的相互作用，1981年研究了重力坝－水库－地基的动力相互作用。地基模型为均匀半无限粘弹性空间，在频率域求解。1986年Chopra又研究了三维空间拱坝－水库－地基的相互作用，同时考虑了库底的边界吸收作用，但地基则按无质量弹簧进行简化。直到1992年一些研究者才给出了半无限粘弹性地基与拱坝－库水系统的相互作用解答。为了反映近场不均匀地基的影响，一些研究者提出了有限元与边界元相结合的方法，或是选取有限地基并设置能量透射边界以模拟无限地基影响的作法。但是，计算工作量巨大、能量透射边界的效果以及计算稳定性等都有待解决。通过现场原位试验以研究坝－水库－地基相互作用的途径也得到发展。由于土的强非线性性质，土坝与地基的相互作用问题还没有完善的解决方法。中国在重力坝与非均匀地基的相互作用，拱坝与地基的相互作用以及相互作用的现场测试方面都进行了研究。并取得了有意义的成果。水坝抗震研究的热点与进一步发展方向如下：(1)地震动的空间变化规律，不规则河谷地震波的散射影响以及合理的地震动输入模式研究；(2)土石坝抗震分析计算模型，地震变形的计算方法以及抗震稳定的评价标准，土－水－气多相介质中波的传播与振动理论研究；(3)混凝土坝的极限承载能力与抗震安全评价方法，混凝土的双轴与三轴动态强度以及动断裂特性，强震时拱坝接缝张合等非线性反应分析，坝－水库－地基相互作用的时域分析技术，无限地基特性的近似与简化模拟技术；(4)强震时坝肩、坝基岩体的强度、变形与稳定分析理论，节理、裂隙面的强度、变形特性及模拟技术。【参考文献】：1 Westergaard H．M．Trans．ASCE，1933，98∶418～4232 刘恢先，王孝信．地震工程研究报告集(第1集)．北京：科学出版社，1962．140～1533 Lin Gao，Zhou Jing，Fan Chuiyi．Dam Engineering，1993，4(3)∶173～186(大连理工大学林皋教授撰) |
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