混凝土大壩抗震安全評價的歷史回顧
混凝土大壩的抗震安全評價經歷了較長時期的歷史發展。安全評價包括強度和穩定兩個方面。由于失穩的發展一般是一漸進過程，所以，目前正在研究應用不連續變形方法來分析大壩沿薄弱面失穩的發展過程。這樣，將壩基失穩、變形與大壩的變形、應力重分布與破壞過程相結合進行綜合考慮。可以更為科學地評價大壩的安全性。這將是今后的發展方向。但就目前情況來說，混凝土大壩特別是拱壩的設計，基本上分別獨立地對穩定和應力分析進行檢驗。穩定分析主要采用極限平衡方法，按塑性力學上限理論計算安全系數。穩定方面出現的問題則通過壩線選擇和加固措施來解決。所以，大壩剖面的選擇將主要通過應力進行控制。從應力方面評價混凝土大壩的抗震安全性，目前將仍主要建立在容許應力的基礎上。各國都根據彈性動力分析計算出的地震應力來進行大壩的抗震設計。本文將主要討論這方面的問題。由于混凝土大壩在強震中的震害主要表現為受拉出現裂縫，發生應力重分布，使大壩的承載能力降低。因此，混凝土的容許抗拉強度成為大壩抗震安全檢驗的十分重要的指標。
在混凝土壩的設計中，很長時期內，拱壩采用試載法（多拱梁法），重力壩采用材料力學方法進行分析。這種方法計算比較簡便，又基本上可以反映大壩的受力特性，所以在比較長的大壩建設實踐中發揮了重要作用，同時也積累了一定的經驗。但是這種方法采用平面變形假定，忽略了應力集中的影響，也有一定的局限性。在早期混凝土大壩的設計中，基本上采用了不容許拉應力出現的標準。以拱壩為例，認為主要以承受壓力為主，對壓應力采用比較高的安全系數（正常荷載工況達到4，非常荷載工況達到3），計算中斷面的受拉部分按開裂計算，形成內部新的受壓拱，進行應力重分布。早期，大壩的設計地震力不高，地震加速度一般取為0.1g左右，這種情況下許多拱壩的安全性主要由靜力情況控制。隨著壩工建設的發展，這種評價標準在實踐中暴露出來的矛盾越來越多。
首先，是拉應力的控制標準問題逐漸被突破。由于壩高增加，同時在復雜條件下建設的大壩數量越來越多，初期不容許拉應力出現的標準無法滿足設計要求。另一方面，也考慮到大體積混凝土實際上可以承受某種程度的拉應力。從而，在一些混凝土壩的設計中逐步容許一定數量的拉應力。以拱壩表現得最為明顯。但是，允許拉應力的數值各壩都不完全相同。總的看來，存在著逐步提高的趨勢。以美國為例[1]，1924年設計Pacoima拱壩時，加州工程師取容許拉應力0.7MPa（100psi）；1967年美國土木工程學會與美國大壩委員會總結的拱壩拉應力容許值為0.84～1.26MPa（120～180psi）；1974年美國墾務局標準，容許拉應力在正常荷載時為1.05MPa（150psi），非常荷載時為1.575MpP（225psi）；1977年Auiburn壩設計時，拉應力容許值達到5.25MPa（750psi）；1984年Raphael根據若干座壩混凝土試樣的試驗值，建議地震時容許拉應力可達6.958MPa（994psi）。拉應力的容許值實際上決定了大壩設計的安全度，因為它決定斷面裂縫的范圍以及應力重分布的結果。關于拉應力的容許值，各國、各個單位、各座壩取值不同。至今還沒有公認的標準，反映了認識上的不一致。這是可以理解的，因為各座壩的具體情況不同，拉應力發生的部位不同，對壩安全性的影響也各不相同，很難要求采取一個統一的標準。
其次，隨著強震記錄的不斷積累和豐富，大壩的設計地震加速度數值也呈逐步上升趨勢。1940年美國El Centro記錄到的最大地震加速度為0.32g（M=7.0）。1970年以后具有特大加速度的記錄不斷涌現。例如，1973年前蘇聯Gazli地震時為1.3g（M=7.2）；1978年伊朗地震時0.87g（M=7.4）；1979年美國Imperial Valley地震時為1.7g（M=6.6）；1985年智利地震時0.75g（M=7.8）；1994年美國Northridge地震時為1.82g（M=6.7）；1999年我國臺灣集集地震時1.0g左右（M=7.3）。其中，1985年加拿大地震時記錄到的最大加速度甚至超過2.0g（M=6.9）。雖然，人們認識到對建筑物響應起作用的應該是有效峰值加速度EPA，但是，實測地震加速度超過甚至遠遠超過抗震設計中的加速度則是事實。對混凝土大壩設計來說，對壩造成震害的幾次強震中實測到的大壩場地加速度是值得重視的。其中，印度Koyna重力壩，1967年12月11日發生M=6.5級強震，震中位于大壩以南偏東2.4km，實測壩基加速度為：壩軸向0.63g，順河向0.49g，豎向0.34g.伊朗Sefid Rud大頭壩，1990年6月21日發生M=7.6級大震，震中距壩址約5m，壩址無儀器記錄。相距40km處的強震儀記錄到的加速度峰值為0.56g，按地震動衰減規律估算的壩基加速度為0.714g.美國Pacoima拱壩，1971年2月9日發生M=6.6級San Fernando地震時，左壩肩基巖峰頂加速度，水平和垂直分量分別達到1.25g和0.72g，估算壩基加速度約為0.50g左右；1994年1月17日M=6.8級Northridge地震時，實測壩基加速度，水平和豎向分量分別達到0.54g和0.43g，左壩肩峰頂1.58g.這幾次地震都對大壩造成了比較強烈的震害。其中還包括我國的新豐江大壩。需要指出，上述大壩都進行過抗震設計。我國的新豐江大頭壩，在1959年水庫蓄水后不久，由于在庫區發生有感地震，1961年按Ⅷ度地震烈度進行過一期加固，水平向設計地震系數0.05.1962年3月19日發生M=6.1級強震時造成大壩頭部斷裂。印度Koyna重力壩在震前按地震系數0.05進行設計，震后頭部轉折處出現了嚴重的水平裂縫；伊朗Sefid Rud大頭壩震前按地震系數0.25進行過抗震設計，震后形成了一條幾乎貫穿全壩的頭部水平裂縫。美國Pacoima拱壩在1971年San Fernando地震時，左壩頭與重力墩之間的接縫被拉開，震后進行過加固，1994年Northridge地震時又重新被拉開。大量地震記錄超過傳統采用的設計地震加速度，因此，按照什么標準進行混凝土大壩的抗震設防，成為設計人員所十分關注的問題。
