水工建筑物抗震设计规范.docx

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水工建筑物抗震设计规范

中华人民共和国行业标准

SL203-97

水工建筑物抗震设计规范

Specificatinsforseismicdesignofhydraulicstructures

1997-08-04发布

1997-10-01实施

中华人民共和国水利部　发布

中华人民共和国行业标准

主编单位：

中国水利水电科学研究院

批准部门：

中华人民共和国水利部施行日期：

1997年10月1日

中华人民共和国水利部

关于发布《水工建筑物抗震设计规范》SL203-97的通知

水科技［1997］439号

根据部水利水电技术标准制定,修订计划,由水利水电规划设计总院主持,以中国水利水电科学研究院为主编单位修订的《水工建筑物抗震设计规范》,经审查批准为水利行业标准,现予以发布.标准的名称和编号为：

SL203-97.原《水工建筑物抗震设计规范》SDJ10-78同时废止.

本标准自1997年10月1日起实施.在实施过程中各单位应注意总结经验,如有问题请函告主持部门,并由其负责解释.

本标准文本由中国水利水电出版社出版发行.一九九七年八月四日

前　言

本规范是根据原能源部,水利部水利水电规划设计总院（91）水规设便字第35号文的通知,由中国水利水电科学研究院会同有关设计研究院和高等院校对原水利电力部于1978年发布试行的SDJ10-78《水工建筑物抗震设计规范》进行修订而成.

本规范在修订过程中,主编单位会同各协编单位开展了广泛的专题研究,调查总结了近年来国内外大地震的经验教训,吸收采用了地震工程新的科研成果,考虑了我国的经济条件和工程实际,提出修订稿后,在全国广泛征求了有关设计,施工,科研,教学单位及管理部门和有关专家的意见,经过反复讨论,修改和试设计,最后由电力工业部水电水利规划设计管理局会同水利部水利水电规划设计管理局组织审查定稿.

本规范为强制性行业标准,替代SDJ10-78.

本规范共分11章和1个标准的附录.这次修订的主要内容有：

进一步明确了规范适用的烈度范围,水工建筑物等级和类型,并扩大了建筑物类型和坝高的适用范围；提出了对重要水工建筑物进行专门的工程场地地震危险性分析以确定地震动参数的要求,并给出了相应的设防概率水准；增加了场地分类标准,并相应修改了设计反应谱；改进了地基中可液化土的判别方法和抗液化措施；根据1994年国家批准发布的GB50199-94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》的原则和要求,在保持规范连续性的条件下,区别不同情况,把各类主要水工建筑物的抗震计算从定值安全系数法向分项系数概率极限状态的体系"转轨,套改",并给出了各类水工建筑物相应的结构系数；采用了对混凝土水工建筑物以计入结构,地基和库水相互作用的动力法为主和拟静力法为辅的抗震计算方法,对土石坝采用按设计烈度取相应动态分布系数的拟静力抗震计算方法；在编写的格局上改为按水工建筑物类型分章,各章分别给出抗震计算和抗震措施,并补充了内容.

希望有关单位在执行本规范的过程中,结合工程实际,注意总结经验和积累资料,如发现需要修改和补充之处,请将意见和有关资料寄交归口管理单位,以便今后再次修订时考虑.

本规范由原能源部,水利部水利水电规划设计总院提出修订.

本规范由水利部水利水电规划设计管理局归口.

本规范解释单位：

水利部水利水电规划设计管理局

本规范修订主编单位：

中国水利水电科学研究院

本规范修订协编单位：

电力工业部昆明勘测设计研究院,电力工业部西北勘测设计研究院,上海市水利工程设计研究院,大连理工大学,河海大学.

本规范主要起草人：

陈厚群,侯顺载,郭锡荣,苏克忠,王钟宁,杨佳梅,卫　明,林　皋,　　　　　　　　　　　　　　方大凤,黄家森,李　瓒,梁爱虎,武清玺,王锡忠,师接劳

目　次

1　总则

2　术语,符号

　　术语

　　基本符号

3　场地和地基

　　场地

　　地基

4　地震作用和抗震计算

　　地震动分量及其组合

　　地震作用的类别

　　设计地震加速度和设计反应谱

　　地震作用和其它作用的组合

　　结构计算模式和计算方法

　　水工混凝土材料动态性能

　　承载能力分项系数极限状态抗震设计

　　附属结构的抗震计算

　　地震动土压力

5　土石坝

　　抗震计算

　　抗震措施

6　重力坝

　　抗震计算

　　抗震措施

7　拱坝

　　抗震计算

　　抗震措施

8　水闸

　　抗震计算

　　抗震措施

9　水工地下结构

　　抗震计算

　　抗震措施

10　进水塔

　　抗震计算

　　抗震措施

11　水电站压力钢管和地面厂房

　　压力钢管

　　地面厂房

附录A　土石坝的抗震计算

1　总　则

1.0.1

　为做好水工建筑物的抗震设计,减轻地震破坏及防止次生灾害,特制定本规范.

1.0.2

　适用范围：

1　主要适用于设计烈度为6,7,8,9度的1,2,3级的碾压式土石坝,混凝土重力坝,混凝土拱坝,平原地区水闸,溢洪道,地下结构,进水塔,水电站压力钢管和地面厂房等水工建筑物的抗震设计.

2　设计烈度为6度时,可不进行抗震计算,但对1级水工建筑物仍应按本规范采取适当的抗震措施.

3　设计烈度高于9度的水工建筑物或高度大于250m的壅水建筑物,其抗震安全性应进行专门研究论证后,报主管部门审查,批准.

1.0.3

　按本规范进行抗震设计的水工建筑物能抗御设计烈度地震；如有局部损坏,经一般处理后仍可正常运行.

1.0.4

　水工建筑物工程场地地震烈度或基岩峰值加速度,应根据工程规模和区域地震地质条件按下列规定确定：

1　一般情况下,应采用《中国地震烈度区划图（1990）》确定的基本烈度.

2　基本烈度为6度及6度以上地区的坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程,以及基本烈度为7度及7度以上地区坝高超过150m的大

（1）型工程,应根据专门的地震危险性分析提供的基岩峰值加速度超越概率成果,按本规范1.0.6的规定取值.

1.0.5

　水工建筑物的工程抗震设防类别应根据其重要性和工程场地基本烈度按表1.0.5的规定确定.

表1.0.5　工程抗震设防类别

工程抗震设防类别

建筑物级别

场地基本烈度

甲

1（壅水）

≥6

乙

1（非壅水）.2（壅水）

丙

2（非壅水）.3

≥7

丁

4.5

1.0.6

　各类水工建筑物抗震设计的设计烈度或设计地震加速度代表值应按下列规定确定：

1　一般采用基本烈度作为设计烈度.

2　工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物,可根据其遭受强震影响的危害性,在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度.

3　凡按本规范1.0.4作专门的地震危险性分析的

工程,其设计地震加速度代表值的概率水准,对壅水建筑物应取基准期100年内超越概率P100为,对非壅水建筑物应取基准期50年内超越概率P50为.

4　其它特殊情况需要采用高于基本烈度的设计烈度时,应经主管部门批准.

5　施工期的短暂状况,可不与地震作用组合；空库时,如需要考虑地震作用时,可将设计地震加速度代表值减半进行抗震设计.

1.0.7

　坝高大于100m,库容大于5亿m3的水库,如有可能发生高于6度的水库诱发地震时,应在水库蓄水前就进行地震前期监测.

1.0.8

　水工建筑物的抗震设计宜符合下列基本要求：

1　结合抗震要求选择有利的工程地段和场地.

2　避免地基和邻近建筑物的岸坡失稳.

3　选择安全经济合理的抗震结构方案和抗震措施.

4　在设计中从抗震角度提出对施工质量的要求和措施.

5　便于震后对遭受震害的建筑物进行检修.重要水库宜设置泄水建筑物,隧洞等,保证必要时能适当地降低库水位.

1.0.9

　设计烈度为8,9度时,工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物,应进行动力试验验证,并提出强震观测设计,必要时,在施工期宜设场地效应台阵,以监测可能发生的强震；工程抗震设防类别为乙类的水工建筑物,宜满足类似要求.

1.0.10

　引用标准

下列标准所包含的条文,通过在本标准中应用而构成本标准的条文.在标准出版时,所示版本均为有效.所有标准都会被修改,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性.

GBJ11-89　　　　　建筑抗震设计规范

GB50199-94水利水电工程结构可靠度设计统一标准

SL/T191-96水工混凝土结构设计规范

SDJ12-78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区,丘陵区部分）

SDJ21-78混凝土重力坝设计规范

SD133-84水闸设计规范

SD134-84水工隧洞设计规范

SD144-85水电站压力钢管设计规范

SD145-85混凝土拱坝设计规范

SDJ217-87水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（平原,海滨部分）

SDJ218-84碾压式土石坝设计规范

SD303-88水电站进水口设计规范

SD335-89水电站厂房设计规范

按本规范进行水工建筑物抗震设计时,尚应符合有关标准,规范的要求.同级行业标准规范中,有关水工建筑物抗震方面的规定不符合本规范的,应以本规范为准.

2　术语,符号

　术　语

2.1.1

　抗震设计：

地震区的工程结构所进行的一种专项设计.一般包括抗震计算和抗震措施两个方面.

2.1.2

　基本烈度：

50年期限内,一般场地条件下,可能遭遇超越概率P50为的地震烈度.一般为《中国地震烈度区划图（1990）》上所标示的地震烈度值,对重大工程应通过专门的场地地震危险性分析工作确定.

2.1.3

　设计烈度：

在基本烈度基础上确定的作为工程设防依据的地震烈度.

2.1.4

　水库诱发地震：

由于水库蓄水或大量泄水而引起库区及附近发生的地震.

2.1.5

　地震动：

由地震引起的岩土运动.

2.1.6

　地震作用：

地震动施加于结构上的动态作用.

2.1.7

　地震动峰值加速度：

地震动过程中,地表质点运动加速度的最大绝对值.

2.1.8

　设计地震加速度：

由专门的地震危险性分析按规定的设防概率水准所确定的,或一般情况下与设计烈度相对应的地震动峰值加速度.

2.1.9

　地震作用效应：

地震作用引起的结构内力,变形,裂缝开展等动态效应.

2.1.10

　地震液化：

地震动引起的饱和砂土,粉土和少粘性土颗粒趋于紧密,孔隙水压力增大,有效应力趋近于零的现象.

2.1.11

　设计反应谱：

抗震设计中所采用的一定阻尼比的单质点体系,在地震作用下的最大加速度反应随体系自振周期变化的曲线,一般以其与地震动最大峰值加速度的比值表示.

2.1.12

　动力法：

按结构动力学理论求解结构地震作用效应的方法.

2.1.13

　时程分析法：

由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分,求得整个时间历程内结构地震作用效应的方法.

2.1.14

　振型分解法：

先求解结构对应其各阶振型的地震作用效应后,再组合成结构总地震作用效应的方法.各阶振型效应用时程分析法求得后直接叠加的称振型分解时程分析法,用反应谱法求得后再组合的称振型分解反应谱法.

2.1.15

　平方和方根（SRSS）法：

取各阶振型地震作用效应的平方总和的方根作为总地震作用效应的振型组合方法.

2.1.16

　完全二次型方根（CQC）法：

取各阶振型地震作用效应的平方项和不同振型耦联项的总和的方根作为总地震作用效应的振型组合方法.

2.1.17

　地震动水压力：

地震作用引起的水体对结构产生的动态压力.

2.1.18

　地震动土压力：

地震作用引起的土体对结构产生的动态压力.

2.1.19

　拟静力法：

将重力作用,设计地震加速度与重力加速度比值,给定的动态分布系数三者乘积作为设计地震力的静力分析方法.

2.1.20

　地震作用的效应折减系数：

由于地震作用效应计算方法的简化而引入的对地震作用效应进行折减的系数.

2.1.21

　自振周期：

结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间.对应于第-振型的自振周期称基本自振周期.

　基本符号

2.2.1

　作用和作用效应：

　　ah---水平向设计地震加速度代表值；

av---竖向设计地震加速度代表值；

g---重力加速度；

Pw（h）---水深h处的地震动水压力代表值；

F0---建筑物单位宽度迎水面的总地震动水压力代表值；

Fi---作用在质点i的水平向地震惯性力的代表值；

FE---地震主动动土压力代表值；

GE---产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值；

Ti---质点i的动态分布系数；

β---设计反应谱；

ζ---地震作用的效应折减系数.

2.2.2

　材料性能和几何参数：

ak---几何参数的标准值；

fk---材料性能的标准值；

标准贯入锤击数；

Ncr---临界锤击数；

ρw---水体质量密度的标准值.

2.2.3

　分项系数极限状态设计：

Ek---地震作用的代表值；

Gk---永久作用的标准值；

Qk---可变作用的标准值；

R---结构的抗力；

S---结构的作用效应；

γ0---结构重要性系数；

γρ---承载能力极限状态的结构系数；

γm---材料性能的分项系数；

γG---永久作用的分项系数；

γQ---可变作用的分项系数；

ψ---设计状况系数.

2.2.4

　其他：

T---结构自振周期；

Tg---特征周期；

λf---附属结构和主体结构的基本频率比值；

λm---附属结构和主体结构质量比值.

3　场地和地基

　场　地

3.1.1

　水工建筑物的场地选择,应在工程地质勘察和专门工程地质研究的基础上,按构造活动性,边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评价.可按表3.1.1划分为有利,不利和危险地段.宜选择对建筑物抗震相对有利地段,避开不利地段,未经充分论证不得在危险地段进行建设.

表3.1.1　各类地段的划分

地段类别

构造活动性

边坡稳定性

场地地基条件

有利地段

　距坝址8km范围内无活动断层；库区无大于等于5级的地震活动

　岩体完整,边坡稳定

抗震稳定性好

不利地段

　枢纽区内有长度小于10km的活动断层；库区有长度大于10km的活动断层,或有过大于等于5级但小于7级的地震活动,或有诱发强水库地震的可能

　枢纽区,库区边坡稳定条件较差

抗震稳定性差

危险地段

　枢纽区内有长度大于等于10km的活动断层；库区有过大于等于7级的地震活动,有伴随地震产生地震断裂的可能

枢纽区边坡稳定条件极差,可产生大规模崩塌,滑坡

地基可能失稳

3.1.2

　水工建筑物开挖后的场地土类型,宜根据土层剪切波速,按表3.1.2划分.

3.1.3

　场地类别应根据场地土类型和场地覆盖层厚度划分为四类,并宜符合表3.1.3的规定.

表3.1.2　场地土类型的划分

场地土类型

土层剪切波速（m/s）

代表性岩土名称

坚硬场地土

υs＞500

岩石及密实的砂卵石层

中硬场地土

500≥υsm＞250

中密,稍密的砂砾石,粗中砂及坚硬粘土

中软场地土

250≥υsm＞140

稍密的砾,粗,中砂,软粘土

软弱场地土

υsm≤140

淤泥,淤泥质土,松散的砂,人工杂土

　注：

υs为土层剪切波速；υsm为土层平均剪切波速,取建基面下15m内且不深于场地覆盖层厚度的各土层剪切波速,按土层厚度加权的平均值.

表3.1.3　场地类别的划分

场地土类型

场地覆盖层厚度dov（m）

0

0＜dov≤3

3＜dov≤9

9＜dov≤80

dov＞80

坚硬场地土

Ⅰ

-

中硬场地土

-

Ⅰ

Ⅱ

中软场地土

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

软弱场地土

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

3.1.4

　在水工建筑物场地范围内,岩体结构复杂,有软弱结构面或夹泥层不利组合,边坡稳定条件较差时,应查明在设计烈度的地震作用下不稳定边坡的分布,估计可能的危害程度,提出处理措施.

　地　基

3.2.1

　水工建筑物地基的抗震设计,应综合考虑上部建筑物的型式,荷载,水力,运行条件,以及地基和岸坡的工程地质,水文地质条件.对于坝,闸等壅水建筑物的地基和岸坡,应要求在设计烈度的地震作用下不发生失稳破坏和渗透破坏,避免产生影响建筑物使用的有害变形.

3.2.2

　水工建筑物的地基和岸坡中的断裂,破碎带及层间错动等软弱结构面,特别是缓倾角夹泥层和可能发生泥化的岩层,应根据其产状,埋藏深度,边界条件,渗流情况,物理力学性质以及建筑物的设计烈度,论证其在设计烈度的地震作用下不致发生失隐和超过允许的变形,必要时应采取抗震措施.

3.2.3

　地基中液化土层的判别,可按《水利水电工程地质勘察规范》中的有关规定进行评价.

3.2.4

　地基中的可液化土层,可根据工程的类型和具体情况,选择采用以下抗震措施：

1　挖除可液化土层并用非液化土置换；

2　振冲加密,重夯击实等人工加密的方法；

3　填土压重；

4　桩体穿过可液化土层进入非液化土层的桩基；

5　混凝土连续墙或其它方法围封可液化地基.

3.2.5

　重要工程地基中的软弱粘土层,应进行专门的抗震试验研究和分析.一般情况下,地基中的软弱粘土层的评价可采用以下标准：

1　液性指数IL≥；

2　无侧限抗压强度qu≤50kPa；

3　标准贯入锤击数≤4；

4　灵敏度St≥4.

3.2.6

　地基中的软弱粘土层,可根据建筑物的类型和具体情况,选择采用以下抗震措施：

1　挖除或置换地基中的软弱粘土；

2　预压加固；

3　压重和砂井排水；

4　桩基或复合地基.

3.2.7

　水工建筑物地基和岸坡的防渗结构及其连接部位以及排水反滤结构等,应采取措施防止地震时产生危害性裂缝引起渗流量增大,或发生管涌,流土等险情.

3.2.8

　岩土性质,厚度等在水平方向变化很大的不均匀地基,应采取措施防止地震时产生较大的不均匀沉陷,滑移和集中渗漏,并采取提高上部建筑物适应地基不均匀沉陷能力的措施.

4　地震作用和抗震计算

　地震动分量及其组合

4.1.1

　一般情况下,水工建筑物可只考虑水平向地震作用.

4.1.2

　设计烈度为8,9度的1,2级下列水工建筑物：

土石坝,重力坝等壅水建筑物,长悬臂,大跨度或高耸的水工混凝土结构,应同时计入水平向和竖向地震作用.

4.1.3

　严重不对称,空腹等特殊型式的拱坝,以及设计烈度为8,9度的1,2级双曲拱坝,宜对其竖向地震作用效应作专门研究.

4.1.4

　一般情况下土石坝,混凝土重力坝,在抗震设计中可只计入顺河流方向的水平向地震作用.

两岸陡坡上的重力坝段,宜计入垂直河流方向的水平向地震作用.

4.1.5

　重要的土石坝,宜专门研究垂直河流方向的水平向地震作用.

4.1.6

　混凝土拱坝应同时考虑顺河流方向和垂直河流方向的水平向地震作用.

4.1.7

　闸墩,进水塔,闸顶机架和其它两个主轴方向刚度接近的水工混凝土结构,应考虑结构的两个主轴方向的水平向地震作用.

4.1.8

　当同时计算互相正交方向地震的作用效应时,总的地震作用效应可取各方向地震作用效应平方总和的方根值；当同时计算水平向和竖向地震作用效应时,总的地震作用效应也可将竖向地震作用效应乘以的遇合系数后与水平向地震作用效应直接相加.

　地震作用的类别

4.2.1

　一般情况下,水工建筑物抗震计算应考虑的地震作用为：

建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力,地震动土压力,水平向地震作用的动水压力.

4.2.2

　除面板堆石坝外,土石坝的地震动水压力可以不计.

4.2.3

　地震浪压力和地震对渗透压力,浮托力的影响可以不计.

4.2.4

　地震对淤沙压力的影响,一般可以不计,此时计算地震动水压力的建筑物前水深应包括淤沙深度；当高坝的淤沙厚度特别大时,地震对淤沙压力的影响应作专门研究.

　设计地震加速度和设计反应谱

4.3.1

　除按1.0.6规定的概率水准由专门的地震危险性分析确定水平向设计地震加速度代表值ah外,其余应根据设计烈度按表的规定取值.

表4.3.1　水平向设计地震加速度代表值ah

设计烈度

7

8

9

ah

0.1g

0.2g

0.4g

注：

g＝9.81m/s2

4.3.2

　竖向设计地震加速度的代表值av应取水平向设计地震加速度代表值的2/3.

4.3.3

　设计反应谱应根据场地类别和结构自振周期T按图4.3.3采用.

4.3.4

　各类水工建筑物的设计反应谱最大值的代表值βmax

应按表4.3.4的规定取值.

图4.3.3　设计反应谱

表4.3.4　设计反应谱最大值的代表值βmax

建筑物类型

重力坝

拱坝

水闸,进水塔及其他混凝土建筑物

βmax

4.3.5

　设计反应谱下限值的代表值βmin应不小于设计反应谱最大值的代表值的20%.

4.3.6

　不同类别场地的特征周期Tg应按表4.3.6的规定取值.

表4.3.6　特征周期Tg

场地类别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Tg（s）

4.3.7

　设计烈度不大于8度且基本自振周期大于的结构,特征周期宜延长.

　地震作用和其他作用的组合

4.4.1

　一般情况下,作抗震计算时的上游水位可采用正常蓄水位；多年调节水库经论证后可采用低于正常蓄水位的上游水位.

4.4.2

　土石坝的上游坝坡抗震稳定计算,应根据运用条件选用对坝坡抗震稳定最不利的常遇水位进行抗震计算.

4.4.3

　土石坝的上游坝坡抗震稳定计算,需要时,应将地震作用和常遇的水位降落幅值组合.

4.4.4

　重要的拱坝及水闸的抗震强度计算,宜补充地震作用和常遇低水位组合的验算.

　结构计算模式和计算方法

4.5.1

　各类水工建筑物抗震计算中,地震作用效应的计算模式应与相应设计规范规定的计算模式相同.

4.5.2

　除了窄河谷中的土石坝和横缝经过灌浆的重力坝外,重力坝,水闸,土石坝均可取单位宽度或单个坝（闸）段进行抗震计算.

4.5.3

　各类工程抗震设防类别的水工建筑物,除土石坝,水闸应分别按第5,8章规定外,地震作用效应计算方法应按表4.5.3的规定采用.其中工程抗震设防类别为乙,丙类的水工建筑物,其地震作用效应的计算方法,应按本规范各类水工建筑物章节中的有关条文规定采用.

4.5.4

　采用动力法计算地震作用效应时,应考虑结构和地基的动力相互作用,与水体接触的建筑物,还应考虑结构和水体的动力相互作用,但可不计库水可压缩性及地震动输入的不均匀性.

表4.5.3　地震作用效应的计算方法

工程抗震设防类别

地震作用效应的计算方法

甲

动力法

乙,丙

动力法或拟静力法

丁

拟静力法或着重采取抗震措施

4.5.5

　作为线弹性结构的混凝土建筑物,可采用振型分解反应谱法或振型分解时程分析法,此时,拱坝的阻尼比可在3%~5%范围内选取,重力坝的阻尼比可在5%~10%范围内选取,其他建筑物可取5%.

4.5.6

　采用振型分解反应谱法计算地震作用效应时,可由各阶振型的地震作用效应按平方和方根法组合.当两个振型的频率差的绝对值与其中一个较小的频率之比小于时,地震作用效应宜采用完全二次型方根法组合：

（4.5.6-1）

（4.5.6-2）

式中：

SE---地震作用效应；

Si,Sj---分别为第i阶,第j阶振型的地震作用效应；

m---计算采用的振型数；

ρij---第i阶和第j阶的振型相关系数；

ζi,ζj---分别为第i阶,第j阶振型的阻尼比；

γω