В пока еще действующих российских нормах 1981 г. (СНиП II-7-81*) [9, 10] основным расчетом, оценивающим сейсмостойкость сооружений, является расчет по линейно-спектральной теории (ЛСТ). Между тем Международная комиссия по большим плотинам (ICOLD) рекомендует для ответственных сооружений и для интенсивных землетрясений, когда превышается предел упругой работы, выполнять полномасштабный нелинейный динамический анализ по динамической теории (ДТ) на два уровня землетрясений [7, 8].

В марте 2003 г. в России утверждены новые нормы (СНиП 33-03 "Гидротехнические сооружения в сейсмических районах" [13]), регламентирующие строительство гидросооружений в сейсмических районах, которые соответствуют рекомендациям ICOLD [7, 8].

Одна из главных особенностей этого документа заключается в том, что вводятся два уровня сейсмических воздействий. Нижний уровень - это "проектное землетрясение" (ПЗ ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости всех сооружений, расположенных на данной строительной площадке. ПЗ с достаточной вероятностью может произойти в течение срока службы сооружения; сооружение должны быть в состоянии перенести такое землетрясение без существенных повреждений, не нарушающих нормальную эксплуатацию всего сооружения. Верхний уровень - это "максимальное возможное землетрясение" (МВЗ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости наиболее ответственных сооружений из числа расположенных на данной строительной площадке. Вероятность МВЗ мала: при таком землетрясении сооружение может получить большой ущерб и утратить ряд своих функций, но оно не должно полностью разрушиться (для плотин не допускается прорыв напорного фронта).

Группы гидросооружений по их сейсмостойкости

В первую очередь проектируемое гидросооружение с учетом его вида и уровня ответственности, определяемого классом этого сооружения, должно быть отнесено к 1-ой или 2-ой группе по степени обеспечения его сейсмостойкости. К 1-ой группе относятся плотины I и II классов, ко 2-ой группе - все остальные сооружения.

Смысл разделения гидросооружений на группы по их сейсмостойкости прежде всего состоит в том, что сооружения 1-ой группы рассчитываются на два уровня сейсмических воздействий (ПЗ и МВЗ), а сооружения 2-ой группы рассчитываются только на ПЗ.

Назначение периода повторяемости расчетного землетрясения

Нормы устанавливают, что минимальное значение периода повторяемости проектного землетрясения Т^ПЗ_ПОВ определяется величиной 100 лет, а максимальное значение периода повторяемости максимального возможного землетрясения Т^МВЗ_ПОВ величиной 10000 лет.д.опускается по усмотрению Заказчика принимать значение Т^ПЗ_ПОВ=100-500 лет для всех сооружений, а при специальном обосновании принимать Т^МВЗ_ПОВ=5000-10000 лет.

Определение параметров расчетного землетрясения

Сооружения 1-ой группы

Для сооружений 1-ой группы нормы предусматривают выполнение сейсмологических исследований, в результате которых в районе сооружения должны быть установлены расположение основных зон возможных землетрясений и характеристики этих землетрясений, включая параметры сейсмических воздействий и направление подхода к сооружению сейсмических волн из расположенных в указанных зонах очагов землетрясений. На основе этих исследований для площадки строительства определяется параметр, отражающий в расчетах интенсивность сейсмического воздействия, - величина расчетного ускорения основания сооружения при землетрясениях с принятыми периодами их повторяемости (Т^ПЗ_ПОВ и Т^МВЗ_ПОВ). Для указанной группы сооружений в качестве такой величины принимаются (с обеспеченностью не менее 50%) максимальные пиковые ускорения основания при проектном землетрясении а_П^ПЗ и при максимальном расчетном землетрясении а_П^МВЗ.

Данные величины являются главными параметрами расчетных акселерограмм (РА), моделирующих расчетные сейсмические воздействия. В качестве РА используются аналоговые акселерограммы из числа записей, сделанных непосредственно на площадке строительства или в районах, сходных с районом строительства по тектоническим, геологическим и другим условиям. Применяются также синтезированные акселерограммы, полученные с учетом таких параметров, как общая длительность сейсмических колебаний, преобладающий период колебаний с максимальным пиковым ускорением, длительность фазы сейсмических колебаний с амплитудными значениями ускорения, составляющими 0,3 или 0,5 максимального пикового значения и преобладающие периоды колебаний точек на поверхности. При синтезе РА учитываются данные о скоростных, частотных и резонансных характеристиках грунтов в основании. Используется также методика синтезирования РА, в которой заданным является спектр реакции, представляющий собой огибающую спектров реакций аналоговых акселерограмм. При необходимости аналоговые и синтезированные акселерограммы масштабируются по величинам а_П^ПЗ и а_П^МВЗ.

Важным элементом построения РА является ограничение снизу величин максимальных пиковых ускорений основания а_П^ПЗ и а_П^МВЗ. Для этой цели в качестве первой основы используются данные сейсмического районирования территории страны.

В настоящее время в России для оценки сейсмической активности местности принята 12-балльная сейсмическая шкала МSК-64 (фактически - аналог шкалы Меркалли, модифицированной ММ). В этих единицах сейсмичность территории определяется по картам Общего сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97). На этих картах (А, В, С) указана нормативная сейсмичность I ^НОР, т.е. интенсивность землетрясения, имеющего на данной территории нормативное значение повторяемости Т^НОР_ПОВ.

В связи с повышенной ответственностью сооружений 1-ой группы сейсмостойкости для этих объектов предусматривают дополнительное уточнение нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР).

Принято, что площадки с нормативной (исходной) сейсмичностью I ^НОР (при средних по сейсмическим свойствам грунтах), равной 7, 8 и 9 баллам, имеют величины расчетного ускорения основания (в долях g) 0,10; 0,20 и 0,40 соответственно.

Грунтовые условия на строительстве оцениваются через категории грунтов по их сейсмическим свойствам. Таких основных категорий грунтов принято три.

К I категории относятся большинство скальных грунтов (скорость распространения поперечных волн V_S >700 м/с), за исключением сильновыветрелых и разрушенных. К II категории относятся грунты с V_S=250-700 м/с: полускальные грунты (с сопротивлением на одноосное сжатие R_C <5 МПа), крупнообломочные, песчано-гравелистые и песчаные грунты, плотные и влажные, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L <0,5. К III категории относятся грунты с V_S < 250 м/с: рыхлые и водонасыщенные пески, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L > 0,5. В случаях, когда основание площадки сложено грунтами, занимающими промежуточное положение между грунтами I и II или II и III категорий (например, слоистыми грунтами), дополнительно к категориям грунта вводятся, соответственно, категории I-II и II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки I ^РАС при грунтах I-II категории принимается как при грунтах II категории, а при грунтах II-III - как при грунтах III категории.

В нормах допускается при соответствующем обосновании снижать на 1 балл расчетную сейсмичность I ^РАС на период нахождения водохранилище в опорожненном состоянии.

Нижние границы для максимальных пиковых ускорений основания а_П^ПЗ и а_П^МВЗ на площадке строительства определяются по формулам:

а_П^ПЗ = k _А ^ПЗ g A_{500 (}2-1)

а_П^МВЗ = k _А ^МВЗ g A_{5000 (}2-2)

где A ₅₀₀ и A _{5000 -} расчетные амплитуды ускорения основания (в долях g, м/с²), определенные для землетрясений с нормативными периодами повторяемости T ⁵⁰⁰ _ПОВ и T ⁵⁰⁰⁰ _ПОВ соответственно с учетом отличия реальных грунтовых условий на площадке от средних грунтовых условий; значения A ₅₀₀ и A _{5000 (}а также значения I ^РАС) даны в таблице 2.1; k _А ^ПЗи k _А ^{МВЗ -} коэффициенты, учитывающие вероятность данного землетрясения за расчетный срок службы T _СЛ, а также переход от нормативного периода повторяемости в 500 лет T ⁵⁰⁰ _ПОВ к принятому периоду повторяемости Т^ПЗ_ПОВ и от нормативного периода повторяемости в 5000 лет T ⁵⁰⁰⁰ _ПОВ к принятому Т^МВЗ_ПОВ; значения k _А ^ПЗи k _А ^МВЗ принимаются по таблице 2.1

Таблица 2.1 Значения величин A ₅₀₀ и A _{5000 (}в долях g)

Примечание: I ^НОР имеет значения I ^НОР ₅₀₀ или I ^НОР _5000,I ^РАС соответственно I ^РАС ₅₀₀ или I ^РАС _5000. В таблице 2.1 используется расчетная сейсмичность площадки I ^РАС, которая устанавливается на основе значения нормативной сейсмичности I ^НОР с учетом местных грунтовых условий, рельефа поверхности и других особенностей площадки. Для сооружений 1-ой группы величина I ^РАС определяется с использованием уточненного (в результате проведения исследований ДСР) значения нормативной сейсмичности I ^НОР площадки. Влияние грунтовых и других местных условий оценивается обязательно методами СМР.

Таблица 2.2 Значения коэффициентов k _А ^ПЗ и k _А ^МВЗ