水庫誘發(fā)地震對(duì)混凝土壩的影響及抗震設(shè)防

張麗芬，廖武林，曾夏生，王秋良

（1．中國地震局地震研究所，武漢 430071；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，武漢 430081）

水庫誘發(fā)地震對(duì)混凝土壩的影響及抗震設(shè)防

張麗芬1，2，廖武林1，2，曾夏生3，王秋良1

（1．中國地震局地震研究所，武漢 430071；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，武漢 430081）

水庫誘發(fā)地震已成為影響大壩安全的重大環(huán)境問題，會(huì)給大壩造成不同程度的危害。以新豐江水庫地震和柯依納水庫地震對(duì)大壩的破壞為例，探討水庫地震對(duì)混凝土大壩的影響。對(duì)于混凝土壩通常壩頂最易遭到破壞，壩頂?shù)倪^壩公路及非結(jié)構(gòu)建筑，增加了破壞的可能性，因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮壩頂動(dòng)力放大效應(yīng)和壩體高階振型對(duì)壩頭應(yīng)力的影響。利用實(shí)測的地震加速度記錄，對(duì)大壩進(jìn)行抗震反應(yīng)分析，綜合大壩地震應(yīng)力分析來看，地震作用在壩踵處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而壩趾附近的剪應(yīng)力也較大。在剛度發(fā)生突變的位置及上下游壩面坡折部等易發(fā)生較大拉應(yīng)力處，均為壩體的抗震薄弱部位?；谒畮斓卣饘?duì)大壩的影響，做好抗震設(shè)防是保障大壩安全的一個(gè)重要因素。

水庫誘發(fā)地震；混凝土壩；動(dòng)力響應(yīng)分析；抗震設(shè)防

1 概 述

大壩是水利建設(shè)和能源建設(shè)的骨干工程，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位［1］。在水庫大壩給社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，因蓄水誘發(fā)的水庫地震也給人們帶來了災(zāi)難，它已成為影響庫、壩區(qū)及周圍地區(qū)公共安全的重要影響因素之一。

水庫誘發(fā)地震是指在庫壩區(qū)存在發(fā)震條件（區(qū)域活動(dòng)斷裂構(gòu)造，良好的導(dǎo)水滲水通道，發(fā)育的巖溶系統(tǒng)等）的前提下，因水庫蓄水而誘使壩區(qū)、庫盆或近岸范圍內(nèi)發(fā)生新的地震或使得原有地震活動(dòng)性明顯改變（加劇或減弱）的現(xiàn)象。

水庫誘發(fā)地震最早在1931年發(fā)現(xiàn)于希臘的馬拉松（Marathon）水庫，20世紀(jì)60年代以來，先后在中國廣東新豐江、贊比亞卡里巴（Kariba）、希臘科列馬斯塔（Kremasta）、印度柯依納（Koyna）等水庫誘發(fā)了6級(jí)以上的強(qiáng)烈地震，同時(shí)在美國丹佛地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了深井注水誘發(fā)地震的現(xiàn)象，使水庫誘發(fā)地震引起了科學(xué)界的高度關(guān)注。我國迄今已報(bào)道的水庫誘發(fā)震例近30例，其中得到公認(rèn)的有17例，是世界上水庫地震最多的國家之一［2］。從水庫誘發(fā)地震的強(qiáng)度來看，全球發(fā)生6．0級(jí)以上強(qiáng)烈地震的僅占3%， 5．9～4．5級(jí)中等強(qiáng)度的占27%，發(fā)生4．4～3．0級(jí)弱震和3．0級(jí)以下微震的占到70%（分別為32%和38%）。在我國這一比例相應(yīng)為4%、16%和80%。今天人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水庫誘發(fā)地震是關(guān)系到大壩安全的重大環(huán)境問題，因此在設(shè)計(jì)大壩時(shí)應(yīng)給予必要的考慮。

2 水庫誘發(fā)地震動(dòng)特點(diǎn)

發(fā)震震級(jí)6級(jí)左右，震中烈度達(dá)Ⅷ度的水庫地震震例共6例，均造成了較大震害。通過對(duì)這些震例的分析，可簡單歸納水庫誘發(fā)地震動(dòng)特點(diǎn)如下［3］：

（1）地震序列由前震、主震和余震組成，前震多，余震衰減慢（衰減系數(shù)0．9），強(qiáng)余震和主震震級(jí)比高達(dá)0．87。

（2）頻度 震級(jí)關(guān)系中的b值，前震為1．12，比余震1．04高，比構(gòu)造地震0．72要大1．4～1．5倍。

（3）地震卓越周期短（新豐江0．07 s，柯依納0．1 s）。

（4）誘發(fā)地震持續(xù)時(shí)間短，一般為同級(jí)構(gòu)造地震的1／3～1／4。水庫誘發(fā)地震垂直峰值與水平峰值加速度之比約為2∶3，構(gòu)造地震約為1∶2。

（5）大壩與巖基相互作用效應(yīng)明顯。

水庫誘發(fā)地震因震源較淺，一般不超過10 km，故較大震級(jí)的水庫地震可能會(huì)對(duì)大壩及相關(guān)附屬設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。

3 水庫誘發(fā)地震對(duì)混凝土壩的破壞

水庫蓄水后可能導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力的提前釋放、庫水壓入溶洞引起塌陷和區(qū)域荷載重新調(diào)整導(dǎo)致巖石滑移均可能誘發(fā)地震［4］。誘發(fā)地震對(duì)大壩可能構(gòu)成的危害有：①壩基在振動(dòng)過程中錯(cuò)斷、變形甚至失穩(wěn)，岸坡崩坍塌等；②水庫壩前松動(dòng)體發(fā)生滑動(dòng)，堵塞底孔，引起巨大涌浪，漫越壩頂，使壩體破壞失事；③地震荷載使壩體折斷、開裂、漏水或失穩(wěn)［5］。

3．1 水庫誘發(fā)地震對(duì)新豐江大壩的破壞

新豐江水庫位于廣東省新豐江下游的亞婆山峽谷，庫基由相對(duì)破碎的花崗巖組成。水庫于1959年10月蓄水，之后不久，這個(gè)以往地震極少的地區(qū)，地震活動(dòng)開始頻繁發(fā)生。從1960年5月開始，不斷有有感地震發(fā)生。1962年3月19日04時(shí)18分，在大壩東北1．1 km處發(fā)生6．1級(jí)地震，震源深度5 km，震中烈度Ⅷ度，這次地震成為我國截止目前最大的水庫地震，對(duì)新豐江大壩造成了廣泛的影響。

新豐江大壩壩型為混凝土單支墩式大頭壩，壩高105 m，共有19個(gè)支墩，支墩間距18 m，左右兩岸由重力壩與壩肩相連。壩頂全長440 m，壩底最大寬度107 m。壩體座落在裂隙風(fēng)化帶上，斷層及節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，對(duì)大壩抗震不利。原大壩區(qū)基本烈度為Ⅵ度，可以未考慮抗震設(shè)防。1960年7月18日大壩附近發(fā)生4．3級(jí)度地震后（烈度為Ⅵ度），政府果斷決策，按Ⅷ度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大壩進(jìn)行緊急加固。1962年3月19日6．1級(jí)地震發(fā)生前，加固工作基本完成，所以主震未造成潰壩，但也造成左右岸段發(fā)生裂隙滲水，壩段間接縫止水受損。大壩中部下游的發(fā)電廠局部破損［6］。此外，還造成大壩右側(cè)接近頂部108 m高程處產(chǎn)生長82 m的貫穿性水平裂縫。經(jīng)動(dòng)力學(xué)分析認(rèn)為［7，8］，主要是壩體結(jié)構(gòu)本身的原因，壩體上下剛度分布不夠均衡，上部剛度相對(duì)過小，反映在計(jì)算分析中，振型參與系數(shù)較大，使得壩頂最大加速度放大倍數(shù)即動(dòng)力系數(shù)很大，遂在壩體上部產(chǎn)生了很大的水平慣性力，致使在壩體上部產(chǎn)生了很大的地震拉應(yīng)力。左側(cè)同一高程有斷續(xù)水平裂縫，長13．5 m，出現(xiàn)輕微滲漏現(xiàn)象。

3．2 水庫誘發(fā)地震對(duì)Koyna大壩的影響

Koyna大壩位于印度半島地盾上，在1966年修訂的印度地震區(qū)劃圖上表明該區(qū)是無震的。該壩為一長約854 m的重力結(jié)構(gòu)壩，大壩用許多平均寬16 m的鋼筋混凝土石柱建成。1967年Koyna 6．4級(jí)水庫地震距大壩僅2．4 km［9］。地震發(fā)生后，盡管大壩未出現(xiàn)潰壩垮塌現(xiàn)象，但給大壩及附屬工程造成了嚴(yán)重破壞［10］。在壩頂處，高17m、寬10 m的吊機(jī)塔遭受了嚴(yán)重破壞。預(yù)制水泥鑲板和鋼筋混凝土柱的主構(gòu)架有許多地方破裂。橫過壩頂上游一側(cè)與石柱的封縫之間垂直孔上覆蓋的松動(dòng)花磚被拋到下游一側(cè)。該運(yùn)動(dòng)的影響破壞程度從壩端向壩中心前進(jìn)而增大。26＃和27＃石柱之間的收縮縫頂部變窄而底部變寬?？缍?5 m的溢洪道橋遭受大量破壞。其他石柱也出現(xiàn)不同程度的水平和縱向裂縫。大壩下游一側(cè)許多石柱上看到了嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象（圖1）。

圖1 Koyna大壩震害立視圖Fig．1 Elevation view of earthquake damage in Koyna Dam

由此可以看出，對(duì)于混凝土壩通常壩頂最易遭到破壞，這是因大壩震動(dòng)引起加速度放大造成的。壩頂?shù)倪^壩公路及非結(jié)構(gòu)建筑，增加了破壞的可能性［9］。對(duì)支墩壩，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性使支墩有足夠的側(cè)向剛度。為此，壩體下游面宜聯(lián)結(jié)成整體，各支墩壩段的頭部要有足夠的接觸面；重力壩和支墩壩的上部是抗震薄弱部位，要適當(dāng)提高這部分混凝土的等級(jí)；壩體體形應(yīng)簡單，避免突度；宜減輕壩體上部重量，盡可能增大剛度；需要考慮壩頂動(dòng)力放大效應(yīng)和壩體高階振型對(duì)壩頭應(yīng)力的影響［11］。

4 混凝土壩對(duì)水庫誘發(fā)地震的動(dòng)力響應(yīng)分析

4．1 混凝土壩的地震動(dòng)力響應(yīng)

地震時(shí)大壩的反應(yīng)是一種瞬時(shí)性的動(dòng)力振動(dòng)現(xiàn)象［7］，目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所提到的計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的方法主要有3種：擬靜力法、反應(yīng)譜法及時(shí)程動(dòng)力分析法。

擬靜力法是將結(jié)構(gòu)的重力作用、設(shè)計(jì)地震加速度與重力加速度的比值、給定的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)三者乘積作為設(shè)計(jì)地震力的靜力分析方法。在傳統(tǒng)應(yīng)用于大壩抗震設(shè)計(jì)的擬靜力極限平衡分析方法中，將地震慣性力以一等效的擬靜體積力施加在整個(gè)壩體上，采用極限平衡方法計(jì)算安全系數(shù)。大壩震害調(diào)查表明，擬靜力分析方法并不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)大壩的抗震安全性［11］。

振型分解反應(yīng)譜法及底部剪力法都是動(dòng)力法中的反應(yīng)譜法，即按標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜、考慮地震時(shí)的地面加速度a0（t）所引起的結(jié)構(gòu)自身的加速度動(dòng)力反應(yīng)，并以作用在結(jié)構(gòu)上的地震慣性力來表示，把動(dòng)力問題轉(zhuǎn)化為靜力問題處理。時(shí)程動(dòng)力分析法是將表示地面加速度的地震波a0（t）直接輸入結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程，求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的位移x（t）。目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范未對(duì)時(shí)程動(dòng)力分析法所得結(jié)果的處理以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)做詳細(xì)規(guī)定。

作為少數(shù)幾個(gè)在強(qiáng)震中破壞且有比較完整記錄的重力壩之一，Koyna壩一直是大壩抗震分析中的經(jīng)典研究對(duì)象。壩基尺寸長為103 m，寬70．2 m，6．4級(jí)地震發(fā)生時(shí)，水庫水位為91．75 m。地震時(shí)實(shí)測地面最大加速度，壩軸向0．63 g，順河向0．49 g，豎向0．34 g［9］。

考慮動(dòng)力作用下應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料非線性行為的影響，對(duì)Koyna混凝土重力壩在豎向地震動(dòng)作用下的非線性行為進(jìn)了動(dòng)力學(xué)分析。利用實(shí)測的地震加速度時(shí)程記錄（圖2），對(duì)大壩進(jìn)行了抗震反應(yīng)計(jì)算，從而得到了重力壩的豎向地震動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律。

由圖3（b），（c）可以看出，大壩的豎向動(dòng)應(yīng)力在靠近壩體上、下游表面的動(dòng)應(yīng)力較大，而在壩身內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力較小；上游壩面附近區(qū)域的豎向動(dòng)應(yīng)力大于下游面附近區(qū)域的應(yīng)力。應(yīng)用彈塑性損傷力學(xué)模型計(jì)算出的Koyna大壩在6．4級(jí)水庫地震波作用下?lián)p傷的發(fā)展情況，大壩的受拉損傷分布云圖（圖3（d））表明，大壩受拉破壞主要集中在629m高程處的下游坡折面、上游表面以及壩踵處，這與應(yīng)力分析結(jié)果基本吻合［12］。而實(shí)際地震造成的許多壩體水平裂縫，也主要集中于629 m高程的坡面改變處。裂縫集中在下游壩坡發(fā)生變化的高程，呈水平分布。部分壩段上下游均發(fā)現(xiàn)裂縫，計(jì)算與實(shí)際發(fā)震情況基本一致。

圖2 Koyna地震時(shí)程響應(yīng)Fig．2 Tim e history response analysis for Koyna Dam

大量的大壩抗震實(shí)例分析表明，采用加速度時(shí)程分析法得到的結(jié)果跟重力壩的模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，時(shí)程分析方法能夠更加真實(shí)地反映重力壩的地震響應(yīng)。本文得到的規(guī)律可以作為該重力壩的抗震分析的依據(jù)，對(duì)其它類似重力壩的地震反應(yīng)分析也有一定的實(shí)際意義。

4．2 基于應(yīng)力分析的大壩震害防治

綜合大壩地震應(yīng)力分析來看，在剛度發(fā)生突變的位置，如壩基面，以及上下游壩面坡折部等體形易發(fā)生較大拉應(yīng)力處，均為壩體的抗震薄弱部位［13］。

圖3 Koyna大壩地震豎向正應(yīng)力及受拉損傷分布Fig．3 Distribution graph of seism ic vertical stress and tensile damage of Koyna Dam

地震動(dòng)力分析表明，地震作用在壩踵處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而壩趾附近的剪應(yīng)力也較大?；炷辆哂袑用婵估瓘?qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，這使得在地震作用下，壩踵和壩趾處的抗拉和抗剪狀況惡化。因此，為保障壩體安全，在混凝土重力壩壩體底部設(shè)置一層常態(tài)混凝土是一種有效的方法。在壩體上游壩面坡折點(diǎn)附近，出現(xiàn)了范圍不大的應(yīng)力集中。因此，在其附近，靠近上游壩面10～20 m范圍內(nèi)，采用高膠凝材料，提高層面抗拉強(qiáng)度，對(duì)抗震是有利的。

壩體頂部是豎向地震動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)的部位，下游壩面坡折處是剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的部位，即在地震力作用下，壩頂部位的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都是較大的，而碾壓混凝土的抗拉和抗剪強(qiáng)度均較低，因此，采用常態(tài)混凝土對(duì)壩體抗震是十分有益的［14］。

5 水庫誘發(fā)地震的大壩抗震設(shè)防

5．1 建立水庫地震震例數(shù)據(jù)庫，為設(shè)計(jì)烈度的選定提供資料

隨著水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，水庫地震的危險(xiǎn)性也相應(yīng)提高，做好抗震設(shè)防勢在必行。目前，主要是利用統(tǒng)計(jì)回歸方法，建立水庫地震震級(jí) 烈度關(guān)系，初步選定場地基本烈度。因此，建立相應(yīng)的震例數(shù)據(jù)庫，歸納整理已發(fā)水庫地震震級(jí)與震中烈度的相關(guān)資料，探尋有效的水庫地震預(yù)測方法，對(duì)抗震設(shè)防烈度的選定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍P者建立了基于ACCESS平臺(tái)的水庫震例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫共收集國內(nèi)外水庫震例134例，建立元參數(shù)21個(gè)。依據(jù)震例信息進(jìn)行了系統(tǒng)歸類，包括水庫基礎(chǔ)地理信息、水位庫容信息、地質(zhì)環(huán)境信息（包括庫區(qū)斷裂、構(gòu)造應(yīng)力場、水文地質(zhì)條件、庫區(qū)巖性等）、地震活動(dòng)信息（水庫蓄水時(shí)間、地震三要素、震中烈度、對(duì)大壩的影響破壞等）等幾個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了資料的數(shù)字化，并建立了相應(yīng)的屬性及圖形數(shù)據(jù)庫。通過創(chuàng)建表、窗體、查詢，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的添加、修改、刪除、查詢等功能。在查詢的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的智能統(tǒng)計(jì)計(jì)算以及繪圖等功能，方便快捷。

5．2 選取合適的反應(yīng)分析方法，做好抗震設(shè)計(jì)

水工建筑物抗震設(shè)計(jì)分析方法，對(duì)于構(gòu)造地震已有規(guī)范可循，程心?。?］對(duì)水庫誘發(fā)地震反應(yīng)分析方法提出了一些建議。針對(duì)壩高大于100 m、庫容大于10億m3的高壩大庫，預(yù)測震級(jí)在5級(jí)以上，震中烈度達(dá)VII度及以上的，比較適合選用動(dòng)力分析法。而對(duì)于壩高大于70 m、庫容介于1億m3和10億m3之間的水庫大壩，預(yù)測震中烈度在VII度以下的，可以用動(dòng)力分析法或擬靜力分析。而壩高小于70 m、庫容小于1億m3的，預(yù)測震中烈度為Ⅶ度或以下者，可用擬靜力法進(jìn)行分析。

采用擬靜力法分析時(shí)，可按抗震規(guī)范取值。采用動(dòng)力分析法時(shí)，最好采用水庫誘發(fā)地震的強(qiáng)震加速度記錄或其反應(yīng)譜，然后根據(jù)所設(shè)計(jì)的水庫地震預(yù)測震級(jí)進(jìn)行幅值修正，并考慮到記錄資料一般在壩基處獲得，因此，可近似認(rèn)為已包含了大壩與巖基的相互作用效應(yīng)。

5．3 加強(qiáng)水庫地震監(jiān)測，確保大壩安全

由于實(shí)際地震提供的資料是對(duì)大壩抗震性能最好的測試，所以，眾多大壩都已布設(shè)了水庫地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)以及設(shè)置了適當(dāng)?shù)膹?qiáng)震儀器，以便獲得更多的定量數(shù)據(jù)資料，來驗(yàn)證抗震安全性能的評(píng)價(jià)步驟和方法。在前期勘測階段或開始施工階段就應(yīng)進(jìn)行地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)建設(shè)，積累地震本底資料，以便對(duì)比水庫蓄水前后地震活動(dòng)的變化情況。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，設(shè)立了地震臺(tái)站的大型水庫工程已經(jīng)超過40座，設(shè)立了比較先進(jìn)的遙測地震臺(tái)網(wǎng)的目前已有11個(gè)。大壩地震監(jiān)測是及時(shí)獲取實(shí)際地震資料進(jìn)而進(jìn)行大壩安全評(píng)估、采取相應(yīng)對(duì)策的重要基礎(chǔ)。因此，我國現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定對(duì)于大中型工程應(yīng)進(jìn)行地震監(jiān)測設(shè)計(jì)，布置監(jiān)測臺(tái)陣。我國很多大中型水庫都布置了地震監(jiān)測臺(tái)陣，如三峽、龍羊峽、二灘等。這些地震監(jiān)測設(shè)備目前都獲得了有價(jià)值的監(jiān)測資料，為大壩的安全運(yùn)行以及提高今后大壩的抗震設(shè)計(jì)水平發(fā)揮了重要作用。

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（編輯：曾小漢）

Im pact of Reservoir Induced Seism icity on Concrete Dam s and Earthquake Fortification

ZHANG Li fen1，2，LIAOWu lin1，2，ZENG Xia sheng3，WANG Qiu liang1
（1．Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China；2．Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China；3．Investigating and Foundation Engineering Co．Ltd in Middle South，Wuhan 430081，China）

Reservoir induced seismicity has been the importantenvironmental problem affecting a dam safety，which can generate some extent damage to a dam．In this paper，taking the Xinfengjiang Reservoir induced seismicity and Koyna Reservoir induced seismicity for examples，we discussed the impacts of reservoir induced seismicity on the concrete dams．It can be seen that，for this kind of dams，the dam crest is the prone to damage position，addition ally，the roads and the non structural constructions on the crest increase the possibility of damage．Therefore，when one does the seismic design，the dynamic interaction and the effects of the higher order vibration modes on the stress of the dam crest should be taken into consideration．On the basis of observed seismic acceleration records，the seismic dynamic response analysiswas done．It shows that the dam heel and toe are the areas of high tensile stress，and it is critical in the stress analysis of concrete dams，and that the stiffnessmutation position and the breakthroughs of slope on the upstream face and downstream face are theweak regions of earthquake resistantbuild ing．In summary，considering the various impacts of reservoir induced seismicity on dams，a good earthquake forti fication is the key factor ensuring the dam safety．

reservoir induced seismicity；concrete dam；dynamic response analysis；earthquake fortification

P315．1

A

1001－5485（2010）05－0071－05

2010 03 02；

2010 03 29

國家自然基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目（40730317）；中國地震局地震研究所所長基金（IS200956052）

張麗芬（1981 ），女，山東泰安人，助理研究員，現(xiàn)從事水庫誘發(fā)地震研究工作，（電話）027 87166247（電子信箱）zhanglf112＠163．com。