水利水電工程震害分析及抗震措施建議

雷紅富 蘇 立

（中國長江三峽集團公司，成都 610042）

水利水電工程震害分析及抗震措施建議

雷紅富 蘇 立

（中國長江三峽集團公司，成都 610042）

通過對汶川地震、通海地震、唐山地震和瀾滄-耿馬地震中水利工程破壞情況的統(tǒng)計分析，本文以統(tǒng)計表的形式直觀地反映了水利工程震害的特點及破壞形式。根據(jù)水利工程的震害特點，探討分析了水利工程震害的主要影響因素，結(jié)果表明地震烈度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、地基及場地條件是水利工程震害的主要影響因素?；谒こ陶鸷Φ奶攸c及主要影響因素，探討了水利工程的抗震措施，并對今后的抗震工作提出了一些建議。

地震 水利工程 震害分析 抗震措施

引言

據(jù)統(tǒng)計，我國己建成各類水庫8.4萬多座，其中小型水庫總數(shù)為8.1萬座，其余3000多座為大中型水庫。水利工程遍布全國各地，成為我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的重要保障。然而，我國地處世界上兩個最大地震集中發(fā)生地帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震區(qū)域廣闊而分散，地震頻繁而強烈。據(jù)蘇克忠等（1996）記述，14世紀以來，我國在近700年間，發(fā)生7級以上的大地震136次，對擋水和輸水建筑物，包括大壩、堤防、水閘等設(shè)施造成嚴重破壞。1920年寧夏海原地震（8.5級），死亡20多萬人，傷者不計其數(shù)；1976年河北唐山地震（7.8級），死亡24萬多人，強震區(qū)的房屋、工業(yè)廠房與設(shè)備、城市建設(shè)、交通運輸、水電設(shè)施等受到極其嚴重的破壞，鄰近的水利水電工程震害嚴重；2008年汶川地震（8.0級）同樣給水利水電造成嚴重的震害。地震中水利工程的震害極為普遍，本文針對20世紀以來發(fā)生的部分典型的地震對水利工程震害的情況進行了統(tǒng)計分析，探討了水利工程震害的主要影響因素及一些抗震措施和建議。

1 水利水電工程震害統(tǒng)計及分析

1.1 汶川8.0級地震水利工程震害分析

2008年5月12日14時28分，我國發(fā)生了自建國以來震級最大的一次里氏8.0級特大地震，震中位于四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)，震源深度 12km，震中烈度Ⅺ度，直接嚴重受災地區(qū)達10萬km2。四川省水庫眾多，據(jù)年鑒統(tǒng)計資料，四川已建成各類水庫6678座，其大中型水庫110座、小型水庫6568座。受汶川大地震影響，許多水庫出現(xiàn)震損，根據(jù)部、省、市、縣、鄉(xiāng)五級聯(lián)合排查的結(jié)果（王華，2008），到6月12日，全省出險水庫1996座，出險率達30%。其中，大中型水庫震損69座（高危險情水庫15座），占全省大中型水庫總數(shù)的13.6%；一般險情水庫54座，占全省大中型水庫總數(shù)的49.1%。小型水庫震損1927座（高危險情水庫 364座），占全省小型水庫總數(shù)的5.5%；一般險情水庫1563座，占全省小型水庫總數(shù)的23.8%。水庫震損詳細情況如表1所示。

在全省1996座出險水庫中，綿陽、德陽、廣元等6個重災區(qū)出險水庫1401座，占全省出險水庫總數(shù)的70.2%。6個重災區(qū)高危險情以上水庫361座，占全省高危險情水庫的95.2%；全省6568座小型水庫中因地震出險1927座，占全省出險水庫總數(shù)的96.5%。在379座高危險情以上水庫中，小型水庫364座，占全省高危險情水庫總數(shù)的96.0%。統(tǒng)計情況如表2所示。

表1 汶川地震中水庫震害情況統(tǒng)計表Table 1 Statistics of seismic damage to reservoirs after Wenchuan earthquake

表2 重災區(qū)和小型水庫震害情況統(tǒng)計表Table 2 Statistics of seismic damage to reservoirs in most affected area

1996座水庫險情主要表現(xiàn)為：裂縫、滲漏、壩坡滑塌、啟閉設(shè)備變形等，有的水庫多種險情并存。水庫險情中表現(xiàn)為大壩裂縫的1425座、大壩塌陷的687座、滑坡的354座、滲漏的428座、啟閉設(shè)施損壞的161座、其它（如放水設(shè)施、溢洪道、管理房不同程度震損）的422座，統(tǒng)計情況如表3所示。

表3 汶川地震中水庫震害類型表Table 3 Types of seismic damage to reservoirs in Wenchuan earthquake

從表3可以看出，大壩出現(xiàn)裂縫占大多數(shù)，其次為塌陷損壞，次之為滲漏和滑坡險情。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，50%以上的水庫多種險情并存。

1.2 云南通海7.7級地震水利工程震害分析

1970年1月5日1時0分37秒，云南省玉溪市通?？h發(fā)生里氏7.7級地震。震中位于東經(jīng)102.35°、北緯24.06°，在通?？h高大鄉(xiāng)五里村，震中烈度Ⅹ度，震源深度約13km，主震后發(fā)生5—5.9級余震12次，引起嚴重滑坡、山崩等破壞，水利工程受損嚴重。通過對不同烈度區(qū)水庫的震損情況進行調(diào)查（趙建名等，2000），其震損情況如表4所示。

表4 通海地震不同烈度區(qū)水庫震害情況表Table 4 Statistics of seismic damage to soil dams under different seismic intensities in Tonghai earthquake

在烈度Ⅵ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫2座，出險率為0；在烈度Ⅶ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫27座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的33.3%，一般險情水庫占29.6%；在烈度Ⅷ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫16座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的56.3%，一般險情水庫占25.0%；在烈度Ⅸ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫8座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的56.3%，一般險情水庫占25.0%；在烈度Ⅹ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫6座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的66.7%，一般險情水庫占33.3%。

表5是云南通海地震時各類地基上土壩破壞程度的統(tǒng)計情況。在烈度Ⅶ度區(qū)內(nèi)，巖石地基水庫出險率為57.1%；一般非巖石地基水庫出險率為66.7%；軟地基水庫出險率為66.7%。在烈度Ⅷ度區(qū)內(nèi)，巖石地基水庫出險率為 66.7%；一般非巖石地基水庫出險率為 88.9%；軟地基水庫出險率為100%。

表5 通海地震各類地基上土壩震害情況統(tǒng)計表Table 5 Statistics of seismic damage to soil dams on different foundation types in Tonghai earthquake

1.3 唐山7.8級地震水利工程震害分析

1976年7月28日3點42分56秒在唐山發(fā)生了7.8級地震，震中位于唐山開平區(qū)越河鄉(xiāng)，東經(jīng)118.2°、北緯39.6°，震中烈度達Ⅺ度，震源深度12km（孫立群，1987）。各類水利工程遭到嚴重破壞，地震區(qū)58座庫容在100萬m3以上各型水庫，除15座無明顯震害外，其余43座均遭受不同程度的震害；180多座大中型水閘、40余座10 m3/s以上大型排灌站遭受不同程度的震害。其中唐山市陡河水庫，大壩下沉約1m，出現(xiàn)50余道橫向裂縫，有的達1m寬、10m多長；撫寧縣洋河水庫，迎水面的石砌護坡多處滑動隆起，發(fā)電洞口護坡被震裂滑動；玉田縣3座大型、2座中型和240座小型水庫震壞，大壩滑塌開裂，防浪墻倒塌；北京市密云水庫白河主壩水面以下6萬m2的塊石坡和砂礫保護層滑落（高建國，2003）。不同烈度區(qū)水庫的震損情況如表6所示

表6 唐山地震不同烈度區(qū)水庫震害情況統(tǒng)計表Table 6 Statistics of seismic damage to reservoirs under different seismic intensities in Tangshan earthquake

在烈度Ⅵ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫 126座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的 8.7%，一般險情水庫占58.7%；在烈度Ⅶ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫254座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的39.0%，一般險情水庫占50.4%；在烈度Ⅷ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫18座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的55.6%，一般險情水庫占38.9%；在烈度Ⅸ度區(qū)內(nèi)，調(diào)查水庫1座，高危險情水庫占調(diào)查數(shù)的100%。

1.4 云南瀾滄-耿馬地震水利工程震害分析

1988年11月6日，在云南省西北邊境的瀾滄、耿馬縣境內(nèi)，只間隔13分鐘，就相繼發(fā)生了7.6級和7.2級2次強烈地震，震源深度分別為13km和8km，震中烈度均為Ⅸ度。11月30日，又發(fā)生了6.7級的強余震。這次地震的震級高、震源淺、強余震多。由于多次強震的疊加作用，致使震區(qū)房屋大量倒塌，工程設(shè)施嚴重破壞。

據(jù)王錫財?shù)龋?993）統(tǒng)計，在這次地震烈度Ⅵ—Ⅸ度區(qū)內(nèi)，有 65座中小型水庫受到不同程度的破壞，其中瀾滄27座、耿馬9座、雙江16座、滄源13座。不同烈度區(qū)水庫震害情況如表7所示。

表7 不同烈度區(qū)水庫震害情況統(tǒng)計表Table 7 Statistics of seismic damage to reservoirs under different seismic intensities

從表7可以看出，烈度同震害指數(shù)的規(guī)律是明顯的，即烈度愈高，破壞愈重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在烈度Ⅷ度區(qū)的耿馬弄巴水庫，壩體由1座主壩、2座副壩組成，為均質(zhì)土壩，地震時遭到了中等破壞，主副壩共出現(xiàn)縱向裂縫26條，開裂17條，壩內(nèi)坡有1條縱縫，高出水面0.8m，土體向內(nèi)滑動。在瀾滄縣城北面相距僅2km的佛房河水庫和自來水水庫，在烈度Ⅶ度時的震害差異如表8所示。

表8 相同烈度區(qū)內(nèi)2個水庫震害情況統(tǒng)計表Table 8 Statistics of seismic damage to two reservoirs under the same seismic intensity

從表8可以看出，在相同烈度區(qū)內(nèi)震害程度也存在很大的差異，其原因與結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、場地條件有關(guān)。佛房河水庫的海拔高度比自來水水庫低 50m，兩壩肩橫向開裂 11條，縱縫3條，最大縫寬5cm，壩頂呈鞍形沉陷，壩中最大下沉43cm，背水坡有滑移現(xiàn)象，涵洞漏水。而自來水水庫土壩建造年代較晚，質(zhì)量較好，所以無明顯震害。

2 水利工程震害的主要影響因素分析

通過對汶川、通海、唐山、瀾滄-耿馬地震中水利工程震害的統(tǒng)計分析可以看出，水利工程震害的主要影響因素可歸納為以下4個方面。

2.1 地震烈度的影響

汶川地震中，6個重災區(qū)中出險水庫占全省出險水庫的 70.2%；高危水庫占全省高危水庫的95.2%。通海地震、唐山地震、瀾滄-耿馬地震中，隨著地震烈度的增大，水利工程的震害率、破壞程度等也隨之增大，烈度Ⅸ度和Ⅸ度以上區(qū)域的這種趨勢尤為明顯。從汶川地震重災區(qū)水利工程震害情況及通海地震、唐山地震、瀾滄-耿馬地震不同烈度區(qū)的震害率統(tǒng)計表可以看出，地震烈度對水利工程的震害影響非常明顯。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在建造時沒有考慮或很少考慮抗震問題，以至于沒有采取必要的抗震結(jié)構(gòu)和工程措施的水利工程產(chǎn)生的震害是比較嚴重的。筑壩材料和壩型等都直接影響到水利工程的抗震性能。汶川地震中，小型水庫出險1927座，占全省出險水庫的96.5%。在379座高危險情以上水庫中，有小型水庫364座，占96%。這些小型水庫大多修建于20世紀50年代或60年代，受資金和條件的限制，很多都是“三邊”工程（王華，2008），絕大多數(shù)工程沒有專門的抗震設(shè)計，并且出現(xiàn)險情及高危險情的大多數(shù)為土壩?？梢娝そㄖ锝Y(jié)構(gòu)設(shè)計也是水利工程震害的主要影響因素之一。

2.3 施工質(zhì)量的影響

在地震作用下土壩出現(xiàn)的震害與壩的填筑質(zhì)量有密切關(guān)系，即使筑壩材料和壩型比較好，也只有保證施工填筑質(zhì)量才能充分發(fā)揮其抗震性能。在通海地震中臺家山、牛白甸等水庫的土壩填筑質(zhì)量比較差，致使在地震中出現(xiàn)了破壞或嚴重破壞（趙建名等，2000）。還有不少壩在施工過程中采用分期建造的方式，在施工結(jié)合處往往由于處理不當，形成薄弱層面，致使壩的整體性降低，震害加重，如通海地震中回龍和臺家山水庫土壩就是這樣。在瀾滄-耿馬地震中，同一烈度區(qū)的佛房河水庫和自來水水庫的震損情況就差別很大，由于兩座大壩建設(shè)年代的不同和施工水平的不同，因而導致震害的情況也不同。在汶川地震中病險水庫震后險情嚴重，現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)（李茂華，2008），震損水庫大多數(shù)在震前就屬于病險水庫，震前老化失修，震后危情突出，普遍存在壩基處理和壩體填筑（砌筑）質(zhì)量差、壩體單?。▔纹逻^陡、壩頂偏窄）、溢洪道老化嚴重、運行管理差等。由此可見，水利工程的施工質(zhì)量對其震害的影響也很大。

2.4 地基及場地條件的影響

工程的場地條件和地基類別對震害程度有著明顯的影響，工程的場地條件不同及地基類別不一樣，在地震中震損情況差別很大。在巖性基礎(chǔ)上的水利工程在地震中的震損程度明顯比非巖性基礎(chǔ)上的水利工程要輕，如通海地震中遭受破壞和嚴重破壞的土壩在巖性地基上的只占少數(shù)，在一般性地基上的約有半數(shù)，而在軟弱地基上的則為多數(shù)（見表5）。汶川地震中建在基巖上的水利工程震害也明顯比建在非基巖及軟土層上的要輕。

3 水利工程抗震措施及建議

基于上述水利工程的震害特點，可以總結(jié)出以下水利工程的主要抗震措施及建議。

3.1 做好場址地震安全性評價及明確抗震設(shè)防標準

水利工程遭受震害的程度和類型等均隨地震烈度的增大而增大，高烈度區(qū)尤為顯著。因此，首先要做好對庫區(qū)和壩址的地震安全性評價工作；其次各類工程應該根據(jù)其庫區(qū)和壩址的地震烈度及自身的重要性，明確抗震設(shè)防標準。

3.2 按照抗震設(shè)計規(guī)范要求做好結(jié)構(gòu)設(shè)計

歷次大地震的震害調(diào)查表明，凡按抗震規(guī)范設(shè)計的各類結(jié)構(gòu)和工程，一般都無震害或震害較輕（高孟潭等，2008）。抗震設(shè)計規(guī)范的作用已多次經(jīng)實踐檢驗，因此，各類工程都應該根據(jù)其抗震設(shè)防標準，嚴格按照抗震設(shè)計規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及采取相應的抗震措施。當遭遇設(shè)計烈度地震時，可達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標，不僅可以有效減少人員傷亡，還可減輕工程的災害。

3.3 加強工程管理保證施工質(zhì)量

鑒于設(shè)計和施工質(zhì)量對震害的影響，應根據(jù)場地和地基條件選擇合適的壩型和筑壩材料，采取適宜的基礎(chǔ)形式和上部結(jié)構(gòu)形式，做好防滲、防裂、防沖蝕等工程措施，壩體填土要達到一定的密實程度，預留足夠的震陷超高，盡量避免在土石壩下埋設(shè)輸水管等。同時在施工期間，必須嚴格管理，保證施工質(zhì)量，避免產(chǎn)生震害的人為因素。

3.4 做好地質(zhì)工程勘察及地震安全性評價

工程的場地條件和地基類別對震害程度有著明顯的影響, 對新建的水利工程，其選址除了考慮一般的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件外，還要將調(diào)查地震地質(zhì)環(huán)境的影響放在首位進行，要查清選址區(qū)域內(nèi)的活斷層情況，遠離活斷層。同時，工程位置應盡可能選在覆蓋層較薄、巖基較淺的地方；盡可能避免軟基、細砂和極細砂地基。如不可避免，則應采取有效的抗震工程措施。

重大工程需由地震和工程部門共同對場址地震地質(zhì)條件下可能發(fā)生的極端情況，即對最大可信地震及其地震動參數(shù)做專門研究，并對發(fā)震斷裂的避讓和在主震中已受損傷的大壩可能遭受的余震估計等進行研究，確保工程抗震設(shè)防滿足地基及場地條件的要求。

3.5 適當提高水電工程易震損部位抗震等級

從汶川地震中水利工程的震害類型來看，裂縫占71.4%；塌陷占34.3%；滲漏占21.4%。因此，在抗震設(shè)計時，可適當提高易震損部位的抗震等級，如在其易損部位增設(shè)加強筋（箍），增強其整體連接性等；同時，在汶川地震中水利工程的附屬結(jié)構(gòu)，如泄洪、廠房進水口閘門操作的排架柱結(jié)構(gòu)等震損嚴重，可適當提高這些附屬結(jié)構(gòu)的抗震水平，避免震后次生災害的發(fā)生。

3.6 建立測震臺網(wǎng)做好地震預警預報工作

水利工程抗震除采取工程抗震方法外，還可以通過建立地震臺網(wǎng)，預測地震的發(fā)生，并結(jié)合地電、地磁、地下水等地震前兆，進行綜合分析，提出地震預警、預報。人們可在地震發(fā)生前逃出，水利工程也能采取緊急措施，如放空水庫、提前關(guān)閉機組，對水利工程要害部位采取相應的抗震措施等，減少地震災害損失，減少人員傷亡。

4 結(jié)語

地震是一種自然災害，目前還不能達到準確預報地震。因此，面對地震災害，我們所能做到的只有采取有效的抗震措施來預防和進行震后的積極補救。從20世紀以來的幾次典型地震對水利工程震害的情況看，地震的烈度、工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、地基及場地條件是工程震害的主要影響因素。針對這些影響因素，工程建設(shè)中應采取相應的抗震措施。新建的水利工程，要做好施工場地的地震安全性評價及抗震標準的確定工作，并嚴格依據(jù)抗震設(shè)防標準進行抗震設(shè)計和設(shè)防，加強工程建設(shè)管理，提高工程建設(shè)質(zhì)量；對未達到抗震要求的應采取加固措施；已出現(xiàn)震害的建筑物工程，應盡快啟動震區(qū)水利工程震害應急措施，使損失降至最低限度。同時加強地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)工作的力度，做好地震資料的收集及預測預報工作，從多方面來減輕水利工程的震害及地震帶來的災害。

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Seismic Damage Analysis and Anti-Seismic Measures for Hydraulic Projects

Lei Hongfu and Su Li
（China Three Gorges Corporation, Chengdu 610042）

Through statistical analysis of seismic damage of hydraulic projects after large earthquakes of Wenchuan, Tonghai, Tangshan and Lancang-Gengma, the characteristics of seismic damage in hydraulic projects is obtained by the intuitive form of statistical tables. According the seismic damage characteristics of hydraulic engineering, we discussed the main factors of seismic damage in hydraulic projects. Our results in this paper showed that seismic intensity, structural design, construction quality, foundation and site condition are the main factors of seismic damage in hydraulic projects. Finally, we proposed some anti-seismic measures and recommendations in future seismic resistance work for hydraulic projects.

Earthquake; Hydraulic projects; Seismic damage analysis; Seismic resistance measures

雷紅富，蘇立，2011. 水利水電工程震害分析及抗震措施建議. 震災防御技術(shù)，6（2）：116—123.

2011-03-23

雷紅富，男，生于1983年。工學碩士。主要從事水庫地震監(jiān)測方面的研究工作。E-mail：cijpflx@163.com