水庫大壩的震害調(diào)查評估方法研究1

許亮華 郭永剛 蘇克忠 許 光

1）中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心，北京 100048

2）北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124

水庫大壩的震害調(diào)查評估方法研究1

許亮華1,2）郭永剛1）蘇克忠1）許 光1）

1）中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心，北京 100048

2）北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124

水庫大壩震害具有與其它建筑物震害不同的類型和特性，目前對水庫大壩的震害評估尚無統(tǒng)一標準。本文通過研究分析建國以來19次大地震對水庫大壩造成的震害調(diào)查資料，并結(jié)合筆者以往的震害調(diào)查經(jīng)驗，總結(jié)了水庫大壩的震害調(diào)查方法，制定出了水庫大壩震害評估等級表。利用該表可以比較準確和客觀地評估出水庫大壩的震害水平，為采取相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和評估災(zāi)害損失提供依據(jù)。

水庫大壩 震害評估 震害等級 震害調(diào)查

引言

1949以來，我國共發(fā)生大于等于6級、小于7級的地震300余次；大于等于7級、小于8級的地震54次；大于等于8級的地震3次。地震災(zāi)害特別是大地震災(zāi)害給國家經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展造成了嚴重影響，同時也給水利工程及其設(shè)施帶來嚴重震害。其中造成水利工程破壞數(shù)量最多、最嚴重的地震災(zāi)害有3次：

1970年1月5日，云南通海7.7級大地震，震中烈度高達Ⅹ度。地震區(qū)受影響的水利設(shè)施，均為沒有進行過抗震設(shè)計的中小型水庫大壩，共有63座，且除4座為污工重力壩外，其余59座均為土石壩（常亞屏，1983）。

1976年7月28日，河北唐山市東南部發(fā)生7.8級大地震，震中烈度達Ⅺ度，震源深度16km。地震中各類水利工程遭到嚴重破壞2汪聞韶，1990. 中國水利工程震害資料匯編1961—1985［內(nèi)部資料］.中國科學院水利水電科學研究院抗震防護研究所.，地震區(qū)有庫容在100萬m3以上的大、中、小型水庫58座，除15座無明顯震害外，其余43座均遭受不同程度的震害，尤以陡河、密云白河2座大型水庫破壞最為嚴重；有180多座大、中型水閘遭受不同程度的震害；有10m3/s以上的大型排灌站40余座遭受不同程度的震害；有800多km長的河道堤防遭受破害。

2008年5月12日，四川省汶川縣境內(nèi)發(fā)生8.0級特大地震，震中烈度達Ⅺ度，屬于毀滅性地震。有統(tǒng)計資料顯示，地震災(zāi)區(qū)有大、中、小型水利水電工程2360余座（晏志勇等，2009），主要分布在四川，其次是甘肅、陜西、重慶的部分地區(qū)。其中大型水利水電工程 6座，中型水利水電工程21座，主要分布在岷江上游，涪江和白水江三大流域，其余均為小型水利水電工程（宋勝武，2009）。處于極震區(qū)中的大型水利水電工程以紫坪鋪大壩最受關(guān)注，地震造成大壩的堆石體震陷最大沉降量約81cm，混凝土面板周邊縫發(fā)生較大位移，部分面板間的結(jié)構(gòu)縫發(fā)生錯臺。部分混凝土面板與墊層間有脫空現(xiàn)象，最大脫空23cm。

汶川特大地震發(fā)生后2天，即2008年5月14日，水利部專家檢查組在考察紫坪鋪大壩后向社會發(fā)出通告，“紫坪鋪水庫大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全”。正是專家組對紫坪鋪大壩安全性的快速評估，給國家應(yīng)急搶險部門提供了有力的支持，使得搶險部門能夠充分利用紫坪鋪水庫作為進入汶川地區(qū)的水上救助通道，為應(yīng)急搶險工作做出了重大貢獻。由此也證明了水庫大壩震害快速評估的重要性。

1 水庫大壩震害影響

建國以來，我國已建成的大壩有82000多座，其中大型水庫480余座，中型水庫2000余座。大中型水庫按照抗震設(shè)防標準采取了抗震設(shè)計和抗震措施，一般震害較輕，而未進行抗震設(shè)計的早年興建的中小型水庫震害較重，對于病險水庫則更為嚴重。

從上世紀 60年代起，我國地震活動進入活躍期，先后發(fā)生了廣東新豐江（6.1級）、河北邢臺（6.8級）、山東渤海灣（7.0級）、云南通海（7.7級）、遼寧海城（7.3級）、河北唐山（7.8級）、新疆烏?。?.4級）、云南瀾滄（7.6級）、四川汶川（8.0級）等19次地震，給國家和人民生命財產(chǎn)造成重大損失，同時對各類水工建筑物破壞也極其嚴重（見表1）。其中多數(shù)都是中小型土石壩，也有大型土石壩、大型混凝土壩、大型提防、大型水閘、大型排灌站、大型水電站等工程。這些水工建筑的震害實例，為我們研究大壩的震害調(diào)查項目、方法、劃分震害類型、震害等級、災(zāi)害損失評估及應(yīng)急搶險措施等提供了可靠的依據(jù)。

如何快速有效地應(yīng)對和減輕大地震后的災(zāi)害，提高地震災(zāi)害應(yīng)急的工作效率，水利工程的強震監(jiān)測、震后災(zāi)害快速評估、結(jié)構(gòu)安全快速評價分析、地震災(zāi)害信息的網(wǎng)絡(luò)速報等關(guān)乎水利工程安全的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)支撐工作的建設(shè)亟待加強。

表1 歷次大地震中大中型水庫遭受震害影響情況（1961—2008年）Table 1 Damage of 19 large and medium-sized reservoir dams caused by domestic earthquakes between 1961 to 2008

續(xù)表

2 震害調(diào)查

水利設(shè)施主要包括水庫大壩和水電站。它不但屬“生命線工程”，而且是“次生災(zāi)害源”。一旦地震破壞了水電供應(yīng)，將影響社會生活和生產(chǎn)；堤壩一旦潰決，將引發(fā)嚴重的次生水災(zāi)，其造成的損失可能超過地震直接災(zāi)害的損失。因此，每當大地震發(fā)生時，水電系統(tǒng)總是在第一時間，奔赴震區(qū)進行震害調(diào)查，采取應(yīng)急措施，防止次生水災(zāi)的發(fā)生。

2.1 調(diào)查范圍

當發(fā)生大于等于6級的大地震時，應(yīng)立即組成調(diào)查組，在地方水利部門和水庫管理單位配合下，對地震烈度Ⅵ度以上范圍內(nèi)的水利設(shè)施進行調(diào)查。采取由極震區(qū)向四周擴散的路線，對高危大壩采取有效的應(yīng)急預(yù)案，防止次生水災(zāi)的發(fā)生。

2.2 調(diào)查方法

對大中型（1、2、3等）水工建筑物及堰塞湖進行現(xiàn)場調(diào)查，小型（4、5等）工程可采取由水庫管理單位填寫調(diào)查表，對破壞嚴重的小型水工建筑物，宜進行核查。在震區(qū)通訊設(shè)施或道路交通被破壞的條件下，應(yīng)立即進行航空遙感或航拍，初查水庫大壩震害和堰塞湖分布，盡快全面掌握水工建筑物震害，對險庫及時采取應(yīng)急措施，防止震害的進一步擴展和次生水災(zāi)的發(fā)生。對重點險庫應(yīng)立即布設(shè)流動強震動加速度儀加強監(jiān)測，為除險加固設(shè)計提供科學數(shù)據(jù)。向震區(qū)的省、地、縣和水工建筑物基層管理單位發(fā)放統(tǒng)一的震害調(diào)查表，盡快上報，進行分析研究。

2.3 震害檢查項目

應(yīng)以易發(fā)生次生水災(zāi)的大壩為重點進行檢查，檢查項目包括壩體、壩基、壩肩、引水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電廠房、壩區(qū)和近壩庫區(qū)岸坡等。

2.4 調(diào)查記錄和報告

震害檢查應(yīng)做好詳細的現(xiàn)場記錄，認真填寫震害檢查表，應(yīng)附有略圖，照片，必要時進行錄像。檢查中發(fā)現(xiàn)異常震害時，應(yīng)結(jié)合強震動加速度記錄和靜態(tài)安全監(jiān)測資料進行震害分析，立即采取應(yīng)急措施，并上報主管部門。

完成震害調(diào)查工作后，應(yīng)迅速區(qū)分震害類型、確定震害等級，并進行快速震害損失評估，給應(yīng)急搶險部門提供決策幫助。

3 震害等級劃分準則

一次大地震對水工建筑物地震災(zāi)害損失評估既要快速，又要比較準確。其準確程度，取決于水工建筑物震害等級劃分的準確程度，因為災(zāi)害損失評估等于工程總造價乘以震害損失比。損失比的大小是按水工建筑物震害等級賦值的。

除根據(jù)宏觀水工建筑物震害劃分震害等級外，還可根據(jù)水工建筑物上預(yù)先布置的強震動安全監(jiān)測取得的加速度記錄資料，用統(tǒng)計模型或數(shù)學模型進行計算，再依據(jù)計算結(jié)果進行震害等級劃分。

對不同震害類型應(yīng)采取不同的應(yīng)急搶險措施，是防止震害進一步擴展和次生水災(zāi)發(fā)生的關(guān)鍵。根據(jù)不同震害類型，可采取針對性的措施，如開閘放水，降低庫水位；對發(fā)生滑坡的土壩用土袋加固；對有可能潰壩的水庫，提前組織下游人民轉(zhuǎn)移到安全地帶等，都是行之有效的措施。

震害等級的制定是研究工作的難點和重點。我國地震部門是根據(jù)量大面廣的一般房屋震害程度，制定出《中國地震烈度表（GB/T 17742—1999）》（中華人民共和國國家標準，1999），并用統(tǒng)計學的辦法，引進“震害指數(shù)”，將震害劃分成“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞”5個等級。大壩是屬于特殊的水工建筑物，其表現(xiàn)的震害類型和震害等級劃分以及震害損失評估等與一般房屋震害不完全相同。一般房屋是低矮的、小體積的、結(jié)構(gòu)單一的建筑物，其自振周期較短，而大壩是屬于大體積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且壩上有巨大水體的特殊的水工建筑物，涉及到大壩、地基、庫水動力相互作用等問題，其地震動力特性依壩高、壩型、體積不同而有差異，因此震害表現(xiàn)與一般房屋震害表現(xiàn)有很大不同，這已被多次強震震害所證明。有時一般房屋震害嚴重，而水工建筑物震害輕微；有時一般房屋震害輕微，而水工建筑物震害嚴重。水工建筑物震害等級劃分目前尚無統(tǒng)一標準。

3.1 水庫大壩震害類型

一般來說，水庫大壩震害主要有壩體震害、壩基震害、邊坡震害、泄水建筑物震害、附屬建筑震害。

3.1.1 壩體震害

（1）土石壩震害類型有：在壩頂、壩坡出現(xiàn)與壩軸線平行的縱向裂縫；在壩頭、壩頂出現(xiàn)與壩軸線垂直的橫向裂縫；在壩坡出現(xiàn)弧形裂縫或壩體滑坡，壩體沉陷、測壓管水位上升、壩體滲漏量增大及水質(zhì)變渾等。

（2）混凝土壩震害類型有：大壩頭部出現(xiàn)水平裂縫，在壩頭、壩頂出現(xiàn)與壩軸線垂直的橫向裂縫，相鄰壩段伸縮縫拉開或錯動，揚壓力上升、滲漏量增大及水質(zhì)變化等。

3.1.2 壩基震害

砂土液化、不均勻沉陷、地裂縫、地震斷層、地基滲漏等。

3.1.3 邊坡震害

裂縫、滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等。

3.1.4 泄水建筑物震害

溢洪道（泄水洞）的進水塔、閘墩、邊墻、胸墻裂縫，閘門變形不能正常工作，起閉控制系統(tǒng)的設(shè)備被破壞，電源斷電。

3.2 震害類型與震害水平的關(guān)系

（1）裂縫震害：筆者把裂縫震害作為一種震害類型綜合考慮，并未把裂縫條數(shù)、縫寬、深度作為分級的定量因素。理由是直接作為參量進行定級并不科學。根據(jù)以往的震害調(diào)查資料，筆者發(fā)現(xiàn)震害嚴重與裂縫條數(shù)多少、縫寬、縫深并不成正比關(guān)系。震害現(xiàn)場調(diào)查由于時間緊急，專家團往往需要調(diào)查震區(qū)較大范圍水工建筑物震害。調(diào)查時對于裂縫震害的觀察可以統(tǒng)計裂縫條數(shù)，表面縫寬，但是對于裂縫深度卻沒時間深入判斷。有的裂縫表面寬度大，可是在后來修復(fù)時挖探槽觀察裂縫從表面往下幾米便消失了，有時裂縫條數(shù)很多，可裂縫都是表面裂縫不影響大壩整體穩(wěn)定性和蓄水功能，這種情況的震害以縫寬、條數(shù)作為判斷準則就會產(chǎn)生震損程度的錯誤判斷。裂縫結(jié)合滲水量以及滲水的渾濁程度可以判斷壩體是否產(chǎn)生較大的破壞。如果當壩體出現(xiàn)較大較多裂縫，其中含貫穿裂縫，滲水量持續(xù)增大且水質(zhì)渾濁，那么可斷定壩體受到嚴重損害。當裂縫不是貫穿裂縫，而下游滲水的水質(zhì)清澈，滲水量不大時一般可以認為壩體內(nèi)部未受太大損傷。地震中能造成大壩較大損害的是貫穿性裂縫，特別是壩肩及壩軸線拐角處產(chǎn)生的橫向貫穿性裂縫對大壩穩(wěn)定性產(chǎn)生較嚴重的影響，對于貫穿性裂縫，特別是大壩有橫向貫穿裂縫時一般可以認為震損程度已達到中等破壞甚至更嚴重。

（2）滑坡類型：滑坡類型震害屬于較大的壩體震害，修復(fù)一般都比較困難。一旦出現(xiàn)大面積滑坡都是嚴重震害。

（3）壩基震害類型：壩基震害類型除壩基輕微滲漏外，其余如壩基液化、地震斷層等震害都是嚴重震害，不僅修復(fù)困難而且威脅大壩安全。

（4）沉陷類型：對于沉陷類型震害，這里對該類型的考慮與裂縫類型的考慮類似。對于未按照施工規(guī)范施工的六七十年代建設(shè)的小水庫，由于土法施工、施工時壓實度不夠等原因，即使未發(fā)生地震都會有相當大的沉陷量。地震導(dǎo)致這些土壩產(chǎn)生的沉陷震害沒有規(guī)律性。這些大壩的震害嚴重程度不能用沉陷量大小作為震害評級參考。而經(jīng)過規(guī)范設(shè)計和規(guī)范施工的大壩可以用沉陷量作為震害程度的評級指標。

（5）閘門損傷：這里特別提出閘門損傷作為震害的一種類型，是因為閘門是否被打開關(guān)乎大壩的安全。大壩是擋蓄水建筑物，由于水資源日益珍貴，一般除灌溉、發(fā)電以及特殊情況下才會開閘放水。地震后如果水閘正常，管理部門可根據(jù)實際情況開閘調(diào)節(jié)水庫儲水量。然而一旦水閘被破壞，特別是閘門無法打開時，這種情況是必需立刻修復(fù)的，否則上游來水量突然增加就可能導(dǎo)致大壩有漫壩和潰壩的險情。因此，將水閘破壞修復(fù)的難易程度也作為震害等級的指標之一。

3.3 等級劃分

筆者在統(tǒng)計總結(jié)以上 19次大地震造成的大量水工建筑物特別是大中型水庫大壩工程震害的基礎(chǔ)上，按照水工建筑物震害的類型、輕重、震害對工程安全可能造成影響程度以及修復(fù)難易程度，制定出統(tǒng)一的水工建筑物震害等級劃分表（詳見表2），將震害劃分成“基本完好、局部損壞、中等破壞、嚴重破壞、潰決”5個等級。

表2 水庫大壩震害等級劃分表Table 2 Earthquake damage classification of reservoir dams

3.4 等級劃分實例

（1）基本完好等級事例：以“5.12”汶川特大地震時的沙牌碾壓混凝土拱壩最為典型，實際地震烈度Ⅸ度，大壩整體完好，壩頂電梯井操作房受損。兩條泄洪洞的閘門起閉正常。壩肩工程邊坡保持完好，兩岸自然邊坡局部塌滑。

（2）局部損壞等級事例：以“5.12”汶川特大地震時的紫坪鋪混凝土面板堆石壩為典型，實際地震烈度Ⅸ—Ⅹ度，大壩整體穩(wěn)定，大壩堆石體震陷明顯，最大沉降量81cm，混凝土面板周邊縫發(fā)生較大位移，部分面板間的結(jié)構(gòu)縫發(fā)生錯臺，并出現(xiàn)擠壓破壞現(xiàn)象。最大錯臺17cm，部分混凝土面板與墊層間有脫空現(xiàn)象，最大脫空 23cm，壩頂防浪墻基本完好，下游側(cè)護欄大部分遭到破壞。滲漏量較震前增加較小，總滲量約20L/s左右。兩條泄洪洞及沖沙放水洞的部分結(jié)構(gòu)縫受損，閘門起閉不能正常運行。工程整體穩(wěn)定，屬局部損壞等級。

1962年廣東河源6.1級地震時，新豐江混凝土單支墩大頭壩在頭部108—109m高處出現(xiàn)水平裂縫，右岸長82m，左岸斷續(xù)出現(xiàn)，也屬局部損壞等級。

（3）中等破壞等級事例：密云白河主壩發(fā)生震害，砂礫料保護層全線滑坡，滑坡全長900m，塌滑方量約15萬m3。由于滑坡僅限于砂礫料保護層，未傷及粘土斜墻防滲層，大壩整體上還是穩(wěn)定的，屬中等破壞等級。

（4）嚴重破壞等級事例：以“7.28”唐山大地震時陡河均質(zhì)土壩為典型，陡河土壩陡河水壩壩址所處地震烈度Ⅸ度，有縱、橫向裂縫100余條，壩體沉陷，滑坡，壩頂防浪墻倒塌，排水溝擠窄抬高，上下游壩腳噴水冒砂，全壩左右扭曲，上下起伏。上下游壩坡各有1條主要縱向裂縫帶貫穿全壩，深至壩基。好像將整個壩體劈成3塊，中間塊下沉1.64m。由于及時采取正確的應(yīng)急搶險措施，避免了潰壩和次生水災(zāi)的發(fā)生。

（5）潰決等級：目前我國大中型水庫中尚無地震造成的潰決實例。

4 結(jié)語

震害評估需要有一個科學的等級劃分標準，本文在大量水工建筑震害調(diào)查資料分析的基礎(chǔ)上，研究制定了水庫大壩震害等級劃分表，根據(jù)該表劃分的大壩震害等級可較客觀和準確地反應(yīng)出震害水平，同時劃分出的大壩震害等級還是判斷大壩工程危險程度、評價大壩地震災(zāi)害損失的依據(jù)。筆者下一步的研究工作是如何制定大壩災(zāi)害損失比，研發(fā)大壩地震災(zāi)害快速評估軟件，目前該工作正在進行之中。

晏志勇，王斌，周建平，2009. 汶川地震災(zāi)區(qū)大中型水電工程震損調(diào)查與分析. 北京：中國水利水電出版社.

常亞屏，1983. 通海地震水利工程震害及加固 [抗震防護研究班講義]. 中國科學院水利水電科學研究院抗震防護研究所.

宋勝武，2009. 汶川大地震工程震害調(diào)查分析與研究. 北京：科學出版社.

中華人民共和國國家標準，1999. 中國地震烈度表（GB/T 17742-1999）.北京：中國標準出版社.

Methodology of Investigation and Assessment of Earthquake Damage to Reservoir Dams

Xu Lianghua1,2), Guo Yonggang1), Su Kezhong1)and Xu Guang1)
1）Earthquake Engineering Research Center, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044, China
2) The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

In terms of earthquake damage Reservoir dam is different from other building structures. There is no a unified standard for earthquake damage assessment to reservoir dam at present yet in China. Based on studying and analyzing the data of reservoir dam damages from 19 large domestic earthquakes and the previous experience of earthquake damage investigation of reservoir dam, we summarizes some methods of earthquake damage assessment and sets the rules of earthquake damage classification to reservoir dam in this paper.Our results will provide a base for launching emergency response plan for earthquake emergency management and evaluating disaster loss of reservoir dams in practice.

Reservoir dam; Earthquake damage assessment; Damage classification; Damage investigation

許亮華，郭永剛，蘇克忠，許光，2012. 水庫大壩的震害調(diào)查評估方法研究. 震災(zāi)防御技術(shù)，7（1）：70—76.

地震行業(yè)科研專項（201008005）、西藏自治區(qū)科技計劃項目

2011-09-12

許亮華，男，生于1978年。北京工業(yè)大學建工學院博士生，工程師。主要從事水工結(jié)構(gòu)抗震分析、損傷識別方法研究、強震監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)等方面工作。E-mail: shepherd2008@126.com