汶川地震對四川水庫大壩影響及其規(guī)律探討

王士軍，倪小榮，谷艷昌，隆文非

(1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029;2．水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029;3．江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210005;4．四川農(nóng)田水利局，四川 成都 610031)

2008年5月12日四川汶川發(fā)生了特大地震，震級達(dá)8．0級，極震區(qū)的烈度達(dá)到了Ⅺ度，為龍門山斷裂帶破裂引起的構(gòu)造型地震，形成沿龍門山斷裂帶北東走向的長條形極震區(qū)，斷層破裂尺度216～450 km，震源深度14 km，表現(xiàn)為汶川縣映秀鎮(zhèn)和北川縣縣城2個極震區(qū)．映秀Ⅺ度區(qū)位于南西段，沿汶川－都江堰－彭州方向分布;北川Ⅺ度區(qū)位于北東段，沿安縣－北川－平武方向分布［1－2］．

地震災(zāi)害給人類帶來了巨大的災(zāi)難，同時也造成了大量水利工程的破壞，汶川地震及余震導(dǎo)致四川震損水庫2 125座，直接經(jīng)濟(jì)損失50多億元．本文利用近2 000座震損水庫信息，總結(jié)分析汶川地震對四川水庫大壩震損的險情特點(diǎn)，探討地震震級與水庫震損的關(guān)系，研究震損水庫規(guī)模、震中距、壩型、壩高、建設(shè)年代等分布規(guī)律．

1 汶川地震對水庫大壩震損影響

根據(jù)汶川地震后國家防總對水庫震損程度進(jìn)行的分級標(biāo)準(zhǔn)來看，潰壩險情水庫指的是水庫大壩及其主體工程發(fā)生漫溢、出現(xiàn)較大貫穿性裂縫、上下游壩坡大面積滑坡、大流量集中滲流等情況，短時間內(nèi)有可能導(dǎo)致垮壩的險情;高危險情水庫指的是水庫大壩及其主體工程發(fā)生上述險情，可能直接影響大壩及主要建筑物安全的險情;次高危險情水庫指的是水庫大壩及其主體工程發(fā)生一般險情，包括震后大壩出現(xiàn)輕微的滲漏、輕微的變形或沉陷，基本不影響主體工程安全運(yùn)行的險情［3］．汶川地震導(dǎo)致四川17個市96個縣(市、區(qū))1 997座水庫不同程度受損，約占四川已建水庫的30%以上，按國家防總確定的水庫震損程度分類統(tǒng)計，潰壩險情水庫69座，高危險情水庫331座．同年8月30日，攀枝花、涼山州交界處發(fā)生里氏6．1級地震，造成56座水庫受損，其中高危險情水庫12座;同年10月10日，自貢市大安區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)發(fā)生里氏4．1級地震，造成16座水庫震損;廣元余震造成56座水庫震損．

水庫大壩震損險情主要包括裂縫、滑坡、滲漏、結(jié)構(gòu)破損、壩區(qū)通信設(shè)施損壞及交通道路中斷等．據(jù)統(tǒng)計，四川省1 997座震損水庫中壩體出現(xiàn)裂縫的水庫占66．3%，出現(xiàn)滲漏的水庫占34．4%，壩坡滑塌的水庫占12．4%，啟閉設(shè)備變形的水庫占8．1%，放水設(shè)施、溢洪道、管理房等出險的水庫占16．1%，50%以上的水庫同時存在多種險情［4－5］．

1．1 裂 縫

壩體裂縫是大壩震損的最常見現(xiàn)象，包括有縱向裂縫、橫向裂縫和水平裂縫．縱向裂縫最為常見，多分布在壩頂及附近，主要是大壩在剪切波(橫波、S波)的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的水平晃動和在壩體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，壩體產(chǎn)生非協(xié)調(diào)變形從而拉裂壩體造成的，根據(jù)檢查結(jié)果，縱向裂縫的寬度、深度不但與壩軸線的方向有關(guān)，而且還與壩頂高程、壩高有關(guān)［6］．橫向裂縫多出現(xiàn)在土石壩兩壩肩地形陡削部位與壩體填筑不均勻部位，因壩體和壩基不均勻沉降而導(dǎo)致．橫向裂縫破壞壩體結(jié)構(gòu)與防滲體完整性，可能形成集中滲漏通道［7］．水平裂縫主要出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)，多沿拱圈發(fā)育，一般長數(shù)米至數(shù)十米不等，對拱梁有破壞作用，但對拱的作用影響不大．

1．2 滑 坡

滑坡常見于土石壩上游坡，滑坡導(dǎo)致?lián)跛當(dāng)嗝婵s小，可能導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)．土壩在地震時的穩(wěn)定性和土的特性密切相關(guān)，土的動力特性和靜力特性相似，受到諸如圍壓、密實度、含水率以及受力條件、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，同時和加載歷史、顆粒結(jié)構(gòu)及級配、時間效應(yīng)等因素密切相關(guān)，地震時土的動力特性主要受應(yīng)變幅度、應(yīng)變速率和循環(huán)加載等幾種因素的影響［8］．大壩壩肩及岸坡滑坡易引起溢洪道或其他輸水設(shè)施堵塞，水流無法下泄．

1．3 滲 漏

震損水庫滲漏常見于大壩下游壩趾及壩內(nèi)輸泄水結(jié)構(gòu)出口，通常表現(xiàn)為震后滲漏量增加，出現(xiàn)渾水一段時間后又變清，滲漏量趨于穩(wěn)定［9］．在某些情形下，如滲漏量比震前持續(xù)增加，一直出現(xiàn)渾水，疑大壩壩體出現(xiàn)集中滲漏，可能是由于壩體產(chǎn)生橫向裂縫或壩內(nèi)涵管出現(xiàn)變形損壞等所致．

1．4 結(jié)構(gòu)變形

結(jié)構(gòu)變形包括壩體在地震作用下產(chǎn)生沉降，不均勻沉降導(dǎo)致壩面起伏、防浪墻開裂和護(hù)坡破損，泄洪設(shè)施破損包括溢洪道結(jié)構(gòu)破損，啟閉設(shè)施失靈與自動開啟等．

1．5 管理設(shè)施破損

管理設(shè)施包括水庫管理房、監(jiān)測設(shè)施、通訊設(shè)施、交通道路，此類震損未直接影響到大壩壩體，但可能直接或間接地危害到水庫大壩安全運(yùn)行與應(yīng)急處置．

2 震損水庫規(guī)律性研究

2．1 地震震級與水庫震損關(guān)系分析

近年來我國發(fā)生了多次地震，震級不同，對水庫大壩的破壞程度也不同．本文基于現(xiàn)有收集資料，初步探討地震震級與水庫震損的關(guān)系．

2008年汶川地震造成四川省震損水庫1 997座，其中大型4座、中型61座、小(1)型331座、小(2)型1 601座［10］．2008年8月30日，攀枝花、涼山州交界處發(fā)生里氏6．1級地震，造成震損水庫56座，其中中型2座，小(1)型12座，小(2)型42座．2008年10月10日，自貢市大安區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)發(fā)生里氏4．1級地震，造成震損水庫16座，其中小(1)型4座，小(2)型12座．2007年云南普洱發(fā)生6．4級地震，共造成云南省震損水庫93座，其中中型水庫1座、小(1)型水庫18座、小(2)型水庫74座，另有塘壩153座．

以上幾次地震發(fā)生時間和區(qū)域都很接近，但震級不同，利用這些信息分析擬合地震震級與震損水庫總數(shù)量、震損中型水庫數(shù)量、震損小(1)型水庫數(shù)量、震損小(2)型水庫數(shù)量的關(guān)系，結(jié)果見圖1．

圖1 地震震級與震損水庫數(shù)量關(guān)系Fig．1 Relation fitting curves of earthquake magnitude and earthquake-damaged reservoir quantity

統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)震級在7級以上時，震損水庫總數(shù)、震損小(1)型水庫數(shù)量、震損小(2)型水庫數(shù)量迅速增加，而中型水庫震損數(shù)量則在震級8級時開始大幅增加;當(dāng)震級在4級以下時，震損水庫總數(shù)、震損小(1)型水庫數(shù)量、震損小(2)型水庫數(shù)量很少，基本無損壞;而中型水庫震損數(shù)量則在震級為6級以下時基本接近于0．

2．2 汶川地震震損規(guī)律性

截至2007年底，四川省建成各類水庫6 723座，其中:大型6座、中型107座、小(1)型1 015座、小(2)型5 595座．汶川地震及其余震導(dǎo)致水庫震損2 125座．本文重點(diǎn)根據(jù)5．12汶川地震后即時出現(xiàn)的1 997座震損水庫資料，就水庫規(guī)模、空間分布、壩型、壩高、建設(shè)年代等分布情況進(jìn)行統(tǒng)計分析．

2．2．1 震損水庫規(guī)模 1 997座震損水庫包括大型4座、中型61座、小(1)型331座、小(2)型1 601座，總數(shù)占四川省已建水庫總數(shù)的29．7%，小型水庫震損占震損水庫總數(shù)的95%以上．統(tǒng)計表明，德陽市、綿陽市、廣元市水庫震損比例最高，分別為91．1%，77．2%和78．7%;震損比例與距地震斷裂帶的距離密切相關(guān)，距斷裂帶距離越遠(yuǎn)，震損比例越低．中型和小(1)型水庫震損比例比小(2)型水庫震損比例相對較高．大型水庫未出現(xiàn)潰壩險情與高危險情;中型水庫出現(xiàn)嚴(yán)重險情的比例大，出現(xiàn)高危險情比例達(dá)14%，但未出現(xiàn)潰壩險情;小(1)型水庫出現(xiàn)嚴(yán)重險情的比例(為6．6%，其中潰壩險情為1．9%)較小(2)型(為4．1%，其中潰壩險情為0．9%)略高．水庫規(guī)模盡管是由庫容確定，但也與抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量密切相關(guān)，水庫規(guī)模越大，抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量相應(yīng)越高．水庫規(guī)模與震損程度的統(tǒng)計結(jié)果在一定程度上反映出震損程度與工程質(zhì)量的關(guān)系．

2．2．2 震損水庫空間分布 根據(jù)震損水庫統(tǒng)計，汶川地震導(dǎo)致水庫潰壩險情的震中距為110 km，導(dǎo)致水庫高危險情的震中距為315 km(宜賓市筠連縣秧田水庫)，“8．30”攀枝花地震影響水庫震損范圍56 km，“10．10”自貢地震影響水庫震損范圍34 km．

四川省震損水庫主要分布于沿斷層帶附近，成都、綿陽、德陽、廣元、雅安震損水庫占已建水庫總數(shù)的73%．對各個震中距范圍的水庫震損情況進(jìn)行統(tǒng)計(見圖2)．統(tǒng)計表明:水庫震損比例隨著震中距增加而降低，震中距在0～40 km的水庫震損比例最高，達(dá)到了100%，潰壩險情水庫和高危險情水庫的比例最高，分別占已建水庫的16．3%和24．2%;潰壩險情水庫的震中距范圍是0～80 km，高危險情水庫的震中距主要集中在0～120 km，200 km以外導(dǎo)致高危險情的震損水庫僅1座．

2．2．3 震損水庫壩型 震損水庫壩型統(tǒng)計見表1．統(tǒng)計表明，四川省震損水庫中，土石壩占震損水庫總數(shù)的95%以上，拱壩及其他壩型不足5%;震損土石壩占已建土石壩比例的30%，在各類壩型中最高;66座出現(xiàn)潰壩險情的水庫全部是土石壩．

表1 “5．12”汶川地震四川省震損水庫壩型統(tǒng)計Tab．1 Reservoir damage ratio vs．dam type in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

四川省土石壩中均質(zhì)土壩、斜墻土壩、心墻土壩和混合型土壩分別為5 214座、46座、726座和133座，震損統(tǒng)計結(jié)果見表2．結(jié)果表明:汶川地震震損了1 569座均質(zhì)土壩，占震損土石壩的85%以上，占已建均質(zhì)土壩的30．1%，其中潰壩險情水庫有62座，占已建均質(zhì)土壩的1．2%，高危險情水庫有251座，占已建均質(zhì)土壩的4．8%;斜墻土壩震損比例相對較低，且未出現(xiàn)潰壩險情．

表2 “5．12”汶川地震四川省震損土石壩壩型統(tǒng)計Tab．2 Reservoir damage ratio vs．earth-fill dam type in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

2．2．4 震損水庫壩高 按國際大壩委員會大壩分類標(biāo)準(zhǔn)，四川省已建壩高在0～15 m，15～30 m，30～60 m和大于60 m的水庫大壩分別為4 374座、2 107座、228座和7座，震損水庫壩高統(tǒng)計見圖3．統(tǒng)計表明:各壩高范圍震損比例相差不大，均約占相應(yīng)已建大壩的29%;從震損程度嚴(yán)重性來看，壩高在30～60 m之間的壩出現(xiàn)潰壩險情和高危險情比例相對最高，分別為1．3%和6．6%．

2．2．5 震損水庫建設(shè)年代 依據(jù)我國水庫建設(shè)特點(diǎn)，將水庫的建設(shè)年代分為1957年以前、1958—1966年、1967—1978年、1979—1992年和1993年以后，震損水庫按建設(shè)年代分布統(tǒng)計見圖4．統(tǒng)計表明:各歷史時期的水庫震損比例在25%～35%之間;從震損嚴(yán)重程度來看，1957年以前建設(shè)的水庫潰壩險情比例最高，占該時期已建水庫的1．7%，59座出現(xiàn)了高危險情，占該時期已建水庫總數(shù)的3．9%，而1993年以后建設(shè)的水庫未出現(xiàn)潰壩險情，有8座水庫出現(xiàn)了高危險情，占該期已建水庫的8．5%．

圖3 “5．12”汶川地震四川省水庫震損壩高統(tǒng)計 Fig．3 Reservoir damage ratio vs．dam height in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

圖4 “5．12”汶川地震四川省震損水庫建設(shè)年代統(tǒng)計Fig．4 Reservoir damage ratio vs．reservoir construction period in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

3 結(jié)語

(1)汶川地震造成四川省約30%的已建水庫大壩出現(xiàn)震損，震損險情主要表現(xiàn)為裂縫、滑坡、滲漏、結(jié)構(gòu)破損、壩區(qū)通信設(shè)施損壞及交通道路中斷等，其中壩體縱向裂縫、滲漏和結(jié)構(gòu)破損較為常見．

(2)震級在4級以下時，水庫基本無水庫震損;震級在6級以下時，中型及以上水庫基本未震損;震級在7級以上時，震損水庫數(shù)量迅速增加;震級在8級以上時，中型水庫震損數(shù)量大幅增加．

(3)水庫震損程度主要受震中距影響，水庫震損比例與震損程度隨著震中距的增加而降低，震中距在0～40 km的水庫全部出現(xiàn)震損，潰壩險情水庫主要集中于震中距范圍0～80 km，高危險情水庫主要集中于震中距范圍0～120 km，200 km以外基本無嚴(yán)重險情震損水庫．

(4)小型水庫震損數(shù)量最大，占震損水庫的95%以上，這與小型水庫數(shù)量最多有關(guān);大型水庫未出現(xiàn)潰壩險情與高危險情;中型水庫出現(xiàn)高危險情相對較高，小(1)型水庫出現(xiàn)潰壩及高危險情的比例較小(2)型水庫略高．

(5)土石壩震損總數(shù)占震損水庫總數(shù)的95%以上，占已建土石壩比例的30%．出現(xiàn)潰壩險情與高危險情水庫大壩基本上是土石壩．均質(zhì)土壩震損數(shù)量占震損土石壩的85%以上，占已建均質(zhì)土壩的30．1%．

(6)各壩高范圍的大壩震損比例相差不大，均約占相應(yīng)已建大壩的29%;從震損程度來看，潰壩險情和高危險情比例最高的均為壩高在30～60 m之間的壩．

(7)各歷史時期建設(shè)的水庫震損比例在25%～35%之間;1957年以前建設(shè)的水庫出現(xiàn)潰壩險情比例最高，1993年以后建設(shè)的水庫未出現(xiàn)潰壩險情．

致謝:

水利部大壩安全管理中心、四川省農(nóng)水局、綿陽市水利局、德陽市水利局、中江縣水利局等單位為本研究提供了大量的基礎(chǔ)資料，特此表示感謝與敬意!

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