我國(guó)土石壩對(duì)于抗震的研究

李霞　彭麗君

摘要：本文論證了我國(guó)水壩的抗震安全評(píng)價(jià)的實(shí)踐與發(fā)展現(xiàn)狀。水壩的修建有助于減輕下游地區(qū)干旱和洪澇災(zāi)害，有利于改善能源結(jié)構(gòu)和緩解電力緊張，但是對(duì)于地震區(qū)水壩的抗震安全問(wèn)題不容忽視。本文根據(jù)我國(guó)的政策方針，現(xiàn)行的法律法規(guī)，技術(shù)規(guī)定，以及有關(guān)學(xué)科的進(jìn)展和地震區(qū)水壩建設(shè)所面臨的現(xiàn)實(shí)迫切需要，系統(tǒng)分析我國(guó)大壩抗震安全的現(xiàn)狀，存在的問(wèn)題和有關(guān)建議，希望可以為我國(guó)水壩抗震安全的研究，分析，設(shè)計(jì)以及工程運(yùn)用提供有價(jià)值的信息。

關(guān)鍵詞：土石壩抗震；震害

【正文】

1.研究背景：

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展，水壩給社會(huì)帶來(lái)了客觀的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但是也帶來(lái)一定的安全隱患。如果破壞結(jié)構(gòu)或顯著被損壞，水壩失敗一般是災(zāi)難的。下游環(huán)境以及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全會(huì)受到危害。地震更是一項(xiàng)不可預(yù)估的危險(xiǎn)因素。

大壩由于地震而致崩壞的實(shí)例，幾乎沒(méi)有。但是如果萬(wàn)一發(fā)生崩壞，其所造成的災(zāi)害，將十分可怕。一方面水壩的建設(shè)費(fèi)用非常大，應(yīng)該盡可能的使其建造的經(jīng)濟(jì)，然而其抗震設(shè)計(jì)又務(wù)必需要合理的進(jìn)行。

2. 大壩地震的形式

2.1水庫(kù)內(nèi)山的崩壞

水庫(kù)中的水深，往往可達(dá)幾百米，因而，庫(kù)底及其周邊的地基應(yīng)力和地下水位發(fā)生變化，致使其穩(wěn)定性受到威脅。與蓄水的同時(shí)，在庫(kù)岸周邊發(fā)生小規(guī)模的地滑塌方的事例，迄今也不算少。如果是小規(guī)模的，還不怎么成為問(wèn)題。但是，如果規(guī)模大時(shí)，崩壞土與蓄水一起成為泥石流，由壩溢流出來(lái)，對(duì)于下游部分恐將釀成大的災(zāi)害。

在地震時(shí)，具有向水庫(kù)傾斜的薄粘土層夾層的裂縫和以粘土化的有裂縫的巖石，受到?jīng)_擊后，最容易滑動(dòng)。特別是水庫(kù)的一部分作為較薄的馬鞍形那樣的情況，該處如果發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，即使不過(guò)是表面滑動(dòng)，但也威脅水庫(kù)的穩(wěn)定。所以水庫(kù)初見(jiàn)成時(shí)，從這個(gè)角度，不應(yīng)當(dāng)對(duì)于綿亙相當(dāng)廣大的范圍，需要進(jìn)行關(guān)于表面層的土質(zhì)和厚度，基巖的巖質(zhì)和傾斜，地下水位的調(diào)查。

2.2水庫(kù)蓄水所引起的地震

據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于蓄水在水庫(kù)附近有時(shí)可引起微小的地震。由于蓄水逐漸使地基內(nèi)的應(yīng)力和含水狀態(tài)發(fā)生變化，似有引起微小地震的現(xiàn)象。如果是微震，當(dāng)然在工程上并不成問(wèn)題，但是因蓄水引起較大的地震。因此，對(duì)此情況的地殼的破壞，是否由于因蓄水水壓致使地殼內(nèi)部應(yīng)力增大，因流體侵入而使高壓下的巖石強(qiáng)度降低，以及蓄水使巖體內(nèi)儲(chǔ)藏的應(yīng)變能量引起作用等，已成為疑問(wèn)的集中點(diǎn)。鑒于這樣的問(wèn)題在規(guī)劃大水庫(kù)時(shí)，就應(yīng)該仔細(xì)的進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查。

3. 震害

當(dāng)大壩恰好位于震源上方時(shí)，壩體會(huì)受到相當(dāng)?shù)膿p害。土石壩在地震災(zāi)害中作為承災(zāi)體，一方面引起土石壩壩體的破壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，還可能演變成為危險(xiǎn)的次生災(zāi)害源，引發(fā)次生水災(zāi)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，同時(shí)在地震后還常常因水壩無(wú)法正常發(fā)揮水利設(shè)施功能，造成災(zāi)后生產(chǎn)、生活的困難。

在抵抗地震時(shí)壩基的類型，水壩的施工質(zhì)量和壩料的好壞對(duì)水壩的震損情況起了關(guān)鍵性的作用。水壩平時(shí)的維護(hù)管理對(duì)地震時(shí)水壩的震損有影響，另外，震前水庫(kù)的庫(kù)水位對(duì)水壩地震時(shí)的安全性應(yīng)當(dāng)有著重要影響。

壩的穩(wěn)定性也多為現(xiàn)場(chǎng)地區(qū)的情況和施工條件所左右。填筑面因底面較寬，故所及于地基的應(yīng)力不大。這樣在不很堅(jiān)固的地基上也能建造，此為土石壩的特長(zhǎng)。不過(guò)，不很堅(jiān)硬的地基比之堅(jiān)硬的地基，一般在地震時(shí)的變位振動(dòng)則要較大，而且按照土的種類，在強(qiáng)震之下還有液化之虞。另外，填筑壩所用壩體材料不能抵御拉力。在激烈的振動(dòng)之下，不能抵御拉力的材料的集合體易于崩壞，這在直觀上也可預(yù)想到。因此，在預(yù)想將有強(qiáng)烈地震的發(fā)生的地點(diǎn)，對(duì)于這種形式的壩進(jìn)行規(guī)劃，必須慎重從事。還有填筑壩的壓實(shí)，除在施工中要進(jìn)行外，在竣工后也要隨著時(shí)間的經(jīng)歷逐年累月來(lái)進(jìn)行。這對(duì)壩體能起強(qiáng)化的作用，但另一方面，當(dāng)壓實(shí)壩內(nèi)各部分的變形不均勻一樣時(shí)，也會(huì)成為發(fā)生局部的滑動(dòng)和裂縫的原因。最后在土石壩，蓄水位急劇下降，且屢屢反復(fù)的情況下，對(duì)于壩體內(nèi)的細(xì)粒骨料，恐怕會(huì)流到水庫(kù)內(nèi)。

4. 抗震設(shè)計(jì)

為了使土石壩能夠抗震，很需要對(duì)建筑位置，形狀，材料，細(xì)部設(shè)計(jì)等，所涉及的壩的整體規(guī)劃，加以全面的考慮。結(jié)合過(guò)去的震害實(shí)例等來(lái)看，從事壩的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意之點(diǎn)如下：

地基以選擇良好的場(chǎng)所為宜。地震動(dòng)的最大變位，在硬地基，只不過(guò)是軟地基的幾分之一。實(shí)際上多是因?yàn)榈鼗粓?jiān)硬，才選用了土石壩的形式，故此，關(guān)于基礎(chǔ)地基在地震時(shí)的穩(wěn)定，有必要進(jìn)行充分的研討。

在細(xì)沙地基或夾有晶狀體的細(xì)沙的地基，地震時(shí)恐要發(fā)生液化。這樣的地基如果范圍很廣時(shí)，對(duì)其加以處理，改良則很困難，作為壩基，并不適當(dāng)。

為隔水的目的，將心墻深埋，使其到達(dá)基巖時(shí)，則其上下游的填筑部分的地基，因?yàn)檐浫?，引起下沉，發(fā)生裂縫。因而，必須考慮在心墻和填筑部分之間，設(shè)置充分有效的中間隔墻，使地基的剛性，在其間緩緩延續(xù)改變。

在土壩，有可能發(fā)生滑動(dòng)面深達(dá)基礎(chǔ)地基那樣大規(guī)模的斜坡面崩壞。因此，對(duì)于這樣的崩壞，也有必要進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

斜坡面的趾部，在地震時(shí)有變松弛之誤。在此部分設(shè)置堅(jiān)固的填石是有效的。另外還需要注意的是，需要將蓄水能急速排出的設(shè)備。由于地震壩體萬(wàn)一瀕于危險(xiǎn)時(shí)必須急速將蓄水排出，使水位下降。為此，排水設(shè)備，對(duì)于地震必須充分的安全。

5. 地震監(jiān)測(cè)與應(yīng)急預(yù)案

我國(guó)是一個(gè)多地震和地震災(zāi)害較嚴(yán)重的國(guó)家，地震區(qū)建設(shè)水壩時(shí)一定要對(duì)地震引起的災(zāi)害和風(fēng)險(xiǎn)有足夠的認(rèn)識(shí)。地震是隨機(jī)事件且發(fā)震機(jī)理，傳播機(jī)制十分復(fù)雜。國(guó)際上地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)也都不夠準(zhǔn)確。因此在地震區(qū)建設(shè)高壩大庫(kù)工程時(shí)，除了做好有關(guān)的斟探實(shí)驗(yàn)和抗震設(shè)計(jì)外，還應(yīng)加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)，重視國(guó)內(nèi)外有關(guān)地震和震害實(shí)測(cè)資料的收集，整理和反饋分析。深化對(duì)地震和結(jié)構(gòu)地震的響應(yīng)的認(rèn)識(shí)，改進(jìn)分析研究方法，更新設(shè)計(jì)理念，并在工程建設(shè)和運(yùn)行管理中加以應(yīng)用。

另外，結(jié)合潰壩等重大災(zāi)害的檢測(cè)和預(yù)警技術(shù)的研究，制定大壩安全應(yīng)急預(yù)案也是十分必要的。瑞士十分注重大壩對(duì)下游地區(qū)的可能安全影響，尤其是大壩失事后的影響，每一座大壩都做了洪水可能淹沒(méi)范圍的分析，并設(shè)有明顯的可能淹沒(méi)范圍邊界標(biāo)志，根據(jù)淹沒(méi)情況，地形和交通條件，做了不同的可能受災(zāi)區(qū)居民的撤離路線圖，并將所有這些信息編輯成冊(cè)，發(fā)給下游有關(guān)民眾，并進(jìn)行定期的安全教育和應(yīng)急演練。瑞士的這些大壩管理工作具有很大啟發(fā)作用。

【結(jié)語(yǔ)】

水壩的修建有助于減輕下游地區(qū)干旱和洪澇災(zāi)害，有利于改善能源結(jié)構(gòu)和緩解電力緊張，但是對(duì)于地震區(qū)水壩的抗震安全問(wèn)題不容忽視。我國(guó)是一個(gè)多地震和地震災(zāi)害較嚴(yán)重的國(guó)家，地震區(qū)建設(shè)水壩時(shí)一定要對(duì)地震引起的災(zāi)害和風(fēng)險(xiǎn)有足夠的認(rèn)識(shí)。做好有關(guān)的斟探實(shí)驗(yàn)和抗震設(shè)計(jì)，加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)，重視國(guó)內(nèi)外有關(guān)地震和震害實(shí)測(cè)資料的收集，整理和反饋分析。深化對(duì)地震和結(jié)構(gòu)地震的響應(yīng)的認(rèn)識(shí)，改進(jìn)分析研究方法，更新設(shè)計(jì)理念，并在工程建設(shè)和運(yùn)行管理中加以應(yīng)用。盡量避免或者減少地震對(duì)水工建筑物所造成的損害以及后期破壞。

注重保護(hù)下游以及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。選擇較安全的形狀，材料，細(xì)部設(shè)計(jì)等，所涉及的壩的整體規(guī)劃，加以全面的考慮。

參考文獻(xiàn)

1. 《土石壩震害預(yù)測(cè)及快速評(píng)估方法研究》，梁海安，2012.05.01

2. 《抗震工程學(xué)》，孫偉東譯

3. 《水壩與地震》，王卓凱，劉鎖旺等譯

4. 《土石壩震害預(yù)測(cè)及快速評(píng)估方法研究》，梁海安

作者簡(jiǎn)介：

李霞（1991—），女，漢族，甘肅白銀市人，

鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，水利水電工程。