陈厚群:大坝安全与水库地震

2011-5-24 08:46 来源: 科学时报
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  最近这段时期,社会上对水电开发,特别是其中的地震、地质问题都很关注。本人长期从事大坝抗震研究,想从大坝抗震安全的角度谈一点自己的看法。 

  大力发展水电是国情决定的

  谈到水电开发,不能不从我国能源结构说起。我们主要还是以煤电为主,煤电占二次能源结构的百分之七八十,这是国情决定的。在可预见的将来,要完全改变也是有困难的。但是由于生态环境的要求,由于资源的制约,能源结构必须进行改善。

  为应对气候变化,国家领导人已在国际场合作出庄严承诺,2020年前我国一次能源里非化石能源比例要占到15%。据我了解,现在这个数字只有百分之七八,任务相当艰巨,而水电可能要承担一半以上的任务。

  我国水电资源在全世界占首位,开发程度只有20%多,而发达国家早就把水电资源开发得差不多了,我国还有很大潜力。如果按照100年计算,我国水电能源相当于全国各种能源加起来总和的40%,这是不可忽视的水电优势。何况,水电开发不光解决能源问题,它还有防洪、航运、改善生态环境的综合效应。考虑到我们的国情,大力发展水电将起到无可替代的作用。

  我国地势西高东低,河流源头大部分在西部,西部落差很大,水电资源百分之七八十集中在西部。西部恰恰是我国地震最强烈的地区,而且这些高山陡坡对区域构造活动也有着不可分割的关联。因此,水电抗震安全是不可回避的问题。这也是我们的国情。

  大坝抗震安全有无保证

  说到抗震安全,首先在概念上要区分“抗震”和“抗断”。什么是抗震呢?就是地震动引起的地面震动,通常以某个地方加速度的多少来表征,这是地面震动对大坝造成的影响。抗断是断层断裂,造成断裂两边的位错。

  比如1999年台湾的集集地震,石岗闸坝的几个闸室被错动了七八米,这种错动是任何大坝都难以抗御的。大坝可以抗震,但抗断很困难,一般不允许建设在活动断层上。对于断层,现在采取的是尽量避让的办法。现行的水工建筑抗震设计规范明确规定,坝址区分为有利地段、不利地段和危险地段,发生断层的肯定是危险地段,要充分论证,加以避让。

  那么大坝抗震是不是安全呢?在强地震区,我国各有关部门对大坝抗震安全确实是非常关注的,主要反映在两个方面。

  首先是设防标准。一些重大的高坝工程,抗震设防标准是按五千年一遇。地震有很大的随机性,只能从概率意义上估计它的风险度。洪水的百年一遇、千年一遇也是这个概念。我国规范规定100年内超越设计地震的概率只有2%,相当于五千年一遇的概率水准,应该说是相当高了。与此相比,一般建房子是按照50年的超越概率10%,大概相当于五百年一遇的抗震水平。

  汶川大地震后,国家发改委专门下发文件,要求对重要的大坝工程,除了按照五千年一遇的设防水准进行设计校核外,还要对已建和在建的重要大坝工程,按照“极限地震”进行校核,就是保证在极限地震下不发生溃坝导致的对下游的严重次生灾害的地震灾变。据我了解,有关水电部门都认真执行了这样的要求。 

  关于极限地震,国际上也没有非常明确的定义,总的来讲就是根据坝址的具体的地震地质条件确定可能发生的极限地震。暂时是按照一万年一遇的标准,即从概率意义上讲,一万年才可能发生这样一次大地震,我们的重大水坝工程要按照这个标准进行校核。这是非常严格的要求。汶川地震以后,我们正在修订国家的水利抗震设计规范。我本人负责水工抗震规范的总编和修订工作,我们准备把发改委的要求正式列入正在修编的水工抗震规范。今后凡是重大的属于甲类抗震设防的重大大坝工程,除了按照五千年一遇的抗震设防水准进行抗震设计以外,还要对极限地震进行校核。

  其次,在金沙江、大渡河等一系列高坝工程建设的推动下,我国在保证大坝抗震安全方面做了大量的研究工作。这些工作包括坝址相关的地震动输入、各种坝型在强烈地震作用下的响应、大坝材料在地震作用下动态抗裂的研究等。据我了解,这方面的研究工作是处于国际前列的。

  汶川地震是对我国大坝抗震安全的一次大检验,特别是在比较强烈的地震区内,有4个100米以上不同类型的高坝。紫坪铺混凝土面板坝,是一个较新的坝型,158米高。另外,沙牌碾压混凝土拱坝,也是一个较新的坝型,有130多米高的水头,地震时几乎是满库;还有碧口水电站的心墙土石坝,还有宝珠寺的混凝土重力坝。4种完全不同类型的坝,都在100米以上,经受了超乎预期设防标准的汶川大地震。也就是说,汶川大地震是超过它们的设防水准很多的大地震。但是,这些坝都没有被毁坏。当然,紫坪铺等坝有些损坏,但这些坝整体上是稳定的,经受住了特大强震的考验。

  汶川地震以后,在中国大坝委员会的组织下,国际大坝委员会有关专家到现场考察讨论,一致的结论是,这些大坝经受住了考验,我国在大坝抗震方面做了大量有成效的抗震设计和研究工作。

  我国是多地震国家,大坝抗震安全是非常值得重视的关键技术问题,但要利用丰富的水能资源又无法回避抗震问题。但只要认真按照抗震实际规范的严格要求,对大坝进行认真设计,再保证优质的施工质量,然后再加上规范的运行管理,大坝安全就有保证。

  百米左右高坝的抗震,在汶川地震里已经得到检验。现在正在修建一系列300米的高坝,要保证它们在极限地震下不发生严重的次生灾害灾变,我们还要做大量科研工作。当然,这些工作也都在进行之中。

  地质灾害也是水电开发里非常关注的问题。所谓岸坡稳定,我理解分成两部分,一部分是坝址区的,另外一部分是库区的。

  坝址区的岸坡,必要的时候要采取加固措施。比如,对坝肩常会进行加固。汶川地震中对这些措施的有效性有了非常好的检验和证明。在紫坪铺或者沙牌水电站,邻近发生断层地区的高坝可以看到,凡是经过处理的岸坡,都完好无损。

  在库区,水位上升时,岸坡,特别是比较陡峻的局部地区总会有一些不很稳定的地区,比如三峡工程1000多公里库区中,就存在这样一些不很稳定的局部地区。高坝大库蓄水以后,局部库区发生一些地质灾害是正常现象。一般情况下,只要规模不是很大,不会造成太大影响,而且可以治理。以三峡库区为例,国家投入几十亿元治理,国土资源部多年来做了大量工作。从三年试验性蓄水情况看,2008年试验性蓄水,一直到去年达到设计要求的175m水位,库区的地质灾害是逐年减少的,说明长期来的治理非常有效。

  对大坝的地震和地质灾害问题,既要高度重视,不能掉以轻心,但也不能因噎废食。

  该如何理解水库地震

  建大坝是不是就会引发地震?不一定。

  全世界现在有几十万座大坝,其中高坝的数量很大。据我所知,到目前为止,各国报道水库地震的事例也不过100多起。而这100多起是不是水库地震、是不是跟水库有关有的还存在争议。国际大坝委员会下设地震专业委员会,我是该委员会副主席。该委员会有一个关于水库地震的文件,列举了39个比较公认的水库地震。目前从统计资料看,全世界水库引发地震的比例不到千分之零点几,这个比例是很小的。

  水库地震可以分成两种大的类型。一类是非构造型的水库地震。库岸里一些喀斯特溶洞,或者古老的矿洞,或者因为岩体地表较破碎,蓄水以后应力重新调整,这样引发的地震跟发震构造没有直接联系,可称之为非构造型水库地震。这类水库地震,按到目前为止的统计结果看,震级一般不高,也就是三到四级,对邻近的坝体或者附近的民居建筑不会造成很大影响。到目前为止,所谓的水库地震绝大部分属于这种非构造型水库地震。

  另外,确实有少数跟发震构造有一定联系,称之为构造型水库地震。该类地震震级可能较高,但水库只是起触发作用,因而水库地震的震级不会超过被触发的天然地震的震级。大家关注的也正是该类可能造成损害的地震。

  水库引发地震的机理,全世界还都并没有搞清。因为“地底下几公里、十几公里的地层中,水是怎么作用的,水在地底下几公里以下的高温高压条件下,是什么性质?”“岩石的性质又会有什么变化?”等很多问题还没有搞得很清楚。但是,有关专家形成一个初步共识,即无非有两类作用:水库的水体重量和水沿着断层裂隙的渗透作用。

  关于水体的重量,很多研究表明它不起主要作用。一个水库哪怕两三百米高,但是地震发生在地底下起码5~10公里,这些5~10公里的岩石比重是2.6~2.7,而水的比重是1,库水的重量跟岩体的重量比是微不足道的。所以,主要是水体对发震断层的渗透作用,有可能造成岩体抗滑强度的降低,导致断层错动,并最终引发地震。这是目前比较形成共识的解释。

  发生构造型水库地震需要3个前提条件。其一,该库区确实存在发震断层,发震断层的定义,世界上没有非常严格的统一认定,我国地质专家的认定是10万年以内有过活动的发生断层。

  其二,该发生断层原有的应力积累,已到其临界状态。库水的作用只是起到触发它的作用。现在,国际大坝委员会已经在文件上规定,把这样的水库地震称为“水库触发地震”。它实际上是个天然地震,库水不触发也存在,而且接近临界状态了。

  其三,要有库水向深部渗透到发震断层的水文地质条件。目前为止,世界上只有4个震级超过6级的水库地震。我国广东的新丰江大坝的水库地震就是其中之一。这4个水库地震中的最大震级,有的资料说6.3级,有的说6.5级,并不是非常精确。6级多一点,这是目前为止水库地震的上限。

  另外,水库地震本身还有一些特点。它一般震源比较浅,有明显的前震,前震持续一段时间再发生主震,因为水体向深部渗透有个过程。主震以后,还发生余震。所以,它在地震类型上属于前震、主震、余震型。我国的构造地震很大部分都属于主震、余震型,比如汶川地震就没有明显的前震。

  有人曾提出汶川地震是不是跟紫坪铺有关。事实上,我们的抗震规范规定,对于可能发生水库地震的水库,都要经过严格的勘探,如果有可能发生地震,至少在蓄水以前一年要设立强震观察台站,严密监视。比如三峡水库早就设置了当时世界上规模最大、数字化的专门监测水库地震的台网。有24个台站密布在认为容易发生水库地震的库区,一直工作到现在。

  紫坪铺也是这样,它在建坝前13个月就设置了7个台站,基本上把容易发生水库地震的地区都控制住了。水库蓄水两年半以后才发生汶川地震,所以蓄水前13个月跟蓄水后两年半时间地震活动的频度、强度都有对比。地震部门把这些资料跟蓄水前的13个月,蓄水以后每13个月都作了统计,无论强度和频度都没有什么变化。也就是说,从监测资料来看,紫坪铺水库蓄水前后的地震活动性没有明显的变化。

  监测水库地震的台网比较密,一般很微小的地震都能测到。因此,这些资料很有说服力,说明紫坪铺本身并不可能触发汶川地震这么大的地震。我们把这些观点写成文章,在国际刊物上发表了。发表以后,原来发表过质疑文章的美国Science News亚太地区主编Richard Stone先生对我进行了专访,随后发表了一篇反映我们观点的文章。在这些方面,很多误解的造成,是因为交流沟通不够。只要尊重事实,尊重科学的依据,一些问题应该可以说清楚。

  社会关心水电开发中的一些问题,特别是关于地震地质方面的安全问题,这是正常的。科学问题是容许有各种不同意见的,需要共同探讨。真理总是越辩越明的,但作为技术人员,我们都应该以科学的态度,依据科学资料来说明自己的论点。