浅谈汶川地震后对大坝抗震安全的思考
1前言
512四川汶川大地震不仅造成了巨大的人员伤亡和经济损失,而且产生了巨大的地质灾害。笔者在已有研究基础上,简要概述了震区大坝的震损情况,初步总结了破坏性地震中有关大坝安全的经验教训,同时,分析和探讨了与之有关的几个关键问题。
2汶川地震对水坝的影响及初步经验教训
2.1对水坝的影响
按照我国水工建筑物抗震设计规范,在最大设计地震作用下,水工建筑物允许出现可修复的损坏。很显然,地震作为一种不可战胜的自然力量,例如在汶川地震这种极端情况下,建筑结构不出现任何损伤是不可能的。
2.2初步的经验教训
1)汶川地震中,震中附近大坝(如紫坪铺和沙牌坝)坝址实际遭受的地震烈度远高于其设计地震烈度。这几座大坝尽管出现了局部可修复损坏,但整体结构都稳定,保持了蓄水功能。因此可以认为,只要认真按规范进行抗震设计,精心施工和运行管理到位,基本可保证大坝的抗震安全。
2)对大坝基岩在强震作用下的地质稳定是怎么强调也不过分的。紫坪铺和沙牌大坝的坝肩岩体都因采用了预应力锚固处理,在强震作用下确保了高边坡的稳定,而相邻未锚固区域的边坡则严重滑落,由此验证了此类加固边坡工程措施的必要性和有效性。
3)汶川地震表明,紧急降低库水水位是防止次生灾害发生的最有效途径。因此,在破坏性地震的应急预案中,应当高度重视泄水结构和设施及其能源供应的应急保证。
3对汶川地震后我国大坝抗震安全几个关键问题的探讨
汶川地震之后,国内外学术界和社会公众都关注我国的大坝抗震安全,出现了许多与该议题相关的不同观点的评论和争议。目前的讨论有助于大坝抗震安全的理解和促进该学科的深化研究,但是,学术讨论应该基于客观实际和科学依据。对于汶川地震后引起广泛关注的我国大坝抗震安全几个关键问题,谨将笔者的理解和观点概述如下。
3.1我国地震区建坝的必要性和大坝抗震安全的重要性
水和能源是人类社会发展的重要物质基础,直接关系到社会和国民经济的可持续发展,人民物质和精神生活的提高与改善。我国正在实现现代化和全面建设小康社会的宏伟目标,面临人口、资源和环境的巨大挑战。我国人口众多,人均水资源极为短缺,尚不到世界平均水平的1/4,在世界银行统计的153个国家中排行第88位,且时空分布又很不均匀,与土地资源和生产力布局不相匹配。频繁而严重的干旱、洪涝灾害制约社会经济发展,影响生态环境,一直是中华民族的心腹大患。通过水库大坝等水工程建设,尽可能调节和利用汛期洪水,对抗旱防洪都有重大意义。我国人均能源消费水平和资源占有量都不到世界平均水平的1/2。我国的水能资源又位居世界之首,仅大陆部分水电的技术可开发容量为5.4108kW,按使用100年计算,水能资源约占已探明常规能源的40%;水电作为可再生清洁能源,在我国全面进入小康社会过程中,对改善我国以煤电为主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨大环境影响及资源和运输紧张,提高能源利用效率,有利于全国联网和优化调度以保证供电安全等,都起到无可替代的重要作用,大力发展水电是我国能源发展战略中的重要环节。
因此,在充分重视生态和环境影响的前提下,充分而合理地利用水资源,积极有序地进行水库大坝建设,发挥其综合效益,是切合我国国情和为社会经济发展所急需的。
3.2水坝抗震安全评估及我国水坝抗震安全现状
3.2.1水坝抗震安全评估
众所周知,地震预测是至今尚未解决的世界性难题。但是,各国在地震区都在兴建包括大坝在内的各项基础设施。在日本、伊朗、土耳其、意大利、美国、智利、墨西哥等地震较多的国家,都修建了不少高坝。当然,在坝址地震危险性评价和大坝抗震设计方面,相关研究一直都在持续深入开展,以不断提高大坝的抗震安全性。
3.2.2我国水坝抗震安全现状
我国已建水库8万多座,居世界之首。截止2004年底的统计,全世界48000多座高15m以上的大坝中,我国占46%,共22000多座。到2005年底,我国已建和在建的高30m以上的大坝共4860座,其中大多为中小型土石坝,共占3256座。绝大部分的小型土石坝,量大面广且大多位于地震区。我国政府一贯高度重视大坝抗震安全。
3.3关于水库地震问题
汶川地震后对其是否与紫坪铺和三峡水库蓄水有关的问题曾在国内外都引起诸多争议。笔者认为出于对高坝大库抗震安全的关注持不同观点进行探讨,对促进高坝大库抗震安全的重视和加强深化研究是有利的。但学术争鸣需要基于实事求是的科学依据。由于这些分歧涉及到对水库地震的理解,为此,在对汶川大地震是否与水库蓄水有关之前,首先需要从水库地震的概述出发。
3.3.1对水库地震的理解
世界上已有30多个国家先后报导了100多个与水库蓄水有关的事例,但对其中一些事例是否与水库蓄水有关尚存有争议。其中被较普遍确认的不到一半。在最近国际大坝委员会(ICOLD)颁布的公报《水库触发地震-知识概述》中,列出了39个水库地震震例。但无论怎样统计,在全球为数众多的水库中,因水库蓄水引发水库地震的事例所占比率终归是极小的。高坝中的比率虽略高,但被确认的也不多。
3.3.2紫坪铺和三峡水库蓄水与汶川大地震无关
基于以上水库地震的认识和理解,就可以针对汶川地震是否是紫坪铺水库蓄水引起的问题作出回答。首先,紫坪铺周边距离龙门山断裂最近的岷江河道的洪水水位是EL884m,而紫坪铺水库的最高水位从未超过EL875m。汶川地震时,紫坪铺水库的水位接近死水位EL817m。因此,显然汶川地震不具备水库触发地震的水文地质条件。此外,紫坪铺水库地震监测系统早在2004年8月就已建成,而紫坪铺水库2005年10月才开始蓄水。监测记录表明,紫坪铺水库蓄水前后的地震活动性(包括月平均频次和震级)并无明显变化。
4结语
考虑到水库大坝、特别是高坝大库防止引发次生灾害的地震灾变的极端重要性,对我国水坝抗震防灾能力建设提出以下几点对策建议。
1)建议对我国地震区的重大水坝工程有步骤地进行全面的地震安全性复核和评价,并对存在问题落实相应的抗震安全保障措施。在这类工程的立项报审时,应提出对其抗震安全评估的专题报告。
2)世界各国历来都十分重视紧抓大地震后的调研总结工作,并在此基础上对抗震设计规范及时进行修订。汶川大地震使大量水库大坝经受了不同程度的震害,需要对震害实例进行详尽深入的调研、认真地分析总结其经验教训,并在此基础上,结合近期的有关科研成果,对我国已颁行10多年的《水工建筑物抗震设计规范》进行全面修编。修编中特别应补充:对重要大坝工程,不仅能满足目前抗震设计中最大设计地震单一水准的规定,还需要对场地地震地质条件下可能发生的极端地震即所谓最大可信地震下不发生溃坝灾变进行专门研究。建议有关部门对此项工作能做出具体安排,并切实落实各项相应的支持措施。
3)建议对较重要的水坝工程,要按《中华人民共和国防震减灾法》要求的抗震防灾应急预案的落实情况作定期检查。由于地震后及时泄放库水降低库水位是保障工程安全,尤其是防止土石坝漫顶,避免发生次生灾害最重要的有效措施,因而要重点检查大坝工程泄水结构和闸门结构的抗震性能,其启闭装置和备用电源设备和燃料需常备不懈,要注意防止泄水结构出水口附近山体边坡坍滑可能造成的堵塞。
4)目前作为抗震设计主要依据的基本基于以往工程实践经验和类比的方法,难以反映其强震时的实际性态和对震害实例做出合理解释。特别是西部强震区在建的一系列300m级的高坝大库,目前尚无工程实践经验和经受强震的震害实例。从保障其抗震安全、防止其遭受强震可能引发次生灾害的严重后果的战略任务高度出发,亟需按综合评价、创新突破的战略思路,紧密结合实际工程,大力加强学科交叉和国际协作,建立由国家科研单位发挥骨干和引领作用,高校发挥基础和生力军作用,产学研相结合的国家级的创新基地和专门的科研攻关项目,充分发挥我国能集中力量办大事的优势,以满足保障工程抗震安全和社会经济发展的迫切需要。
5)众多分布在地震区的小型水坝,一般都未经抗震设防,有些还属于病险库。因此建议对一些位于强震区且其失事时可能对下游地区造成较大次生灾害威胁的工程,应有重点地对其抗震安全性进行复核。特别在病险库鉴定和加固处理时,应包括对这类工程抗震要求的内容。
6)目前对3级以下的大坝尚无有关抗震设防的标准规定,建议有关部门对这类量大面广的工程,基于对已有震害经验教训的总结,着重于采取有效和可行的工程抗震措施,以及综合分析水库使用年限、地方的实际情况等因素,制定经济合理又可操作性强的专门的抗震设计导则,并做出其相应的行政管理规定。