水库诱发地震对混凝土坝的影响及抗震设防

张丽芬，廖武林，曾夏生，王秋良

（1．中国地震局地震研究所，武汉 430071；2．中国地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基础工程有限公司，武汉 430081）

水库诱发地震对混凝土坝的影响及抗震设防

张丽芬1，2，廖武林1，2，曾夏生3，王秋良1

（1．中国地震局地震研究所，武汉 430071；2．中国地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基础工程有限公司，武汉 430081）

水库诱发地震已成为影响大坝安全的重大环境问题，会给大坝造成不同程度的危害。以新丰江水库地震和柯依纳水库地震对大坝的破坏为例，探讨水库地震对混凝土大坝的影响。对于混凝土坝通常坝顶最易遭到破坏，坝顶的过坝公路及非结构建筑，增加了破坏的可能性，因此在抗震设计时需要考虑坝顶动力放大效应和坝体高阶振型对坝头应力的影响。利用实测的地震加速度记录，对大坝进行抗震反应分析，综合大坝地震应力分析来看，地震作用在坝踵处产生较大的拉应力，而坝趾附近的剪应力也较大。在刚度发生突变的位置及上下游坝面坡折部等易发生较大拉应力处，均为坝体的抗震薄弱部位。基于水库地震对大坝的影响，做好抗震设防是保障大坝安全的一个重要因素。

水库诱发地震；混凝土坝；动力响应分析；抗震设防

1 概 述

大坝是水利建设和能源建设的骨干工程，在国民经济发展中占有重要地位［1］。在水库大坝给社会带来巨大经济效益的同时，因蓄水诱发的水库地震也给人们带来了灾难，它已成为影响库、坝区及周围地区公共安全的重要影响因素之一。

水库诱发地震是指在库坝区存在发震条件（区域活动断裂构造，良好的导水渗水通道，发育的岩溶系统等）的前提下，因水库蓄水而诱使坝区、库盆或近岸范围内发生新的地震或使得原有地震活动性明显改变（加剧或减弱）的现象。

水库诱发地震最早在1931年发现于希腊的马拉松（Marathon）水库，20世纪60年代以来，先后在中国广东新丰江、赞比亚卡里巴（Kariba）、希腊科列马斯塔（Kremasta）、印度柯依纳（Koyna）等水库诱发了6级以上的强烈地震，同时在美国丹佛地区，发现了深井注水诱发地震的现象，使水库诱发地震引起了科学界的高度关注。我国迄今已报道的水库诱发震例近30例，其中得到公认的有17例，是世界上水库地震最多的国家之一［2］。从水库诱发地震的强度来看，全球发生6．0级以上强烈地震的仅占3%， 5．9～4．5级中等强度的占27%，发生4．4～3．0级弱震和3．0级以下微震的占到70%（分别为32%和38%）。在我国这一比例相应为4%、16%和80%。今天人们已经认识到水库诱发地震是关系到大坝安全的重大环境问题，因此在设计大坝时应给予必要的考虑。

2 水库诱发地震动特点

发震震级6级左右，震中烈度达Ⅷ度的水库地震震例共6例，均造成了较大震害。通过对这些震例的分析，可简单归纳水库诱发地震动特点如下［3］：

（1）地震序列由前震、主震和余震组成，前震多，余震衰减慢（衰减系数0．9），强余震和主震震级比高达0．87。

（2）频度 震级关系中的b值，前震为1．12，比余震1．04高，比构造地震0．72要大1．4～1．5倍。

（3）地震卓越周期短（新丰江0．07 s，柯依纳0．1 s）。

（4）诱发地震持续时间短，一般为同级构造地震的1／3～1／4。水库诱发地震垂直峰值与水平峰值加速度之比约为2∶3，构造地震约为1∶2。

（5）大坝与岩基相互作用效应明显。

水库诱发地震因震源较浅，一般不超过10 km，故较大震级的水库地震可能会对大坝及相关附属设施造成严重破坏。

3 水库诱发地震对混凝土坝的破坏

水库蓄水后可能导致构造应力的提前释放、库水压入溶洞引起塌陷和区域荷载重新调整导致岩石滑移均可能诱发地震［4］。诱发地震对大坝可能构成的危害有：①坝基在振动过程中错断、变形甚至失稳，岸坡崩坍塌等；②水库坝前松动体发生滑动，堵塞底孔，引起巨大涌浪，漫越坝顶，使坝体破坏失事；③地震荷载使坝体折断、开裂、漏水或失稳［5］。

3．1 水库诱发地震对新丰江大坝的破坏

新丰江水库位于广东省新丰江下游的亚婆山峡谷，库基由相对破碎的花岗岩组成。水库于1959年10月蓄水，之后不久，这个以往地震极少的地区，地震活动开始频繁发生。从1960年5月开始，不断有有感地震发生。1962年3月19日04时18分，在大坝东北1．1 km处发生6．1级地震，震源深度5 km，震中烈度Ⅷ度，这次地震成为我国截止目前最大的水库地震，对新丰江大坝造成了广泛的影响。

新丰江大坝坝型为混凝土单支墩式大头坝，坝高105 m，共有19个支墩，支墩间距18 m，左右两岸由重力坝与坝肩相连。坝顶全长440 m，坝底最大宽度107 m。坝体座落在裂隙风化带上，断层及节理、裂隙较为发育，对大坝抗震不利。原大坝区基本烈度为Ⅵ度，可以未考虑抗震设防。1960年7月18日大坝附近发生4．3级度地震后（烈度为Ⅵ度），政府果断决策，按Ⅷ度标准对大坝进行紧急加固。1962年3月19日6．1级地震发生前，加固工作基本完成，所以主震未造成溃坝，但也造成左右岸段发生裂隙渗水，坝段间接缝止水受损。大坝中部下游的发电厂局部破损［6］。此外，还造成大坝右侧接近顶部108 m高程处产生长82 m的贯穿性水平裂缝。经动力学分析认为［7，8］，主要是坝体结构本身的原因，坝体上下刚度分布不够均衡，上部刚度相对过小，反映在计算分析中，振型参与系数较大，使得坝顶最大加速度放大倍数即动力系数很大，遂在坝体上部产生了很大的水平惯性力，致使在坝体上部产生了很大的地震拉应力。左侧同一高程有断续水平裂缝，长13．5 m，出现轻微渗漏现象。

3．2 水库诱发地震对Koyna大坝的影响

Koyna大坝位于印度半岛地盾上，在1966年修订的印度地震区划图上表明该区是无震的。该坝为一长约854 m的重力结构坝，大坝用许多平均宽16 m的钢筋混凝土石柱建成。1967年Koyna 6．4级水库地震距大坝仅2．4 km［9］。地震发生后，尽管大坝未出现溃坝垮塌现象，但给大坝及附属工程造成了严重破坏［10］。在坝顶处，高17m、宽10 m的吊机塔遭受了严重破坏。预制水泥镶板和钢筋混凝土柱的主构架有许多地方破裂。横过坝顶上游一侧与石柱的封缝之间垂直孔上覆盖的松动花砖被抛到下游一侧。该运动的影响破坏程度从坝端向坝中心前进而增大。26＃和27＃石柱之间的收缩缝顶部变窄而底部变宽。跨度15 m的溢洪道桥遭受大量破坏。其他石柱也出现不同程度的水平和纵向裂缝。大坝下游一侧许多石柱上看到了严重的漏水现象（图1）。

图1 Koyna大坝震害立视图Fig．1 Elevation view of earthquake damage in Koyna Dam

由此可以看出，对于混凝土坝通常坝顶最易遭到破坏，这是因大坝震动引起加速度放大造成的。坝顶的过坝公路及非结构建筑，增加了破坏的可能性［9］。对支墩坝，应加强结构的整体性使支墩有足够的侧向刚度。为此，坝体下游面宜联结成整体，各支墩坝段的头部要有足够的接触面；重力坝和支墩坝的上部是抗震薄弱部位，要适当提高这部分混凝土的等级；坝体体形应简单，避免突度；宜减轻坝体上部重量，尽可能增大刚度；需要考虑坝顶动力放大效应和坝体高阶振型对坝头应力的影响［11］。

4 混凝土坝对水库诱发地震的动力响应分析

4．1 混凝土坝的地震动力响应

地震时大坝的反应是一种瞬时性的动力振动现象［7］，目前结构抗震设计规范所提到的计算结构地震作用效应的方法主要有3种：拟静力法、反应谱法及时程动力分析法。

拟静力法是将结构的重力作用、设计地震加速度与重力加速度的比值、给定的动态分布系数三者乘积作为设计地震力的静力分析方法。在传统应用于大坝抗震设计的拟静力极限平衡分析方法中，将地震惯性力以一等效的拟静体积力施加在整个坝体上，采用极限平衡方法计算安全系数。大坝震害调查表明，拟静力分析方法并不能准确地评价大坝的抗震安全性［11］。

振型分解反应谱法及底部剪力法都是动力法中的反应谱法，即按标准反应谱、考虑地震时的地面加速度a0（t）所引起的结构自身的加速度动力反应，并以作用在结构上的地震惯性力来表示，把动力问题转化为静力问题处理。时程动力分析法是将表示地面加速度的地震波a0（t）直接输入结构的动力方程，求解结构振动时的位移x（t）。目前结构抗震设计规范未对时程动力分析法所得结果的处理以及设计标准做详细规定。

作为少数几个在强震中破坏且有比较完整记录的重力坝之一，Koyna坝一直是大坝抗震分析中的经典研究对象。坝基尺寸长为103 m，宽70．2 m，6．4级地震发生时，水库水位为91．75 m。地震时实测地面最大加速度，坝轴向0．63 g，顺河向0．49 g，竖向0．34 g［9］。

考虑动力作用下应变率效应对材料非线性行为的影响，对Koyna混凝土重力坝在竖向地震动作用下的非线性行为进了动力学分析。利用实测的地震加速度时程记录（图2），对大坝进行了抗震反应计算，从而得到了重力坝的竖向地震动应力分布规律。

由图3（b），（c）可以看出，大坝的竖向动应力在靠近坝体上、下游表面的动应力较大，而在坝身内部动应力较小；上游坝面附近区域的竖向动应力大于下游面附近区域的应力。应用弹塑性损伤力学模型计算出的Koyna大坝在6．4级水库地震波作用下损伤的发展情况，大坝的受拉损伤分布云图（图3（d））表明，大坝受拉破坏主要集中在629m高程处的下游坡折面、上游表面以及坝踵处，这与应力分析结果基本吻合［12］。而实际地震造成的许多坝体水平裂缝，也主要集中于629 m高程的坡面改变处。裂缝集中在下游坝坡发生变化的高程，呈水平分布。部分坝段上下游均发现裂缝，计算与实际发震情况基本一致。

图2 Koyna地震时程响应Fig．2 Tim e history response analysis for Koyna Dam

大量的大坝抗震实例分析表明，采用加速度时程分析法得到的结果跟重力坝的模型试验结果基本吻合，时程分析方法能够更加真实地反映重力坝的地震响应。本文得到的规律可以作为该重力坝的抗震分析的依据，对其它类似重力坝的地震反应分析也有一定的实际意义。

4．2 基于应力分析的大坝震害防治

综合大坝地震应力分析来看，在刚度发生突变的位置，如坝基面，以及上下游坝面坡折部等体形易发生较大拉应力处，均为坝体的抗震薄弱部位［13］。

图3 Koyna大坝地震竖向正应力及受拉损伤分布Fig．3 Distribution graph of seism ic vertical stress and tensile damage of Koyna Dam

地震动力分析表明，地震作用在坝踵处产生较大的拉应力，而坝趾附近的剪应力也较大。混凝土具有层面抗拉强度和抗剪强度较低的特点，这使得在地震作用下，坝踵和坝趾处的抗拉和抗剪状况恶化。因此，为保障坝体安全，在混凝土重力坝坝体底部设置一层常态混凝土是一种有效的方法。在坝体上游坝面坡折点附近，出现了范围不大的应力集中。因此，在其附近，靠近上游坝面10～20 m范围内，采用高胶凝材料，提高层面抗拉强度，对抗震是有利的。

坝体顶部是竖向地震动应力最大值出现的部位，下游坝面坡折处是剪应力最大值出现的部位，即在地震力作用下，坝顶部位的拉应力和剪应力都是较大的，而碾压混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，因此，采用常态混凝土对坝体抗震是十分有益的［14］。

5 水库诱发地震的大坝抗震设防

5．1 建立水库地震震例数据库，为设计烈度的选定提供资料

随着水电工程建设的快速发展，水库地震的危险性也相应提高，做好抗震设防势在必行。目前，主要是利用统计回归方法，建立水库地震震级 烈度关系，初步选定场地基本烈度。因此，建立相应的震例数据库，归纳整理已发水库地震震级与震中烈度的相关资料，探寻有效的水库地震预测方法，对抗震设防烈度的选定具有重要的现实意义。基于此，笔者建立了基于ACCESS平台的水库震例基础数据库。该数据库共收集国内外水库震例134例，建立元参数21个。依据震例信息进行了系统归类，包括水库基础地理信息、水位库容信息、地质环境信息（包括库区断裂、构造应力场、水文地质条件、库区岩性等）、地震活动信息（水库蓄水时间、地震三要素、震中烈度、对大坝的影响破坏等）等几个模块，实现了资料的数字化，并建立了相应的属性及图形数据库。通过创建表、窗体、查询，实现了数据库的添加、修改、删除、查询等功能。在查询的基础上，对数据库进行完善，实现了数据库的智能统计计算以及绘图等功能，方便快捷。

5．2 选取合适的反应分析方法，做好抗震设计

水工建筑物抗震设计分析方法，对于构造地震已有规范可循，程心恕［3］对水库诱发地震反应分析方法提出了一些建议。针对坝高大于100 m、库容大于10亿m3的高坝大库，预测震级在5级以上，震中烈度达VII度及以上的，比较适合选用动力分析法。而对于坝高大于70 m、库容介于1亿m3和10亿m3之间的水库大坝，预测震中烈度在VII度以下的，可以用动力分析法或拟静力分析。而坝高小于70 m、库容小于1亿m3的，预测震中烈度为Ⅶ度或以下者，可用拟静力法进行分析。

采用拟静力法分析时，可按抗震规范取值。采用动力分析法时，最好采用水库诱发地震的强震加速度记录或其反应谱，然后根据所设计的水库地震预测震级进行幅值修正，并考虑到记录资料一般在坝基处获得，因此，可近似认为已包含了大坝与岩基的相互作用效应。

5．3 加强水库地震监测，确保大坝安全

由于实际地震提供的资料是对大坝抗震性能最好的测试，所以，众多大坝都已布设了水库地震监测台网以及设置了适当的强震仪器，以便获得更多的定量数据资料，来验证抗震安全性能的评价步骤和方法。在前期勘测阶段或开始施工阶段就应进行地震监测台网建设，积累地震本底资料，以便对比水库蓄水前后地震活动的变化情况。据不完全统计，设立了地震台站的大型水库工程已经超过40座，设立了比较先进的遥测地震台网的目前已有11个。大坝地震监测是及时获取实际地震资料进而进行大坝安全评估、采取相应对策的重要基础。因此，我国现行的水工建筑物抗震设计规范明确规定对于大中型工程应进行地震监测设计，布置监测台阵。我国很多大中型水库都布置了地震监测台阵，如三峡、龙羊峡、二滩等。这些地震监测设备目前都获得了有价值的监测资料，为大坝的安全运行以及提高今后大坝的抗震设计水平发挥了重要作用。

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（编辑：曾小汉）

Im pact of Reservoir Induced Seism icity on Concrete Dam s and Earthquake Fortification

ZHANG Li fen1，2，LIAOWu lin1，2，ZENG Xia sheng3，WANG Qiu liang1
（1．Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China；2．Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China；3．Investigating and Foundation Engineering Co．Ltd in Middle South，Wuhan 430081，China）

Reservoir induced seismicity has been the importantenvironmental problem affecting a dam safety，which can generate some extent damage to a dam．In this paper，taking the Xinfengjiang Reservoir induced seismicity and Koyna Reservoir induced seismicity for examples，we discussed the impacts of reservoir induced seismicity on the concrete dams．It can be seen that，for this kind of dams，the dam crest is the prone to damage position，addition ally，the roads and the non structural constructions on the crest increase the possibility of damage．Therefore，when one does the seismic design，the dynamic interaction and the effects of the higher order vibration modes on the stress of the dam crest should be taken into consideration．On the basis of observed seismic acceleration records，the seismic dynamic response analysiswas done．It shows that the dam heel and toe are the areas of high tensile stress，and it is critical in the stress analysis of concrete dams，and that the stiffnessmutation position and the breakthroughs of slope on the upstream face and downstream face are theweak regions of earthquake resistantbuild ing．In summary，considering the various impacts of reservoir induced seismicity on dams，a good earthquake forti fication is the key factor ensuring the dam safety．

reservoir induced seismicity；concrete dam；dynamic response analysis；earthquake fortification

P315．1

A

1001－5485（2010）05－0071－05

2010 03 02；

2010 03 29

国家自然基金重点基金项目（40730317）；中国地震局地震研究所所长基金（IS200956052）

张丽芬（1981 ），女，山东泰安人，助理研究员，现从事水库诱发地震研究工作，（电话）027 87166247（电子信箱）zhanglf112＠163．com。