水利水电工程震害分析及抗震措施建议

雷红富 苏 立

（中国长江三峡集团公司，成都 610042）

水利水电工程震害分析及抗震措施建议

雷红富 苏 立

（中国长江三峡集团公司，成都 610042）

通过对汶川地震、通海地震、唐山地震和澜沧-耿马地震中水利工程破坏情况的统计分析，本文以统计表的形式直观地反映了水利工程震害的特点及破坏形式。根据水利工程的震害特点，探讨分析了水利工程震害的主要影响因素，结果表明地震烈度、结构设计、施工质量、地基及场地条件是水利工程震害的主要影响因素。基于水利工程震害的特点及主要影响因素，探讨了水利工程的抗震措施，并对今后的抗震工作提出了一些建议。

地震 水利工程 震害分析 抗震措施

引言

据统计，我国己建成各类水库8.4万多座，其中小型水库总数为8.1万座，其余3000多座为大中型水库。水利工程遍布全国各地，成为我国经济发展和人民生活的重要保障。然而，我国地处世界上两个最大地震集中发生地带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震区域广阔而分散，地震频繁而强烈。据苏克忠等（1996）记述，14世纪以来，我国在近700年间，发生7级以上的大地震136次，对挡水和输水建筑物，包括大坝、堤防、水闸等设施造成严重破坏。1920年宁夏海原地震（8.5级），死亡20多万人，伤者不计其数；1976年河北唐山地震（7.8级），死亡24万多人，强震区的房屋、工业厂房与设备、城市建设、交通运输、水电设施等受到极其严重的破坏，邻近的水利水电工程震害严重；2008年汶川地震（8.0级）同样给水利水电造成严重的震害。地震中水利工程的震害极为普遍，本文针对20世纪以来发生的部分典型的地震对水利工程震害的情况进行了统计分析，探讨了水利工程震害的主要影响因素及一些抗震措施和建议。

1 水利水电工程震害统计及分析

1.1 汶川8.0级地震水利工程震害分析

2008年5月12日14时28分，我国发生了自建国以来震级最大的一次里氏8.0级特大地震，震中位于四川省汶川县映秀镇，震源深度 12km，震中烈度Ⅺ度，直接严重受灾地区达10万km2。四川省水库众多，据年鉴统计资料，四川已建成各类水库6678座，其大中型水库110座、小型水库6568座。受汶川大地震影响，许多水库出现震损，根据部、省、市、县、乡五级联合排查的结果（王华，2008），到6月12日，全省出险水库1996座，出险率达30%。其中，大中型水库震损69座（高危险情水库15座），占全省大中型水库总数的13.6%；一般险情水库54座，占全省大中型水库总数的49.1%。小型水库震损1927座（高危险情水库 364座），占全省小型水库总数的5.5%；一般险情水库1563座，占全省小型水库总数的23.8%。水库震损详细情况如表1所示。

在全省1996座出险水库中，绵阳、德阳、广元等6个重灾区出险水库1401座，占全省出险水库总数的70.2%。6个重灾区高危险情以上水库361座，占全省高危险情水库的95.2%；全省6568座小型水库中因地震出险1927座，占全省出险水库总数的96.5%。在379座高危险情以上水库中，小型水库364座，占全省高危险情水库总数的96.0%。统计情况如表2所示。

表1 汶川地震中水库震害情况统计表Table 1 Statistics of seismic damage to reservoirs after Wenchuan earthquake

表2 重灾区和小型水库震害情况统计表Table 2 Statistics of seismic damage to reservoirs in most affected area

1996座水库险情主要表现为：裂缝、渗漏、坝坡滑塌、启闭设备变形等，有的水库多种险情并存。水库险情中表现为大坝裂缝的1425座、大坝塌陷的687座、滑坡的354座、渗漏的428座、启闭设施损坏的161座、其它（如放水设施、溢洪道、管理房不同程度震损）的422座，统计情况如表3所示。

表3 汶川地震中水库震害类型表Table 3 Types of seismic damage to reservoirs in Wenchuan earthquake

从表3可以看出，大坝出现裂缝占大多数，其次为塌陷损坏，次之为渗漏和滑坡险情。调查发现，50%以上的水库多种险情并存。

1.2 云南通海7.7级地震水利工程震害分析

1970年1月5日1时0分37秒，云南省玉溪市通海县发生里氏7.7级地震。震中位于东经102.35°、北纬24.06°，在通海县高大乡五里村，震中烈度Ⅹ度，震源深度约13km，主震后发生5—5.9级余震12次，引起严重滑坡、山崩等破坏，水利工程受损严重。通过对不同烈度区水库的震损情况进行调查（赵建名等，2000），其震损情况如表4所示。

表4 通海地震不同烈度区水库震害情况表Table 4 Statistics of seismic damage to soil dams under different seismic intensities in Tonghai earthquake

在烈度Ⅵ度区内，调查水库2座，出险率为0；在烈度Ⅶ度区内，调查水库27座，高危险情水库占调查数的33.3%，一般险情水库占29.6%；在烈度Ⅷ度区内，调查水库16座，高危险情水库占调查数的56.3%，一般险情水库占25.0%；在烈度Ⅸ度区内，调查水库8座，高危险情水库占调查数的56.3%，一般险情水库占25.0%；在烈度Ⅹ度区内，调查水库6座，高危险情水库占调查数的66.7%，一般险情水库占33.3%。

表5是云南通海地震时各类地基上土坝破坏程度的统计情况。在烈度Ⅶ度区内，岩石地基水库出险率为57.1%；一般非岩石地基水库出险率为66.7%；软地基水库出险率为66.7%。在烈度Ⅷ度区内，岩石地基水库出险率为 66.7%；一般非岩石地基水库出险率为 88.9%；软地基水库出险率为100%。

表5 通海地震各类地基上土坝震害情况统计表Table 5 Statistics of seismic damage to soil dams on different foundation types in Tonghai earthquake

1.3 唐山7.8级地震水利工程震害分析

1976年7月28日3点42分56秒在唐山发生了7.8级地震，震中位于唐山开平区越河乡，东经118.2°、北纬39.6°，震中烈度达Ⅺ度，震源深度12km（孙立群，1987）。各类水利工程遭到严重破坏，地震区58座库容在100万m3以上各型水库，除15座无明显震害外，其余43座均遭受不同程度的震害；180多座大中型水闸、40余座10 m3/s以上大型排灌站遭受不同程度的震害。其中唐山市陡河水库，大坝下沉约1m，出现50余道横向裂缝，有的达1m宽、10m多长；抚宁县洋河水库，迎水面的石砌护坡多处滑动隆起，发电洞口护坡被震裂滑动；玉田县3座大型、2座中型和240座小型水库震坏，大坝滑塌开裂，防浪墙倒塌；北京市密云水库白河主坝水面以下6万m2的块石坡和砂砾保护层滑落（高建国，2003）。不同烈度区水库的震损情况如表6所示

表6 唐山地震不同烈度区水库震害情况统计表Table 6 Statistics of seismic damage to reservoirs under different seismic intensities in Tangshan earthquake

在烈度Ⅵ度区内，调查水库 126座，高危险情水库占调查数的 8.7%，一般险情水库占58.7%；在烈度Ⅶ度区内，调查水库254座，高危险情水库占调查数的39.0%，一般险情水库占50.4%；在烈度Ⅷ度区内，调查水库18座，高危险情水库占调查数的55.6%，一般险情水库占38.9%；在烈度Ⅸ度区内，调查水库1座，高危险情水库占调查数的100%。

1.4 云南澜沧-耿马地震水利工程震害分析

1988年11月6日，在云南省西北边境的澜沧、耿马县境内，只间隔13分钟，就相继发生了7.6级和7.2级2次强烈地震，震源深度分别为13km和8km，震中烈度均为Ⅸ度。11月30日，又发生了6.7级的强余震。这次地震的震级高、震源浅、强余震多。由于多次强震的叠加作用，致使震区房屋大量倒塌，工程设施严重破坏。

据王锡财等（1993）统计，在这次地震烈度Ⅵ—Ⅸ度区内，有 65座中小型水库受到不同程度的破坏，其中澜沧27座、耿马9座、双江16座、沧源13座。不同烈度区水库震害情况如表7所示。

表7 不同烈度区水库震害情况统计表Table 7 Statistics of seismic damage to reservoirs under different seismic intensities

从表7可以看出，烈度同震害指数的规律是明显的，即烈度愈高，破坏愈重。调查发现，在烈度Ⅷ度区的耿马弄巴水库，坝体由1座主坝、2座副坝组成，为均质土坝，地震时遭到了中等破坏，主副坝共出现纵向裂缝26条，开裂17条，坝内坡有1条纵缝，高出水面0.8m，土体向内滑动。在澜沧县城北面相距仅2km的佛房河水库和自来水水库，在烈度Ⅶ度时的震害差异如表8所示。

表8 相同烈度区内2个水库震害情况统计表Table 8 Statistics of seismic damage to two reservoirs under the same seismic intensity

从表8可以看出，在相同烈度区内震害程度也存在很大的差异，其原因与结构设计、施工质量、场地条件有关。佛房河水库的海拔高度比自来水水库低 50m，两坝肩横向开裂 11条，纵缝3条，最大缝宽5cm，坝顶呈鞍形沉陷，坝中最大下沉43cm，背水坡有滑移现象，涵洞漏水。而自来水水库土坝建造年代较晚，质量较好，所以无明显震害。

2 水利工程震害的主要影响因素分析

通过对汶川、通海、唐山、澜沧-耿马地震中水利工程震害的统计分析可以看出，水利工程震害的主要影响因素可归纳为以下4个方面。

2.1 地震烈度的影响

汶川地震中，6个重灾区中出险水库占全省出险水库的 70.2%；高危水库占全省高危水库的95.2%。通海地震、唐山地震、澜沧-耿马地震中，随着地震烈度的增大，水利工程的震害率、破坏程度等也随之增大，烈度Ⅸ度和Ⅸ度以上区域的这种趋势尤为明显。从汶川地震重灾区水利工程震害情况及通海地震、唐山地震、澜沧-耿马地震不同烈度区的震害率统计表可以看出，地震烈度对水利工程的震害影响非常明显。

2.2 结构设计的影响

调查发现，在建造时没有考虑或很少考虑抗震问题，以至于没有采取必要的抗震结构和工程措施的水利工程产生的震害是比较严重的。筑坝材料和坝型等都直接影响到水利工程的抗震性能。汶川地震中，小型水库出险1927座，占全省出险水库的96.5%。在379座高危险情以上水库中，有小型水库364座，占96%。这些小型水库大多修建于20世纪50年代或60年代，受资金和条件的限制，很多都是“三边”工程（王华，2008），绝大多数工程没有专门的抗震设计，并且出现险情及高危险情的大多数为土坝。可见水工建筑物结构设计也是水利工程震害的主要影响因素之一。

2.3 施工质量的影响

在地震作用下土坝出现的震害与坝的填筑质量有密切关系，即使筑坝材料和坝型比较好，也只有保证施工填筑质量才能充分发挥其抗震性能。在通海地震中台家山、牛白甸等水库的土坝填筑质量比较差，致使在地震中出现了破坏或严重破坏（赵建名等，2000）。还有不少坝在施工过程中采用分期建造的方式，在施工结合处往往由于处理不当，形成薄弱层面，致使坝的整体性降低，震害加重，如通海地震中回龙和台家山水库土坝就是这样。在澜沧-耿马地震中，同一烈度区的佛房河水库和自来水水库的震损情况就差别很大，由于两座大坝建设年代的不同和施工水平的不同，因而导致震害的情况也不同。在汶川地震中病险水库震后险情严重，现场核查发现（李茂华，2008），震损水库大多数在震前就属于病险水库，震前老化失修，震后危情突出，普遍存在坝基处理和坝体填筑（砌筑）质量差、坝体单薄（坝坡过陡、坝顶偏窄）、溢洪道老化严重、运行管理差等。由此可见，水利工程的施工质量对其震害的影响也很大。

2.4 地基及场地条件的影响

工程的场地条件和地基类别对震害程度有着明显的影响，工程的场地条件不同及地基类别不一样，在地震中震损情况差别很大。在岩性基础上的水利工程在地震中的震损程度明显比非岩性基础上的水利工程要轻，如通海地震中遭受破坏和严重破坏的土坝在岩性地基上的只占少数，在一般性地基上的约有半数，而在软弱地基上的则为多数（见表5）。汶川地震中建在基岩上的水利工程震害也明显比建在非基岩及软土层上的要轻。

3 水利工程抗震措施及建议

基于上述水利工程的震害特点，可以总结出以下水利工程的主要抗震措施及建议。

3.1 做好场址地震安全性评价及明确抗震设防标准

水利工程遭受震害的程度和类型等均随地震烈度的增大而增大，高烈度区尤为显著。因此，首先要做好对库区和坝址的地震安全性评价工作；其次各类工程应该根据其库区和坝址的地震烈度及自身的重要性，明确抗震设防标准。

3.2 按照抗震设计规范要求做好结构设计

历次大地震的震害调查表明，凡按抗震规范设计的各类结构和工程，一般都无震害或震害较轻（高孟潭等，2008）。抗震设计规范的作用已多次经实践检验，因此，各类工程都应该根据其抗震设防标准，严格按照抗震设计规范进行结构设计及采取相应的抗震措施。当遭遇设计烈度地震时，可达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标，不仅可以有效减少人员伤亡，还可减轻工程的灾害。

3.3 加强工程管理保证施工质量

鉴于设计和施工质量对震害的影响，应根据场地和地基条件选择合适的坝型和筑坝材料，采取适宜的基础形式和上部结构形式，做好防渗、防裂、防冲蚀等工程措施，坝体填土要达到一定的密实程度，预留足够的震陷超高，尽量避免在土石坝下埋设输水管等。同时在施工期间，必须严格管理，保证施工质量，避免产生震害的人为因素。

3.4 做好地质工程勘察及地震安全性评价

工程的场地条件和地基类别对震害程度有着明显的影响, 对新建的水利工程，其选址除了考虑一般的工程地质、水文地质条件外，还要将调查地震地质环境的影响放在首位进行，要查清选址区域内的活断层情况，远离活断层。同时，工程位置应尽可能选在覆盖层较薄、岩基较浅的地方；尽可能避免软基、细砂和极细砂地基。如不可避免，则应采取有效的抗震工程措施。

重大工程需由地震和工程部门共同对场址地震地质条件下可能发生的极端情况，即对最大可信地震及其地震动参数做专门研究，并对发震断裂的避让和在主震中已受损伤的大坝可能遭受的余震估计等进行研究，确保工程抗震设防满足地基及场地条件的要求。

3.5 适当提高水电工程易震损部位抗震等级

从汶川地震中水利工程的震害类型来看，裂缝占71.4%；塌陷占34.3%；渗漏占21.4%。因此，在抗震设计时，可适当提高易震损部位的抗震等级，如在其易损部位增设加强筋（箍），增强其整体连接性等；同时，在汶川地震中水利工程的附属结构，如泄洪、厂房进水口闸门操作的排架柱结构等震损严重，可适当提高这些附属结构的抗震水平，避免震后次生灾害的发生。

3.6 建立测震台网做好地震预警预报工作

水利工程抗震除采取工程抗震方法外，还可以通过建立地震台网，预测地震的发生，并结合地电、地磁、地下水等地震前兆，进行综合分析，提出地震预警、预报。人们可在地震发生前逃出，水利工程也能采取紧急措施，如放空水库、提前关闭机组，对水利工程要害部位采取相应的抗震措施等，减少地震灾害损失，减少人员伤亡。

4 结语

地震是一种自然灾害，目前还不能达到准确预报地震。因此，面对地震灾害，我们所能做到的只有采取有效的抗震措施来预防和进行震后的积极补救。从20世纪以来的几次典型地震对水利工程震害的情况看，地震的烈度、工程的结构设计、施工质量、地基及场地条件是工程震害的主要影响因素。针对这些影响因素，工程建设中应采取相应的抗震措施。新建的水利工程，要做好施工场地的地震安全性评价及抗震标准的确定工作，并严格依据抗震设防标准进行抗震设计和设防，加强工程建设管理，提高工程建设质量；对未达到抗震要求的应采取加固措施；已出现震害的建筑物工程，应尽快启动震区水利工程震害应急措施，使损失降至最低限度。同时加强地震监测台网建设工作的力度，做好地震资料的收集及预测预报工作，从多方面来减轻水利工程的震害及地震带来的灾害。

高孟潭，周本刚，潘华，2008.“5·12”汶川特大地震灾害特点及其防灾启示.震灾防御技术，3（3）：209—215.

高建国，2003.中国因地震造成的水库险情及其防治对策.防灾减灾工程学报，23（3）：80—91.

李茂华，朱爱林等，2008.水库震害险情与震损特点分析.人民长江，39（22）：19—21.

孙立群，1987.各类工程在唐山地震中的破坏规律和震害特征.建筑技术，（9）：23—26.

苏克忠，张力飞、朱栗武等，1996.大坝强震安全监测.北京：中国水利水电出版社.

王华，2008.汶川特大地震震损水库特点及恢复重建的思考.中国水利，22（2）：22—23.

王锡财，杨继恩等，1993.澜沧-耿马地震生命线工程及特殊构筑物震害.地震研究，16（4）：425—403.

赵建名，汪闻韶等，2000.关于水利工程震害及抗震研究的几点思考.清华大学学报（自然科学版），40（S1）：91—97.

Seismic Damage Analysis and Anti-Seismic Measures for Hydraulic Projects

Lei Hongfu and Su Li
（China Three Gorges Corporation, Chengdu 610042）

Through statistical analysis of seismic damage of hydraulic projects after large earthquakes of Wenchuan, Tonghai, Tangshan and Lancang-Gengma, the characteristics of seismic damage in hydraulic projects is obtained by the intuitive form of statistical tables. According the seismic damage characteristics of hydraulic engineering, we discussed the main factors of seismic damage in hydraulic projects. Our results in this paper showed that seismic intensity, structural design, construction quality, foundation and site condition are the main factors of seismic damage in hydraulic projects. Finally, we proposed some anti-seismic measures and recommendations in future seismic resistance work for hydraulic projects.

Earthquake; Hydraulic projects; Seismic damage analysis; Seismic resistance measures

雷红富，苏立，2011. 水利水电工程震害分析及抗震措施建议. 震灾防御技术，6（2）：116—123.

2011-03-23

雷红富，男，生于1983年。工学硕士。主要从事水库地震监测方面的研究工作。E-mail：cijpflx@163.com