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浅谈地震与大坝安全
chen在2009/5/11 16:58:29发表,被浏览9659

徐泽平
(中国水利水电科学研究院岩土所)

1. 概述
    宇宙间的一切事物都是处于运动状态,地球及其表层的地壳也不例外。地震是地壳构造运动的一种表现形式或结果,它是由地壳岩层局部破裂而引起的一种振动,是一种自然界中普遍存在的自然现象。当地下某处岩石突然破裂、或因局部岩层塌陷、火山爆发等发出振动,并以波动形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃,这种地面运动现象就叫做地震。
  3级左右的有感地震每年发生约5万次,但它们对人类的生命安全和工程设施并无危害。破坏性地震(5~6级)每年约140余次,能造成严重破坏的7级以上大地震平均每年有18次。很多大地震发生在人烟稀少地区或辽阔的海洋里,但也有相当一部分大地震发生在人口稠密地区,造成了巨大灾害。
  我国幅员辽阔,世界上最活跃的三个地震带其中有两个(环太平洋地震带、欧亚地震带)都延伸到我国境内,我国大陆处在印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的联合挤压下,因此,我国是一个多地震的国家,历史上曾多次发生强烈地震,所遭受的损失也是相当惨重的。1556年1月23日陕西华县发生8级大地震,死亡人数达83万。1920年宁夏海原发生8级地震,死亡20万人。1976年7月28日唐山7.8级大地震,死亡24.2万人,伤16万人,经济损失数百亿元。
    我国同时也是一个水利水电资源十分丰富的国家。中国水资源总量2.8万亿立方米,其中河川径流量2.7万亿立方米。中国的河流众多,其中水能蕴藏量1万千瓦以上的河流有3800多条。根据2003年完成的全国水能资源复查成果,全国水能资源理论蕴藏量为6.94亿千瓦,年电量60829亿千瓦时,其中技术可开发量5.42亿千瓦,年电量24740亿千瓦时,约占全世界水能资源总量的六分之一,居世界第一位。中国还是世界上最早建坝的文明古国之一,新中国成立以来,我国建设了8万多座水库,其中坝高大于30m的大坝已有4800余座,这些水库和大坝在帮助中国人民摆脱贫困和促进经济社会发展中发挥了巨大的作用。进入21世纪,大坝在我国可持续发展进程中仍然具有极其重要的战略地位。
    随着我国水利水电开发和大坝建设的持续发展,将不可避免地遇到在高地震烈度区建设大坝工程的安全性问题。事实上,在近几十年中,我国的地震频繁,仅在20世纪内,震级等于或大于8级的强烈地震已发生9次之多。数千座水库大坝、水闸、泵站,数千公里的堤防,数万口机井等水工建筑物遭到地震袭击。但是,在这些工程中,有的因在设计中采取了合理的抗震措施而未遭损害,有的因工程质量好,符合抗震要求而震害轻微,有的根据预报在震前进行了处理和加固而防止了严重破坏,有的在地震后及时对震害进行处理和加固而未发生水库垮坝和河堤溃决等次生灾害。许多遭受地震灾害的水库大坝、河堤、水闸等工程,因及时处理修复而仍能保持正常运行,继续发挥效益。总体而言,对于水库大坝等工程,只要是在充分地进行地震风险分析的基础上,精心设计、精心施工、严格管理,就可以有效地减轻地震灾害的损失和防止严重的地震次生灾害。

2. 地震成因分析
    地震成因可粗略分为火山地震、诱发地震和构造地震三大类型。火山地震是由于火山爆发、岩浆猛烈冲击地面而引起的地震。诱发地震是由于人工开采、抽水、蓄水以及地面陷落引起的地震。而世界上绝大多数地震均属于构造地震,它是地壳构造运动中产生的地震。这样的地震破坏性大,波及面也较广。
    一定地区内地震的发生按时间顺序排列可以形成一个地震序列。在地震活动性研究中,地震序列的分析通常在一个地震活跃期内进行。某一地点发生强烈地震后,则可把该地先后发生的各次地震合称一个地震序列。
    地震序列一般可划分为前震、主震和余震。主震是指地震系列中最大的一次地震(一般释放的能量占全系列的90%以上),前震是指主震前的一系列小地震,余震是指主震后的一系列地震。主震型地震主要表现为有突出主震的地震序列。 震群型地震没有突出的主震,主要能量通过多次震级相近的地震释放出来,通常有几个较大的地震接连发生 ,最大地震的能量一般不超过全序列的80%。1966年河北邢台地震即属于震群型。日本松代地震群是世界地震记录中最长的一次地震群活动。 孤立型地震只有极少前震或余震,地震能量基本上通过主震一次释放出来。
    地震时岩层破裂产生的强烈振动以波的形式从震源向各方向传播,形成地震波。地震波是地震释放能量的方式,它是由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震波分为纵波、横波和面波,总体称为体波。振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波),振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)。来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动,来自地下的横波能引起地面的水平晃动。横波是地震时造成建筑物破坏的主要原因。

2.1 世界地震带分布
    地球上的地震活动与地壳板块有着密切的关系。世界上的地震分布非常不均匀,绝大多数地震都分布在南纬60度和北纬60度之间的广大地区,南极和北极地区很少有地震发生。世界地震分布的最大特点是具有全球规模的带状分布现象。图1所示为地壳板块与地震带分布[1]。全球地震分布可划分为四条巨大地震带:
  (1)环太平洋地震活动带:该带在东太平洋主要沿北美、南美大陆西海岸分布,在北太平洋和西太平洋主要沿岛屿外侧分布。环太平洋地震带是地球上地震活动最强烈的地带,全世界约80%的浅源地震、90%的中源地震和几乎所有的深源地震都集中在该带上。所释放的地震能量约占全球地震能量的80%。
  (2)地中海--喜马拉雅地震活动带:该地震带横贯欧亚大陆,大致呈东西向分布,全带总长约15000公里,宽度各地很不一致。西起大西洋亚速尔群岛,穿地中海、经伊朗高原,进入喜马拉雅山,在喜马拉雅山东端向南拐弯经缅甸西部、安达曼群岛、苏门答腊岛、爪哇岛至班达海附近与西太平洋地震带相连。该带的地震活动仅次于环太平洋地震带, 环太平洋地震带外的几乎所有的深源、中源地震和大多数的浅源大地震都发生在这个带上。该带地震释放的能量约占全球能量5%。
  (3)大洋中脊地震活动带:此地震活动带婉蜒于各大洋中间,几乎彼此相连。总长约65000公里,宽约10007000公里,其轴部宽100公里左右。大洋中脊地震活动带的地震活动性较之前两个带要弱得多,而且均为浅源地震, 尚未发生过特大的破坏性地震。
  (4)大陆裂谷地震活动带:该带与上述三个带相比其规模最小,不连续分布于大陆内部。在地貌上常表现为深水湖,如东非裂谷、红海裂谷、贝加尔裂谷、亚丁湾裂谷等。 大陆裂谷地震活动性也比较强,均属浅源地震。


图1 地壳板块与地震带分布(资料来源:Newton科学世界)


2.2 中国的地震带分布
    中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分发育。
    我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。这五个地区是:①台湾省及其附近海域;②西南地区,主要是西藏、四川西部和云南中西部;③西北地区,主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓;④华北地区,主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾;⑤东南沿海的广东、福建等地。我国的台湾省位于环太平洋地震带上,西藏、新疆、云南、四川、青海等省区位于喜马拉雅-地中海地震带上,其他省区处于相关的地震带上。
    中国大陆处于两个全球性活动地震带之间,地震构造变得十分复杂。根据地震和构造的差异性,可将中国划分为四个地震构造区:
  (1)台湾地震构造区。包括台湾省及其邻近海域,是中国地震活动最频繁的地区。该区地震的发生与太平洋弧构造、台湾岛及周围的活动构造(包括火山弧、山间拗陷、新生代褶皱带西部边缘拗陷)运动有关。地震断层呈北北东向,为逆-左旋走滑性质。
  (2)青藏高原构造区。范围包括青藏高原的全部和川滇高原的西部,是中国地震活动最强烈的地区之一。新生代以来强烈隆起,构成世界上最雄伟的高原,也是中国地壳厚度最大的地区。地震多集中于北西-东西-北北西弧形展布的断裂系以及北东向、南北向的断裂上。
  (3)新疆地震构造区。是中国强震多发区之一。地震发生与巨大大的新生代挤压型盆地及其间的造山带运动有关。最大的准噶尔和塔里木盆地内部较稳定,很少地震发生。其间的天山、阿尔泰山强烈隆起,地震多发生在山区与平原区交界处。地震断层呈东西或北西走向,北西及北北西走向者多以挤压兼右走滑为主。  
  (4)华北地震构造区。是中国地震构造研究最细的地区。新第三纪以来构造运动非常强烈。深部构造表现为地壳拉薄和上地幔隆起,还发现有局部壳内低速层存在;浅部则表现为裂谷和地堑盆地的形成以及断裂的新活动。构造线以北北东为主,北西向次之。  
  (5)东北地震构造区。新生代以来构造运动较弱,是中国地震活动最弱的地区。中、小地震常发生在新活动的北东向和北西向断裂上。该区东北边缘一带为深震区,最大震源深度达590公里。从板块构造观点看,它是西太平洋俯冲带的一部分。
  (6)华南地震构造区。新生代构造整体比较稳定,构造运动幅度和地震强度都较小,只有东部沿海和长江中下游一带较为强烈。构造线和地震断层以北东向为主,北西向次之。

2.3 近期重大地震事件的成因分析

2.3.1 日本阪神地震
    1995年1月17日,日本坂神发生7.2级地震,地震波及日本关西地区京都府、大阪府、福井县、滋贺县、兵库县、歌山县和奈良县等2府5县,极震区在兵库县南部,震中位于神户东南60公里处的淡路岛。震中最大垂直振幅10厘米,最大水平振幅18厘米,震动加速度为818厘米/秒,震源深度20公里,震害类型为破坏力最为严重的城市直下型。
    坂神地震的震中位于明石海峡,构造上处于北东走向的野岛断裂和六甲山断裂的过渡地带,这两条以走滑为主的活动断裂是坂神地震的发震构造(图2)[2]。从地质构造背景、余震活动、地震地表破裂和强地面运动等方面判断,野岛断裂和六甲山断裂为逆走滑断裂,它们走向相同,但倾向相反,上升盘与下降盘呈对角对称分布,由此构成了一条枢纽性走滑断裂。坂神地震就发生在该断裂的枢纽轴部,走滑断裂的枢纽运动是这次大地震孕育和发生的构造条件。

图2 兵库南南部及其邻近地区活动断层分布图(资料来源:地震学报1996.11)


2.3.2 台湾南投地震
    1999年9月21日凌晨1时47分,台湾南投县集集发生7.6级大地震,震源深度为10公里左右,重灾区在日月潭地区。该区有许多活断层,开始是“双冬断层”发生活动,同时牵动相邻的车笼埔断层的大规模滑动,导致断层沿岸的丰原、大境、务峰、中兴新村、南投和名间、竹川等市县村镇地区的灾难性破坏,大部分地段被夷为平地。
    台湾是我国地震活动最多的省份,它位于太平洋地震带。当太平洋板块撞击欧亚板块的时,形成了一个俯冲带,这就是台湾东侧的海沟,台湾的大多数地震都发生在海沟里,而南投集集地震,则从海底转移到了岛上。从地震的成因看,此次地震为车笼埔断层活动所致[3]。该断层为一个南北走向、向西逆冲的断层(图3)。断层的长度超过100公里,断层的活动造成上盘(位于东侧)隆起19米。其活动范围南至端竹以南的桶头,北至丰原后转向东,在大甲溪流域的石冈东势一带形成新的破裂面,并继续延伸至大安溪卓闌内湾一带,造成这一地区严重的震害,包括桥梁塌陷与石冈坝混凝土的损毁,并在大甲溪河床上形成6米高的瀑布。
集集大地震在地表所造成的破坏,整体而言,地表变形分布延展,地形上主要沿山麓区与平原区的交界分布。地质上所错动的地层,上盘岩性为泥岩与砂岩互层,属上新世锦水页岩与卓闌层界面附近的地层,下盘岩性为砾岩,属更新世头岭山层或全新世冲积层。地表变形主要位于旧有断层剪动范围内,因此是旧断层再活动的结果。

图3 集集大地震车笼埔断层示意图(资料来源:台湾大专生通识教材)

图4 车笼埔断层各地抬升量变化图(资料来源:台湾大专生通识教材)


2.3.3 河北唐山地震
    1976年7月28日凌晨3时42分56秒,河北省唐山市发生7.8级强烈地震。唐山地震是极为少见的城市直下型地震,其灾难之惨重,损失之巨大,为人类历史所罕见,被列为20世纪10次破坏性最大的地震灾害之首。
    唐山地震后,从地震的等烈度线、地形变、小震活动、震源物理等资料可以证明发生唐山地震的构造是一条长约80140公里的断裂带。但学术界对于唐山地震的发震断层尚存在争论。有学者认为唐山断裂是高角度西倾的逆冲走滑断裂,也有学者认为唐山市东侧付庄西河断裂是唐山地震的发震断裂。关于唐山地震的构造背景,有部分学者认为其与华北平原东部长约350公里的沧东断裂带和长约500公里的聊城-兰考断裂带组成的NNE向活动构造带密切相关。唐山断裂带虽然是发生唐山7.8级地震的单独破裂段,但同时也可视为华北平原NNE向断裂带向北扩展活动的结果。

图5 唐山断裂带与周边第四系分布(资料来源:地震学报2006.6)


2.3.4 四川汶川地震
    2008年5月12日14时28分,在四川东部龙门山构造带汶川附近发生了8.0级强烈地震。此次地震不仅在震中区附近造成灾难性的破坏,而且在四川省和邻近省市大范围造成破坏,其影响更是波及到全国绝大部分地区乃至境外,是新中国建立以来我国大陆发生的破坏性最为严重的地震。
    汶川地震发生在四川龙门山逆冲推覆构造带上。该构造带是青藏高原内部巴颜喀喇地块和中国东部华南地块的边界构造带,经历了长期的地质演化历史,具有十分复杂的结构和构造。晚新生代的构造变形主要集中在灌县-江油断裂(前山断裂)、映秀-北川断裂(中央断裂)和汶川-茂县(后山断裂)及其相关褶皱之上,这次8级强震发生在映秀-北川断裂之上,是龙门山逆冲推覆体向东南方向推挤并伴随顺时针剪切共同作用的结果(图6和7)。

图6龙门山断裂带及强震分布(资料来源:国家地震局网站)

图7 汶川地震模型(资料来源:Newton科学世界)

  映秀-北川断裂全新世(10000年)以来具有明显的活动性,其长期地质滑动速率小于每年1毫米。GPS观测表明龙门山构造带的现今构造变形也是以逆冲和右旋剪切为特征,但变形速度不大(图8)[6]。因而,龙门山构造带及其内部断裂属于地震活动频度低但具有发生超强地震的潜在危险的特殊断裂。
    汶川地震的发生及龙门山向东南方向推覆的动力来源是印度板块与欧亚大陆碰撞及其向北的推挤,这一板块间的相对运动导致了亚洲大陆内部大规模的构造变形,造成了青藏高原的地壳缩短、地貌隆升和向东挤出(图3)。由于青藏高原在向东北方向运动的过程中在四川盆地一带遭到华南活动地块的强烈阻挡,使得应力在龙门山推覆构造带上高度积累,以至于沿映秀-北川断裂突然发生错动,产生8.0级强烈地震(图9)。

图8 龙门山断裂带及其相邻区活动断裂示意图(资料来源:地球物理学报2008.7)

图9 青藏高原向北和向南运动对龙门山构造带形成的挤压构造示意图(资料来源:国家地震局网站)

  综合多个研究机构得到的汶川8级地震的震源机制解表明,地震破裂面南段以逆冲为主兼具右旋走滑分量,北段以右旋走滑为主兼具逆冲分量,该破裂面从震中汶川县开始破裂,并且破裂以3.1公里每秒的平均速度向北偏东49°方向传播,破裂长度约300km,破裂过程总持续时间近120秒,地震的主要能量于前80秒内释放,最大错动量达9米,震源深度约10多公里,矩震级7.9,面波震级8.0。5月12日20时5.7级强余震以逆冲破裂并具有明显右旋走滑分量,破裂面走向与主震相近,震源深约10公里。5月13日7时6.1级强余震以逆冲为主具有少量右旋走滑分量,破裂面走向较主震破裂面走向逆时针旋转约25°,震源深约10公里。

图10 汶川地震断层破裂过程(资料来源:Newton科学世界)
(整个断层破裂过程经历80秒,图中星号位置为破裂起始点,时间单位为秒)

图11 汶川地震断层破裂图(资料来源:Newton科学世界)
(图中可见断层方位(北向东229),断层倾角(32),破裂长度(216 km),宽度(45 km)和应力强度(颜色越深,强度越大))


3. 水库诱发地震分析研究
    水库诱发地震是指在兴建水利水电工程中,由于水库蓄水而引起的地震活动。世界上一部分大型和特大型水库蓄水后都伴有地震活动。观测研究表明,相当一部分水库蓄水后的地震活动水平和活动特征都与蓄水前具有明显的差异。特别是高坝大库蓄水后地震活动明显增多的例子较多。水库诱发地震在时间和空间分布,震源机制,序列特征等诸多方面与天然构造地震相比较,有其自己独有的特征。据资料统计,目前世界上已有一百余个水库诱发地震例子,我国有二十余例。尤其是坝高100米以上,库容亦达10亿立方米以上的水库发生诱发地震的概率较高。在我国已发生诱发地震的高坝水库约占总数的四分之一,且不少诱发地震均发生在天然地震的少震区和弱震区。
    通常,水库诱发地震的震中都紧邻重要水工设施,特别是中强水库诱发地震多发生在库坝附近的深水库区及其周边。水库诱发地震的震源浅,震中烈度高,破坏性大。中强以上的水库诱发地震不仅会可能造成水工设施的毁坏,而且还可能引起严重的次生灾害而危及下游安全。六十年代以来,我国新丰江水库,赞比亚与津巴布韦界河上的卡里巴水库、希腊的克里马斯塔水库和印度的柯依那水库等都先后诱发了6级以上的上的地震,造成了较严重的破坏和人员伤亡。其中坝高105米的新丰江水库6.1级地震和坝高103米的柯依那水库6.4级地震都是在少震区诱发6级以上地震的例子。柯依那水库发生的MS6.4级地震是目前世界上最大的诱发地震震例。该地震使柯依那市大多数砖石房屋倒塌,死伤约2500人。坝高128米的卡里巴水库是世界上库容最大的水库,库区历史上无地震活动记载。蓄水诱发的6.1级主震发生在开始蓄水四年后。坝高165米的克里马斯塔水库虽然位于地震活动活跃区内,但蓄水前的一百多年中从未在库区内观测到大于6级以上的构造地震。克里马斯塔是蓄水后唯一的发生了四次6级以上水库诱发地震的例子,且蓄水后仅六个月即发生了第一次6.2级地震。在我国水库建设历史上影响最大的1962年3月19日新丰江大坝附近发生的面波震级为6.1级的地震,其震中离大坝仅1.1公里,震中烈度高达Ⅷ度。这次地震使刚按Ⅶ度加固的大坝出现了长达82米的水平贯穿性裂缝,发电机组和开关站均受损坏而停止运转。此后,一个月之内便发生了3.0级以上地震58次,频度很高。
水库诱发地震的发生是有条件的,并不是所有的水库蓄水都会诱发地震。研究表明,水库诱发地震有两种重要的类型:快速响应型和滞后响应型。快速响应型水库诱发地震与水库水位变化密切相关,水库蓄水后,很快发生地震。快速响应型地震的成因之一是岩溶塌陷或气爆,多发生于溶洞发育的石灰岩库段。水库荷载引发的地震也属快速响应地震的范畴。另一类型地震则要在开始蓄水相当长一段时间后才发生。其滞后时间长短各不相同,一般为数月到数年不等。滞后响应型水库地震释放构造能,它的发生与库水沿断层渗透、断层面摩擦系数降低和岩石抗剪强度降低有关。因此,这一类型地震的强度与水库水位的变化的关系不明显。构造型诱发地震的强度主要取决于发生地震的构造贮能,与蓄水时间的长短无关。破坏性大的水库诱发地震多为滞后型地震。
    从目前的研究成果看,水库诱发地震的基本的特征主要表现为以下几个方面:
    (1) 时间特征:诱发地震的产生和活动性与水库蓄水密切相关。百分之七十左右的水库诱发地震初次发震时间发生在蓄水后一年内。主震发生的时间距初震为一至数月的比例较高。一般的规律是水位上升伴随地震活动性增加,水位下降则地震活动性则减弱。也有个别水位与地震活动性负相关的例子,蓄水后水位下降反而出现了诱发地震。按水库蓄水和地震活动性的时间差,还可以将其分为“快速响应”型和“滞后响应”型,如前所述。
    (2) 空间特征:水库地震的震中大多分布在水库及其附近,特别是大坝附近的深水库区容易诱发较大的地震。水库诱发的地震一般距水域线不超过十几千米,且相对密集在一定的范围之内。水库诱发地震的震源深度一般很浅,多数在数百至数千米范围内,很少有超过十千米例子。
    (3) 强度特征:-多数水库诱发地震的最高震级不超过三级。据资料统计世界上诱发了5级以上中强震的水库约有二十余例,而诱发6级以上强震的水库只有四例。水库地震的震中烈度较高,一般为V度,3级以上诱发地震震中烈度达VI度的例子也不少。
    (4) 活动特征:水库诱发地震主要有前震-主震-余震型和震群型两大类,且以具有快速响应特征的震群型居多。表征水库地震的震级-频度关系的B值较同样震级的天然构造地震的B值偏高。构造型水库诱发地震的活动持续时间长,余震频繁,衰减慢且强度亦高。
    (5) 波谱特征:水库地震的高频能量丰富,多数伴有可闻声波。国外有观测到优势频谱为7080HZ甚至更高的报导。

3.1 紫坪铺水库与汶川地震的关系
    紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北60千米的岷江上游,是一座以灌溉和供水为主,兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的一等大(1)型水利枢纽工程。水库总库容11亿m3,大坝坝型为混凝土面板堆石坝,坝高156 m。枢纽位于都江堰市麻溪乡,上游与岷江干流映秀湾电站尾水衔接,下游距都江堰市9km。工程坝址以上控制岷江流域面积22662km2,占岷江上游流域面积的98%;多年平均流量469m3/s,年径流总量148亿m3,占岷江上游径流总量的97%。
    2008年5月12日发生的四川汶川特大地震,其震中距紫坪铺水库大坝17 km。紫坪铺水库距离震中位置较近,位于汶川地震发震断层的东南侧。因此,目前各方面对于紫坪铺水库与汶川地震的关系较为关注,对于汶川特大地震是否因紫坪铺水库蓄水而诱发或触发,专家、学者也存在着较多争议。
    其实,从前面所论述的汶川地震发震机理看,此次的四川汶川8.0级大地震是一次典型的天然构造型地震,具有非常清晰的震源机制和地质构造背景。根据中国地质调查局、中国国土资源航空物探遥感中心、中国地质环境监测院、中国地质科学院,中国地质科学院地质所、地质力学所等单位的专家评估,此次汶川地震的成因主要包含以下三个方面:
    (1) 印度板块向亚洲板块俯冲,造成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动,在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压,遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡,造成构造应力能量的长期积累,最终在龙门山北川——映秀地区突然释放。
    (2) 汶川地震是逆冲、右旋、挤压型断层地震。发震构造是龙门山构造带中央断裂带,在挤压应力作用下,由南西向北东逆冲运动。这次地震属于单向破裂地震,由南西向北东迁移,致使余震向北东方向扩张。挤压型逆冲断层地震在主震之后,应力传播和释放过程比较缓慢,可能导致余震强度较大,持续时间较长。
    (3) 汶川地震属于浅源地震,地震发生在地壳脆  韧性转换带,震源深度为10 km  20 km,因此破坏性巨大。
    汶川地震的发震位置总体上处于在四川龙门山逆冲推覆构造带上。如前所述,这一构造带主要包括三大断裂,即:灌县江油断裂(前山断裂)、映秀北川断裂(中央断裂)和汶川茂县(后山断裂)。此次8级强震发生在中央断裂(映秀北川断裂)之上。紫坪铺工程区位于龙门山断裂构造带中南段,北川映秀与灌县安县断裂之间,属构造相对稳定区。从紫坪铺水库与发震断裂带的位置关系上看,紫坪铺水库位于北川—映秀断裂的下盘(图12),因此,紫坪铺水库蓄水对北川—映秀断裂带原有的水文地质条件不会产生影响,更不会增加对断裂带的渗漏。
    从水库诱发地震的机制看,水库诱发地震的原因主要有岩溶塌陷型、浅表应力调整型和断层破裂型三种。其中,岩溶塌陷型和浅表应力调整型是最为常见的水库诱发地震类型,这一类的地震大部分是微震或弱震,破坏性不大。构造型(断层破裂型)水库诱发地震发生的概率较低,但诱发地震的强度可以达到中强震或强震,其破坏性较大。就构造型水库诱发地震的机理而言,水库蓄水对原有构造地震的触发作用主要表现在蓄水造成局部地壳受力状态的改变和库水渗透使断裂带材料的抗剪强度降低,从而对原来的地层地应力平衡状态产生影响。紫坪铺水库位于龙门山断裂带的北川—映秀、江油—灌县断裂带之间。紫坪铺水库的最高运行蓄水位875.24m,而映秀镇一带河道的天然水位约为877m,最高洪水位为884m。很显然,紫坪铺水库最高蓄水位还没有超过北川—映秀断裂通过岷江当地的天然水位。因此,水库蓄水对此次汶川地震发震断层没有造成实质性的影响。从地壳应力分布的角度看,紫坪铺建成蓄水后,虽然库水的重量会使局部地壳的受力有所增加,但水库水体的重量是均摊于库区岩体之上,而且这种荷载随着基岩深度的增加而扩散,对下部岩体地应力场的影响迅速衰减,当岩体深度为10km时,相对于岩体的自重应力而言,大坝和库水荷载产生的附加应力可以忽略不计。因此,紫坪铺水库蓄水运行所产生的附加岩体应力不会对距离大坝17km,深度14km的震源区产生影响和扰动,更不具有触发8.0级地震的能力。

图12 紫坪铺水库与龙门山断裂的位置关系(资料来源:)

  紫坪铺水利枢纽建设之前的项目论证阶段,曾经作过水库诱发地震的相关研究,其结论是水库诱发地震的震级不会超过5级。2005年10月1日下闸蓄水之前,已于2004年8月16日建成由七个固定测震子台和一个中继站组成的紫坪铺水库地震监测台网,用于监测库区及邻近地区的地震活动情况。从蓄水前后地震监测资料的对比分析看,从2005年10月1日下闸蓄水到2008年4月的两年零七个月期间,紫坪铺水库的库盆和邻近地区的地震活动,从发震的地域、地震的频度和强度等方面,都处在本地区多年地震活动正常的变动范围内(如图12所示),地震活动与库水位变化之间不存在相关关系。

图13 紫坪铺库区多年地震活动图(资料来源:Newton科学世界)

  水库诱发地震的地震序列主要是前震-主震-余震型和震群型两大类。而汶川地震为典型的主震-余震型地震,震源深度超过14km,大多数余震的震源深度也在10km左右。从余震空间分布看,主要是沿北东向的断裂带展布,延伸超过300km,其分布远离库区。汶川地震的序列特征、余震分布与震源深度都不符合水库诱发地震的特点。
    综上所述,紫坪铺水利枢纽的建设与运行与此次的汶川大地震没有明显的相关性,紫坪铺水库的蓄水运行不具有诱发汶川大地震的客观条件。而汶川大地震也不具备水库诱发地震的相关特点,汶川8级特大地震的发生与紫坪铺水库蓄水无关,属于天然的构造地震。

4. 地震与大坝安全
    在地震过程中,地壳岩石破裂的结果,不仅产生断层引起地表裂缝和错动,而且由于地壳岩石破裂时释放出来的巨大能量将转化成地震波的形式,由震源向四面八方传出。当地震波到达地表时,就会出现地面的颠簸、摇晃和扭旋等现象。建造在地球表面的大坝及其地基也将随之受到地震力的作用。当大坝及其地基不能适应这种特殊的地震力作用时,就会出现不同形式的和不同程度的损伤和破坏。
    大坝的震害,来源于地基方面的因素有断层的错动、地表的裂缝、地基的滑动、山体滑坡、地基沉陷、饱和砂土地基的液化或流塑失稳、坝基的漏水、管涌等。发生在上部结构的破坏主要有坝身裂缝、结构断裂、建筑物倒塌、坝渗漏水、滑坡、失稳等。大坝的震害,轻的可能只是建筑物本身出现裂缝或渗水而严重的则可能导致坝体的崩塌溃决、洪水泛滥,从而造成下游巨大生命与财产损失的次生灾害。因此,在大坝的设计、施工中,必须十分重视建筑物的抗震安全,对于修建在高烈度地震区的工程,这一点尤其重要。
    我国的水利水电资源丰富,全国水力资源的蕴藏量70%都集中在西南和西北地区,而这些地区也正是高烈度地震频发区。根据截止到1998年的统计资料,中国已建各类水库大坝87000座,其中,库容超过1亿m3的有400多座。由于中国地震烈度大于VI的地区占国土总面积的79%,大多数水坝都位于地震区。库容大于1亿m3的大坝有75%位于VI度以上地区,其中,40%位于VII度以上地区,13%位于VIII度以上地区。很多的重大工程,如二滩、小湾、溪洛渡、吉林台等,其设计烈度都达到了VIII和IX度。
    在我国,大坝的抗震设计基于工程的设计烈度。按照规范设计的大坝在遭受设计烈度地震时应当没有损坏或仅有局部损坏,经一般处理后仍可以正常运行。一般情况下,应采用国家地震部门颁布的《中国地震烈度区划图》确定的坝址所在地的基本烈度作为设计烈度。根据1997年新修编的《水工建筑物抗震设计规范》,进一步规定了在以下两种情况下,对于一等工程的水工建筑物要做专门的地震危险性分析以选定其地震动峰值加速度。
    (1) 基本烈度为VI度及VI度以上地区的坝高超过200 m或库容大于100亿m3的大型工程。
    (2) 基本烈度为VII及VII度以上地区的坝高超过150 m的大(1)型工程。
    随着近些年来我国大坝建设的迅速发展,以及20世纪以来中国频繁发生的强烈地震,促使了大坝地震工程的迅速发展,并在全国范围内广泛开展了基础和应用研究。大坝的动力分析、模型试验和现场试验均取得了较大的进展。在综合地震震害调查的基础上,对各类大坝的动力反应机制、地震破坏形式和破坏机理的研究也取得了长足的进步,各类大坝的抗震安全措施也日趋完善。
    2008年5月发生的四川汶川地震,造成全国2380座水库出现险情,其中四川1803座,占76%。四川出险的水库中有溃坝险情的69座,高危险情的310座,次高危险情的1424座。其中,紫坪铺水库出现险情,全国地震灾害发现堰塞湖共35座,其中四川34处,受威胁总人口超过70万。全国水电站受损803座,其中四川481座,岷江紫坪铺上游库容较大的水电站中有9座出险。全国堤坝损毁996.4公里,其中四川686.71公里。
    面对特大地震灾害,水利部迅速反应,全体动员,按照党中央、国务院的紧急部署,水利部举全部之力、全行业之力,开展了艰苦卓绝的水利抗震救灾工作。在水利部的统一部署,统一指挥下,对于存在高危险情以上的水库,组织专家全部进行了会诊,全部实施了降低水位或空库运行。目前四川震损水库已有69座空库运行,826座采取措施降低水位运行,有效地保证了水库的安全。同时,还落实了震损水库24小时值守制度、人员转移方案。在此次汶川地震中,震区的所有水库大坝均经受了强烈地震的考验,没有一座水库大坝溃决,也没有一例因大坝安全所导致的严重次生水灾害的事件。
    在512汶川大地震的震中区,有4座坝高大于100 m的高坝。其中,距离震中17km的紫坪铺面板堆石坝,坝高156米,设计烈度为8度,大坝经历了9度以上地震烈度的考验。距离震中12公里的沙牌碾压混凝土拱坝,坝高132米,设计烈度为7度,也经受了远远超过原设计地震烈度的地震的考验。宝珠寺混凝土重力坝(坝高132米)和碧口心墙堆石坝(坝高105米)也都经受了其设防地震烈度的考验。这些高坝工程虽然遭受了一定程度的损坏,但大坝结构整体上处于安全状态。由此可以充分地证明:水库大坝只要抗震设计合理、施工质量保证、运行管理到位,其抗震安全是有保障的。
    面向未来,对于大型水利水电工程,天然构造地震仍是抗震设计需要考虑的主要因素,是今后大坝建设中研究的重大问题之一。在地震烈度7度以上的区域内建坝时,需要进一步加大力度,在总结汶川抗震经验的基础上,进一步提高水平,采取有效的抗震措施,确保工程安全。

5. 结论
    (1) 地震活动是自然界普遍存在的一种自然现象。地震的根本原因是地壳的板块运动,它是板块、地块和断层在板块运动过程中产生的挤压或拉伸所积聚的弹性能量的释放过程。破坏性地震的发生相对而言是一种小概率事件,但它所造成的生命财产的损失却往往是巨大的。从对破坏性巨大的强烈地震的成因分析中可知,这些高震级、高烈度的强震,其背后都有着深刻的地质构造背景。
    (2) 地球上人类的活动,将不可避免地对地壳的地质结构造成一定程度的影响。但是,与地壳地质结构的广大尺度和高应力积累相比较,人工结构如大坝、水库等所产生的影响毕竟有限。研究表明:水库蓄水有时可能会诱发一定程度的库区地震,但是一般此类地震的震级都不大。而且,水库诱发地震的地震序列和天然地震相比有着较为明显的区别。从此次汶川地震与紫坪铺水库的关系看,512汶川地震与紫坪铺水库蓄水没有相关关系,汶川地震不是紫坪铺的水库诱发地震。
    (3) 对于修建在高烈度地震区的水库大坝,大坝的抗震安全问题是一个需要特别关注和重点研究的问题。近些年来,随着我国水电建设事业的发展,我国的大坝抗震安全研究取得了突出的成就,大坝的抗震安全得到了有效的保障,在高烈度地震区也成功地修建了一批高坝大库工程。截止目前,国内尚没有一座大中型水库因地震出现溃坝事故,从而导致严重的次生洪水灾害。从此次汶川地震的经验看,对于大坝抗震安全的保障,首先是结构设计合理,其次是施工质量的保证,第三是严格的运行管理,同时在地震发生后要迅速地进行坝体结构安全评估,并及时采取排险加固措施。

参考文献
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摘自“中国水利国际合作与科技网”

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