地震与大坝安全

[瑞士 ]M.维兰德

胡云鹤 译自英刊《水力发电与坝工建设》2010年第8期

大型水库和大坝,一般应包括一座高度超过15 m的混凝土坝或土石坝、一道用来减少坝基渗流的灌浆帷幕或者截水墙、一座用于安全泄洪的溢洪道、一个在紧急情况下为降低水库水位的底孔以及为达到商业目的从水库取水的取水建筑物。根据水库的用途,还应该有一些其他结构,例如:水电站进水口、压力钢管、电站厂房、控制环境流量的设备、鱼道等等。

2010年2月27日发生在智利的里氏8.8级的马乌莱(Maule)大地震中,一些大坝遭到损坏,但并没有因地震而失事。

1 大坝必须具有的抗震性能

为了防止发生强震时从大坝水库中不受控制地突然泄水,大坝必须能够承受住甚至是极端地震所带来的强烈的地面震动,这种地震被称之为安全评价地震(SEE)或者是最大可信地震(MCE)。大型水坝若能经受住万年一遇的地震事件,即这种地震在100a中被超过的机率为1%,则通常认为它们是安全的。很难预测,在如此罕见的事件中,因为这种规模的少数地震对大坝的实际响应会发生什么。因此,参考一些现存的少量观测资料至关重要。从世界上一些大地震中获取的重要经验,将会影响到对现有大坝的地震安全性评价,也会对将来新的大坝设计产生影响。

建筑物和桥梁的一侧承载性能与大坝有着基本的区别。在正常情况下,建筑物和桥梁必须承受主要由结构自重和次要活荷载所引起的垂直荷载。而在大坝情况下,主要荷载是水荷载,就具有垂直上游面的混凝土坝而言,这种水荷载是沿水平方向作用的。对于土石坝,水荷载是垂直作用于不透水心墙或其上游护面。对建筑物和桥梁的地震破坏作用主要是由于地震荷载的水平分量引起的。与建筑物和桥梁相比,混凝土和土石坝更适于承受地震的水平分量,大型水坝要求能够承受大约万年一遇的地震,而建筑物和桥梁通常是按重现期为 475a的地震设计的。这是典型的建筑物的规范要求,意味着在50a的时间里,这种地震事件的机率超过10%。依据建筑物和桥梁的风险类别,在地震规范中,规定了重要性因素,它们可以转换成更长的地震重现期,但是仍然没有达到在大坝工程中所采取的地震重现期的标准。

此外,对现存的大多数建筑物和桥梁都没有采用现代概念进行抗震设计,而大坝设计从20世纪30年代开始就考虑了抵抗地震的影响。虽然在今天看来,20世纪 90年代以前修建的大坝的设计中所使用的设计标准和分析概念显得过时,而对保守情况下设计的大坝所进行的地震安全性的重新评估却显示:这些大坝总体上符合当今的设计和性能标准,而且是安全的。在世界的许多地方,对现存大坝的地震安全性的重新评价都是根据国际大坝委员会(ICOLD)公报中记载的建议和准则进行。比如,经评估,①建于1872年的瑞士迈格劳格(Maigrauge)重力坝在经过最近的除险加固处理后,其寿命期又延长了50a;②伊朗106 m高的塞菲德鲁得(Sefid Rud)支墩坝于1990年 6月21日受到7.5级的曼吉尔(Manjil)地震破坏,地震发生后,打开了底部灌溉泄水孔以降低水库的水位。

2 地震灾害的多样性

从地震对蓄水水库大坝产生的影响来看,具有以下特征的多重灾害:

(1)地面摇动导致坝体、附属建筑物和设备,以及其基础的振动和结构扭曲;

(2)坝基中的断层活动或靠近主断裂带的坝基中的不连续性断层有可能被激活,从而导致结构扭曲;

(3)库底断层位移可能导致水波运动或者坝顶超高损失;

(4)岩崩和山体滑坡会破坏闸门、溢洪道闸墩(产生裂缝)、挡土墙(发生倾翻)、地面发电厂房(裂缝、击穿及扭曲)、机电设备、压力水管、输电线路的电缆支杆等等;

(5)大体积土石崩落到水库中会导致冲击波;

(6)大体积土石滑移阻塞河流,形成滑坡堰和堰塞湖,滑坡堰溃决可导致径流式电站漫顶或淹没发电厂房设备,从而危及到下游安全;

(7)由于土石填筑体的液化和密实作用产生的地面移动和沉陷而导致大坝的变形;

(8)坝肩移动导致坝体滑移和变形。

水波和水库水体震荡(湖面波动)作用对一座大坝的地震安全而言显得并不那么重要。一般而言,在规范和规章中考虑到的最主要的危害是地震引发的地面摇动,它导致应力、变形、开裂、滑移、倾倒等等。然而,一些规范和规章中可能未写入的其他危害也很重要。

因此,在大坝地震设计中,所有地震危害的方面都必须要加以考虑,并依据水库大坝工程当地条件而定。

3 提高大坝安全性的选择

如果地震可以被预测,人们就可以在地震发生之前尝试着降低水库水位。虽然对地震预测进行了40余年的研究,但仍然不可能可靠地预测出大地震发生的时间、地点和规模。可以预测小型地震,但不能预测大地震。通常只是在地震发生的概率方面可以给出预测,例如,在某一区域 30a的时期内,发生7级地震的概率为50%。这样的预测对达到预警目的和降低水库水位而言基本上没有用处。

即便能可靠地预测一场大的地震,也没有足够的时间来降低一座大型水库的水位。降低一座水库的水位需要通过低位泄水孔(底孔)或发电引水道(如果进水口高程较低)。不幸的是,并非每处都有底部泄水孔。因此,比方说,降低水库50%的水位可能需要数周或数月的时间,甚至在有些情况下完全没有可能。

作为一个结论,地震预测是一门发展缓慢的科学,对提高大坝的抗地震安全性能来讲并不是一个可行的选择。唯一现实的选择是使大坝能够经受住坝址处所预计的最强烈的地震作用。这是当前大坝设计中的做法。

库水是大坝最大的危害。因此,在大坝的抗震设计中,必须保证水库在蓄满水的条件下大坝的安全。虽然拱坝在空库时受到地面摇动作用更容易破坏,这种情形对生活在大坝下游居民的安全并不紧要,但是,如果大坝失事,对于大坝的拥有者而言,当然是一个重大的经济问题。

4 地震的诱发因素

许多情况下,地震是水库诱发的。水库诱发地震(RST)的主要先决条件是:

(1)水库区域存在着活断层;

(2)存在着接近破坏的高构造应力的断层。

处在构造上活动的区域内的水库的充水可能仅仅导致诱发一场在晚些时候无论如何都会发生的地震,RST的发生主要在水深超过100m的水库中被观测到。迄今为止,已观测到 6次超过里氏5.7震级的地震,最大的为6.3级。例如印度的戈伊纳(Koyna)重力坝,由于在建坝以前没有关于当地发生地震的记载,所以这几次大地震是否真是由这些水库诱发的仍然有疑点。

如果一座大坝已经按照现行的实践水平进行设计,要求该坝能安全地经受住一次极端地震产生的地面运动,那么它也就能够承受水库诱发地震的作用。然而,RTS对于大坝附近的建筑物和结构来说仍是一个问题,因为与大坝相比较,它们的抗震能力通常要低得多。在大多数 RTS中,震级都很小,因而不会出现结构上的问题。

5 主要关注的问题

主要关注的问题涉及到现存的大坝,这些大坝在设计的时候并没有考虑到地震,这主要是指小坝和老坝,以及那些在今日看来所用的设计标准和分析方法已经过时的坝。因此,并不是很清楚这些大坝是否满足现在的抗震安全标准。需要对现存大坝的抗震安全性进行校核,并且应该采用现代的地震危险评价方法,诸如ICOLD120号公报中给出的准则。这将会使得大坝在强震中有良好的抗震性性能。遵守这些准则比执行任何复杂的动力分析都更加重要,后者只是帮助理解大坝如何运行的一种工具。

6 ICOLD的作用

修建于20世纪 30年代的美国胡佛大坝是第1座按抗地震作用设计的混凝土坝,既考虑了大坝的惯性效应,也考虑了水库的动水压力。日本早在20世纪20年代就在土石坝设计关于稳定性分析中考虑了地震的作用。

ICOLD已经在数次代表大会和年会上讨论了地震对大坝的影响。在1955年法国巴黎的第5次ICOLD大会上,讨论了以下2个主题:

(1)由于筑坝材料或基础的可压缩性引起的土坝沉降;

(2)地震对大坝设计的影响。

1968年 6月,成立了 ICOLD抗震委员会。这个委员会现在的名称是大坝设计抗震委员会(Comm ittee on Seism ic Aspecs of Dam Design)。全世界各大洲 31个国家均派有代表参加这个重要的委员会。最近一些年来,该委员会发布了以下公报。

(1)62号公报(1988年发布,2008年修订):大坝震后检查准则;

(2)72号公报(1989年发布,2010年修订):大坝抗震参数选择准则;

(3)112号公报(1998年发布):新构造运动与大坝准则;

(4)113号公报(1999年发布):大坝地震监测准则;

(5)120号公报(2001年发布):有效抵御地震地面运动的大坝设计特点准则;

(6)123号公报(2002年发布):大坝附属建筑物的抗震设计和评价准则;

(7)137号公报(2010年发布):水库和地震活动的相关知识。

7 结 论

现有技术适合于修建能够安全地抵御强烈地面摇动作用的大坝及其附属建筑物。

经适当设计的能够抵御静载的水库大坝,证明对地震作用也有很强的固有抵御能力。许多小型水坝在遭遇强震时受损严重,然而,并没有大型水坝因地震摇动而被毁坏。

地震对大坝引起的多重危害都需要进行解释说明。在强烈地震作用下的大坝性状还存在着许多不确定性,应该尽一切努力去收集、分析和解释在地震期间大坝运行时的实地观测资料。