汶川地震对四川水库大坝影响及其规律探讨

王士军，倪小荣，谷艳昌，隆文非

(1．南京水利科学研究院，江苏 南京 210029;2．水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029;3．江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005;4．四川农田水利局，四川 成都 610031)

2008年5月12日四川汶川发生了特大地震，震级达8．0级，极震区的烈度达到了Ⅺ度，为龙门山断裂带破裂引起的构造型地震，形成沿龙门山断裂带北东走向的长条形极震区，断层破裂尺度216～450 km，震源深度14 km，表现为汶川县映秀镇和北川县县城2个极震区．映秀Ⅺ度区位于南西段，沿汶川－都江堰－彭州方向分布;北川Ⅺ度区位于北东段，沿安县－北川－平武方向分布［1－2］．

地震灾害给人类带来了巨大的灾难，同时也造成了大量水利工程的破坏，汶川地震及余震导致四川震损水库2 125座，直接经济损失50多亿元．本文利用近2 000座震损水库信息，总结分析汶川地震对四川水库大坝震损的险情特点，探讨地震震级与水库震损的关系，研究震损水库规模、震中距、坝型、坝高、建设年代等分布规律．

1 汶川地震对水库大坝震损影响

根据汶川地震后国家防总对水库震损程度进行的分级标准来看，溃坝险情水库指的是水库大坝及其主体工程发生漫溢、出现较大贯穿性裂缝、上下游坝坡大面积滑坡、大流量集中渗流等情况，短时间内有可能导致垮坝的险情;高危险情水库指的是水库大坝及其主体工程发生上述险情，可能直接影响大坝及主要建筑物安全的险情;次高危险情水库指的是水库大坝及其主体工程发生一般险情，包括震后大坝出现轻微的渗漏、轻微的变形或沉陷，基本不影响主体工程安全运行的险情［3］．汶川地震导致四川17个市96个县(市、区)1 997座水库不同程度受损，约占四川已建水库的30%以上，按国家防总确定的水库震损程度分类统计，溃坝险情水库69座，高危险情水库331座．同年8月30日，攀枝花、凉山州交界处发生里氏6．1级地震，造成56座水库受损，其中高危险情水库12座;同年10月10日，自贡市大安区团结镇发生里氏4．1级地震，造成16座水库震损;广元余震造成56座水库震损．

水库大坝震损险情主要包括裂缝、滑坡、渗漏、结构破损、坝区通信设施损坏及交通道路中断等．据统计，四川省1 997座震损水库中坝体出现裂缝的水库占66．3%，出现渗漏的水库占34．4%，坝坡滑塌的水库占12．4%，启闭设备变形的水库占8．1%，放水设施、溢洪道、管理房等出险的水库占16．1%，50%以上的水库同时存在多种险情［4－5］．

1．1 裂 缝

坝体裂缝是大坝震损的最常见现象，包括有纵向裂缝、横向裂缝和水平裂缝．纵向裂缝最为常见，多分布在坝顶及附近，主要是大坝在剪切波(横波、S波)的作用下产生强烈的水平晃动和在坝体内产生超孔隙水压力，坝体产生非协调变形从而拉裂坝体造成的，根据检查结果，纵向裂缝的宽度、深度不但与坝轴线的方向有关，而且还与坝顶高程、坝高有关［6］．横向裂缝多出现在土石坝两坝肩地形陡削部位与坝体填筑不均匀部位，因坝体和坝基不均匀沉降而导致．横向裂缝破坏坝体结构与防渗体完整性，可能形成集中渗漏通道［7］．水平裂缝主要出现在混凝土结构，多沿拱圈发育，一般长数米至数十米不等，对拱梁有破坏作用，但对拱的作用影响不大．

1．2 滑 坡

滑坡常见于土石坝上游坡，滑坡导致挡水断面缩小，可能导致坝体结构失稳．土坝在地震时的稳定性和土的特性密切相关，土的动力特性和静力特性相似，受到诸如围压、密实度、含水率以及受力条件、应力状态等因素的影响，同时和加载历史、颗粒结构及级配、时间效应等因素密切相关，地震时土的动力特性主要受应变幅度、应变速率和循环加载等几种因素的影响［8］．大坝坝肩及岸坡滑坡易引起溢洪道或其他输水设施堵塞，水流无法下泄．

1．3 渗 漏

震损水库渗漏常见于大坝下游坝趾及坝内输泄水结构出口，通常表现为震后渗漏量增加，出现浑水一段时间后又变清，渗漏量趋于稳定［9］．在某些情形下，如渗漏量比震前持续增加，一直出现浑水，疑大坝坝体出现集中渗漏，可能是由于坝体产生横向裂缝或坝内涵管出现变形损坏等所致．

1．4 结构变形

结构变形包括坝体在地震作用下产生沉降，不均匀沉降导致坝面起伏、防浪墙开裂和护坡破损，泄洪设施破损包括溢洪道结构破损，启闭设施失灵与自动开启等．

1．5 管理设施破损

管理设施包括水库管理房、监测设施、通讯设施、交通道路，此类震损未直接影响到大坝坝体，但可能直接或间接地危害到水库大坝安全运行与应急处置．

2 震损水库规律性研究

2．1 地震震级与水库震损关系分析

近年来我国发生了多次地震，震级不同，对水库大坝的破坏程度也不同．本文基于现有收集资料，初步探讨地震震级与水库震损的关系．

2008年汶川地震造成四川省震损水库1 997座，其中大型4座、中型61座、小(1)型331座、小(2)型1 601座［10］．2008年8月30日，攀枝花、凉山州交界处发生里氏6．1级地震，造成震损水库56座，其中中型2座，小(1)型12座，小(2)型42座．2008年10月10日，自贡市大安区团结镇发生里氏4．1级地震，造成震损水库16座，其中小(1)型4座，小(2)型12座．2007年云南普洱发生6．4级地震，共造成云南省震损水库93座，其中中型水库1座、小(1)型水库18座、小(2)型水库74座，另有塘坝153座．

以上几次地震发生时间和区域都很接近，但震级不同，利用这些信息分析拟合地震震级与震损水库总数量、震损中型水库数量、震损小(1)型水库数量、震损小(2)型水库数量的关系，结果见图1．

图1 地震震级与震损水库数量关系Fig．1 Relation fitting curves of earthquake magnitude and earthquake-damaged reservoir quantity

统计结果表明，当震级在7级以上时，震损水库总数、震损小(1)型水库数量、震损小(2)型水库数量迅速增加，而中型水库震损数量则在震级8级时开始大幅增加;当震级在4级以下时，震损水库总数、震损小(1)型水库数量、震损小(2)型水库数量很少，基本无损坏;而中型水库震损数量则在震级为6级以下时基本接近于0．

2．2 汶川地震震损规律性

截至2007年底，四川省建成各类水库6 723座，其中:大型6座、中型107座、小(1)型1 015座、小(2)型5 595座．汶川地震及其余震导致水库震损2 125座．本文重点根据5．12汶川地震后即时出现的1 997座震损水库资料，就水库规模、空间分布、坝型、坝高、建设年代等分布情况进行统计分析．

2．2．1 震损水库规模 1 997座震损水库包括大型4座、中型61座、小(1)型331座、小(2)型1 601座，总数占四川省已建水库总数的29．7%，小型水库震损占震损水库总数的95%以上．统计表明，德阳市、绵阳市、广元市水库震损比例最高，分别为91．1%，77．2%和78．7%;震损比例与距地震断裂带的距离密切相关，距断裂带距离越远，震损比例越低．中型和小(1)型水库震损比例比小(2)型水库震损比例相对较高．大型水库未出现溃坝险情与高危险情;中型水库出现严重险情的比例大，出现高危险情比例达14%，但未出现溃坝险情;小(1)型水库出现严重险情的比例(为6．6%，其中溃坝险情为1．9%)较小(2)型(为4．1%，其中溃坝险情为0．9%)略高．水库规模尽管是由库容确定，但也与抗震设计标准和施工质量密切相关，水库规模越大，抗震设计标准和施工质量相应越高．水库规模与震损程度的统计结果在一定程度上反映出震损程度与工程质量的关系．

2．2．2 震损水库空间分布 根据震损水库统计，汶川地震导致水库溃坝险情的震中距为110 km，导致水库高危险情的震中距为315 km(宜宾市筠连县秧田水库)，“8．30”攀枝花地震影响水库震损范围56 km，“10．10”自贡地震影响水库震损范围34 km．

四川省震损水库主要分布于沿断层带附近，成都、绵阳、德阳、广元、雅安震损水库占已建水库总数的73%．对各个震中距范围的水库震损情况进行统计(见图2)．统计表明:水库震损比例随着震中距增加而降低，震中距在0～40 km的水库震损比例最高，达到了100%，溃坝险情水库和高危险情水库的比例最高，分别占已建水库的16．3%和24．2%;溃坝险情水库的震中距范围是0～80 km，高危险情水库的震中距主要集中在0～120 km，200 km以外导致高危险情的震损水库仅1座．

2．2．3 震损水库坝型 震损水库坝型统计见表1．统计表明，四川省震损水库中，土石坝占震损水库总数的95%以上，拱坝及其他坝型不足5%;震损土石坝占已建土石坝比例的30%，在各类坝型中最高;66座出现溃坝险情的水库全部是土石坝．

表1 “5．12”汶川地震四川省震损水库坝型统计Tab．1 Reservoir damage ratio vs．dam type in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

四川省土石坝中均质土坝、斜墙土坝、心墙土坝和混合型土坝分别为5 214座、46座、726座和133座，震损统计结果见表2．结果表明:汶川地震震损了1 569座均质土坝，占震损土石坝的85%以上，占已建均质土坝的30．1%，其中溃坝险情水库有62座，占已建均质土坝的1．2%，高危险情水库有251座，占已建均质土坝的4．8%;斜墙土坝震损比例相对较低，且未出现溃坝险情．

表2 “5．12”汶川地震四川省震损土石坝坝型统计Tab．2 Reservoir damage ratio vs．earth-fill dam type in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

2．2．4 震损水库坝高 按国际大坝委员会大坝分类标准，四川省已建坝高在0～15 m，15～30 m，30～60 m和大于60 m的水库大坝分别为4 374座、2 107座、228座和7座，震损水库坝高统计见图3．统计表明:各坝高范围震损比例相差不大，均约占相应已建大坝的29%;从震损程度严重性来看，坝高在30～60 m之间的坝出现溃坝险情和高危险情比例相对最高，分别为1．3%和6．6%．

2．2．5 震损水库建设年代 依据我国水库建设特点，将水库的建设年代分为1957年以前、1958—1966年、1967—1978年、1979—1992年和1993年以后，震损水库按建设年代分布统计见图4．统计表明:各历史时期的水库震损比例在25%～35%之间;从震损严重程度来看，1957年以前建设的水库溃坝险情比例最高，占该时期已建水库的1．7%，59座出现了高危险情，占该时期已建水库总数的3．9%，而1993年以后建设的水库未出现溃坝险情，有8座水库出现了高危险情，占该期已建水库的8．5%．

图3 “5．12”汶川地震四川省水库震损坝高统计 Fig．3 Reservoir damage ratio vs．dam height in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

图4 “5．12”汶川地震四川省震损水库建设年代统计Fig．4 Reservoir damage ratio vs．reservoir construction period in Sichuan Province caused by“5．12”Wenchuan earthquake

3 结语

(1)汶川地震造成四川省约30%的已建水库大坝出现震损，震损险情主要表现为裂缝、滑坡、渗漏、结构破损、坝区通信设施损坏及交通道路中断等，其中坝体纵向裂缝、渗漏和结构破损较为常见．

(2)震级在4级以下时，水库基本无水库震损;震级在6级以下时，中型及以上水库基本未震损;震级在7级以上时，震损水库数量迅速增加;震级在8级以上时，中型水库震损数量大幅增加．

(3)水库震损程度主要受震中距影响，水库震损比例与震损程度随着震中距的增加而降低，震中距在0～40 km的水库全部出现震损，溃坝险情水库主要集中于震中距范围0～80 km，高危险情水库主要集中于震中距范围0～120 km，200 km以外基本无严重险情震损水库．

(4)小型水库震损数量最大，占震损水库的95%以上，这与小型水库数量最多有关;大型水库未出现溃坝险情与高危险情;中型水库出现高危险情相对较高，小(1)型水库出现溃坝及高危险情的比例较小(2)型水库略高．

(5)土石坝震损总数占震损水库总数的95%以上，占已建土石坝比例的30%．出现溃坝险情与高危险情水库大坝基本上是土石坝．均质土坝震损数量占震损土石坝的85%以上，占已建均质土坝的30．1%．

(6)各坝高范围的大坝震损比例相差不大，均约占相应已建大坝的29%;从震损程度来看，溃坝险情和高危险情比例最高的均为坝高在30～60 m之间的坝．

(7)各历史时期建设的水库震损比例在25%～35%之间;1957年以前建设的水库出现溃坝险情比例最高，1993年以后建设的水库未出现溃坝险情．

致谢:

水利部大坝安全管理中心、四川省农水局、绵阳市水利局、德阳市水利局、中江县水利局等单位为本研究提供了大量的基础资料，特此表示感谢与敬意!

［1］周军荣，黄润秋，雷建成，等．四川汶川8．0级地震地表破裂与震害特点［J］．岩石力学与工程学报，2008，27(11):2173-2183．(ZHOU Jun-rong，HUANGRun-qiu，LEI Jian-cheng，et al．Surface rupture and hazard characteristics of Wenchuan earthquake with magnitude 8．0 in Sichuan Province［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，27(11):2173-2183．(in Chinese))

［2］景立平，陈国兴，李永强，等．汶川8．0级地震水坝震害调查［J］．地震工程与工程振动，2009，29(1):14-23．(JING Li-ping，CHEN Guo-xing，LI Yong-qiang，et al．Investigation on earthquake-induced dam damage during Wenchuan earthquake［J］．Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2009，29(1):14-23．(in Chinese))

［3］柳景华，杨火平．震损水库险情判别标准及方法的初步探讨［J］．人民长江，2008，39(22):21-22．(LIU Jing-hua，YANG Huo-ping．Analysis of standards and measurements for reservoirs damage［J］．Yangtze River，2008，39(22):21-22．(in Chinese))

［4］陈厚群，徐泽平，李敏．汶川大地震和大坝抗震安全［J］．水利学报，2008，39(10):1158-1167．(CHEN Hou-qun，XU Ze-ping，LI Min．Wenchuan earthquake and seismic safety of large dams［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2008，39(10):1158-1167．(in Chinese))

［5］隆文非，王珊，赵凌云．四川省“5．12”特大地震震损水库险情分析［J］．中国防汛抗旱，2009(2):25-27．(LONG Wenfei，WANG Shan，ZHAO Ling-yun．Analysis on Sichuan earthquake-damaged reservoir dangerous situation of“5．12”massive earthquake［J］．China's Flood and Drought Management，2009(2):25-27．(in Chinese))

［6］文松霖，张伟．汶川地震绵阳市水库震损现象及发生机理初探［J］．水利水电技术，2009，40(2):70-73．(WEN Songlin，ZHANG Wei．Study on phenomena and occurrence mechanism of seismic damages of reservoirs in Mianyang city during Wenchuan earthquake［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2009，40(2):70-73．(in Chinese))

［7］张家发，程展林，文松霖，等．“5．12”汶川地震对土石坝的损害及应急处置［J］．人民长江，2008，39(22):9-12．(ZHANG Jia-fa，CHENG Zhan-lin，WEN Song-lin，et al．Damage on earth-rock dams by“5．12”Wenchuan earthquake and emergency handling［J］．Yangtze River，2008，39(22):9-12．(in Chinese))

［8］孙少楠，张先起，田林钢．“5．12”地震中小型水库震损机理分析研究［J］．人民长江，2009，40(7):58-61，104．(SUN Shao-nan，ZHANG Xian-qi，TIAN Lin-gang．Research on earthquake damage mechanism of middle and small reservoirs in“5．12”earthquake［J］．Yangtze River，2009，40(7):58-61，104．(in Chinese))

［9］陈生水，霍家平，章为民．“5．12”汶川地震对紫坪铺混凝土面板坝的影响及原因分析［J］．岩土工程学报，2008，30(6):795-801．(CHEN Sheng-shui，HUO Jia-ping，ZHANG Wei-min．Analysis of effects of“5．12”Wenchuan earthquake on Zipingpu concrete face rock-fill dam［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(6):795-801．(in Chinese))

［10］王华，张新华．四川震损水库情况和灾后恢复重建对策［J］．人民长江，2008，39(22):14-16，35．(WANG Hua，ZHANG Xin-hua．Earthquake-damaged reservoir situation in Sichuan Province and reconstruction measures after disaster［J］．Yangtze River，2008，39(22):14-16，35．(in Chinese))