四川宝兴河梯级大坝地震风险评价与分析*

张小霞，张建元，王 佳，魏文杰，张新华

（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065；2.云南广业机电建筑安装有限责任公司，云南昆明650216）

四川宝兴河梯级大坝地震风险评价与分析*

张小霞1，张建元2，王 佳1，魏文杰1，张新华1

（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065；2.云南广业机电建筑安装有限责任公司，云南昆明650216）

近年来四川地震频发，对近震源区域内的水库大坝造成了较大的损坏。2013年4月20日发生的芦山7.0级地震给四川宝兴河梯级电站带来了不同程度的影响。该文运用Bureau提出的大坝地震风险评估方法对四川宝兴河梯级电站大坝（硗碛、宝兴、小关子、铜头和雨城）进行了风险评估，通过与梯级大坝的实际震损情况进行对比分析，对Bureau方法做了适当改进。改进后的评价结果表明：四川宝兴河梯级大坝总风险因子排序与实际震损严重程度排序一致，所做改进对四川宝兴河梯级大坝地震风险评估具有一定的适用性，对类似地震风险评估具有一定的参考价值。

地震；风险评估；总风险因子法；峰值加速度；宝兴河梯级大坝；四川

水利工程对人类社会发展有着许多作用，例如发电、供水、防洪等。但水利工程的兴建也会带来诸多负面影响，如水利工程失事则会对下游人民的生命和财产构成极大的损坏。当水利工程建在地震多发区时更应该引起重视，地震致使大坝失事的事件很多，如2001年6月26日印度布吉发生的7.6级地震，引起Chang大坝浅层地基土液化从而导致溃坝，Shivlakha大坝也在布吉地震中遭到严重损坏［1］；1854年日本8.4级Ansei-Nankai地震导致Manno Ike大坝渗漏加重，几天后大坝溃决［2］；Krinitzsky［3］指出遭受严重损坏的大坝主要是土坝，主要破坏原因是地震运动导致地基液化；Hinks和Gosschalk［4］指出Earlsburn大坝、Cerro Negro大坝及El Cobra大坝等众多土坝溃决都是由地震引发的。

目前，国外对大坝地震危害等级和大坝风险评级已有很多研究，Ozkan［5］总结了在地震作用下土坝和堆石坝的地震表现和安全性分析；国际大坝委员会［6］将地震危害评级和大坝及其附属建筑物风险评级分开评估用来判断大坝地震风险；Bureau将两者联合起来定义了大坝结构总风险因子［7］，运用总风险因子来判断大坝地震风险等级；Tosun等人［8］用国际大坝委员会和Bureau提出的两种方法进行分析并对土耳其幼发拉底河流域的多座大坝进行评估，认为Bureau的方法更好。近年来中国的几次大地震给震源附近的水利工程带了很大的损坏，同时也引起了人们的注意，一些学者开始对大坝的抗震设计和震害进行研究，陈厚群对汶川8.0级地震大坝抗震安全进行了分析［9］，并对高坝建设抗震安全提出了相关建议；朱晟通过对土石坝震害调查分析［10］，总结了土石坝震害机理、形式，并提出了防止震害的对策；林鹏等人对高坝结构安全作了分析［11］。国内对大坝地震风险等级的评估研究还比较欠缺，评估方法及其合理性也缺乏分析探讨。本文针对以上问题，研究了距2013年4月20日发生的芦山县7.0级地震震中较近的四川宝兴河梯级大坝，包括硗碛水库、宝兴电站、小关子电站、铜头电站和雨城电站的大坝震损情况，并运用目前国际上应用较广的大坝地震风险评估方法对四川宝兴河梯级电站大坝进行了大坝地震风险等级评估。通过评估结果和芦山地震中各大坝震损情况的比较，对其评估方法做了适当修改，结果表明修改后的评价结果更可靠。

1 四川宝兴河已建成电站基本资料及震损情况

1.1 基本资料

本次研究针对四川宝兴河梯级电站已建成投入运行的大坝，包括：硗碛电站、宝兴电站、小关子电站、铜头电站和雨城电站，各大坝位置如图1所示，各个电站资料如表1所示。

图1 四川宝兴河梯级电站位置示意图

表1 大坝基本资料

1.2 震损情况调查

针对2013年4月芦山7.0级地震，考察组于2013年6月进行了现场调查，逐一排查坝顶、坝前坡、坝后坡、坝下排水沟、坝肩、放水建筑物以及启闭设施等的震损情况，掌握了芦山地震对四川宝兴河梯级电站各个大坝的震损程度，其中小关子大坝震损最为严重，震损情况如图2所示。其次是雨城，然后是铜头、宝兴，硗碛大坝震损最轻。具体震损情况如表2所示。

表2 大坝震损情况

2 分析方法

目前，大坝地震危害等级和大坝风险评级方面的研究取得了许多成就，Bureau的方法应用较广，本文主要采用Bureau提出的总风险因子法进行大坝地震风险评坝址处的地震危害性。其表达式为：

图2 小关子电站芦山7.0级地震震后图片

式中：CRF为库容风险因子；HRF为坝高风险因子；ARF为坝龄风险因子；DHF为下游危害因子；PDF为预测损害因子；CRF＋HRF＋ARF表明大坝及水库的风险。式中各项参数取值方法见文献［7］。

计算PDF时需要考虑峰值加速度的取值，对于地震峰值加速度计算方法目前主要是采用经验公式进行计算。AMBRASEYS对欧洲地区地震水平峰值加速度和垂直峰值加速度［12］关系进行了分析预测；Campbell依据50 km范围内的强震运动数据，提出了浅源地震水平峰值加速度经验公式［13］，其计算公式为：

式中：PGA为地震峰值加速度；M为里氏震级；R为距断层破裂带的距离。

(1)煤泥离心机。由表3可知，煤泥离心机入料量为20.29 t/h，此处的系统能力按入料量计算，原设备的负荷能力是30 t/h×2=60 t/h，可以满足实际生产的需求。

表3 地震峰值加速度PGA与烈度对照表

图3 芦山7.0级地震烈度图

由于经验公式具有地区性，结果不一定准确。为了选取较为可靠的峰值加速度值，可以依据地震烈度与地震峰值加速度关系（表3），再根据相应地震的烈度图来判断各个大坝坝址处的地震峰值加速度取值范围。根据地震烈度与地震峰值加速度的关系来考虑坝址处地震峰值加速度的方法比较粗糙，精度不够高。将地震烈度和峰值加速度分成差异很大的等级，虽然只能定性地描述各地区地震峰值加速度大概取值，但是据此选取的地震峰值加速度值可以体现地震的特性。

3 分析与讨论

3.1 各风险因子选取

根据Bureau方法和各个大坝对应的基本资料，选取各风险因子的值，具体取值结果见表4。由中国地震局图片绘出芦山地震地震烈度图如图3所示，各大坝按烈度与峰值加速度关系确定的峰值加速度值见表5。用经验公式（2）计算峰值加速度的计算结果如表6所示。

表4 大坝风险因子取值表

表6 峰值加速度值PGA计算值

由表5和表6可知，经验公式计算结果与根据烈度选取的地震峰值加速度值差别较大。鉴于两种方法计算结果相差较大，分别用经验公式和烈度对应的地震峰值加速度值，并根据Bureau方法计算预测损害因子PDF的值，计算结果如表7所示。根据选取的各风险因子，按照Bureau提出的总风险因子法计算各个大坝的总风险因子，并判断大坝的风险等级，评价结果如表8所示。

表7 PDF计算值

表8 总风险因子计算表

根据表8评估结果可知，PGA用经验公式计算和用烈度对应的峰值加速度值两种方法，计算所得的大坝总风险因子排序是一样的，从高到低排序为：雨城、小关子、铜头、宝兴、硗碛。其中雨城和小关子的大坝风险等级为Ⅲ级，风险性较高。铜头、宝兴和硗碛大坝风险等级为Ⅱ级，风险性适中。雨城大坝的总风险因子大于小关子大坝。由实际考察研究区域各个大坝在芦山地震中震损程度从高到低排序为：小关子、雨城、铜头、宝兴、硗碛。实际震损情况是小关子震损较为严重，其他四座大坝震损很轻。因此，传统方法评价结果与实际情况之间存在一定的出入，这表明评估方法尚有不足之处，需根据实际情况作一些改进。

3.2 评价方法改进与再评估

根据3.1节中的评价和分析，将Bureau提出的大坝地震风险评估方法做如下改进。

（2）分析发现，经验公式计算峰值加速度时，震中距相同的地点峰值加速度值相等。实际上天然地震波都是各向异性的，如汶川8.0级地震以及此次芦山7.0级地震都是窄条型。如采用经验公式计算地震峰值加速度值体现不出特定地震的方向性；而采用地震烈度图对应的地震峰值加速度值又比较粗糙，且坝址震中距体现得不够明显。

预测损害因子PDF是地震严重程度指数ESI和坝型有关，ESI和地震震级、震源深和震中距有关，Bureau方法中ESI是震级和峰值加速度的函数，考虑到前面两种峰值加速度计算方法都有一定缺陷，对地震严重程度指数（ESI）计算方法作一定修改。本研究认为针对本次芦山7.0级地震，计算ESI可用如下公式计算地震严重程度指数：

式中：R为震中距；PGA采用芦山地震烈度图对应的地震峰值加速度。在式（3）中地震强度和震中距所占的权重是比较合理的，通过对中国近代7级以上地震总结发现大地震地震影响范围较广，但会造成严重损坏的几乎都在烈度Ⅵ度及以上的区域。根据文中列出的计算峰值加速度的经验公式，当震震级为7级，震中距R为50 km时，即使震源很浅，计算出的峰值加速度也只有0.07 g左右，此时对应的烈度小于Ⅵ度。也就是说对于7级地震，可以初步认为地震会造成较大影响的区域在50 km范围内。

对Bureau方法做以上两点改进，其它各项因子取值不变，重新评价，改进后的总风险因子评估计算结果如表9所示。

表9 改进的总风险因子评价计算

按照改进后的方法对四川宝兴河梯级现有5个大坝进行评估，总风险因子从高到低排序为：小关子、雨城、铜头、宝兴、硗碛。改进后雨城的总风险因子比改进前明显降低，改进后的评价结果排序和调查大坝震损情况排序一致，表明所做改进对四川宝兴河梯级大坝地震风险评估具有一定的适用性。

4 结论

本次研究，查看了四川宝兴河梯级电站硗碛、宝兴、小关子、铜头和雨城在芦山地震中的震损情况，并做了地震风险评价及评价方法讨论，主要结论有：

（1）Bureau的方法中坝高对应的风险因子取值不够合理，建议可把该取值标准改为：坝高为＜30 m、30～70 m和＞70 m时，相应的HRF取为2、4、6。

（2）计算地震峰值加速度的经验公式有一定弊端，而根据地震烈度图选取地震峰值加速度值的方法又较粗糙，使得地震严重程度指数ESI计算结果不够合理，从而导致地震预测损害因子PDF和总风险因子偏差较大，因此本文对ESI的计算公式做出部分修改，从而使地震风险评估结果更加客观、合理。

（3）对Bureau方法进行改进后，各个大坝总风险因子从高到低排序为：小关子、雨城、铜头、宝兴、硗碛。其中小关子和雨城大坝风险等级为Ⅲ级，风险性较高。铜头、宝兴和硗碛大坝风险等级为Ⅱ级，风险性适中。结果表明：改进后的评价结果与实际震损情况更吻合，所做改进对类似地震风险评估具有一定的参考价值。

［1］ Singh R，Roy D，Jain S.Analysis of earth dams affected by the 2001 Bhuj Earthquake［J］.Engineering Geology.2005，80（3／4）：282－291.

［2］ Tani S.Earthquake damage to fill dams［C］／／Third International Conference on Case History in Geotechnical Engineering.Missouri：the University of Missouri-Rolla，1993：595－598.

［3］ Krinitzsky E，Hynes M.The Bhuj，India，earthquake：lessons learned for earthquake safety of damson alluvium［J］.Engineering Geology，2002，66（3／4）：163－196.

［4］ Hinks J，Gosschalk E，李笃权.水坝与地震［J］.河海科技进展，1994，14（1）：100－110.

［5］ Ozkan M Yener.A review of considerations on seismic safety of embankments and earth and rock-fill dams［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，1998，17（7／8）：439－458.

［6］ ICOLD.Selecting parameters for large dams-guidelines and recommendations［C］／／ICOLD Committee on Seismic Aspects of Large Dams，Bulletin，1989：72.

［7］ Bureau G J.Dams and appurtenant facilities earthquake engineering Hand book［C］／／Chenh W F，Scawthorn C.Bora Raton：CRSpress，2003，26：1－47.

［8］ Hasan Tosuna，Zorluerb ismail，Ahmet Orhan，et al.Seismic hazard and total risk analyses for large dams in Euphrates basin，Turkey［J］.Engineering Geology，2007，89（1／2）：155－170.

［9］ 陈厚群，混凝土高坝强震震例分析和启迪［J］.水利学报，2009，40（1）：10－18.

［10］朱晟，土石坝震害与抗震安全［J］.水力发电学报，2011，30（6）：40－51.

［11］林鹏，王仁坤，李庆斌，等.汶川8.0级地震对典型高坝结构安全的影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（6）：1261－1269.

［12］AMBRASEYSN N.The prediction of earthquake peak ground acceleration in Europe［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1995，24：467－490.

［13］Campbell KW.Near-source attenuation of peak horizontal acceleration［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1981，71：2039－2070.

Seism ic Hazard and Risk Analyses of the Cascade Dam s on the Baoxing River Basin in Sichuan Province

Zhang Xiaoxia1，Zhang Jianyuan2，Wang Jia1，WeiWenjie1and Zhang Xinhua1
（1．State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2．Yunnan Guangye Electromechanical＆Architectural Installation Corp．，LTD，Kunming，Yunnan 650216，China）

In recent years，earthquakes happened frequently in Sichuan Province，and caused great damages to nearby hydraulic reservoirs and dams.For example，cascade dams of the Baoxing river suffered different damages in the Lushan earthquake，occurred on April 20，2013.In this article，Bureau′s risk evaluation method was used to analyze the Seismic hazard and total risks of the dams in the Baoxing River.There are five dams which are the Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi，Tongtou，Yucheng.In order to check the applicability of the Bureau′s method，comparisonsweremade between its evaluation results and the actual damages of Baoxing River dams.Result of the comparison shows some discrepancy.Therefore，somemodifications have beenmade for the Bureau′smethod.Results of the evaluation after themodification aremore rational.

earthquake；dam risk rating；total risk analyses；peak ground accelerate

P642；X4

A

1000－811X（2014）03－0214－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.03.039

张小霞，张建元，王佳，等.四川宝兴河梯级大坝地震风险评价与分析［J］.灾害学，2014，29（3）：214－217.［Zhang Xiaoxia，Zhang Jianyuan angWang Jia，etal.Seismic Hazard and Risk Analyses of the Cascade Dams on the Baoxing River Basin in Sichuan Province［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（3）：214－217.］*

2014－01－20 修回日期：2014－03－21

国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）课题（2013CB036401）；国家科技重大水专项（2009ZX07104－001）；国家自然科学基金（51379137）；四川大学水力学与山区河流开发保护重点实验室研究经费

张小霞（1990－），女，重庆人，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面的研究.

E－mail：xoxayoujian＠126.com

张新华（1965－），男，四川资中人，副教授，研究方向水力学及河流动力学、水环境.E－mail：xhzhang＠scu.edu.cn