[瑞士 ]M.維蘭德

胡云鶴 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2010年第8期

大型水庫和大壩,一般應(yīng)包括一座高度超過15 m的混凝土壩或土石壩、一道用來減少壩基滲流的灌漿帷幕或者截水墻、一座用于安全泄洪的溢洪道、一個(gè)在緊急情況下為降低水庫水位的底孔以及為達(dá)到商業(yè)目的從水庫取水的取水建筑物。根據(jù)水庫的用途,還應(yīng)該有一些其他結(jié)構(gòu),例如:水電站進(jìn)水口、壓力鋼管、電站廠房、控制環(huán)境流量的設(shè)備、魚道等等。

2010年2月27日發(fā)生在智利的里氏8.8級(jí)的馬烏萊(Maule)大地震中,一些大壩遭到損壞,但并沒有因地震而失事。

1 大壩必須具有的抗震性能

為了防止發(fā)生強(qiáng)震時(shí)從大壩水庫中不受控制地突然泄水,大壩必須能夠承受住甚至是極端地震所帶來的強(qiáng)烈的地面震動(dòng),這種地震被稱之為安全評(píng)價(jià)地震(SEE)或者是最大可信地震(MCE)。大型水壩若能經(jīng)受住萬年一遇的地震事件,即這種地震在100a中被超過的機(jī)率為1%,則通常認(rèn)為它們是安全的。很難預(yù)測(cè),在如此罕見的事件中,因?yàn)檫@種規(guī)模的少數(shù)地震對(duì)大壩的實(shí)際響應(yīng)會(huì)發(fā)生什么。因此,參考一些現(xiàn)存的少量觀測(cè)資料至關(guān)重要。從世界上一些大地震中獲取的重要經(jīng)驗(yàn),將會(huì)影響到對(duì)現(xiàn)有大壩的地震安全性評(píng)價(jià),也會(huì)對(duì)將來新的大壩設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

建筑物和橋梁的一側(cè)承載性能與大壩有著基本的區(qū)別。在正常情況下,建筑物和橋梁必須承受主要由結(jié)構(gòu)自重和次要活荷載所引起的垂直荷載。而在大壩情況下,主要荷載是水荷載,就具有垂直上游面的混凝土壩而言,這種水荷載是沿水平方向作用的。對(duì)于土石壩,水荷載是垂直作用于不透水心墻或其上游護(hù)面。對(duì)建筑物和橋梁的地震破壞作用主要是由于地震荷載的水平分量引起的。與建筑物和橋梁相比,混凝土和土石壩更適于承受地震的水平分量,大型水壩要求能夠承受大約萬年一遇的地震,而建筑物和橋梁通常是按重現(xiàn)期為 475a的地震設(shè)計(jì)的。這是典型的建筑物的規(guī)范要求,意味著在50a的時(shí)間里,這種地震事件的機(jī)率超過10%。依據(jù)建筑物和橋梁的風(fēng)險(xiǎn)類別,在地震規(guī)范中,規(guī)定了重要性因素,它們可以轉(zhuǎn)換成更長(zhǎng)的地震重現(xiàn)期,但是仍然沒有達(dá)到在大壩工程中所采取的地震重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)。

此外,對(duì)現(xiàn)存的大多數(shù)建筑物和橋梁都沒有采用現(xiàn)代概念進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),而大壩設(shè)計(jì)從20世紀(jì)30年代開始就考慮了抵抗地震的影響。雖然在今天看來,20世紀(jì) 90年代以前修建的大壩的設(shè)計(jì)中所使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和分析概念顯得過時(shí),而對(duì)保守情況下設(shè)計(jì)的大壩所進(jìn)行的地震安全性的重新評(píng)估卻顯示:這些大壩總體上符合當(dāng)今的設(shè)計(jì)和性能標(biāo)準(zhǔn),而且是安全的。在世界的許多地方,對(duì)現(xiàn)存大壩的地震安全性的重新評(píng)價(jià)都是根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)公報(bào)中記載的建議和準(zhǔn)則進(jìn)行。比如,經(jīng)評(píng)估,①建于1872年的瑞士邁格勞格(Maigrauge)重力壩在經(jīng)過最近的除險(xiǎn)加固處理后,其壽命期又延長(zhǎng)了50a;②伊朗106 m高的塞菲德魯?shù)?Sefid Rud)支墩壩于1990年 6月21日受到7.5級(jí)的曼吉爾(Manjil)地震破壞,地震發(fā)生后,打開了底部灌溉泄水孔以降低水庫的水位。

2 地震災(zāi)害的多樣性

從地震對(duì)蓄水水庫大壩產(chǎn)生的影響來看,具有以下特征的多重災(zāi)害:

(1)地面搖動(dòng)導(dǎo)致壩體、附屬建筑物和設(shè)備,以及其基礎(chǔ)的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)扭曲;

(2)壩基中的斷層活動(dòng)或靠近主斷裂帶的壩基中的不連續(xù)性斷層有可能被激活,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲;

(3)庫底斷層位移可能導(dǎo)致水波運(yùn)動(dòng)或者壩頂超高損失;

(4)巖崩和山體滑坡會(huì)破壞閘門、溢洪道閘墩(產(chǎn)生裂縫)、擋土墻(發(fā)生傾翻)、地面發(fā)電廠房(裂縫、擊穿及扭曲)、機(jī)電設(shè)備、壓力水管、輸電線路的電纜支桿等等;

(5)大體積土石崩落到水庫中會(huì)導(dǎo)致沖擊波;

(6)大體積土石滑移阻塞河流,形成滑坡堰和堰塞湖,滑坡堰潰決可導(dǎo)致徑流式電站漫頂或淹沒發(fā)電廠房設(shè)備,從而危及到下游安全;

(7)由于土石填筑體的液化和密實(shí)作用產(chǎn)生的地面移動(dòng)和沉陷而導(dǎo)致大壩的變形;

(8)壩肩移動(dòng)導(dǎo)致壩體滑移和變形。

水波和水庫水體震蕩(湖面波動(dòng))作用對(duì)一座大壩的地震安全而言顯得并不那么重要。一般而言,在規(guī)范和規(guī)章中考慮到的最主要的危害是地震引發(fā)的地面搖動(dòng),它導(dǎo)致應(yīng)力、變形、開裂、滑移、傾倒等等。然而,一些規(guī)范和規(guī)章中可能未寫入的其他危害也很重要。

因此,在大壩地震設(shè)計(jì)中,所有地震危害的方面都必須要加以考慮,并依據(jù)水庫大壩工程當(dāng)?shù)貤l件而定。

3 提高大壩安全性的選擇

如果地震可以被預(yù)測(cè),人們就可以在地震發(fā)生之前嘗試著降低水庫水位。雖然對(duì)地震預(yù)測(cè)進(jìn)行了40余年的研究,但仍然不可能可靠地預(yù)測(cè)出大地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模?？梢灶A(yù)測(cè)小型地震,但不能預(yù)測(cè)大地震。通常只是在地震發(fā)生的概率方面可以給出預(yù)測(cè),例如,在某一區(qū)域 30a的時(shí)期內(nèi),發(fā)生7級(jí)地震的概率為50%。這樣的預(yù)測(cè)對(duì)達(dá)到預(yù)警目的和降低水庫水位而言基本上沒有用處。

即便能可靠地預(yù)測(cè)一場(chǎng)大的地震,也沒有足夠的時(shí)間來降低一座大型水庫的水位。降低一座水庫的水位需要通過低位泄水孔(底孔)或發(fā)電引水道(如果進(jìn)水口高程較低)。不幸的是,并非每處都有底部泄水孔。因此,比方說,降低水庫50%的水位可能需要數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間,甚至在有些情況下完全沒有可能。

作為一個(gè)結(jié)論,地震預(yù)測(cè)是一門發(fā)展緩慢的科學(xué),對(duì)提高大壩的抗地震安全性能來講并不是一個(gè)可行的選擇。唯一現(xiàn)實(shí)的選擇是使大壩能夠經(jīng)受住壩址處所預(yù)計(jì)的最強(qiáng)烈的地震作用。這是當(dāng)前大壩設(shè)計(jì)中的做法。

庫水是大壩最大的危害。因此,在大壩的抗震設(shè)計(jì)中,必須保證水庫在蓄滿水的條件下大壩的安全。雖然拱壩在空庫時(shí)受到地面搖動(dòng)作用更容易破壞,這種情形對(duì)生活在大壩下游居民的安全并不緊要,但是,如果大壩失事,對(duì)于大壩的擁有者而言,當(dāng)然是一個(gè)重大的經(jīng)濟(jì)問題。

4 地震的誘發(fā)因素

許多情況下,地震是水庫誘發(fā)的。水庫誘發(fā)地震(RST)的主要先決條件是:

(1)水庫區(qū)域存在著活斷層;

(2)存在著接近破壞的高構(gòu)造應(yīng)力的斷層。

處在構(gòu)造上活動(dòng)的區(qū)域內(nèi)的水庫的充水可能僅僅導(dǎo)致誘發(fā)一場(chǎng)在晚些時(shí)候無論如何都會(huì)發(fā)生的地震,RST的發(fā)生主要在水深超過100m的水庫中被觀測(cè)到。迄今為止,已觀測(cè)到 6次超過里氏5.7震級(jí)的地震,最大的為6.3級(jí)。例如印度的戈伊納(Koyna)重力壩,由于在建壩以前沒有關(guān)于當(dāng)?shù)匕l(fā)生地震的記載,所以這幾次大地震是否真是由這些水庫誘發(fā)的仍然有疑點(diǎn)。

如果一座大壩已經(jīng)按照現(xiàn)行的實(shí)踐水平進(jìn)行設(shè)計(jì),要求該壩能安全地經(jīng)受住一次極端地震產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng),那么它也就能夠承受水庫誘發(fā)地震的作用。然而,RTS對(duì)于大壩附近的建筑物和結(jié)構(gòu)來說仍是一個(gè)問題,因?yàn)榕c大壩相比較,它們的抗震能力通常要低得多。在大多數(shù) RTS中,震級(jí)都很小,因而不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的問題。

5 主要關(guān)注的問題

主要關(guān)注的問題涉及到現(xiàn)存的大壩,這些大壩在設(shè)計(jì)的時(shí)候并沒有考慮到地震,這主要是指小壩和老壩,以及那些在今日看來所用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法已經(jīng)過時(shí)的壩。因此,并不是很清楚這些大壩是否滿足現(xiàn)在的抗震安全標(biāo)準(zhǔn)。需要對(duì)現(xiàn)存大壩的抗震安全性進(jìn)行校核,并且應(yīng)該采用現(xiàn)代的地震危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,諸如ICOLD120號(hào)公報(bào)中給出的準(zhǔn)則。這將會(huì)使得大壩在強(qiáng)震中有良好的抗震性性能。遵守這些準(zhǔn)則比執(zhí)行任何復(fù)雜的動(dòng)力分析都更加重要,后者只是幫助理解大壩如何運(yùn)行的一種工具。

6 ICOLD的作用

修建于20世紀(jì) 30年代的美國(guó)胡佛大壩是第1座按抗地震作用設(shè)計(jì)的混凝土壩,既考慮了大壩的慣性效應(yīng),也考慮了水庫的動(dòng)水壓力。日本早在20世紀(jì)20年代就在土石壩設(shè)計(jì)關(guān)于穩(wěn)定性分析中考慮了地震的作用。

ICOLD已經(jīng)在數(shù)次代表大會(huì)和年會(huì)上討論了地震對(duì)大壩的影響。在1955年法國(guó)巴黎的第5次ICOLD大會(huì)上,討論了以下2個(gè)主題:

(1)由于筑壩材料或基礎(chǔ)的可壓縮性引起的土壩沉降;

(2)地震對(duì)大壩設(shè)計(jì)的影響。

1968年 6月,成立了 ICOLD抗震委員會(huì)。這個(gè)委員會(huì)現(xiàn)在的名稱是大壩設(shè)計(jì)抗震委員會(huì)(Comm ittee on Seism ic Aspecs of Dam Design)。全世界各大洲 31個(gè)國(guó)家均派有代表參加這個(gè)重要的委員會(huì)。最近一些年來,該委員會(huì)發(fā)布了以下公報(bào)。

(1)62號(hào)公報(bào)(1988年發(fā)布,2008年修訂):大壩震后檢查準(zhǔn)則;

(2)72號(hào)公報(bào)(1989年發(fā)布,2010年修訂):大壩抗震參數(shù)選擇準(zhǔn)則;

(3)112號(hào)公報(bào)(1998年發(fā)布):新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與大壩準(zhǔn)則;

(4)113號(hào)公報(bào)(1999年發(fā)布):大壩地震監(jiān)測(cè)準(zhǔn)則;

(5)120號(hào)公報(bào)(2001年發(fā)布):有效抵御地震地面運(yùn)動(dòng)的大壩設(shè)計(jì)特點(diǎn)準(zhǔn)則;

(6)123號(hào)公報(bào)(2002年發(fā)布):大壩附屬建筑物的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則;

(7)137號(hào)公報(bào)(2010年發(fā)布):水庫和地震活動(dòng)的相關(guān)知識(shí)。

7 結(jié) 論

現(xiàn)有技術(shù)適合于修建能夠安全地抵御強(qiáng)烈地面搖動(dòng)作用的大壩及其附屬建筑物。

經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)的能夠抵御靜載的水庫大壩,證明對(duì)地震作用也有很強(qiáng)的固有抵御能力。許多小型水壩在遭遇強(qiáng)震時(shí)受損嚴(yán)重,然而,并沒有大型水壩因地震搖動(dòng)而被毀壞。

地震對(duì)大壩引起的多重危害都需要進(jìn)行解釋說明。在強(qiáng)烈地震作用下的大壩性狀還存在著許多不確定性,應(yīng)該盡一切努力去收集、分析和解釋在地震期間大壩運(yùn)行時(shí)的實(shí)地觀測(cè)資料。