張小霞，張建元，王 佳，魏文杰，張新華

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065；2.云南廣業(yè)機電建筑安裝有限責(zé)任公司，云南昆明650216）

四川寶興河梯級大壩地震風(fēng)險評價與分析*

張小霞1，張建元2，王 佳1，魏文杰1，張新華1

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065；2.云南廣業(yè)機電建筑安裝有限責(zé)任公司，云南昆明650216）

近年來四川地震頻發(fā)，對近震源區(qū)域內(nèi)的水庫大壩造成了較大的損壞。2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0級地震給四川寶興河梯級電站帶來了不同程度的影響。該文運用Bureau提出的大壩地震風(fēng)險評估方法對四川寶興河梯級電站大壩（磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭和雨城）進行了風(fēng)險評估，通過與梯級大壩的實際震損情況進行對比分析，對Bureau方法做了適當改進。改進后的評價結(jié)果表明：四川寶興河梯級大壩總風(fēng)險因子排序與實際震損嚴重程度排序一致，所做改進對四川寶興河梯級大壩地震風(fēng)險評估具有一定的適用性，對類似地震風(fēng)險評估具有一定的參考價值。

地震；風(fēng)險評估；總風(fēng)險因子法；峰值加速度；寶興河梯級大壩；四川

水利工程對人類社會發(fā)展有著許多作用，例如發(fā)電、供水、防洪等。但水利工程的興建也會帶來諸多負面影響，如水利工程失事則會對下游人民的生命和財產(chǎn)構(gòu)成極大的損壞。當水利工程建在地震多發(fā)區(qū)時更應(yīng)該引起重視，地震致使大壩失事的事件很多，如2001年6月26日印度布吉發(fā)生的7.6級地震，引起Chang大壩淺層地基土液化從而導(dǎo)致潰壩，Shivlakha大壩也在布吉地震中遭到嚴重損壞［1］；1854年日本8.4級Ansei-Nankai地震導(dǎo)致Manno Ike大壩滲漏加重，幾天后大壩潰決［2］；Krinitzsky［3］指出遭受嚴重損壞的大壩主要是土壩，主要破壞原因是地震運動導(dǎo)致地基液化；Hinks和Gosschalk［4］指出Earlsburn大壩、Cerro Negro大壩及El Cobra大壩等眾多土壩潰決都是由地震引發(fā)的。

目前，國外對大壩地震危害等級和大壩風(fēng)險評級已有很多研究，Ozkan［5］總結(jié)了在地震作用下土壩和堆石壩的地震表現(xiàn)和安全性分析；國際大壩委員會［6］將地震危害評級和大壩及其附屬建筑物風(fēng)險評級分開評估用來判斷大壩地震風(fēng)險；Bureau將兩者聯(lián)合起來定義了大壩結(jié)構(gòu)總風(fēng)險因子［7］，運用總風(fēng)險因子來判斷大壩地震風(fēng)險等級；Tosun等人［8］用國際大壩委員會和Bureau提出的兩種方法進行分析并對土耳其幼發(fā)拉底河流域的多座大壩進行評估，認為Bureau的方法更好。近年來中國的幾次大地震給震源附近的水利工程帶了很大的損壞，同時也引起了人們的注意，一些學(xué)者開始對大壩的抗震設(shè)計和震害進行研究，陳厚群對汶川8.0級地震大壩抗震安全進行了分析［9］，并對高壩建設(shè)抗震安全提出了相關(guān)建議；朱晟通過對土石壩震害調(diào)查分析［10］，總結(jié)了土石壩震害機理、形式，并提出了防止震害的對策；林鵬等人對高壩結(jié)構(gòu)安全作了分析［11］。國內(nèi)對大壩地震風(fēng)險等級的評估研究還比較欠缺，評估方法及其合理性也缺乏分析探討。本文針對以上問題，研究了距2013年4月20日發(fā)生的蘆山縣7.0級地震震中較近的四川寶興河梯級大壩，包括磽磧水庫、寶興電站、小關(guān)子電站、銅頭電站和雨城電站的大壩震損情況，并運用目前國際上應(yīng)用較廣的大壩地震風(fēng)險評估方法對四川寶興河梯級電站大壩進行了大壩地震風(fēng)險等級評估。通過評估結(jié)果和蘆山地震中各大壩震損情況的比較，對其評估方法做了適當修改，結(jié)果表明修改后的評價結(jié)果更可靠。

1 四川寶興河已建成電站基本資料及震損情況

1.1 基本資料

本次研究針對四川寶興河梯級電站已建成投入運行的大壩，包括：磽磧電站、寶興電站、小關(guān)子電站、銅頭電站和雨城電站，各大壩位置如圖1所示，各個電站資料如表1所示。

圖1 四川寶興河梯級電站位置示意圖

表1 大壩基本資料

1.2 震損情況調(diào)查

針對2013年4月蘆山7.0級地震，考察組于2013年6月進行了現(xiàn)場調(diào)查，逐一排查壩頂、壩前坡、壩后坡、壩下排水溝、壩肩、放水建筑物以及啟閉設(shè)施等的震損情況，掌握了蘆山地震對四川寶興河梯級電站各個大壩的震損程度，其中小關(guān)子大壩震損最為嚴重，震損情況如圖2所示。其次是雨城，然后是銅頭、寶興，磽磧大壩震損最輕。具體震損情況如表2所示。

表2 大壩震損情況

2 分析方法

目前，大壩地震危害等級和大壩風(fēng)險評級方面的研究取得了許多成就，Bureau的方法應(yīng)用較廣，本文主要采用Bureau提出的總風(fēng)險因子法進行大壩地震風(fēng)險評壩址處的地震危害性。其表達式為：

圖2 小關(guān)子電站蘆山7.0級地震震后圖片

式中：CRF為庫容風(fēng)險因子；HRF為壩高風(fēng)險因子；ARF為壩齡風(fēng)險因子；DHF為下游危害因子；PDF為預(yù)測損害因子；CRF＋HRF＋ARF表明大壩及水庫的風(fēng)險。式中各項參數(shù)取值方法見文獻［7］。

計算PDF時需要考慮峰值加速度的取值，對于地震峰值加速度計算方法目前主要是采用經(jīng)驗公式進行計算。AMBRASEYS對歐洲地區(qū)地震水平峰值加速度和垂直峰值加速度［12］關(guān)系進行了分析預(yù)測；Campbell依據(jù)50 km范圍內(nèi)的強震運動數(shù)據(jù)，提出了淺源地震水平峰值加速度經(jīng)驗公式［13］，其計算公式為：

式中：PGA為地震峰值加速度；M為里氏震級；R為距斷層破裂帶的距離。

(1)煤泥離心機。由表3可知，煤泥離心機入料量為20.29 t/h，此處的系統(tǒng)能力按入料量計算，原設(shè)備的負荷能力是30 t/h×2=60 t/h，可以滿足實際生產(chǎn)的需求。

表3 地震峰值加速度PGA與烈度對照表

圖3 蘆山7.0級地震烈度圖

由于經(jīng)驗公式具有地區(qū)性，結(jié)果不一定準確。為了選取較為可靠的峰值加速度值，可以依據(jù)地震烈度與地震峰值加速度關(guān)系（表3），再根據(jù)相應(yīng)地震的烈度圖來判斷各個大壩壩址處的地震峰值加速度取值范圍。根據(jù)地震烈度與地震峰值加速度的關(guān)系來考慮壩址處地震峰值加速度的方法比較粗糙，精度不夠高。將地震烈度和峰值加速度分成差異很大的等級，雖然只能定性地描述各地區(qū)地震峰值加速度大概取值，但是據(jù)此選取的地震峰值加速度值可以體現(xiàn)地震的特性。

3 分析與討論

3.1 各風(fēng)險因子選取

根據(jù)Bureau方法和各個大壩對應(yīng)的基本資料，選取各風(fēng)險因子的值，具體取值結(jié)果見表4。由中國地震局圖片繪出蘆山地震地震烈度圖如圖3所示，各大壩按烈度與峰值加速度關(guān)系確定的峰值加速度值見表5。用經(jīng)驗公式（2）計算峰值加速度的計算結(jié)果如表6所示。

表4 大壩風(fēng)險因子取值表

表6 峰值加速度值PGA計算值

由表5和表6可知，經(jīng)驗公式計算結(jié)果與根據(jù)烈度選取的地震峰值加速度值差別較大。鑒于兩種方法計算結(jié)果相差較大，分別用經(jīng)驗公式和烈度對應(yīng)的地震峰值加速度值，并根據(jù)Bureau方法計算預(yù)測損害因子PDF的值，計算結(jié)果如表7所示。根據(jù)選取的各風(fēng)險因子，按照Bureau提出的總風(fēng)險因子法計算各個大壩的總風(fēng)險因子，并判斷大壩的風(fēng)險等級，評價結(jié)果如表8所示。

表7 PDF計算值

表8 總風(fēng)險因子計算表

根據(jù)表8評估結(jié)果可知，PGA用經(jīng)驗公式計算和用烈度對應(yīng)的峰值加速度值兩種方法，計算所得的大壩總風(fēng)險因子排序是一樣的，從高到低排序為：雨城、小關(guān)子、銅頭、寶興、磽磧。其中雨城和小關(guān)子的大壩風(fēng)險等級為Ⅲ級，風(fēng)險性較高。銅頭、寶興和磽磧大壩風(fēng)險等級為Ⅱ級，風(fēng)險性適中。雨城大壩的總風(fēng)險因子大于小關(guān)子大壩。由實際考察研究區(qū)域各個大壩在蘆山地震中震損程度從高到低排序為：小關(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。實際震損情況是小關(guān)子震損較為嚴重，其他四座大壩震損很輕。因此，傳統(tǒng)方法評價結(jié)果與實際情況之間存在一定的出入，這表明評估方法尚有不足之處，需根據(jù)實際情況作一些改進。

3.2 評價方法改進與再評估

根據(jù)3.1節(jié)中的評價和分析，將Bureau提出的大壩地震風(fēng)險評估方法做如下改進。

（2）分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗公式計算峰值加速度時，震中距相同的地點峰值加速度值相等。實際上天然地震波都是各向異性的，如汶川8.0級地震以及此次蘆山7.0級地震都是窄條型。如采用經(jīng)驗公式計算地震峰值加速度值體現(xiàn)不出特定地震的方向性；而采用地震烈度圖對應(yīng)的地震峰值加速度值又比較粗糙，且壩址震中距體現(xiàn)得不夠明顯。

預(yù)測損害因子PDF是地震嚴重程度指數(shù)ESI和壩型有關(guān)，ESI和地震震級、震源深和震中距有關(guān)，Bureau方法中ESI是震級和峰值加速度的函數(shù)，考慮到前面兩種峰值加速度計算方法都有一定缺陷，對地震嚴重程度指數(shù)（ESI）計算方法作一定修改。本研究認為針對本次蘆山7.0級地震，計算ESI可用如下公式計算地震嚴重程度指數(shù)：

式中：R為震中距；PGA采用蘆山地震烈度圖對應(yīng)的地震峰值加速度。在式（3）中地震強度和震中距所占的權(quán)重是比較合理的，通過對中國近代7級以上地震總結(jié)發(fā)現(xiàn)大地震地震影響范圍較廣，但會造成嚴重損壞的幾乎都在烈度Ⅵ度及以上的區(qū)域。根據(jù)文中列出的計算峰值加速度的經(jīng)驗公式，當震震級為7級，震中距R為50 km時，即使震源很淺，計算出的峰值加速度也只有0.07 g左右，此時對應(yīng)的烈度小于Ⅵ度。也就是說對于7級地震，可以初步認為地震會造成較大影響的區(qū)域在50 km范圍內(nèi)。

對Bureau方法做以上兩點改進，其它各項因子取值不變，重新評價，改進后的總風(fēng)險因子評估計算結(jié)果如表9所示。

表9 改進的總風(fēng)險因子評價計算

按照改進后的方法對四川寶興河梯級現(xiàn)有5個大壩進行評估，總風(fēng)險因子從高到低排序為：小關(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。改進后雨城的總風(fēng)險因子比改進前明顯降低，改進后的評價結(jié)果排序和調(diào)查大壩震損情況排序一致，表明所做改進對四川寶興河梯級大壩地震風(fēng)險評估具有一定的適用性。

4 結(jié)論

本次研究，查看了四川寶興河梯級電站磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭和雨城在蘆山地震中的震損情況，并做了地震風(fēng)險評價及評價方法討論，主要結(jié)論有：

（1）Bureau的方法中壩高對應(yīng)的風(fēng)險因子取值不夠合理，建議可把該取值標準改為：壩高為＜30 m、30～70 m和＞70 m時，相應(yīng)的HRF取為2、4、6。

（2）計算地震峰值加速度的經(jīng)驗公式有一定弊端，而根據(jù)地震烈度圖選取地震峰值加速度值的方法又較粗糙，使得地震嚴重程度指數(shù)ESI計算結(jié)果不夠合理，從而導(dǎo)致地震預(yù)測損害因子PDF和總風(fēng)險因子偏差較大，因此本文對ESI的計算公式做出部分修改，從而使地震風(fēng)險評估結(jié)果更加客觀、合理。

（3）對Bureau方法進行改進后，各個大壩總風(fēng)險因子從高到低排序為：小關(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。其中小關(guān)子和雨城大壩風(fēng)險等級為Ⅲ級，風(fēng)險性較高。銅頭、寶興和磽磧大壩風(fēng)險等級為Ⅱ級，風(fēng)險性適中。結(jié)果表明：改進后的評價結(jié)果與實際震損情況更吻合，所做改進對類似地震風(fēng)險評估具有一定的參考價值。

［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，李篤權(quán).水壩與地震［J］.河?？萍歼M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］ 陳厚群，混凝土高壩強震震例分析和啟迪［J］.水利學(xué)報，2009，40（1）：10－18.

［10］朱晟，土石壩震害與抗震安全［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（6）：40－51.

［11］林鵬，王仁坤，李慶斌，等.汶川8.0級地震對典型高壩結(jié)構(gòu)安全的影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，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

張小霞，張建元，王佳，等.四川寶興河梯級大壩地震風(fēng)險評價與分析［J］.災(zāi)害學(xué)，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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“九七三”計劃）課題（2013CB036401）；國家科技重大水專項（2009ZX07104－001）；國家自然科學(xué)基金（51379137）；四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護重點實驗室研究經(jīng)費

張小霞（1990－），女，重慶人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究.

E－mail：xoxayoujian＠126.com

張新華（1965－），男，四川資中人，副教授，研究方向水力學(xué)及河流動力學(xué)、水環(huán)境.E－mail：xhzhang＠scu.edu.cn