周建平，武明鑫

（1.中國電力建設股份有限公司，北京市海淀區(qū) 100048；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京市西城區(qū) 100120）

水電工程防震抗震研究及設計規(guī)范

周建平1，武明鑫2

（1.中國電力建設股份有限公司，北京市海淀區(qū) 100048；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京市西城區(qū) 100120）

近年來強烈地震頻發(fā)，地震區(qū)水電工程大壩抗震安全性倍受社會關注。隨著我國水電工程技術的進步，同時通過對實際震損情況的調查分析、不斷吸取經驗教訓，大壩防震抗震設計理論和方法均取得了較大發(fā)展，為建立健全水電工程防震抗震標準體系、工程措施以及應急管理等提供了重要基礎。本文概述了我國水電工程震損調查的情況及獲得的啟示；介紹了工程防震抗震設計標準體系及其基本內容；重點論述了抗震設防標準、地震地質災害調查、生命線工程以及應急防災體系等規(guī)范要點。

水電工程；震損調查；防震抗震設計

0 引言

地震災害偶然突發(fā)，破壞性強。繼2008年汶川地震（8.0級）之后，還發(fā)生了海地地震（7.3級）、青海玉樹地震（7.1級）、東日本大地震（9.0級）、四川雅安地震（7.0級）、云南魯甸地震（6.5級）、尼泊爾博卡拉地震（8.1級）、意大利北部地震（6.1級）和緬甸中北部地震（6.8級）等破壞性地震，造成大量人員傷亡、建筑物損毀，受災地區(qū)人民生命財產和社會經濟遭受了巨大損失。

地震帶給人類社會災難的同時，也留下了研究地震危險性、震害規(guī)律以及總結工程防震抗震經驗教訓的寶貴信息。全面調查收集分析震害資料、科學研究震損規(guī)律、系統(tǒng)總結地震減災經驗，對于認識地震災害特征，加強防震抗震科學研究，提高水電工程抗震設計、施工和運行維護管理水平，增強水電工程地震減災能力等均具有十分重要意義。

1 水電工程震損調查及啟示

地震破壞大體分為三類，第一類是地震帶破裂導致的錯斷破壞，包括跨活動斷層布置的建筑物的破裂、錯斷，相應的地基或基礎的破壞；第二類是地震波傳播導致地面運動而引發(fā)的建筑物或山體的破壞；第三類是地震次生災害，如滾石、滑坡、崩塌堆積、滑坡涌浪等地震地質災害，以及火災、爆炸、有害有毒氣體和液體泄漏等其他次生災害。

在水電工程中，地震災害表現(xiàn)為水工建筑物的錯斷、地基液化、壩肩失穩(wěn)、壩坡失穩(wěn)、結構開裂、壩體沉陷、庫水漫壩、水淹廠房、地面設施設備損壞等[1]。地震對建筑物的破壞的作用通常表現(xiàn)為復合性和多重性，在震后調查中需要通過科學分析，才能判斷哪些是地震直接破壞造成的、哪些是地震間接破壞造成的。

在汶川地震水電工程震損調研中，針對震后樞紐主要建筑物、設施設備、地基及邊坡、進廠上壩道路、近壩岸坡等，依據其外觀形態(tài)、功能完整性和修復難易程度等指標，將其震損程度分為5級，即未震損、震損輕微、震損較重、震損嚴重以及震毀。在上述分項震損程度分析評價的基礎上，再根據主要建筑物主體結構、重要設施設備以及重大地質災害情況，通過綜合分析確定樞紐工程震損程度。水電樞紐工程震損程度分為5級，如表1所示。

調查分析表明，地震對水工建筑物的影響和損害，表現(xiàn)出“三重三輕”的特點：次要及附屬建筑物震損較重，大壩及其他主要建筑物震損較輕；地面建筑物震損較重，地下建筑物震損較輕；天然邊坡震損較重，人工邊坡震損較輕。地震對水電樞紐工程的損害同樣也有“三重三輕”的特點：離震中和破裂帶近的工程震損較重，距離遠的較輕；早期建設的工程震損較重，近期建設的工程較輕；規(guī)模較小的工程震損較重，規(guī)模較大的震損較輕。

表1 水電樞紐工程震損程度評價及分級Tab.1 Evaluations and grades of earthquake damages for hydropower projects

汶川地震災區(qū)24座大中型水電工程中，映秀灣、漁子溪和耿達3座樞紐工程震損較重和嚴重；太平驛、紫坪鋪、沙牌等6座樞紐工程總體震損較輕，局部震損較重或嚴重；其他工程震損輕微。沒有一座大中型水電工程潰壩，未造成次生洪水災害。玉樹地震災區(qū)有小型水電站13座，地震發(fā)生后，均采取了放空水庫的應急處理措施，水電工程震損沒有造成次生災害。

從以上地震災區(qū)水電工程震損調查，并結合國內外其他水電工程震損調查情況的文獻分析，可以獲得以下啟示[2-4]：

（1）大中型水電工程遭受超出設防標準的強震，都沒有出現(xiàn)同震錯斷損毀或嚴重震損潰壩的情況，說明只要選址恰當、設計合理、保證施工質量和維護管理得當，水電工程大壩就具備抵御設計地震的能力。同時這也證明我國水電工程抗震設計標準、建設管理體制基本是合適的。

（2）高山峽谷區(qū)地震次生災害中，地質災害所造成的破壞最為嚴重。地震地質災害對建筑物的破壞遠大于地震動的直接破壞，是水電工程嚴重震損的重要原因。所以水電工程防震設計需特別重視防治地震地質災害，要加強地質災害調查、研究和治理工作，適當擴大調查和治理的范圍，開展必要的預警預防和綜合防治。

（3）高混凝土重力壩主要震害現(xiàn)象為壩體裂縫、局部混凝土破碎、壩基和岸坡裂縫以及壩體異常位移等；壩體上下游折坡位置，尤其是上部折坡點是抗震薄弱部位，強震情況下容易出現(xiàn)裂縫。高拱壩主要震害現(xiàn)象為壩體水平裂縫，橫縫張開、滲漏量增加、拱座巖體變形和局部失穩(wěn)等；拱座潛在滑移塊體是關鍵單元和抗震薄弱環(huán)節(jié)。高土石壩主要震害現(xiàn)象包括壩體縱向及橫向開裂，壩體沉降、壩坡變形、壩頂防浪墻倒塌等，以及面板堆石壩的面板脫空、錯動和破損[5，6]。

（4）汶川地震中，應急預案缺失、應急設施缺乏、應急處置不當、應急組織失調等現(xiàn)象，反映了水電工程設計建設管理的薄弱環(huán)節(jié)。水電工程在地震地質災害及其他次生災害防范、臨震應急處置、安全疏散、應急電源、應急通信以及其他應急保障措施等方面還存在諸多缺陷。因此，工程設計、建設、運行和應急管理等方面均需進一步加強防震抗震及其應急處置等基礎性研究工作和技術指導，包括建立流域梯級系統(tǒng)的、全生命周期的、多源風險的防災減災防控體系。

2 水電工程防震抗震設計標準體系

除國家相關法律法規(guī)及其強制性標準外，2015年之前，我國水利水電工程地震設防所依據的行業(yè)標準僅有“水工建筑物抗震設計規(guī)范”，分別是電力行業(yè)標準《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（DL 5073—2000）[7]和水利行業(yè)標準《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（SL 203—1997）[8]。兩者相關規(guī)定是一致的，大壩抗震設防標準采用設計基準期內一定概率水準（或重現(xiàn)期）的地震動參數表示，采用一級設計標準設防，其性能目標對應的是，在設計地震作用下，容許水工建筑物局部損壞，經一般修復處理后仍可正常運行。

《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（DL 5073—2000）的側重點是水工建筑物地震安全，著重闡述水工結構地震安全評價中的地震動輸入、結構地震響應和結構抗力三個相互關聯(lián)的內容[9]。規(guī)范中未涉及地震地質、地震次生災害、生命線工程、地震搶險救災、應急預案及應急處置、震后評價及修復等內容，也缺少對工程規(guī)劃、樞紐布置、結構體型和細部構造方面的相關規(guī)定。

實踐證明，合適的樞紐布置和壩型選擇能起到防御和減緩震災發(fā)生和擴大的作用；在水工結構選型上，通過使建筑結構的一般要求和抗震要求相結合，可以避免增加“額外”成本；在細部構造設計上，通過局部增強關鍵單元和薄弱部位的抗震強度和韌性，也可以顯著提高結構的整體抗震能力。從汶川地震災區(qū)搶險救災及災后重建中吸取經驗教訓，水電工程防震抗震設計需要涉及樞紐工程各建筑物、水庫庫岸、交通工程、電力設施設備等各個部分；包含規(guī)避預防、工程抗震、監(jiān)測預警、應急處置、搶險救災、應急通信和電源、震后修復等多個環(huán)節(jié)；覆蓋地震震動、地質災害、洪水災害、火災爆炸、有害有毒氣體等多源風險，樹立系統(tǒng)性、綜合性、風險性的防震抗震設計新理念。

迄今，世界上已建、在建200m以上高壩65座，中國17座，占26%[10]。根據規(guī)劃，未來還將在金沙江、怒江等河流上修建200m以上高壩20座，這些工程均處于地震地質條件復雜、地震烈度高的地區(qū)，水電工程防震抗震安全問題突出。因此，迫切需要通過總結國內外在高壩建設科學研究、勘測設計、建設管理等方面取得的技術發(fā)展，總結震害調查的經驗和啟示，補充完善相應抗震設計技術標準，為未來水電工程建設提供技術支持[11-14]。

在總結工程經驗的基礎上，水電水利規(guī)劃設計總院、中國水電工程顧問集團公司聯(lián)合中國水利水電科學研究院、清華大學、大連理工大學、中國地震局地球物理研究所等單位開展了“混凝土壩抗震安全評價體系研究”“高土石壩抗震性能及抗震安全研究”“高壩大庫強震災變的預防對策研究”等一系列攻關工作，結合大壩抗震安全復核，驗證了抗震安全評價體系及其參數，為制定《水電工程防震抗震設計規(guī)范》（NB 35057—2015）和修訂《水工建筑物抗震設計規(guī)范》提供了重要科研成果[15，16]。

《水電工程防震抗震設計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）[17]是我國首次提出的、基于全生命周期管理和地震災害風險防控的技術指南，屬于水電工程地震設防第一層級的技術規(guī)范，希望借此闡明水電工程防震抗震的指導思想、基本原則和基本要求，并起到指導水工建筑物、地基及邊坡、金屬結構、機電設備設施、通信、對外交通、應急預案及應急管理等第二層級規(guī)范制修訂的作用。

考慮強地震作用的不確定性以及震害后果的嚴重性，《規(guī)范》要求采取風險分析的理論和風險防控的方法和措施，減輕地震災害，力求與水電工程地質勘查、水工建筑物設計、金屬結構設計、機電設施設計、安全監(jiān)測設計等專業(yè)之間已有防震抗震技術要求相協(xié)調，應用中還需深入研究水電工程相關專業(yè)間的協(xié)調問題。

《規(guī)范》針對水電工程在選址、場地安評、地震設防標準、樞紐布置、地基與邊坡、金屬結構、機電設備、通信、對外交通、地震監(jiān)測和地震應急管理等方面，規(guī)定其防震抗震和風險防控設計的基本原則和要求。《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》（NB 35047—2015）[18]主要針對水工建筑物抗震設計，包括土石壩、重力壩、拱壩、水閘、水工地下結構、進水塔、水電站壓力鋼管和地面廠房、渡槽、升船機等，規(guī)定其抗震設計、計算和構造要求。

由此可見，《水電工程防震抗震設計規(guī)范》和《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》界限明確，各有側重、互為補充，共同構成現(xiàn)階段水電工程地震設防標準體系和基本依據?？傮w上，涵蓋了河流規(guī)劃、工程設計、施工、運行及應急管理等全生命周期，涉及規(guī)劃、地質、水工、施工、機電、安全監(jiān)測和運行調度各個專業(yè)，提出了基于工程經驗、安全系數和可靠性的風險防控與應急處置相結合的防震抗震對策措施的相關規(guī)定。

3 水電工程防震抗震規(guī)范要點

3.1 抗震設計標準

因地震作用的不確定性和地震響應的復雜性，水電工程地震設防必須堅持“確保安全，留有裕度”原則。高壩大庫一旦失事，不僅工程本身損失很大，而且可能導致流域性的嚴重災害和重大社會影響。因此，高壩工程具有比一般工程更高、更嚴格的抗震設防要求[19，20]。實踐表明，《水工建筑物抗震設計規(guī)范》所確定的抗震設計標準總體是合適的，但也需要研究提高超高壩等甲類設防大壩的設防標準。

《規(guī)范》規(guī)定，我國乙類設防大壩采取設計地震一級設防，相應設防水準為50年超越概率10%（重現(xiàn)期約為500年）；甲類設防大壩（包括超高壩），采取設計地震和校核地震兩級設防，設計地震設防水準為100年超越概率2%，校核地震設防水準為100年超越概率1%或最大可信地震（MCE）。設計地震情況下滿足“可修復”的要求，校核地震作用下滿足“不潰壩”的要求。

3.2 工程防震抗震安全復核

根據工程震損調查和恢復運行的經驗，一些高壩在經受強烈地震作用后，考慮風險疊加和風險傳導，壩基、壩肩或壩體結構可能已經產生局部損壞，甚至出現(xiàn)滲漏滲壓變化，加上余震作用及其他有害因素的影響，破損范圍可能進一步擴大，威脅大壩安全，因此需要開展震后大壩安全檢查、抗震安全復核以及研究制定對策措施。對于早期已建的一些高壩（老壩），未進行防震抗震設計，或設計標準偏低、邊界條件或計算不準確，也需要開展地震危險性、危害性的分析，抗震設計復核及工程防震抗震研究，提出補救措施[21]。

《規(guī)范》規(guī)定，水電工程運行中，樞紐工程區(qū)如遭遇大于或等于Ⅶ度地震影響烈度的，應開展震后抗震設計復核，進行包括地震危險性和震害規(guī)律以及總結工程防震抗震經驗教訓在內的專項安全鑒定評價工作，根據需要實施補強修復。

3.3 地震地質災害調查

防范地震次生災害，需要加強水電工程及其大壩地震地質災害、地震洪水災害的調查分析和研究；需要加強環(huán)境邊坡的地質調查，重視地震對環(huán)境邊坡危險源的致災影響及滑坡堵江的分析研究；加強對壩址上游流域梯級干支流水庫大壩建設管理情況的分析；加強次生地質災害、洪水災害的預測預警和綜合防治。

《規(guī)范》規(guī)定，樞紐布置及建筑物設計應重視防范地震地質災害風險。加強對樞紐工程區(qū)及其附近自然邊坡、滑坡體、危巖體、泥石流以及其他物理地質現(xiàn)象等地質災害隱患排查，分析其在地震情況下的穩(wěn)定性和可能導致的影響，提出有效應對措施。

3.4 地震應急預案

強地震發(fā)生后，應立即采取措施，將地震災害損失降至最低，尤其需要防止出現(xiàn)潰壩，避免發(fā)生庫水失控下泄，造成流域性安全事件。地震應急預案的作用就是使管理者和值班人員懂得，如何避免發(fā)生上述事故或事件，或者一旦出現(xiàn)上述事故或事件的征兆或跡象，如何正確應對，才能最大限度地減輕災害損失。

《規(guī)范》規(guī)定，水電工程防震抗震設計中，應進行地震破壞及次生災害的風險分析，針對可能的風險和危害，從防災減災角度，研究提出工程地震應急預案和應急管理要求。地震應急預案應包括（但不限于）對以下風險的防范：全廠停電；水淹廠房；洪水漫壩；閘門失靈、壩體缺口；壩基或壩坡失穩(wěn)；壩基壩體滲漏加劇；電源中斷與通信中斷；地震次生災害等。

3.5 對外交通

水電站對外交通是聯(lián)系水電站樞紐與國家公路、鐵路、水運港口和航運機場之間的主干通道，遭遇地震時，擔負搶險救災的運輸任務。水電站對外交通包括永久進場交通、上壩交通、長引水工程的廠壩連接交通、抽水蓄能電站上水庫與下水庫的連接交通等。

《規(guī)范》規(guī)定，水電工程對外交通方式的選擇，應考慮地震搶險救災的要求。大型水電工程對外交通，應設置主、輔進場公路（又稱“雙通道”）；并應研究公路和水運聯(lián)合交通運輸方式，以及公路、水運和航空聯(lián)合運輸方式的合理性。大型水電工程，在交通條件困難、難以設置輔助進場公路的條件下，應研究設置庫區(qū)水運通道及直升機停機坪。

3.6 通信方案

通信條件也是地震情況下水電站重要生命線工程之一。為及時通報地震災害情況，獲得有效救助和支援，保持水電站與外部的聯(lián)系極其重要。

《規(guī)范》規(guī)定，大型水電站的電力通信應設有兩個及以上相互獨立的通信通道，并組成環(huán)形或迂回回路的通信網絡。兩個相互獨立的通道宜采用不同的通信方式。梯級（區(qū)域）集控中心應設有衛(wèi)星通信地面站。大中型梯級水電站與集控中心的通信，應設有固定衛(wèi)星通信作為第二備用通信通道。

3.7 應急電源

從汶川地震災區(qū)情況來看，樞紐泄水設施由于失去電源而無法開啟，廠用電系統(tǒng)中配置的柴油發(fā)電機組或布置不當，遠離閘門啟閉機，或被崩塌堆積物掩埋或被滾石砸壞，或缺乏維護處于故障狀態(tài)，或缺少柴油等原因，不能正常啟動，嚴重影響了應急處置。

《規(guī)范》規(guī)定，對于甲、乙類設防的泄洪設施，廠用電系統(tǒng)應為樞紐工程泄洪設施設置獨立的保安電源。泄洪保安電源應由泄水設施供電系統(tǒng)直接接入。應急電源及其配電裝置應避免受到地震次生災害的威脅，盡量靠近泄水建筑物布置。直流電源系統(tǒng)作為水電站控制和保護系統(tǒng)設備的工作電源，同時還應兼作地震災害下水電站內的應急電源。

4 結束語

水電工程的地震安全，尤其大壩抗震安全倍受社會關注。汶川地震災區(qū)的高壩工程均經受了強地震檢驗，無一潰壩?？拐鸢踩珡秃俗C明了我國水電工程大壩具有良好的抗震潛能；通過對水電工程大壩抗震設計標準、方法和應急管理制度的總結和反思，建立健全了相關設計標準，進一步完善了地震設防方法和對策措施。

《規(guī)范》基于系統(tǒng)性、綜合性、風險性的地震設防理念，按照以人為本、預防為主，防震抗震和應急處置相結合的設防原則，采用全生命周期管理及風險防控理論，從河流規(guī)劃、工程設計、建設、運行和應急處置等各個環(huán)節(jié)、規(guī)劃、地質、水工、施工、機電、監(jiān)測和運維等各個專業(yè)，提出了防災減災基本要求和技術措施。只要遵循設計規(guī)范的要求，采取恰當的防震抗震對策措施，就可實現(xiàn)工程可靠性和經濟性的平衡，最大限度地避免或減輕地震災害損失。

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Key Issues and Specifications of Seismic Design for Hydropower Projects

ZHOU Jianping1，WU Mingxin2
（1. Power Construction Cooperation of China，Beijing 100048，China；2. China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China）

In recent years，the seismic safety of high dams is a socially concerned issue. With the development of hydropower engineering，and also with rich experiences of earthquakedamages investigation and statistics，the practice of seismic design for hydropower projects has obtained great achievements.These include but are not limited to design codes，engineering measures and emergency managements. The earthquakedamages investigation is reviewed and the framework of seismic design are introduced，giving emphasis to the key issues including the seismic resistance criterion，earthquake-induced geological disasters，lifeline engineering，and earthquake disaster prevention and reduction，etc.

hydropower projects，earthquake-damages investigation，seismic design

TV223.7

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.003

2017-02-25

2017-03-20

周建平（1962—），男，湖南常德人，教授級高級工程師，中國電力建設股份有限公司總工程師，主要研究方向：水電工程技術研究及建設管理。

武明鑫（1987—），女，博士。