水电大坝在汶川大地震中的表现及思考.doc

“2008年安生中国创新英才特训营”讲座材料水电大坝在汶川大地震中的表现及思考吴 中 如中国是世界水电大国，而蕴藏水电资源主要在西南。由于青藏高原的存在，使得我国水电资源理论蕴藏量6.944亿kw（发电量6.0829万亿kwh，相当于23亿吨标准煤），技术可开发量约5.416亿kw（发电量2.474万亿kwh，相当于约9.4亿吨标准煤），是世界最丰富的国家。尽管目前我国的水电资源开发了1.45亿多kw（发电量4867亿kwh，相当于2.40亿吨标准煤），但仅占技术开发量的24%，远落后于欧美发达国家开发量（约50以上，其中美国约60、欧洲约80），但已成为世界水电老大。在全世界都在为化石能源的枯竭和二氧化碳的排放等环境污染，而目前最成熟、最经济、最重要的可再生能源水电，赋予了我国。不断隆起的青藏高原，不但带给我国秀美的山川和丰富的资源，同时也不时地给我们以考验。2008年5月12日，汶川发生了8级特大地震，震动了中国，震惊了世界。在地震中心区域内大量建筑物倒塌、损毁，8.7万多人遇难和失踪，37.41多万人受伤，1200多万人受灾。然而，地震中西南地区水电大坝没有一座垮坝，造成次生灾害。特别是离震中17km的紫坪铺水电站大坝，经受了此次地震的严峻考验。一、大坝的功能、分类和工作特点1、大坝的功能什么叫大坝，为什么要修大坝？我国是水资源短缺和能源严重紧张的国家，人均水资源约2200m3，接近世界严重缺水的国家。而且水资源时空分布严重不均，南方水多、北方水少，汛期水多、枯水期水少。为了不使水白白流向大海，充分利用这些水资源和水能资源，需要横穿江河上筑建挡水建筑物，形成水库和上下游水位差（水头），储蓄时空分布上剩余的水量和水位差形成的势能，提供工农业生产与生活、发电和通航等使用。这种挡水建筑物叫大坝，或俗称水坝。如三峡大坝（图1），形成391亿m3水库，装kw，发电847亿kw（约3000万吨标准煤）；使荆州大堤内的江汉平原防洪标准提高到百年一遇；通航直接止重庆，每年水运货物5000多万吨，这次汶川地震运输救灾货物数百万吨。图1 三峡大坝2、大坝的分类（1）按建筑物材料和工作原理分类混凝土坝，浆砌石坝，土石坝。其中：混凝土坝（图2-1图2-3）分为重力坝、拱坝和连拱坝；用浆砌石修筑的坝称为浆砌石坝，它分重力坝和拱坝；土石坝（图3）分为心墙坝、斜墙坝。图2-1 混凝土重力坝图2-2 混凝土拱坝图2-3 混凝土连拱坝心墙坝斜墙坝图3 土石坝（2）按管理体制分类水利大坝：以防洪、供水等功能为主的大坝为水利大坝，属水利部及下属部门管理。水电大坝：以发电为主的大坝为水电大坝，属电力部门管理。（3）按坝高分类我国的堤坝约8.4万多座，为世界第一。其中高度小于15m称堤坝；高度大于15m称大坝，约1.8万多座。（4）按库容分类大于1亿m3为大型水库，0.11亿m3为中型水库，小于0.1亿m3为小型水库。3、大坝的工作特点（1）受力特点大坝主要承受以下荷载（图4）：图4 压力图1）水压力大坝拦储江河水，将承受巨大水头引起的水压力，如100m高的大坝。每m承受水压力5000t，河谷宽度按600m计，将承受300万t。我国的水能资源主要集中西部地区，坝高将达200m300m，即每座大坝将承受2万t/m4.5万t/m，按河谷宽度500m计，将承受1000万t2250万t的巨大压力。如三峡大坝181m，宽约2200多m，承受约3600多万t水压力。2）地震荷载西部地区为高地震区，像这次汶川大地震，级别达8级，烈度达11度（重灾区为10万km2），作用坝体上将产生巨大的动荷载。这次汶川大地震，在158m高的紫坪铺大坝坝顶产生的加速度达2g（19.6m/s2），这将作用约数十倍水压力的动荷载。3）坝体自重庞大的坝体产生了巨大的自重，如100m高的重力坝，自重约每m约12000t，按500m算，约600万t。如三峡大坝约6870万t。4）其它荷载泥沙，渗流引起的扬压力等。（2）大坝的安全重要性大坝在产生重大社会经济效益的同时，又承受巨大的各种荷载，工作条件十分复杂，一旦失事将给下游产生巨大灾难。如1975年8月淮河上的板桥、石漫滩水库垮坝（图5），死亡2.6万人，受灾1200万人，直接经济损失100亿美元。因此，必须绝对保证大坝的安全，从中存在着重大的社会、经济和复杂的科学技术问题。垮坝后垮坝前图5 垮坝前后二、水利水电大坝经受了严峻考验5月12日，就在距离汶川震中17km的紫坪铺水库（图6、图7），发生了8级（烈度为11度）特大地震，坝顶的加速度为2g（即19.6m/s2），虽然该坝受到损伤，但未垮坝，还在地震中立了大功。图6 紫坪铺水库震前 图7 紫坪铺水库震后如，紫坪铺水库形成的宽阔水面，为地震后道路的严重塌方和空中气候受阻的救灾提供了可靠的水路保障（图8）；震后不几天图8 紫坪铺水库提供水路保障（5月17日）紫坪铺水电站就率先恢复发电，为灾区的抢险救灾提供了电力；水库的11.2亿立方米库容，震前约3亿方，预留8亿方库容，如果采用科学排除堰塞湖的洪水，则8亿库容可拦蓄众多堰塞湖的洪水，供整个成都平原免受堰塞湖洪水的威胁。众所周知，处理唐家山堰塞湖成为汶川大地震后关注的焦点（图9）。为了避免具有3.2亿立方米库容的唐家山堰塞湖的三分之一至全坝垮坝引发的灾难，绵阳市的几十万至一百多万群众不得不被转移到山上。假如绵阳市的前面也有一座像紫坪铺这样11亿立方米库容的大型水库，并用这次处理唐家山堰塞湖的排洪措施，那就无需担心了。也就是说大型水库（水坝）的防洪作用，不仅应对天然洪水，而且也在应对地震引发堰塞湖的次生灾害上。图9 唐家山堰塞湖同样处在汶川震中地区的132m沙牌水电站高拱坝以及这次所有处在地震区域内的29座水坝，在这次地震中没有垮坝。三、震后大坝抗震工作虽然这次大地震尚未出现垮坝，然而据水利部资料，截至5月25日8时，汶川大地震造成全国水库出险2380座（96的库容小于500万m3的小型水库，均为小型土石坝），其中四川1803座，占76%；四川出险的水库中有溃坝险情的69座，高危险情的310座，次高危险情的1424座。因此震后对大坝的后处理还任重道远，主要工作有：（1）加紧研究，积极采取措施，控制水位、加强监测、做好当前应急预案。对有溃坝风险的小型工程分别采取降低库水位、裂缝处用薄膜覆盖防渗、24小时不间断巡查、人员疏散、加强值班和观测等措施。国家发改委也已紧急部署有关电力部门详查震区水电工程大坝震害情况，采取措施，制定应急预案。（2）深化防止高坝严重地震灾变的研究，需要在震害调研、复核和调整设防标准基础上，对遭受震害的工程采取妥善措施，进行永久性加固，对其中严重破坏的工程规划重建，对西部所有重大高坝工程的抗震安全性重新进行研究和评估。（3）深入调研、总结和处理抗震典例。地震的不确定性和大坝的复杂性，使大坝抗震相当程度上仍依赖工程经验类比和历史资料统计。当前我国正在进行世界一流大坝工程建设。缺少经受强震的实例，主要基于过去的传统经验，可能隐含较大风险。因此，应紧抓震例，反复深入调研分析，检验现有概念、方法和措施，认真总结规律、探求启迪，特别是高坝经受强震的实例极少，更应珍惜。（4）复核川西重大工程抗震设防标准。近期，在我国西部在建和拟建的200300米级的几十座高坝，大部分都采用混凝土拱坝方案。应根据汶川大地震的构造成因深入分析，复核和调整正大力建设中的川西重大工程抗震设防标准。特别是，高坝大库一旦在强震中溃决，次生灾害后果不堪设想，将远高于堰塞湖。为防止发生严重地震灾变，重大工程不能仅限于满足抗震设防标准要求，还应由地震和工程部门共同对坝址地震地质条件下可能发生的极端情况，即对最大可信地震及其地震动参数作专门研究，并对引发地震断裂的避让和在主震中已受损伤的大坝可能遭受的余震估计等急需解决的问题开展深入研究。（5）大力开展在最大可信地震作用下，不发生溃坝严重灾变后果的深入研究，力求突破传统理念与方法，提出更可靠和共识的定量判别准则。（6）修订水工抗震设计规范。历次大地震震害调查表明，凡按抗震规范设计的各类结构和工程，一般都无震害或震害较轻。抗震设计规范的作用已经多次实践检验。按国际惯例，在经历了一次重大地震后，都要吸取震害的经验与教训，对各类结构和抗震设计