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1 概 述

地震災(zāi)害是在地震高發(fā)區(qū)大壩工程設(shè)計(jì)中需考慮的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，這種災(zāi)害是一種復(fù)合型災(zāi)害，除了地面震動(dòng)之外，還會引發(fā)如下問題:沿壩基可能的活斷層位移;水庫中的斷層位移，造成水庫水位超安全水位，并可能形成水浪；可能誘發(fā)壩址處沿水庫的滑坡和巖崩，引起溢洪道、壩頂壩肩附近設(shè)備的損壞，堵塞進(jìn)水口，在水庫中產(chǎn)生沖擊涌浪等。

此外，地震災(zāi)害也是人類了解最少的災(zāi)害之一，并且強(qiáng)震不能預(yù)測，尤其是預(yù)計(jì)不到發(fā)生可能性很小并且伴有很大不確定性的超強(qiáng)地震作用下壩址處地面的運(yùn)動(dòng)狀況。因此，在不確定的情況下，有必要尋求一種安全的解決方案以及一種減震性良好的壩型，使其在強(qiáng)震中的運(yùn)行狀況令人滿意，并且能應(yīng)對壩址區(qū)地震及其次生復(fù)合型災(zāi)害。

由于混凝土壩，特別是拱壩很容易受壩基處不連續(xù)面位移的影響，這是在地震構(gòu)造研究中，人們對強(qiáng)震作用下確認(rèn)與評估壩基位移等相關(guān)方面最為關(guān)心的問題。活斷層的存在以及強(qiáng)震期間沿壩基不連續(xù)面滑動(dòng)的可能性，都可能對選擇的壩型和壩址造成嚴(yán)重的后果。事實(shí)上，如果所選的一個(gè)壩址區(qū)壩基下有活動(dòng)斷層，則通常建議另選壩址。但在無可選擇的情況下，最好的方案就是選用經(jīng)慎重設(shè)計(jì)的心墻土石壩。

此外，存在活斷層的高應(yīng)力構(gòu)造區(qū)，極有可能會由于水庫充水和(或)水庫運(yùn)行引起水庫誘發(fā)地震(RTS)。盡管可能不會直接關(guān)注一座精心設(shè)計(jì)的大壩及其附屬建筑物的安全性，但水庫誘發(fā)地震仍可以導(dǎo)致水庫庫岸滑坡，傷及未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施，并可能引起下游地帶居民的安全問題。這些社會問題必須認(rèn)真對待。因此在這樣的壩址區(qū)，強(qiáng)烈建議在建壩前就在庫區(qū)安裝微型地震監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須運(yùn)行數(shù)年，且覆蓋所有的施工階段，包括蓄水期和水庫運(yùn)行期。

本文對位于伊朗構(gòu)造活動(dòng)非常活躍的扎格羅斯(Zagros)山脈的R.洛雷斯坦(Rudbar Lorestan)壩壩址處復(fù)雜的地震災(zāi)害特征進(jìn)行了討論，其結(jié)論對于與之位置相似的大壩在應(yīng)對地震引發(fā)的地面的嚴(yán)重震動(dòng)和壩基的位移時(shí)，有一定借鑒作用。

2 壩區(qū)地震災(zāi)害特征

地震會產(chǎn)生次生復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害，對蓄水壩具有以下影響：

(1) 地面震動(dòng)引起大壩、附屬建筑物和設(shè)備及其基礎(chǔ)的震動(dòng)。

(2) 壩基斷層位移或壩基中靠近大斷層的可能不連續(xù)面，斷層有可能是活性的，從而引起結(jié)構(gòu)變形。

(3) 水庫庫底的斷層發(fā)生位移，在水庫中引起水浪。

(4) 大體積巖塊位移(巖崩、滑坡、巖石碰撞)，危及閘門、溢洪道閘墩(裂縫)、擋土墻(傾覆)、廠房(裂縫、擊穿以及變形)、機(jī)電設(shè)備、壓力管道、輸電線路桅桿，以及電力供應(yīng)等。

(5) 水庫庫岸滑塌，激起水庫涌浪，并引發(fā)大壩漫頂。

(6) 大體積巖塊位移引起河流堵塞并形成堰塞湖，而堰塞湖遭破壞后又會導(dǎo)致徑流式水電站的漫頂或廠房設(shè)備的淹沒。

(7) 巖體滑落堵塞壩址和附屬建筑物的對外交通道路。

(8) 地面運(yùn)動(dòng)以及由于土壤液化或被壓密引起壩基沉降，導(dǎo)致壩體內(nèi)部變形。

(9) 水庫誘發(fā)地震。

其他影響，如水浪和庫水波動(dòng)對于大壩抗震安全性影響較小。

建議采用檢查表或?yàn)?zāi)害分級矩陣列出所遇的災(zāi)害，系統(tǒng)地對所有這些災(zāi)害進(jìn)行考證與評估，估計(jì)災(zāi)害對大壩工程的影響。最后列出處理每種災(zāi)害的措施。

目前對于大壩(或其他建筑物)來說，抗震條例和規(guī)程中給出的主要災(zāi)害，仍只涉及地面震動(dòng)，但現(xiàn)實(shí)中并不只是如此。在各種結(jié)構(gòu)的大型蓄水壩中，地震災(zāi)害還會引起內(nèi)應(yīng)力、開裂、變形、滑動(dòng)、傾覆等更多的破壞。

3 R.洛雷斯坦壩壩址地震構(gòu)造

R.洛雷斯坦大壩工程位于伊朗南部的扎格羅斯褶皺和斷層帶。大壩為粘土心墻堆石壩,壩高156 m，庫容約為2億m3。該壩目前正處于施工階段。

現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造和地震構(gòu)造條件可概括如下：

(1) 壩址位于具有高陡邊坡的狹窄山谷中。兩側(cè)山谷邊坡都是由達(dá)蘭(Dalan)構(gòu)造(二疊紀(jì)晚期)石灰?guī)r形成。這些巖石易脆性破裂，地震引起的變形都會沿原有的不連續(xù)面發(fā)生。

(2) 對R.洛雷斯坦壩址影響最大、距離最近的活性斷層是薩拉萬德-巴茲納韋德(Saravand-Baznavid)斷層(SBF)，其長度約為100 km，是扎格羅斯主斷層的一部分，據(jù)估算，該斷層水平滑移率為10～17mm/a。

(3) 薩拉萬德-巴茲納韋德斷層位于距R.洛雷斯坦壩址1.6 km處。

(4) 壩址處可見的最重要的地震構(gòu)造特征是F1斷層。該平移斷層位于左壩肩處，與河流方向相同。斷層面傾角接近90°且最大斷層寬度約為6 m。該斷層長度小于1 km，不屬于地震構(gòu)造斷層。在壩基開挖過程中，發(fā)現(xiàn)存在許多平行斷層，其斷層間距約為10 m,特征與F1斷層相似。斷層表面的痕跡表明，最大的單次事件移動(dòng)高達(dá)120 cm。由于缺乏斷層中的坡積物(幾乎垂直的山谷側(cè)面)和沉積物，無法獲得最近斷層移動(dòng)的可靠年代。

(5) 壩址處還有很多其他的斷層和不連續(xù)面(老斷層、巖石節(jié)理、層理面等)，其傾向各不相同。

由于壩址處的地震構(gòu)造條件十分復(fù)雜，至于壩基一帶可能的運(yùn)動(dòng)，不同的地震構(gòu)造專家給出了不同的解釋。下面是關(guān)于R.洛雷斯坦壩壩址處的地震構(gòu)造評估以及改選壩型的簡要?dú)v程。

(1) 狹窄山谷壩頂寬度與壩高的寬高比約為1，壩址處良好的巖石特性是第一家咨詢公司建議采用拱壩的主要原因。當(dāng)時(shí)沒有關(guān)于項(xiàng)目地區(qū)地震構(gòu)造條件的有效詳細(xì)信息。

(2) 進(jìn)一步的現(xiàn)場勘察和左岸對外交通道路的施工表明，在左壩肩處存在一條活斷層，右岸存在一條非活性斷層。當(dāng)時(shí)對左岸斷層的單一事件水平移動(dòng)的估計(jì)值高達(dá)50 cm，同時(shí)假定最大斷層寬度小于50 cm。對于大壩設(shè)計(jì)，提出了一個(gè)地震構(gòu)造模型，該模型中兩壩肩可沿左岸斷層發(fā)生相對移動(dòng)。通過對重力拱壩、碾壓混凝土重力壩和土石壩的比選，認(rèn)為在左壩肩采用滑動(dòng)連接的碾壓混凝土重力壩是技術(shù)上合理且最經(jīng)濟(jì)的方案。新西蘭的克萊德(Clyde)重力壩，也采用的是滑動(dòng)連接方式，可以為該工程所借鑒。

(3) 結(jié)合對有滑動(dòng)連接的碾壓混凝土重力壩的回顧，對地震構(gòu)造場地條件進(jìn)行了再評估。這次再評估有各個(gè)領(lǐng)域的當(dāng)?shù)睾蛧H專家參與。得出的結(jié)論是，上面提到的地震構(gòu)造模型過于樂觀?，F(xiàn)在假定，在壩址附近的薩拉萬德-巴茲納韋德斷層處發(fā)生強(qiáng)震，地震時(shí)壩基的許多不連續(xù)面可能產(chǎn)生位移，且左岸斷層寬度達(dá)10 m，強(qiáng)震中右岸斷層也可能發(fā)生位移。因此，僅滑動(dòng)式連接的方式將對碾壓混凝土重力壩不起作用，需提供其他形式的滑動(dòng)式連接。鑒于上述種種爭議和諸多的不確定性，最后提出尋求一個(gè)安全的解決方案，即采用保守設(shè)計(jì)的粘土心墻堆石壩。

(4) 在壩基開挖階段，發(fā)現(xiàn)與左壩肩處第一次檢測到的斷層相似的新斷層。這證明壩址處地震構(gòu)造條件的高復(fù)雜性和選擇適應(yīng)強(qiáng)震壩型的必要性。

R.洛雷斯坦壩址處的地震構(gòu)造條件便是如此，很難準(zhǔn)確預(yù)測薩拉萬德-巴茲納韋德斷層附近發(fā)生強(qiáng)震時(shí)會產(chǎn)生什么樣的后果。該壩址與其他任何壩址相比都是獨(dú)一無二的。然而，壩址處特殊的地震構(gòu)造特征和大多數(shù)壩型抗壩基位移的脆弱性，需要對壩型的選擇進(jìn)行再評估。從國際準(zhǔn)則(國際大壩委員會，1998年)中可以找到以下與壩基中存在潛在活性斷層的相關(guān)的陳述：

(1) 確認(rèn)壩基中可能存在的斷層需采取嚴(yán)格的步驟。如果構(gòu)造上有更合適更穩(wěn)定的壩址，則應(yīng)舍棄之前的壩址。

(2) 有時(shí)很難發(fā)現(xiàn)構(gòu)造上更合適的壩址，在這種情況下建議排除混凝土壩方案，考慮具有保守特征的土石壩。

(3) 壩址處斷層潛在活動(dòng)性不確定，且項(xiàng)目地質(zhì)專家不能作出有關(guān)壩基斷層活動(dòng)狀況的決定性結(jié)論時(shí)，就必須慎重對待。這時(shí)，大壩工程師須綜合考慮所有問題的決策，通常情況下是偏于安全方面的考慮，因?yàn)樵搯栴}需要非常保守的解決方案。

就壩型選擇來說，上述陳述已非常清楚，比如說保守設(shè)計(jì)的具有防滲墻的土石壩。至于混凝土重力壩中的滑動(dòng)連接問題，現(xiàn)存在一些質(zhì)疑，迄今為止還沒有在地震過程中測試過(國際大壩委員會，1998年)。

盡管對于R.洛雷斯坦壩壩址處的地震構(gòu)造了解有限，允許不同的專家給出不同的解釋，但尋求一種安全的方案是首要的問題，其次需要考慮其他因素，如工程費(fèi)用、合同義務(wù)、可獲取的建壩材料、進(jìn)度計(jì)劃、壩型選擇等。目前并不清楚所估計(jì)的斷層位移和(或)地面運(yùn)動(dòng)是否真的會產(chǎn)生問題，如果這種地面運(yùn)動(dòng)不會危及大壩則非常幸運(yùn)。

4 大壩地震構(gòu)造選取準(zhǔn)則

關(guān)于有斷層位移的大壩設(shè)計(jì)，必須考慮以下情況。

(1) 穿過壩基的活斷層。即使斷層的寬度很小，且斷層的幾何形狀和斷層位移十分清晰，也不能保證在特定的斷層處未來斷層的位移會引起表面開裂的情形不會發(fā)生，因此對于這種壩址建議采用粘土心墻堆石壩。

(2) 穿過壩基的復(fù)合型斷層或有寬裂隙帶的斷層。對于這類壩址建議采用粘土心墻堆石壩。

(3) 大壩位于大斷層附近，斷層能引發(fā)大震級的地震。若斷層位移在壩址內(nèi)大范圍分布，則可引起壩基巖體沿不連續(xù)面的位移，對于這類壩址建議采用粘土心墻堆石壩。

(4) 壩址距離大斷層的距離較遠(yuǎn)(數(shù)十公里)，斷層能引發(fā)大震級的地震。這種情形可選取任何壩型。

可將組合壩型作為粘土心墻堆石壩的一種備選方案。在可預(yù)期的壩基位移區(qū)采用土石壩，而在穩(wěn)定的基巖區(qū)采用混凝土壩。這對需要建溢洪道的混凝土壩來說應(yīng)該是合理的方案。

現(xiàn)有兩座具有滑動(dòng)連接的混凝土重力壩，即美國1934年建成的高100 m的莫里斯(Morris)重力壩，以及新西蘭于1977～1989年建成的高102 m的克萊德重力壩。然而，這兩座大壩尚未在斷層位移中得到檢驗(yàn)，也沒有證明設(shè)計(jì)有效性的實(shí)測數(shù)據(jù)。盡管討論滑動(dòng)連接時(shí)經(jīng)常會參考克萊德壩，但第一選擇仍應(yīng)是更保守的方案。只有當(dāng)完全了解了壩基中的斷層位置和未來的位移方向時(shí)，才能考慮建混凝土壩。

5 粘土心墻堆石壩的抗震設(shè)計(jì)

從目前所建壩的實(shí)際現(xiàn)狀看，大型粘土心墻堆石壩在強(qiáng)震中的抗震性能非常理想。目前已知的遭地震破壞的大壩都是尾礦壩或水力沖填壩，或較小的老土石壩，也可能是設(shè)計(jì)施工不當(dāng)?shù)耐潦瘔巍?/p>

對于強(qiáng)震和壩基出現(xiàn)位移情形的土石壩設(shè)計(jì)和施工，主要建議如下(國際大壩委員會，2001年)：

(1) 壩基必須開挖到十分密實(shí)的地基帶或基巖層，或者必須對松散的基材進(jìn)行加密處理，用高密實(shí)度的材料進(jìn)行置換，以防止液化和強(qiáng)度損失。

(2) 采用緩坡來減小地震引起的變形。

(3) 不得使用強(qiáng)震過程中趨于產(chǎn)生較高孔隙水壓力的填土材料。

(4) 大壩所有區(qū)域都必須徹底壓實(shí)以防止在地震中產(chǎn)生過度沉降。

(5) 所有土石壩，尤其是均質(zhì)壩，對地震引起的橫向裂縫中的滲流，都必須能有效地截滲排水，確?？赡軐?dǎo)致裂縫的情形發(fā)生后壩體非飽和區(qū)仍為相應(yīng)的非飽和狀態(tài)。

(6) 防滲心墻由塑性材料構(gòu)成，具有較高的抗破壞應(yīng)變性能，這樣可將開裂區(qū)的擴(kuò)散降到最低，防止心墻開裂后的內(nèi)部侵蝕。

(7) 必須為破碎基巖設(shè)置反濾層以杜絕管涌發(fā)生。

(8) 必須采用寬反濾層和排水區(qū)(在斷層位移和地震引發(fā)的邊坡滑動(dòng)之后仍有50%可用)。

(9) 上下游過渡區(qū)應(yīng)為自愈型，其顆粒級配上也應(yīng)做到使心墻內(nèi)的裂縫自愈。

(10) 為應(yīng)對強(qiáng)震中可能產(chǎn)生的沉降以及斷層位移在水庫中可能引起的水浪，壩體必須有足夠的超高。

(11) 鑒于壩頂開裂的可能性，壩頂寬度應(yīng)超過常規(guī)要求，這樣在地震發(fā)生時(shí)能使可能產(chǎn)生的橫向裂縫中有更長的滲徑。

對于有防滲心墻的土石壩，其心墻材料的抗侵蝕性是備受關(guān)注的問題。反濾層和過渡區(qū)為防止壩體中地震導(dǎo)致的集中滲漏提供了第一道防線。

在斷層移動(dòng)引起位移之后，應(yīng)保證重疊反濾層區(qū)的厚度至少為2 m。這意味著設(shè)計(jì)位移為1～2 m，需要反濾層的厚度至少為3 m。為考慮所有的不確定性，安全系數(shù)取1.5，這時(shí)反濾層的厚度應(yīng)為4.0～4.5 m。反濾層不會產(chǎn)生裂縫，因其材料是完全非粘性的。這就是說位移過程中產(chǎn)生的任何空隙在飽和之后都將塌陷。斷層區(qū)域之上心墻的粘土材料應(yīng)有更強(qiáng)的塑性(具有較高的壓實(shí)含水量)，這樣在發(fā)生位移受剪時(shí)，就不會形成可能引起內(nèi)部侵蝕的開口裂縫。在滿足以上條件時(shí)，可以容許土石壩壩基中產(chǎn)生1～2 m的水平位移(或滑移)。

6 斷層位移的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與分析

國際大壩委員會第148號公告(2010年)“大壩抗震參數(shù)選取”中給出了大壩抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，2010年進(jìn)行了修正。這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要對地面震動(dòng)有效。然而，正如第2節(jié)中討論的，必須考慮所有可能的影響大型蓄水壩的地震災(zāi)害。若發(fā)生地震構(gòu)造災(zāi)害,需要對壩基沿不連續(xù)面的可能位移進(jìn)行評估。

對于活斷層，某單次地震事件發(fā)生的最大斷層位移量可通過以下幾點(diǎn)得到：①斷層長度為主要影響因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；②土壤表面(或開槽)觀測結(jié)果；③裸露的斷層表面觀測結(jié)果。由于難以找到甚至不可能找到可靠的斷層位移記錄，建議考慮偏于安全的地震重現(xiàn)期，對可能的斷層位移進(jìn)行保守估計(jì)。對地震導(dǎo)致大斷層附近的不連續(xù)面位移進(jìn)行估計(jì)是主要任務(wù)，且該任務(wù)涉及很大的不確定性，就像R.洛雷斯坦壩壩址的情況那樣。因此，與其關(guān)注那些復(fù)雜的分析，不如注重壩型的選擇來應(yīng)對那些不確定性。

一般而言，需對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析驗(yàn)證。除了正常的荷載組合之外，還需對最不利的地震情形下的安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，包括地面震動(dòng)和斷層位移的影響。對于該安全性評價(jià)來說，對粘土心墻堆石壩可以采用兩步分析，首先采用大壩最大斷面的二維模型對地面震動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力分析，然后假定斷層位移沿河流方向而對其進(jìn)行剛體靜力分析。這樣對斷層位移來說，只需要檢驗(yàn)反濾層和過渡區(qū)的寬度是否足以防止心墻的內(nèi)部侵蝕即可。

7 結(jié) 語

活性斷層構(gòu)造形成特定的災(zāi)害，必須在大壩設(shè)計(jì)和安全性評估中加以考慮。最危險(xiǎn)的情況是表面可見的斷層直接穿過壩基，其次斷層蠕動(dòng)也會危及大壩結(jié)構(gòu)的完整性。

當(dāng)意識到壩基中存在活斷層或潛在活斷層時(shí)，大壩設(shè)計(jì)必須考慮其長遠(yuǎn)影響。

萬一橫穿壩址的斷層存在近代構(gòu)造活動(dòng)的情況，如果不能找到可替代的壩址，則采用保守設(shè)計(jì)的土石壩(具有非粘性材料構(gòu)成的寬反濾層和過渡區(qū))，便極有可能使受斷層位移影響的大壩幸存。一般而言，受活性斷層構(gòu)造特征影響的壩址處不能采用混凝土壩。

由于大壩很容易受到壩基斷層位移的影響，對于大壩設(shè)計(jì)和安全復(fù)核，應(yīng)采用保守的估計(jì)確定最大可能斷層位移量。

對于強(qiáng)震中壩基可能沿不連續(xù)面(斷層、巖石節(jié)理、層理面等)位移的壩址區(qū)，則采用柔性土石壩是最安全的方案，如精心設(shè)計(jì)的粘土心墻堆石壩。對于引發(fā)大地震的重大斷層和表層斷裂，如果從壩址幾公里的范圍內(nèi)穿過，并且壩址處的巖石構(gòu)造可能經(jīng)歷了沿前期壩基不連續(xù)面的位移，則采用土石壩更為適宜。如果可能的話應(yīng)盡量避免選用這樣的壩址，然而實(shí)際上在地震高發(fā)區(qū)通常不能避開這樣的情形。

因此，近距離的重大斷層可能對可用壩型的選擇會產(chǎn)生直接影響。對于這樣的壩址來說，粘土心墻堆石壩通常是優(yōu)選壩型。