中國水力發(fā)電工程學會 中國大壩協(xié)會 中國水利水電科學研究院

金沙江畔安邊鎮(zhèn) 攝影/陳業(yè)青

水庫地震問題引人關注

現(xiàn)行的水電建設技術，不僅可以讓水電站抵御較大的地震，而且，科學進行的水電建設還能夠減輕地質災害的危害。

社會各界有關地震和地質災害高發(fā)區(qū)水壩、水電站建設的某些爭論，由來已久。汶川大地震發(fā)生之后，社會各界對地震高發(fā)區(qū)的水電安全給予極大的關注。國家發(fā)展和改革委員會也委托水電水利規(guī)劃總院，對震區(qū)的水電站震損情況進行了細致的調查。根據(jù)調查震后水電站的實際情況，很多事實足以說明現(xiàn)行的水電建設技術，不僅可以讓水電站抵御較大的地震，而且，科學進行的水電建設還能夠減輕地質災害的危害。

關于大壩引發(fā)地震的問題，也是人們關注的話題之一。我們應該承認水庫蓄水以后確實會引起一些地震的發(fā)生。水庫誘發(fā)地震也分為兩種情況，一種是在原本沒有地震斷裂帶的地區(qū)，由于水壩的建設以后形成水庫，水庫蓄水改變了原來的地應力分布，從而產生了局部地震。這種情況比較普遍，但是，由于水庫增加的水體重量通常是均勻的分布在一塊較大的面積之上。這種情況就好像是在地表面蓋上一床被子，不會產生很大的應力集中的情況，很難出現(xiàn)使庫區(qū)的地下巖層發(fā)生斷裂的強烈地震現(xiàn)象。所以，僅僅由水庫蓄水引發(fā)的地應力改變所產生的地震，一般都非常微弱，大多數(shù)都是人們難以察覺的微震（這類的地震一般不作為水庫誘發(fā)地震考慮）。

辯證地看，水壩觸發(fā)地震不僅不是壞事，反而可能是好事。因為地震的強度取決于地下能量的積累，如果由于某種原因使地震的能量提前釋放，一般來說，會起到把大地震分解成多個小地震的作用。

因水庫蓄水而誘使壩區(qū)、水庫庫盆或近岸范圍內發(fā)生的地震，叫做水庫誘發(fā)地震。其實，嚴格地說，用“觸發(fā)”更為準確，所以地震界更傾向于用“水庫觸發(fā)地震”一詞。

根據(jù)精確定位的水庫誘發(fā)地震的震中資料證明，震中位置均分布在壩區(qū)、水庫庫盆及近岸地段范圍內，距庫邊線一般不超過3～5千米，最遠10千米。壩區(qū)和庫盆及其周邊巖體中，有活動性斷裂構造或者現(xiàn)代巖溶作用發(fā)育，斷裂帶或巖溶管道系統(tǒng)與庫水有直接的水力聯(lián)系，蓄水前有可靠的歷史和現(xiàn)代地震記載，水庫蓄水后就會誘發(fā)地震。按工程地質條件來分類，水庫誘發(fā)地震具有不同的成因類型，主要有巖溶塌陷型和斷層破裂型。其他類型的誘發(fā)地震震級很小，不會對大壩和周圍環(huán)境造成危害，因此一般不作過多的研究。

水庫養(yǎng)魚在環(huán)保與增收的夾縫中游弋攝影/王緒波

由于水庫蓄水地區(qū)原來就是地震區(qū)，有明顯的地震斷裂帶存在，原有的地應力積累就已經孕育著地震的發(fā)生，由于水庫蓄水打破了原有的平衡，導致了地震的延遲或者提前發(fā)生。這種情況下發(fā)生的地震，危害程度主要取決于原有的地震能量。水壩蓄水只是觸發(fā)地震，而不是造成地震。辯證地看，水壩觸發(fā)地震不僅不是壞事，反而可能是好事。因為地震的強度取決于地下能量的積累，如果由于某種原因使地震的能量提前釋放，一般來說，會起到把大地震分解成多個小地震的作用。各國的實際觀測情況也是如此，很多水庫建成以后都會引發(fā)地震，但是這些地震往往都是震級很小，次數(shù)頻繁。根據(jù)世界各國的記載并得到國內外地震、地質專家普遍承認的水庫誘發(fā)地震約70～80起。絕大多數(shù)水庫誘發(fā)地震的震級小于里氏5級，屬于弱震或微震；較強的水庫誘發(fā)地震不到總數(shù)的20%，其中5.0～5.9級的中等強度地震僅為十幾例，6.0～6.5級強度地震僅6例。目前世界上已記錄到的最大的水庫誘發(fā)地震為6.5級，1967年12月發(fā)生在印度柯依納水庫。

迄今為止，全球只有兩例水庫誘發(fā)地震對大壩局部地段造成損害，一個是我國的新豐江水庫(6.1級)，一個是印度的柯依納水庫，壩址處地震強度均為8度；經抗震加固后，至今都在安全運行。也就是說，迄今為止，世界上尚未發(fā)生因水庫誘發(fā)地震而造成大壩失事的實例。

有關水庫地震的機理分析

造成構造地震的能量主要來自地殼板塊間水平方向相互運動的受阻而產生的應變和應力。然而水庫的水荷載力是垂直的。所以，水庫蓄水荷載作用對地震的影響極為有限，除非該地區(qū)具有溶洞可能會坍塌。

地震問題可以從兩個方面考慮：一是地震對大壩安全性的影響，二是大壩建成蓄水以后誘發(fā)地震的問題。按工程地質條件來分類，水庫誘發(fā)地震具有不同的成因類型，主要有巖溶塌陷型和斷層破裂型。巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震最常見，多為弱震或中強震。斷層破裂型水庫誘發(fā)地震發(fā)生的概率雖然較低，但有可能誘發(fā)中強震或強震。我國的新豐江水庫和印度的柯依納水庫的誘發(fā)地震都屬于這種類型。我們以容易產生強震的斷層地震為例，分析一下水庫誘發(fā)地震有助于減輕地震強度的機理。

水庫蓄水之后為什么經常會誘發(fā)或者觸發(fā)地震呢？通常認為，水庫地震的一個因素是水庫水體的重量，會改變地殼的受力狀態(tài)，引起地應力的調整（可稱為荷載作用）。另一個因素是水庫蓄水后，通過基巖中的裂隙，產生了向地下高壓注水的效果，從而改變了地殼基巖局部的應變極限，或者說改變了原來板塊之間的摩擦力，使得地震的能量提前釋放出來了（可以稱為滲透作用）。

水庫蓄水后荷載作用的特點：水是液體，不可能單獨保存在地面上，必須要有庫岸。而構成庫岸的山體的比量一定會比水更高。所以，水庫中水荷載的這種特性決定了，它是消除周圍山體應力集中的均衡荷載。有利于改善地殼的受力狀態(tài)。

造成構造地震的能量主要來自地殼板塊間水平方向相互運動的受阻而產生的應變和應力。然而水庫的水荷載力是垂直的。所以，水庫蓄水荷載作用對地震的影響極為有限，除非該地區(qū)具有溶洞可能會坍塌。因為水庫水荷載對構造地震的影響較小，所以，盡管水庫蓄水后的水荷載必然會存在，但對地震的作用卻非常有限。例如，一座城市坐落在一個地方之后，肯定有大量的人群和建筑都不斷地堆積在城市所在的地面上，不能否認當?shù)氐牡貧な芰隙ㄒ蠓鹊脑黾?。然而，幾乎從來沒有人會擔心城市化的地方會因為受力過重而誘發(fā)地震。這說明單純的垂直荷載的變化對地震的影響非常?。ㄒ妶D）。

地殼板塊間運動方向示意圖

根據(jù)上圖所示，不管是走滑斷層，還是逆沖斷層，一旦遭受水體的浸潤（潤滑）之后，都會降低摩擦力。

加拿大蒙特利爾大學工學院嵇少丞教授，在表達巖層與地震關系的科普知識的時候，通俗地總結出地震有“強巖強震、弱巖弱震、軟巖無震”的特點。顯然，強巖、弱巖和軟巖的根本區(qū)別也就是在于應變極限和板塊間摩擦力的大小不同。然而，凡是在水庫誘發(fā)地震的區(qū)域內，由于高壓水體的浸潤，一定會降低板塊間的摩擦力，甚至還可能會有使強巖變弱，弱巖變軟的效果。所以，由水庫蓄水后通過滲流作用觸發(fā)的地震，一般都會使該地區(qū)原來所積蓄的地震能量提前釋放，同時也應該會有助于減小該地區(qū)地震強度的作用。

水庫滲透作用的特點是：未必會存在，但可能作用巨大。水庫蓄水后，產生滲透作用需要有以下條件：

1、庫區(qū)蓄水的范圍內具有孕育著地震能量的地震（斷層）。

2、斷層形成了透水的通道，蓄水后產生對斷層高壓注水的效果。

3、不管是走滑斷層，還是逆沖斷層，一旦遭受水壓力的浸潤（潤滑）之后，都會降低摩擦力。

因此，水庫誘發(fā)地震，一定是提前釋放地震能量，在某種程度上具有減小地震強度的作用。

4、水庫的滲透作用不會是無限的。由于地下的巖層將會不可避免地隨著深度的增加而增高溫度。所以，在地下十公里以下的巖層溫度通常都會達到攝氏250到400度。這不僅使得該處巖石的塑性大幅增加，使得滲水通道變形受阻。而且，水也不再是普通的液體。因此，原來在彈性理論下所有關于水庫誘發(fā)地震的分析和機理都已經失去了意義。

向家壩水電站工地右岸基坑車流攝影/高峰

1967年美國丹佛市因為大量廢水高壓注入地下，引發(fā)了長達數(shù)年的一系列地震。這說明即使沒有庫水壓力的變化，僅僅通過高壓注水的滲透作用，也有可能觸發(fā)地震。在美國地質調查局的網站，專家曾經對用高壓注水的方法觸發(fā)地震以減小地震的提問做出過回答，肯定向地下注入高壓液體可以導致地震的提早發(fā)生。

破壞性的水庫地震的能量只能來自天然地震，而且量極有限

水庫蓄水的荷載作用對地殼的影響極為有限，只能制造極小的地震；但是，蓄水構成的高壓注水的滲透作用，可能會改變天然地震的控制條件，觸發(fā)出較大的地震。

所有的具有破壞性的水庫地震的能量，一定是來自于天然的地殼變化運動。水庫蓄水的荷載作用對地殼的影響極為有限，只能制造極小的地震；但是，蓄水構成的高壓注水的滲透作用，可能會改變天然地震的控制條件，觸發(fā)出較大的地震。

然而，特大地震的能量來自地殼深部運動。無論水庫的荷載作用還是滲透作用都不可能會對其產生影響。目前已經記錄的水庫地震，一般都在地下5公里以內，最多不超過10公里。而世界上已經發(fā)生的8級以上的特大地震，其震源深度還沒有少于10公里的。也可以說，在地殼的淺層不可能積蓄到8級地震的能量。因此，由水庫觸發(fā)的地震一定不會是特大地震。目前全球已經記錄到的最大的水庫地震為6.5級。

怎樣理解一些無震區(qū)的水庫蓄水后發(fā)震的現(xiàn)象？如果在水庫修建前，該地區(qū)的周圍應變極限較低，所以該地區(qū)地震的能量，總是要選擇周圍薄弱的環(huán)節(jié)釋放出去。因此，該地區(qū)基本上不會發(fā)生地震。但是，水庫蓄水之后，該地區(qū)的應變極限可能已經下降到了比周圍地區(qū)更低的水平，因此，原來經常在周圍地區(qū)的釋放的地震能量，可能變成經常在水庫地區(qū)出現(xiàn)了。所以，水庫蓄水后，某個原來無震地區(qū)頻繁發(fā)震的現(xiàn)象也是有可能出現(xiàn)的。不過，如果從全局來看，只要我們承認具有破壞力的地震的能量主要是來自地殼運動的結果，我們就不能否認水庫蓄水后減小了地殼的應變極限，是好事情?？傊傮w上會有利于地震能量的釋放，減小地震的危害。

怎樣理解水庫蓄水后地震增強的現(xiàn)象？由于水庫蓄水后，使得應變極限或者斷層摩擦力突然降低，因而使得原來正在積蓄中的地震能量有了一個集中釋放期。所以，盡管很多水庫剛剛蓄水后的一段時間內會出現(xiàn)“水庫誘發(fā)的地震頻度和強度均高于當?shù)卣Ｋ健钡那闆r，但是，隨著時間的推移，該地區(qū)的地震頻度和強度都會逐漸地下降，最后不僅要恢復到正常水平，而且，若干年之后，最終還有可能低于該地區(qū)原來的正常水平。

我國新豐江水庫地震后的歷史記錄就顯示出這一特性。新豐江水庫將天然地震的能量釋放后，無論再怎么樣的蓄水都不再發(fā)生地震（見下圖）。

采用技術手段可以解決好水壩的抗震問題

現(xiàn)代技術既然可以在東京、洛杉磯這些地震高發(fā)區(qū)放心地建設高樓大廈，就根本用不著擔心我們建設水壩的抗震技術和能力。

在我國西南地震高發(fā)區(qū)，建設高壩大庫不存在難以逾越的技術障礙。

地震對人類的威脅確實很大。地震對大型水壩的安全性影響一直是水利水電工作者關注的主要問題之一。工程的抗震能力也是我國水利水電工程中的一個重要分支，我國研究水利水電技術的專門機構——中國水利水電科學研究院內設有專門的抗震研究中心，在水利水電工程規(guī)劃設計方面，國家已經制訂了一系列的工程抗震設計規(guī)范，每個工程都必須嚴格遵守，每個工程的修建都必須達到這方面的技術標準。所以，關于地震對大壩安全性的影響，也不必過分地擔心。就人類現(xiàn)有對地震的研究水平來看，人們總能夠通過已有的地震資料分析和地質勘探，讓準備修建的壩址避開強烈的地震斷裂帶。同時，通過對壩址的地基處理和壩型選擇，也可以大大降低地震對大壩工程的危害。

新豐江水庫蓄水及地震之間的關系

針對社會各界對我國西南地震高發(fā)地區(qū)的水電開發(fā)表示的擔心，我國水壩抗震問題專家，中國水利水電科學研究院抗震研究中心的陳厚群院士在聯(lián)合國水電與可持續(xù)發(fā)展研討會上宣講了他的研究成果。他指出：為在我國西部開發(fā)豐富的水能資源并進行脫貧致富，在高地震區(qū)進行高壩大庫的建設是難以避免的。同時他還通過對各種壩型中抗震性能最差的高拱壩的深入研究，得出結論說：在中國水電的發(fā)展中，對高拱壩的抗震安全，并不存在難以逾越的技術障礙。實際上，這一結論公眾也應該非常容易理解。現(xiàn)代人類在城市中建筑的很多高樓大廈，從結構復雜性上來說要比水壩的抗震難度大得多。現(xiàn)代技術既然可以在東京、洛杉磯這些地震高發(fā)區(qū)放心地建設高樓大廈，就根本用不著擔心我們建設水壩的抗震技術和能力。就現(xiàn)有的工程技術水準而言，只要正確地認識到了地震的強度和活動規(guī)律，人們完全可以采用相應技術手段解決水壩的抗震問題。

汶川大地震后，我們水電站震損調查發(fā)現(xiàn)，所有工程處理過的邊坡沒有一處發(fā)生滑坡等次生災害。不僅水電工程是這樣，在北川縣城原來認為非常危險，經過加固處理的邊坡，也同樣在地震中沒有滑坡。而原來認為比較穩(wěn)定的沒有處理一些邊坡的滑坡，反倒造成了巨大的傷亡?？梢娺吰碌娜斯ぬ幚?，作用有多大。

2008年5月12日，就在距離紫坪鋪水庫17公里的汶川，確實發(fā)生了比反壩宣傳多次警告說的“后果不堪設想的”松潘大地震還要大得多的8級特大地震。然而，被他們點名警告的“四川岷江上的紫坪鋪水庫高壩”，不僅沒有發(fā)生任何“不堪設想的后果”。而且，還在地震中立了大功。

例如，紫坪鋪水庫形成的寬闊水面，為地震后陸上道路嚴重塌方和空中通道氣候受阻的救災提供了可靠的水路保障；震后不幾天（5月17日）紫坪鋪水電站就率先恢復發(fā)電，為災區(qū)的搶險救災提供了巨大的幫助；不僅如此，水庫的11億庫容，成為當時危機四伏的眾多堰塞湖的最后屏障，保障著整個成都平原免受堰塞湖潰決的洪水威脅。

尤其讓人感到欣慰的是，紫坪鋪這種成功抵御特大地震的現(xiàn)象，并不是偶然的。而是這次所有處在強地震區(qū)域內的水壩、水電站，都不負眾望的經受住了特大地震的嚴峻考驗。除了紫坪鋪是一座高面板堆石壩之外，震中地區(qū)的沙牌水電站是一座132米高的混凝土高拱壩、碧口水電站是一座101米高的土石壩、寶珠寺水電站是一座132米高的混凝土重力壩。事實證明：我國現(xiàn)行的水壩、水電站的設計規(guī)范是科學的，施工是可靠的，所建設的水庫、大壩和水電站是安全的。

水庫地震只是提前釋放了地震能量

水庫蓄水的結果，要么對原有的自然地震沒有太大的影響，要么會提前釋放了正在孕育中淺層地震的能量，從客觀上避免了更大地震的發(fā)生。即使水庫蓄水觸發(fā)了較大的地震，也應該是具有減小該地區(qū)原有地震震級的作用的好事情。

新歸州儼然佇立在庫區(qū)河岸邊，居民們正用江水安寧地浣洗衣物。 攝影/陳文

對于水庫觸發(fā)地震而言，雖然我們還沒有能力主動地、有意識地去向地震斷層高壓注水，但是，人造水庫的蓄水卻有可能在某種程度上，有意無意地起到用高壓注水觸發(fā)地震的作用，提前釋放淺層地震的能量，減小震級。

水庫蓄水的結果，要么對原有的自然地震沒有太大的影響，要么會提前釋放了正在孕育中淺層地震的能量，從客觀上避免了更大地震的發(fā)生。即使水庫蓄水觸發(fā)了較大的地震，也應該是具有減小該地區(qū)原有地震震級作用的好事情。遺憾的是我們現(xiàn)在還沒有能力，利用水庫觸發(fā)地震（即高壓注水）的辦法，主動地減小自然地震的災害。

上個世紀70年代，地震科學界曾經有過多次用高壓注水主動觸發(fā)地震的方法，進行“控制地震”的嘗試，但是，最后因為我們對地下斷層的判斷不夠準確，注水的效果不明顯，很難達到預期的效果而逐漸放棄?，F(xiàn)在的水庫蓄水實際上就是一種不需要額外花費的“控制地震”試驗。不管它能否達到觸發(fā)地震的效果，都是一件有好處的事情。此外，加拿大蒙特利爾大學工學院嵇少丞教授，在表達巖層與地震關系的科普知識的時候，精辟地總結出地震有“強巖強震，弱巖弱震，軟巖無震”的特點。我們是否也可以認為，凡是在水庫誘發(fā)地震的區(qū)域內，由于高壓水體的浸潤，可能會有強巖變弱，弱巖變軟的效果。所以，水庫的蓄水對于地震來說，要么沒有發(fā)生作用，要么會有助于減小該地區(qū)地震強度的作用。

總之，從科學的態(tài)度出發(fā)，我們現(xiàn)在不僅不應該盲目否定和恐懼水庫觸發(fā)地震，而且還應該更加關注如何去掌握和控制水庫觸發(fā)地震，爭取早一天實現(xiàn)有意識地利用水庫觸發(fā)地震的辦法，降低自然地震災害的目標。例如，我們2005年建成蓄水的紫坪鋪水庫，根據(jù)當?shù)氐卣鸨O(jiān)測的數(shù)據(jù)已經表明，建成前后地震的頻率和強度幾乎沒有發(fā)生太大的變化。這說明紫坪鋪水庫的蓄水，幾乎沒能構成對水庫的斷層高壓注水的情況。

假設當初紫坪鋪水庫恰巧具備了向地下斷層高壓注水的條件，那么很可能會在2006年該水庫蓄水達到最高峰之后，就陸續(xù)觸發(fā)出穿過其水庫的龍門山中央斷裂帶的一系列淺層地震，肯定會讓當?shù)氐卣鸬牟糠帜芰刻崆暗玫结尫?。如果真的那樣的話，當時也可能會造成一定的人員財產傷亡。但是，它已經提前釋放了龍門山中央斷裂帶地震的部分能量。然而，現(xiàn)在很不幸，就因為當年紫坪鋪水庫沒有能把龍門山的淺層地震觸發(fā)，所以，2008年“5.12”深層的特大地震爆發(fā)時，淺層地震的能量必然會同時釋放，以至于造成了我們慘痛的損失。

在地震高發(fā)區(qū)科學的水電建設具有減災作用

我們要加緊研究探討，盡快掌握和控制水庫觸發(fā)地震，爭取實現(xiàn)有意識地利用水庫觸發(fā)淺層地震的辦法，降低自然地震災害對人類社會的破壞程度。

處在地震帶上的北川縣在地震中遭受了滅頂之災，大部分縣城被滑坡體掩埋。北川是整個汶川大地震中遭受人員和財產損失最嚴重的地方。由于該地區(qū)的地質情況極為不穩(wěn)定，不僅該縣城已經在地震后決定易地重建，而且，社會各界紛紛指出早就不應該在這種地質災害極為嚴重的危險地區(qū)建設人口密集的縣城。其實，我國這種城市建在危險的滑坡體上的情況還有很多。

由此可見，在某地震災害高發(fā)地區(qū)建設水電站反倒可以減輕地震的損失。一方面水壩比普通的公民建筑物有更高的抗震能力；另一方面水庫淹沒區(qū)域的人口財產密度肯定要比城鎮(zhèn)低得多。所以，利用水電建設的移民搬遷，轉移一些地質危險度較高的城鎮(zhèn)，是我們可以借鑒的減輕地震災害的成功方式。

處在這次汶川大地震震中地區(qū)經受了嚴峻考驗的紫坪鋪水庫，在地震之后那些當年因為修水庫而搬遷出的紫坪鋪的村民，曾自發(fā)地組織起來專門到紫坪鋪水電站對水電建設者表示感謝。因為，他們知道如果不是幾年以前紫坪浦水庫的建設，讓他們搬遷到了別處，這次大地震肯定是在劫難逃。

因此，水庫地震問題的關鍵，主要還是保證水壩的安全性，不讓它產生次生災害。一方面我們在水壩建設上一定要堅持科學的態(tài)度，嚴格執(zhí)行國家標準、規(guī)范，保證各種水壩的安全。另一方面，從科學的態(tài)度出發(fā)，我們沒有必要過分地擔憂水庫觸發(fā)地震。因為，水庫觸發(fā)的地震并不是水庫制造的地震。而且，自然界中地震的能量總是要釋放的。即使沒有被水庫提前觸發(fā)出來，也不一定是好事情，今后肯定會有更大的自然地震發(fā)生。

我們應該加緊研究探討，盡快掌握和控制水庫觸發(fā)地震，爭取實現(xiàn)有意識地利用水庫觸發(fā)淺層地震的辦法，降低自然地震災害對人類社會的破壞程度。

一、我國現(xiàn)有的科技水平，不僅可以保證水壩建設的安全性，而且，科學地建設水壩還會有助于降低西南地區(qū)地質災害的威脅。

二、水庫觸發(fā)地震的破壞性能量，完全來自于天然的地震。建造水庫不是制造了地震，而是有可能觸發(fā)淺層的地震。但是，提前釋放淺層地震的能量，有助于減少地震災害的破壞程度。

三、開發(fā)建設水電在技術上沒有不可逾越的障礙，然而，在思想和觀念上，到底是采取迷信敬畏的態(tài)度回避自然災害，還是選擇科學發(fā)展的方法主動降低西南地區(qū)的地質災害，則要取決于我們決策者的智慧。