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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(huì)引發(fā)如下問(wèn)題:沿壩基可能的活斷層位移;水庫(kù)中的斷層位移，造成水庫(kù)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(kù)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(kù)中產(chǎn)生沖擊涌浪等。

此外，地震災(zāi)害也是人類(lèi)了解最少的災(zāi)害之一，并且強(qiáng)震不能預(yù)測(cè)，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(mǎn)意，并且能應(yīng)對(duì)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(duì)強(qiáng)震作用下確認(rèn)與評(píng)估壩基位移等相關(guān)方面最為關(guān)心的問(wèn)題?；顢鄬拥拇嬖谝约皬?qiáng)震期間沿壩基不連續(xù)面滑動(dòng)的可能性，都可能對(duì)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(wú)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(huì)由于水庫(kù)充水和(或)水庫(kù)運(yùn)行引起水庫(kù)誘發(fā)地震(RTS)。盡管可能不會(huì)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(kù)誘發(fā)地震仍可以導(dǎo)致水庫(kù)庫(kù)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(wèn)題。這些社會(huì)問(wèn)題必須認(rèn)真對(duì)待。因此在這樣的壩址區(qū)，強(qiáng)烈建議在建壩前就在庫(kù)區(qū)安裝微型地震監(jiān)測(cè)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(kù)運(yùn)行期。

本文對(duì)位于伊朗構(gòu)造活動(dòng)非?；钴S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(duì)于與之位置相似的大壩在應(yīng)對(duì)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(huì)產(chǎn)生次生復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)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(kù)庫(kù)底的斷層發(fā)生位移，在水庫(kù)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(mén)、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(kù)庫(kù)岸滑塌，激起水庫(kù)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(huì)導(dǎo)致徑流式水電站的漫頂或廠房設(shè)備的淹沒(méi)。

(7) 巖體滑落堵塞壩址和附屬建筑物的對(duì)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(kù)誘發(fā)地震。

其他影響，如水浪和庫(kù)水波動(dòng)對(duì)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(jí)矩陣列出所遇的災(zāi)害，系統(tǒng)地對(duì)所有這些災(zāi)害進(jìn)行考證與評(píng)估，估計(jì)災(zāi)害對(duì)大壩工程的影響。最后列出處理每種災(zāi)害的措施。

目前對(duì)于大壩(或其他建筑物)來(lái)說(shuō)，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(huì)引起內(nèi)應(yīng)力、開(kāi)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(kù)容約為2億m3。該壩目前正處于施工階段。

現(xiàn)場(chǎng)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(huì)沿原有的不連續(xù)面發(fā)生。

(2) 對(duì)R.洛雷斯坦壩址影響最大、距離最近的活性斷層是薩拉萬(wàn)德-巴茲納韋德(Saravand-Baznavid)斷層(SBF)，其長(zhǎng)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(wàn)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(jiàn)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(zhǎng)度小于1 km，不屬于地震構(gòu)造斷層。在壩基開(kāi)挖過(guò)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(wú)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(zhuān)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(píng)估以及改選壩型的簡(jiǎn)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(xún)公司建議采用拱壩的主要原因。當(dāng)時(shí)沒(méi)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(chǎng)勘察和左岸對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)移動(dòng)。通過(guò)對(duì)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(duì)有滑動(dòng)連接的碾壓混凝土重力壩的回顧，對(duì)地震構(gòu)造場(chǎng)地條件進(jìn)行了再評(píng)估。這次再評(píng)估有各個(gè)領(lǐng)域的當(dāng)?shù)睾蛧?guó)際專(zhuān)家參與。得出的結(jié)論是，上面提到的地震構(gòu)造模型過(guò)于樂(lè)觀?，F(xiàn)在假定，在壩址附近的薩拉萬(wàn)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(duì)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(zhēng)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(kāi)挖階段，發(fā)現(xiàn)與左壩肩處第一次檢測(cè)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(cè)薩拉萬(wàn)德-巴茲納韋德斷層附近發(fā)生強(qiáng)震時(shí)會(huì)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(wú)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(duì)壩型的選擇進(jìn)行再評(píng)估。從國(guó)際準(zhǔn)則(國(guó)際大壩委員會(huì)，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(zhuān)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(duì)待。這時(shí)，大壩工程師須綜合考慮所有問(wèn)題的決策，通常情況下是偏于安全方面的考慮，因?yàn)樵搯?wèn)題需要非常保守的解決方案。

就壩型選擇來(lái)說(shuō)，上述陳述已非常清楚，比如說(shuō)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(wèn)題，現(xiàn)存在一些質(zhì)疑，迄今為止還沒(méi)有在地震過(guò)程中測(cè)試過(guò)(國(guó)際大壩委員會(huì)，1998年)。

盡管對(duì)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(zhuān)家給出不同的解釋?zhuān)珜で笠环N安全的方案是首要的問(wèn)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(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，如果這種地面運(yùn)動(dòng)不會(huì)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(guò)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(lái)斷層的位移會(huì)引起表面開(kāi)裂的情形不會(huì)發(fā)生，因此對(duì)于這種壩址建議采用粘土心墻堆石壩。

(2) 穿過(guò)壩基的復(fù)合型斷層或有寬裂隙帶的斷層。對(duì)于這類(lèi)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(jí)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(duì)于這類(lèi)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(jí)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(duì)需要建溢洪道的混凝土壩來(lái)說(shuō)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(guó)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(méi)有證明設(shè)計(jì)有效性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。盡管討論滑動(dòng)連接時(shí)經(jīng)常會(huì)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(lái)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(duì)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(guó)際大壩委員會(huì)，2001年)：

(1) 壩基必須開(kāi)挖到十分密實(shí)的地基帶或基巖層，或者必須對(duì)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(lái)減小地震引起的變形。

(3) 不得使用強(qiáng)震過(guò)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(guò)度沉降。

(5) 所有土石壩，尤其是均質(zhì)壩，對(duì)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(kāi)裂區(qū)的擴(kuò)散降到最低，防止心墻開(kāi)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(guò)渡區(qū)應(yīng)為自愈型，其顆粒級(jí)配上也應(yīng)做到使心墻內(nèi)的裂縫自愈。

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

(11) 鑒于壩頂開(kāi)裂的可能性，壩頂寬度應(yīng)超過(guò)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(zhǎng)的滲徑。

對(duì)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(wèn)題。反濾層和過(guò)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(huì)產(chǎn)生裂縫，因其材料是完全非粘性的。這就是說(shuō)位移過(guò)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(huì)形成可能引起內(nèi)部侵蝕的開(kāi)口裂縫。在滿(mǎn)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(guó)際大壩委員會(huì)第148號(hào)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(duì)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(duì)壩基沿不連續(xù)面的可能位移進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)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(guò)以下幾點(diǎn)得到：①斷層長(zhǎng)度為主要影響因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；②土壤表面(或開(kāi)槽)觀測(cè)結(jié)果；③裸露的斷層表面觀測(cè)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(duì)可能的斷層位移進(jìn)行保守估計(jì)。對(duì)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(lái)應(yīng)對(duì)那些不確定性。

一般而言，需對(duì)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(duì)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(duì)于該安全性評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，對(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行剛體靜力分析。這樣對(duì)斷層位移來(lái)說(shuō)，只需要檢驗(yàn)反濾層和過(guò)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(yǔ)

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(píng)估中加以考慮。最危險(xiǎn)的情況是表面可見(jiàn)的斷層直接穿過(guò)壩基，其次斷層蠕動(dòng)也會(huì)危及大壩結(jié)構(gòu)的完整性。

當(dāng)意識(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)影響。

萬(wàn)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)，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(kāi)這樣的情形。

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