2.2　水工建筑物的震害

地震造成的最大破壞是強烈的地面震動對地上建筑物的襲擊，使得地面上的所有建筑物均產生強烈的震動，引發損壞或倒塌。這是量最大、面最廣的破壞。我國歷史地震資料表明，90%左右的建筑物的破壞是由于這種動力破壞作用所引起的。由于這種破壞是在地震過程中驟然發生的，比地基失效的危害更大。地基失效所造成的地面結構物的破壞主要是錯動作用和不均勻震陷引起的，在性質上屬于靜力破壞；而地面震動的破壞則主要是地震波傳至結構而使其發生震動造成的，在性質上屬于動力破壞。前者主要應當采用地基處理的方法予以避免，而后者則應通過適當的抗震設計和抗震措施，提高結構的抗震能力。

實際中不少建筑物的震害是地質體破壞和地震震動的綜合結果。不過，地震波持續數十秒的震動作用所造成的破壞比重最大。因此，對建筑物動力破壞機制的分析是結構抗震研究的重點和結構抗震設計的基礎。建筑物的動力破壞主要表現為強度、剛度和穩定性不足所形成的破壞，有的破壞是局部性的，有的破壞則是整體性的。

強度破壞主要是因為結構局部構件的抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等強度不足所造成的，例如地震時，大壩壩頂加速度大，相應地震慣性力大，因此，壩頂及其附屬結構容易產生斷裂、傾斜或倒塌等震害。穩定性破壞則是建筑物（例如大壩）在地震中發生整體性坍塌或沿建基面發生整體滑動和傾覆失穩；或者，發生整體上浮或沉陷（例如地下埋管）。另一種破壞則是在地震作用過程中因結構剛度不足或其自振頻率接近場地地震波的主要頻率引起的類似共振（Resonance）而造成變形過大所引起的破壞。

圖2.2.1～圖2.2.22為一些擋水、取水及發電水工建筑物，如大壩（混凝土壩、土石壩、面板堆石壩）、水閘、進水塔、水工隧洞、壓力鋼管、水電站廠房、碼頭樁式建筑物、重力式擋土墻等的典型震害。

在所有水工建筑物中，以大壩的地震安全最為重要。在地震中大壩一旦潰決，將給下游人民生命和財產造成重大損失。因此大壩、高壩的抗震設計和研究在水工建筑物的抗震研究中占據極為重要的地位。我國水力資源豐富，其蘊藏量的70%都集中在地震頻發的高烈度西南和西北地區。根據2013年公布的《第一次全國水利普查公報》，截至2012年底，我國共有水庫大壩98002座。庫容大于1億m3的水庫有75%位于地震烈度6度以上地區，40%位于7度以上地區，13%位于8度以上地區。表2.2.1給出了分布在我國西部的一些重要高壩的抗震設防加速度。從該表可看出，設計烈度都超過了8度（設計地震加速度為0.2g，g為重力加速度，取9.81m/s2），地震工況成為設計中的控制工況。高壩大庫一旦遭受嚴重震害，后果不堪設想。

為進行有效的抗震設計，必須了解各類水工建筑物的結構、功能特性及震害特點。

各類水工建筑物包括江河治理、防洪、農田水利、水力發電、內河航運、跨流域調水等建筑物或構筑物，其結構、功能特性等已有水工建筑物、水電站建筑物等方面書籍進行了介紹，本書不作贅述。

下面簡要介紹2008年發生的汶川大地震對災區各類大中型水電設施引起的震害，以便從中認識水電工程的震損規律，為抗震設計計算及采取工程抗震措施提供參考。

汶川地震災區水電工程眾多，但絕大多數（95%以上）為小型水電工程，大中型水電工程不足5%。災區較大的水電工程主要集中在岷江上游、涪江上游及白龍江下游，還有漢江上游部分工程，主要已建水電工程（裝機容量大于30MW）計33座。

為突出重點，加強針對性，震損調查工程選擇遵循以下原則：

（1）以位于中國地震局公布的汶川8.0級地震烈度分布圖（圖1.3.2）8度范圍內的工程為主。

（2）電站裝機容量大于30MW。

（3）以已建水電工程為主。

（4）在壩型、壩高、樞紐布置和建筑物形式等方面具有一定的代表性。

根據上述原則，經篩選納入的調查工程有22座，開發方式主要有堤壩式和引水式兩類。紫坪鋪、通口、碧口和寶珠寺等4座工程為堤壩式開發，沙牌和水牛家工程為高壩引水式開發，映秀灣、漁子溪和太平驛等15座工程為低壩或無壩引水式開發，另有銅鐘工程為混合式開發。

在調查范圍內，有高壩工程6座，其中壩高大于100m的有5座，分別是紫坪鋪（混凝土面板堆石壩，高156m，2006年建成）、寶珠寺（混凝土重力壩，高132m，1998年建成）、沙牌（碾壓混凝土拱壩，高130m，2003年建成）、水牛家（碎石土心墻堆石壩，高108m，2007年建成）、碧口（土心墻土石混合壩，壩高101.8m，1976年建成）。壩基保留部分覆蓋層的有紫坪鋪混凝土面板堆石壩，建基于覆蓋層上的有碧口和水牛家土石壩。

在調查工程中，水庫庫容超過10億m3的有寶珠寺和紫坪鋪工程，庫容在10億～1億m3的有碧口和水牛家工程，庫容在1億～0.1億m3的有沙牌、天龍湖和通口工程。寶珠寺水庫庫容最大，為25.5億m3。

裝機容量在300MW及以上的大型工程有紫坪鋪、寶珠寺、福堂和碧口等，小于50MW的有沙牌、草坡和通口等，其余15座工程電站裝機容量在300～50MW之間。紫坪鋪工程裝機容量最大，為760MW。

在調查工程中，泄水建筑物主要有岸邊泄水和壩身泄水兩大類。采取岸邊泄水的有紫坪鋪、碧口、水牛家和沙牌工程，其中紫坪鋪和碧口工程布置有岸邊開敞式溢洪道，其余的均為岸邊泄洪洞或沖沙、放空洞。另有18座工程采取壩身泄水布置，其中寶珠寺、通口工程為壩身泄水孔口，天龍湖工程為壩頂溢流面，所有閘壩工程均為壩身泄洪或沖沙閘。高壩大庫工程均具有放空設施。

引水式開發水電站中，引水線路長度在1.5～20km，最長的福堂工程引水隧洞長19.23km。22個水電工程中，地面廠房14個，地下廠房8個。不同規模的工程、不同建筑物形式表現出不同的震損特征，其抗震性能也各有不同。

在調查工程中，1980年以前建成的有映秀灣、漁子溪和碧口等3座水電工程，1980—1990年建成的有草坡和耿達工程，1990—2000年建成的有太平驛和寶珠寺工程，其余15座為2000年以后建成的工程。不同時期建成的水電工程，因為經濟條件、技術條件、建設管理情況不同，工程質量和抗震能力也有一定程度的差異。

水電工程震損調查基本上涵蓋了地震災區裝機容量30MW以上的大中型工程及所有高壩大庫工程，壩型、樞紐布置以及建筑物形式各具代表性。

水電工程主要建筑物、設施設備、地基及其邊坡、進廠（上壩）道路、近壩岸坡等的震損程度，依據其外觀形態、功能完整性和修復難易程度三方面的指標，分為5級，即未震損、震損輕微、震損較重、震損嚴重以及震毀，見表2.2.2。

汶川地震中，水電工程相比其他領域，雖然自身震損較大，但沒有一座工程震毀，更沒有造成次生災害。大部分工程震損輕微，恢復后能夠投入運行；部分工程震損較重～嚴重，需要較長時間修復，但不影響工程安全。

調查分析表明，映秀灣、漁子溪及耿達3座水電工程震損屬較重～嚴重；太平驛、紫坪鋪、草坡、碧口、沙牌和薛城6座工程總體震損屬輕微，局部或部分建筑物屬震損較重～震損嚴重；其余13座工程屬震損輕微。

根據對汶川地震災區水電工程的震損破壞情況，可以總結出以下震損規律：

（1）水電工程，可概括為“三重三輕”，即距離震中和斷層破裂帶近的工程震損較重，遠的震損較輕；早期建設的工程震損較重，近期建設的震損較輕；工程規模小的震損較重，規模大的震損較輕。

（2）樞紐建筑物，可概括為“三輕三重”，即主要建筑物震損較輕，次要及附屬建筑物震損較重；地下建筑物震損較輕，地面建筑物震損較重；工程邊坡震損較輕，天然邊坡震損較重。

（3）主要設施設備震損規律表現為“一輕一重”，即直接震損較輕，地震地質災害所導致的次生災害相對較重。

汶川地震災區水電工程震損情況調查分析表明：

（1）災區大中型水電工程選址正確。汶川地震沿龍門山中央斷裂從映秀西南至青川南壩，形成長約220km的同震地表破裂帶，同時也牽動了前山斷裂帶的活動，沿前山斷裂帶形成長約100km的同震地表破裂帶。同震地表破裂帶寬為30～50km，該范圍內建筑物震毀嚴重。調查未發現水工建筑物隨斷層地表破裂發生錯斷現象。這說明，災區大中型水電工程選址均避開了活動斷層，建設在相對穩定的地塊上，避免了發生同震錯斷破壞。

（2）大中型水電工程主要建筑物抗震性能良好。根據汶川8.0級地震烈度分布圖1.3.2，位于地震烈度11度影響區的水電工程有映秀灣、太平驛、和漁子溪等工程，10度影響區的有耿達工程，9～10度影響區的有紫坪鋪工程，9度影響區的有福堂、姜射壩、銅鐘、草坡、通口和碧口等工程。這些工程均遭受了超過其設防烈度強震的考驗，主要建筑物震損輕微。

（3）大壩、水庫不是產生滑坡的原因。沙牌、碧口、寶珠寺等庫周原有的一些古滑坡體，在汶川地震中，沒有發生失穩或產生明顯變形現象。庫區及近壩庫岸產生的一些小型滑坡和崩塌也未形成較大的涌浪。汶川地震觸發的許多大型—巨型滑坡均位于水電工程的范圍之外。地震滑坡的根本條件取決于邊坡原有的地形地質條件。水電工程建設過程中，通過清除、加固以及防護等工程措施，可以增加滑坡體穩定性、減少新滑坡體的產生，或者使滑坡體集中釋放而避免自然滑坡。樞紐工程區和水庫區工程邊坡的震損破壞程度明顯輕于自然邊坡。

（4）地震地質災害是水電工程建筑物和設施設備遭受損壞的主要原因。汶川地震觸發了大量的崩塌、滑坡、飛石、滾石及其堰塞等次生地質災害，對水電工程建筑物、設施設備的破壞遠大于地震動作用引起的破壞。

（5）大中型水電工程覆蓋層地基處理設計合理，措施有效。紫坪鋪混凝土面板堆石壩、碧口土心墻堆石壩、水牛家心墻堆石壩以及絕大部分的閘壩均修建于覆蓋層地基上，有的甚至是深覆蓋層。調查表明，水電工程沒有因地基砂土震動液化而出現壩（閘）基失穩的情況。壩基滲漏量在地震前后變化不大，滲流狀況在震后不久即恢復正常。

（6）大壩結構設計合理，抗震措施有效，具有很強的抗震性能。混凝土壩中，沙牌拱壩壩肩及抗力體穩定，大壩結構完好，壩基未發現明顯滲漏。壩體右側橫縫上部有張開跡象，左壩肩下游淺表塌滑，壩頂附屬建筑物震損較重。寶珠寺重力壩和通口重力壩兩岸壩肩穩定，上下游壩面沒有發現裂縫、剝落和隆起等震損現象，壩體結構完好，僅見壩體橫縫出現張開或擠壓、欄桿破損現象，地震后壩基滲漏量有所增大。3座高混凝土壩震損輕微，震損特征表現為壩體橫縫的局部張開或擠壓，但基本上均在設計允許的變形范圍內。

高土石壩中，壩肩、壩基和壩坡整體穩定。紫坪鋪的壩頂結構、堆石體與混凝土結構連接部位出現擠壓、張開和不均勻沉降現象，下游壩坡護坡塊石出現松動、隆起現象。碧口和水牛家大壩在堆石體與岸坡的結合部位出現非均勻變形，壩頂防浪墻結構存在擠壓現象，壩體堆石沉陷，但均未超過設計允許值，混凝土面板的震損特征還表現為混凝土面板接縫的擠壓破壞、施工縫的剪切破壞和面板下的脫空等，但不影響蓄水功能。

閘壩總體震損輕微。映秀灣閘壩堆石體與岸坡連接部位非均勻變形明顯，其他閘壩工程沒有明顯的變形。太平驛、漁子溪、福堂、桑坪等閘壩因飛石、滾石、崩塌和滑坡等地質災害影響，壩肩受到掩埋或砸毀，泄洪閘分流墩因飛石、滾石作用引起開裂。銅鐘和太平驛雖一度出現漫頂，但未產生威脅工程安全的震損破壞。

（7）泄水建筑物主體結構震損輕微，閘門排架柱部分因地震動作用出現剪切破壞，部分因滾石、崩塌堆積、滑坡堆積而破壞。閘壩進水口閘門、啟閉設備及其電源系統主要因為地震地質災害而破壞。除因地震地質災害而嚴重損壞和啟閉設備電源失電外，泄水建筑物閘門基本能夠正常啟閉，滿足擋水和泄流的需要。

（8）輸水建筑物的隧洞、調壓井及埋管等地下工程震損輕微，進出口部位、渡槽、明管等地面工程震損則較重。引水隧洞和尾水隧洞襯砌結構良好，未出現塌方。大部分進出口排架柱及其設備因為地震地質災害（如滑坡和滾石作用）而受損，部分排架柱受地震動作用而破壞。

（9）發電廠房的震損與廠房結構形式關系密切。地下廠房結構總體震損輕微，地面廠房主體結構總體上震損輕微，部分震損較重。草坡、沙牌等地面廠房震損嚴重。太平驛、映秀灣、漁子溪地下廠房以及紅葉二級、沙牌地面廠房，因尾水洞出口堵塞、排水系統斷電、滑坡堰塞等原因，均發生了水淹廠房事故，廠內設備損壞嚴重。

（10）由于廠房建筑物受損和廠房排水系統失去動力，導致水輪發電機組及輔助電氣設備受淹。部分開關站電氣設備在飛石、滾石、滑坡的作用下損壞，個別設備基礎在地震動的直接作用下損壞。紫坪鋪、碧口、寶珠寺等大型電站的水輪發電機組和電器設備未受損，部分震損輕微的機組在短時間內重新投入運行。

除地震地質災害和其他次生地質災害所導致的損壞外，水電站機電設備總體震損輕微，機電設備自身的抗震性能良好。

（11）漁子溪、耿達、映秀灣和草坡4座工程，安全檢測設備震損較重，其余工程安全檢測設備震損輕微。特別需要指出的是，除紫坪鋪工程獲得部分強震記錄外，其余工程均沒有獲得強震記錄。

（12）經過加固處理的工程邊坡震損輕微，沒有出現崩塌、滑動破壞的情況，僅有薛城、桑坪等工程的地面廠房后邊坡存在開裂變形現象。水電工程邊坡整體穩定性好于未經處理的自然邊坡，具有良好的抗震能力。

（13）水電工程在抗震救災中發揮了重要作用。通過紫坪鋪水庫開辟了水上救生通道；庫區復建道路成為重要的救災補給線；一些樞紐工程區成為當地群眾的避險場所；部分水電站震后迅速恢復發電，為抗震救災提供了可靠電源；紫坪鋪水庫移民外遷安置也避免了重大人員傷亡和財產損失。

汶川地震中，相比房屋建筑或其他建筑，大壩總體震損輕微，其原因如下：

（1）大壩是鑲嵌在狹窄河谷中的，存在左右壩肩及壩基的三邊約束，具有較多的冗余度。

（2）大壩設計安全標準有足夠保證，不僅材料強度安全系數較高，而且抗滑穩定安全系數較高。

（3）地震作用力雖主要表現為水平慣性力和動水壓力，但對汶川地震中的大壩而言，其值小于靜水壓力。

而房屋建筑則不同，原因如下：

（1）房屋建基于地面，僅有底邊約束。

（2）房屋建筑的設計安全系數低于大壩設計安全系數。

（3）房屋建筑以承受垂直荷載為主，水平風荷載不大，未經抗震設防的房屋建筑在特大地震下最容易震毀。

歷次國內外強地震調查分析均可以驗證上述結論。