2.2　水工建筑物的震害

地震造成的最大破坏是强烈的地面震动对地上建筑物的袭击，使得地面上的所有建筑物均产生强烈的震动，引发损坏或倒塌。这是量最大、面最广的破坏。我国历史地震资料表明，90%左右的建筑物的破坏是由于这种动力破坏作用所引起的。由于这种破坏是在地震过程中骤然发生的，比地基失效的危害更大。地基失效所造成的地面结构物的破坏主要是错动作用和不均匀震陷引起的，在性质上属于静力破坏；而地面震动的破坏则主要是地震波传至结构而使其发生震动造成的，在性质上属于动力破坏。前者主要应当采用地基处理的方法予以避免，而后者则应通过适当的抗震设计和抗震措施，提高结构的抗震能力。

实际中不少建筑物的震害是地质体破坏和地震震动的综合结果。不过，地震波持续数十秒的震动作用所造成的破坏比重最大。因此，对建筑物动力破坏机制的分析是结构抗震研究的重点和结构抗震设计的基础。建筑物的动力破坏主要表现为强度、刚度和稳定性不足所形成的破坏，有的破坏是局部性的，有的破坏则是整体性的。

强度破坏主要是因为结构局部构件的抗拉、抗压、抗剪、抗弯等强度不足所造成的，例如地震时，大坝坝顶加速度大，相应地震惯性力大，因此，坝顶及其附属结构容易产生断裂、倾斜或倒塌等震害。稳定性破坏则是建筑物（例如大坝）在地震中发生整体性坍塌或沿建基面发生整体滑动和倾覆失稳；或者，发生整体上浮或沉陷（例如地下埋管）。另一种破坏则是在地震作用过程中因结构刚度不足或其自振频率接近场地地震波的主要频率引起的类似共振（Resonance）而造成变形过大所引起的破坏。

图2.2.1～图2.2.22为一些挡水、取水及发电水工建筑物，如大坝（混凝土坝、土石坝、面板堆石坝）、水闸、进水塔、水工隧洞、压力钢管、水电站厂房、码头桩式建筑物、重力式挡土墙等的典型震害。

在所有水工建筑物中，以大坝的地震安全最为重要。在地震中大坝一旦溃决，将给下游人民生命和财产造成重大损失。因此大坝、高坝的抗震设计和研究在水工建筑物的抗震研究中占据极为重要的地位。我国水力资源丰富，其蕴藏量的70%都集中在地震频发的高烈度西南和西北地区。根据2013年公布的《第一次全国水利普查公报》，截至2012年底，我国共有水库大坝98002座。库容大于1亿m3的水库有75%位于地震烈度6度以上地区，40%位于7度以上地区，13%位于8度以上地区。表2.2.1给出了分布在我国西部的一些重要高坝的抗震设防加速度。从该表可看出，设计烈度都超过了8度（设计地震加速度为0.2g，g为重力加速度，取9.81m/s2），地震工况成为设计中的控制工况。高坝大库一旦遭受严重震害，后果不堪设想。

为进行有效的抗震设计，必须了解各类水工建筑物的结构、功能特性及震害特点。

各类水工建筑物包括江河治理、防洪、农田水利、水力发电、内河航运、跨流域调水等建筑物或构筑物，其结构、功能特性等已有水工建筑物、水电站建筑物等方面书籍进行了介绍，本书不作赘述。

下面简要介绍2008年发生的汶川大地震对灾区各类大中型水电设施引起的震害，以便从中认识水电工程的震损规律，为抗震设计计算及采取工程抗震措施提供参考。

汶川地震灾区水电工程众多，但绝大多数（95%以上）为小型水电工程，大中型水电工程不足5%。灾区较大的水电工程主要集中在岷江上游、涪江上游及白龙江下游，还有汉江上游部分工程，主要已建水电工程（装机容量大于30MW）计33座。

为突出重点，加强针对性，震损调查工程选择遵循以下原则：

（1）以位于中国地震局公布的汶川8.0级地震烈度分布图（图1.3.2）8度范围内的工程为主。

（2）电站装机容量大于30MW。

（3）以已建水电工程为主。

（4）在坝型、坝高、枢纽布置和建筑物形式等方面具有一定的代表性。

根据上述原则，经筛选纳入的调查工程有22座，开发方式主要有堤坝式和引水式两类。紫坪铺、通口、碧口和宝珠寺等4座工程为堤坝式开发，沙牌和水牛家工程为高坝引水式开发，映秀湾、渔子溪和太平驿等15座工程为低坝或无坝引水式开发，另有铜钟工程为混合式开发。

在调查范围内，有高坝工程6座，其中坝高大于100m的有5座，分别是紫坪铺（混凝土面板堆石坝，高156m，2006年建成）、宝珠寺（混凝土重力坝，高132m，1998年建成）、沙牌（碾压混凝土拱坝，高130m，2003年建成）、水牛家（碎石土心墙堆石坝，高108m，2007年建成）、碧口（土心墙土石混合坝，坝高101.8m，1976年建成）。坝基保留部分覆盖层的有紫坪铺混凝土面板堆石坝，建基于覆盖层上的有碧口和水牛家土石坝。

在调查工程中，水库库容超过10亿m3的有宝珠寺和紫坪铺工程，库容在10亿～1亿m3的有碧口和水牛家工程，库容在1亿～0.1亿m3的有沙牌、天龙湖和通口工程。宝珠寺水库库容最大，为25.5亿m3。

装机容量在300MW及以上的大型工程有紫坪铺、宝珠寺、福堂和碧口等，小于50MW的有沙牌、草坡和通口等，其余15座工程电站装机容量在300～50MW之间。紫坪铺工程装机容量最大，为760MW。

在调查工程中，泄水建筑物主要有岸边泄水和坝身泄水两大类。采取岸边泄水的有紫坪铺、碧口、水牛家和沙牌工程，其中紫坪铺和碧口工程布置有岸边开敞式溢洪道，其余的均为岸边泄洪洞或冲沙、放空洞。另有18座工程采取坝身泄水布置，其中宝珠寺、通口工程为坝身泄水孔口，天龙湖工程为坝顶溢流面，所有闸坝工程均为坝身泄洪或冲沙闸。高坝大库工程均具有放空设施。

引水式开发水电站中，引水线路长度在1.5～20km，最长的福堂工程引水隧洞长19.23km。22个水电工程中，地面厂房14个，地下厂房8个。不同规模的工程、不同建筑物形式表现出不同的震损特征，其抗震性能也各有不同。

在调查工程中，1980年以前建成的有映秀湾、渔子溪和碧口等3座水电工程，1980—1990年建成的有草坡和耿达工程，1990—2000年建成的有太平驿和宝珠寺工程，其余15座为2000年以后建成的工程。不同时期建成的水电工程，因为经济条件、技术条件、建设管理情况不同，工程质量和抗震能力也有一定程度的差异。

水电工程震损调查基本上涵盖了地震灾区装机容量30MW以上的大中型工程及所有高坝大库工程，坝型、枢纽布置以及建筑物形式各具代表性。

水电工程主要建筑物、设施设备、地基及其边坡、进厂（上坝）道路、近坝岸坡等的震损程度，依据其外观形态、功能完整性和修复难易程度三方面的指标，分为5级，即未震损、震损轻微、震损较重、震损严重以及震毁，见表2.2.2。

汶川地震中，水电工程相比其他领域，虽然自身震损较大，但没有一座工程震毁，更没有造成次生灾害。大部分工程震损轻微，恢复后能够投入运行；部分工程震损较重～严重，需要较长时间修复，但不影响工程安全。

调查分析表明，映秀湾、渔子溪及耿达3座水电工程震损属较重～严重；太平驿、紫坪铺、草坡、碧口、沙牌和薛城6座工程总体震损属轻微，局部或部分建筑物属震损较重～震损严重；其余13座工程属震损轻微。

根据对汶川地震灾区水电工程的震损破坏情况，可以总结出以下震损规律：

（1）水电工程，可概括为“三重三轻”，即距离震中和断层破裂带近的工程震损较重，远的震损较轻；早期建设的工程震损较重，近期建设的震损较轻；工程规模小的震损较重，规模大的震损较轻。

（2）枢纽建筑物，可概括为“三轻三重”，即主要建筑物震损较轻，次要及附属建筑物震损较重；地下建筑物震损较轻，地面建筑物震损较重；工程边坡震损较轻，天然边坡震损较重。

（3）主要设施设备震损规律表现为“一轻一重”，即直接震损较轻，地震地质灾害所导致的次生灾害相对较重。

汶川地震灾区水电工程震损情况调查分析表明：

（1）灾区大中型水电工程选址正确。汶川地震沿龙门山中央断裂从映秀西南至青川南坝，形成长约220km的同震地表破裂带，同时也牵动了前山断裂带的活动，沿前山断裂带形成长约100km的同震地表破裂带。同震地表破裂带宽为30～50km，该范围内建筑物震毁严重。调查未发现水工建筑物随断层地表破裂发生错断现象。这说明，灾区大中型水电工程选址均避开了活动断层，建设在相对稳定的地块上，避免了发生同震错断破坏。

（2）大中型水电工程主要建筑物抗震性能良好。根据汶川8.0级地震烈度分布图1.3.2，位于地震烈度11度影响区的水电工程有映秀湾、太平驿、和渔子溪等工程，10度影响区的有耿达工程，9～10度影响区的有紫坪铺工程，9度影响区的有福堂、姜射坝、铜钟、草坡、通口和碧口等工程。这些工程均遭受了超过其设防烈度强震的考验，主要建筑物震损轻微。

（3）大坝、水库不是产生滑坡的原因。沙牌、碧口、宝珠寺等库周原有的一些古滑坡体，在汶川地震中，没有发生失稳或产生明显变形现象。库区及近坝库岸产生的一些小型滑坡和崩塌也未形成较大的涌浪。汶川地震触发的许多大型—巨型滑坡均位于水电工程的范围之外。地震滑坡的根本条件取决于边坡原有的地形地质条件。水电工程建设过程中，通过清除、加固以及防护等工程措施，可以增加滑坡体稳定性、减少新滑坡体的产生，或者使滑坡体集中释放而避免自然滑坡。枢纽工程区和水库区工程边坡的震损破坏程度明显轻于自然边坡。

（4）地震地质灾害是水电工程建筑物和设施设备遭受损坏的主要原因。汶川地震触发了大量的崩塌、滑坡、飞石、滚石及其堰塞等次生地质灾害，对水电工程建筑物、设施设备的破坏远大于地震动作用引起的破坏。

（5）大中型水电工程覆盖层地基处理设计合理，措施有效。紫坪铺混凝土面板堆石坝、碧口土心墙堆石坝、水牛家心墙堆石坝以及绝大部分的闸坝均修建于覆盖层地基上，有的甚至是深覆盖层。调查表明，水电工程没有因地基砂土震动液化而出现坝（闸）基失稳的情况。坝基渗漏量在地震前后变化不大，渗流状况在震后不久即恢复正常。

（6）大坝结构设计合理，抗震措施有效，具有很强的抗震性能。混凝土坝中，沙牌拱坝坝肩及抗力体稳定，大坝结构完好，坝基未发现明显渗漏。坝体右侧横缝上部有张开迹象，左坝肩下游浅表塌滑，坝顶附属建筑物震损较重。宝珠寺重力坝和通口重力坝两岸坝肩稳定，上下游坝面没有发现裂缝、剥落和隆起等震损现象，坝体结构完好，仅见坝体横缝出现张开或挤压、栏杆破损现象，地震后坝基渗漏量有所增大。3座高混凝土坝震损轻微，震损特征表现为坝体横缝的局部张开或挤压，但基本上均在设计允许的变形范围内。

高土石坝中，坝肩、坝基和坝坡整体稳定。紫坪铺的坝顶结构、堆石体与混凝土结构连接部位出现挤压、张开和不均匀沉降现象，下游坝坡护坡块石出现松动、隆起现象。碧口和水牛家大坝在堆石体与岸坡的结合部位出现非均匀变形，坝顶防浪墙结构存在挤压现象，坝体堆石沉陷，但均未超过设计允许值，混凝土面板的震损特征还表现为混凝土面板接缝的挤压破坏、施工缝的剪切破坏和面板下的脱空等，但不影响蓄水功能。

闸坝总体震损轻微。映秀湾闸坝堆石体与岸坡连接部位非均匀变形明显，其他闸坝工程没有明显的变形。太平驿、渔子溪、福堂、桑坪等闸坝因飞石、滚石、崩塌和滑坡等地质灾害影响，坝肩受到掩埋或砸毁，泄洪闸分流墩因飞石、滚石作用引起开裂。铜钟和太平驿虽一度出现漫顶，但未产生威胁工程安全的震损破坏。

（7）泄水建筑物主体结构震损轻微，闸门排架柱部分因地震动作用出现剪切破坏，部分因滚石、崩塌堆积、滑坡堆积而破坏。闸坝进水口闸门、启闭设备及其电源系统主要因为地震地质灾害而破坏。除因地震地质灾害而严重损坏和启闭设备电源失电外，泄水建筑物闸门基本能够正常启闭，满足挡水和泄流的需要。

（8）输水建筑物的隧洞、调压井及埋管等地下工程震损轻微，进出口部位、渡槽、明管等地面工程震损则较重。引水隧洞和尾水隧洞衬砌结构良好，未出现塌方。大部分进出口排架柱及其设备因为地震地质灾害（如滑坡和滚石作用）而受损，部分排架柱受地震动作用而破坏。

（9）发电厂房的震损与厂房结构形式关系密切。地下厂房结构总体震损轻微，地面厂房主体结构总体上震损轻微，部分震损较重。草坡、沙牌等地面厂房震损严重。太平驿、映秀湾、渔子溪地下厂房以及红叶二级、沙牌地面厂房，因尾水洞出口堵塞、排水系统断电、滑坡堰塞等原因，均发生了水淹厂房事故，厂内设备损坏严重。

（10）由于厂房建筑物受损和厂房排水系统失去动力，导致水轮发电机组及辅助电气设备受淹。部分开关站电气设备在飞石、滚石、滑坡的作用下损坏，个别设备基础在地震动的直接作用下损坏。紫坪铺、碧口、宝珠寺等大型电站的水轮发电机组和电器设备未受损，部分震损轻微的机组在短时间内重新投入运行。

除地震地质灾害和其他次生地质灾害所导致的损坏外，水电站机电设备总体震损轻微，机电设备自身的抗震性能良好。

（11）渔子溪、耿达、映秀湾和草坡4座工程，安全检测设备震损较重，其余工程安全检测设备震损轻微。特别需要指出的是，除紫坪铺工程获得部分强震记录外，其余工程均没有获得强震记录。

（12）经过加固处理的工程边坡震损轻微，没有出现崩塌、滑动破坏的情况，仅有薛城、桑坪等工程的地面厂房后边坡存在开裂变形现象。水电工程边坡整体稳定性好于未经处理的自然边坡，具有良好的抗震能力。

（13）水电工程在抗震救灾中发挥了重要作用。通过紫坪铺水库开辟了水上救生通道；库区复建道路成为重要的救灾补给线；一些枢纽工程区成为当地群众的避险场所；部分水电站震后迅速恢复发电，为抗震救灾提供了可靠电源；紫坪铺水库移民外迁安置也避免了重大人员伤亡和财产损失。

汶川地震中，相比房屋建筑或其他建筑，大坝总体震损轻微，其原因如下：

（1）大坝是镶嵌在狭窄河谷中的，存在左右坝肩及坝基的三边约束，具有较多的冗余度。

（2）大坝设计安全标准有足够保证，不仅材料强度安全系数较高，而且抗滑稳定安全系数较高。

（3）地震作用力虽主要表现为水平惯性力和动水压力，但对汶川地震中的大坝而言，其值小于静水压力。

而房屋建筑则不同，原因如下：

（1）房屋建基于地面，仅有底边约束。

（2）房屋建筑的设计安全系数低于大坝设计安全系数。

（3）房屋建筑以承受垂直荷载为主，水平风荷载不大，未经抗震设防的房屋建筑在特大地震下最容易震毁。

历次国内外强地震调查分析均可以验证上述结论。