三峽大壩工程抗震安全和水庫地震

　　陳厚群 （1中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心）

　　摘要：三峽工程是開發和治理長江的關鍵性骨幹工程。由於大壩壩址地址條件十分優越，地震烈度低，且三峽大壩作了比較深入的抗震研究，因此三峽大壩的抗震是安全的。同時，大壩蓄水監測結果表明，蓄水後庫壩區頻度和幅值明顯增加，但都在預期範圍之內。此外，三峽工程的蓄水既不具有觸發汶川大地震的條件，而汶川大地震也不具備水庫觸發地震的特征，三峽水庫蓄水與汶川地震無關。

　　關鍵詞：三峽大壩；抗震安全；水庫地震

The Seismic Safety of the Three Gorges Dam and Reservoir Seismic

CHEN Hou Qun

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research)


Abstract：Three Gorges Project is the key project to control the Yangtze River. With the dam site
of
very superior conditions and low-intensity earthquake, Three Gorges Dam''s earthquake resistance is safe. As for its
reservoir seismic, The monitoring result during storage period indicated that both the


frequency of seismic and its amplitude increase remarkably, but they are in anticipated

scope. In addition, impounding of Three Gorges Reservoirs was not provided with the ground

for triggering Wenchuan Earthquake, and Wenchuan Earthquake has not possessed the
characteristic features of reservoir earthquake, so Wenchuan Earthquake has nothing to
do with Three Gorges Dam storage.
Key Word：Three Gorges Dam；Seismic Safety；Reservoir Seismic

　　1前 言

　　舉世矚目的三峽工程是開發和治理長江的關鍵性骨幹工程，也是當今世界最大的水利水電工程。自1994年12月正式開工以來，1997年順利實現了大江截流、2003年按期實現了水庫蓄水到135.00 m、139.00 m高程，工程開始發揮初期綜合效益，2006年10月實現了水庫蓄水到156.00 m的目標，左岸14台共980萬kW 機組提前一年投產發電，船閘年通航運量達到建壩前3倍，大壩全線達到185m設計高程提前兩年擋水，初步發揮了防洪、發電和航運的綜合效益。2008年汛末成功地進行了試驗性蓄水，水庫最高水位達到172.8 m，工程的樞紐建築物穩定性、機組能量特性、庫區水質、庫岸穩定性和水庫地震震情等都在設計預期範圍內，整個工程的安全穩定運行情況好於預期。三峽工程將於2009年底如期完成初步設計的建設任務[1]。

　　自2008年發生汶川大地震後，特別是通過對唐家山堰塞湖的成功排險報導，高壩大庫在遭受強震時是否會導致嚴重次生災害影響抗震安全，以及水庫地震等涉水地震風險問題，在國內外受到廣泛關注。尤其是對三峽這類大型工程更加關注。為此，本文借科協論壇對三峽工程的抗震安全和水庫地震問題再次概述管見，以供探討。

　　2三峽大壩的抗震是安全的

　　2.1壩址地震地質條件相當優越[2]

根據長期詳盡的勘察論證，三峽工程所在區域地質構造格局清晰，具有較高穩定程度的區域地質構造環境，壩址所在的黃陵地塊為約9億年前震旦紀的穩定結晶岩基底。壩址的工程地質條件良好，基岩的花崗岩體總體上堅硬完整，平均飽和抗壓強度都在100MPa以上，變形模量3-4MPa，縱波速度大於5000m/s，岩體透水性微弱。壩址區斷裂規模小，以陡傾角為主，且多膠結良好。

　　壩址區無孕育中強震的發震構造。區內地震活動水平不高、強度小、頻率低。在2000年的曆史記載中，壩址及周圍300km範圍內，發生的4次6-63/4級地震的震中均距壩址200km以上，5級以上的地震也距壩址130km以上。隻是在其外圍距壩址60km的遠安、19km的仙女山和17km的九灣溪等斷裂有一定的活動性，但均屬弱活動斷裂，發生強震的可能性很小。

　　因此，三峽工程壩址的地震地質條件是相當優越的。

　　2.2大壩的抗震設防標準留有充分安全裕度

三峽工程經過我國地震部門進行了深入的地震危險性分析和地震動參數研究[ 3]，壩區的基本烈度定為Ⅵ度。建議的抗震設防標準取年超越概率為10-4 ，相應的峰值加速度為125gal。按照我國現行的《水工建築物抗震設計規範》要求，對於像三峽大壩這種屬於甲類抗震設防類別的壅水建築物，應按100年內超越概率2%、即大致年超概率為5×10-4 的標準設防，相應的功能目標為隻產生可以修複的損壞。考慮到地震的不確定性及其一旦引發大壩次生災害後果的嚴重性，我國大壩的抗震設抗震設防標準，已遠高於一般房屋建築對應相應功能目標的50年內10%的設防概率水平，與國外同類標準相比也是較高的[4]。此次汶川大地震中不少大壩經受了檢驗。三峽大壩抗震設防標準，更是留有了充分的安全裕度。

　　2.3三峽大壩的抗震研究比較深入

　　三峽壩區地震地質條件優越，地震活動水平不高，鑒於三峽工程的重要性，對其主要建築物，尤其是對大壩的抗震性能，都進行了深入的專門研究[5] [6] [7]。三峽大壩有限元動力分析及振動台動力模型試驗研究的結果表明，三峽大壩的抗震性能滿足規範要求並有相當安全裕度。
綜上所述，可以認為，三峽大壩的抗震是安全的。

　　3三峽工程的水庫地震

　　3.1關於水庫地震的基本認識[8]

　　汶川大地震後，水庫地震問題，深為國內外所關注 [9][10] 且多有不同看法。其中包括汶川大地震是否與三峽工程蓄水有關等這樣的問題。顯然，國內外各界對高壩大庫的抗震安全的關注、不同觀點的探討，有利於促進對高壩大庫抗震安全的重視，並加強其深化研究。然而，學術爭鳴需要基於實事求是的科學依據。這些不同觀點的分歧主要涉及對水庫地震的理解。為此，首先簡單概述對水庫地震的基本認識。

　　水庫地震是指由於水庫蓄水導致環境物理狀態的改變，從而在壩址和正常蓄水位淹沒範圍的庫區引發地震的現象。世界上已有30多個國家先後報導了100多個與水庫蓄水有關的地震事例，但其中一些事例是否與水庫蓄水有關尚存有爭議，被較普遍確認的不到一半。在最近國際大壩委員會(ICOLD)頒布的公報《水庫觸發地震－知識概述》中[11]，隻列出了39個水庫地震震例。可見，在全球8萬多座水庫中，因水庫蓄水引發水庫地震的事例所占比率極小。高壩中的比率雖略高，但被確認的不多。目前，在世界範圍內水庫地震震級超過6級的僅有4例，即： 中國新豐江(6.1級)，讚比亞的卡裏巴(6.1級) ，希臘克裏瑪斯塔(6.3級) ，以及最大震級的印度柯依納(6.5級) 。所以，水庫地震發生的概率是很低的，水庫蓄水引發強震的更少。當然，並不是所建的水庫都會引發地震、或凡發生在水庫的地震都是水庫蓄水造成的。世界上至今沒有因水庫引發地震而導致大壩失事的事例。

　　水庫地震大體可分兩類：

　　一類是庫區沒有發震斷裂，庫區附近一些沉積岩、石灰岩的溶洞或礦洞，因蓄水後水位抬高庫水滲入而發生坍蹋等現象引發地震。此外，因地表岩石不完整有很多裂隙，庫水的滲入會導致局部應力調整，從而引發地震。這類地震的震源很淺，已有震例表明，震級一般都不會超過3到4級，大多數都是人們難以察覺的微震，不會對當地居民的生產生活造成威脅。迄今絕大部分的水庫地震都是這類可稱之為非構造型的水庫地震。

　　另一種情況是庫區及其周圍約10公裏範圍內存在發震構造，且其應變的積累已接近臨界狀態，而庫區又存在庫水向發震構造滲透的水文地質條件，隻有在具備這些地質背景的前提下，才能由於庫水的“觸發”而使發震構造孕育的地震稍提前發生。因為這類地震遲早是要發生的，並不是因蓄水造成的，所以是屬於構造型水庫地震。國際大壩委員會稱之為“水庫觸發地震”。這類地震的震級可能超過5級而造成一定的震害，但其最大震級不會大於該發震構造的原有潛在震級。在大壩抗震設防中，已經考慮了所有有關發震斷層對大壩可能產生的影響。

　　目前國內外對包括水庫地震在內的地震發生機理尚未完全搞清楚，正在深入研究中。對工程有影響的構造型水庫地震的成因，其較為普遍被接受的解釋是：主要由於庫水沿發震斷層入滲，導致其有效正應力減小及抗剪參數弱化，因而引發斷層錯動。限於庫水滲透機製，水庫地震一般在空間上限於庫區第一分水嶺內庫岸5-10 km範圍內，構造型的主震在時間上滯後於頻發的前震，多呈“前震－主震－餘震”型。對規模巨大的區域構造，庫區的局部滲透能否引發大於6.5 級強震，也尚待探討。
我國內陸的地震都與發震構造有關，地震震源通常都在地表十多公裏以下，構造型水庫地震震源一般也在數公裏以下。即使百米以上高壩，其庫水重量在震源處產生的應力與岩層本身重量產生的地應力相比，也是微乎其微的。所以庫水的重量是難以壓出構造型地震的。

　　3.2 三峽水庫蓄水後的水庫地震

　　在三峽工程的論證階段，對其水庫蓄水後的水庫地震問題進行了大量工作和深入研究。從地質構造和岩性條件分析【2】，庫區幹流可分為三個庫段：從壩址至廟河的第一庫段，段內無區域性和地區性斷裂分布，地震活動微弱，結晶岩體透水性弱，不具備引發較強水庫地震條件。從廟河至白帝城為第二庫段，庫段內有仙女山、九灣溪、高橋等斷層。秭歸—漁洋關、黔江—興山兩條中強地震帶分別在上遊17-30km、50-110km穿越幹支流庫盆，近30年來在距壩60km以遠發生過5級左右地震。庫區廣泛出露石灰岩，岩溶發育，不能排除局部地段產生水庫誘發地震的可能。從最不利的情況分析，即使距壩最近的斷裂發生6級構造型水庫地震，影響壩址的烈度也不超過其基本烈度Ⅵ度。白帝城以上為第三庫段，地層由砂頁岩、泥岩組成，透水性弱，斷層少，規模小，地震活動微弱。某些庫段雖有灰岩分布，但不具備引發較強水庫地震的條件。

　　早在三峽水庫開始蓄水前二年的2001年10月，在重點監測的第二庫段，就建成了以24個子台的數字遙測台網為主體的水庫地震監測係統。此外，在庫區由壩址至巴東庫段兩岸10km範圍內的重點地段，布設了18個人工值守流動地震觀測台。在水庫蓄水前後，監測係統運行正常、管理規範、資料完整、分析到位，完整有效地控製了整個峽江段，特別是監測了從壩區到奉節縣城兩側各(20-30)km內的地震活動性。這些工作為分期蓄水前後比較庫區本底地震和分析水庫地震積累了寶貴資料，提供了科學依據。
監測結果表明，蓄水後庫壩區微震頻度明顯增加，且與庫水位呈現一定的相關性，顯示了水庫地震的特征。迄今所發生水庫地震的地段都在預期範圍之內，且絕大部分是發生在岩溶、礦洞分布地區、震級小於3級的的淺層微震。2008年11月22日發生在秭歸屈原鎮最大的4.1級震級也仍遠低於預期值。

　　3.3三峽水庫蓄水和汶川地震無關

首先，汶川地震位於龍門山斷裂帶，屬於青藏地震區、龍門山地震帶，三峽工程庫區屬於華南地震區、長江中遊地震帶，龍門山斷裂帶和三峽工程庫區兩者在區域構造上並無聯係。其次，汶川地震震中距三峽水庫的庫尾重慶市300km以上，距壩址則更在700km以遠。三峽庫區有厚度大的隔水岩層，封閉條件好，庫水不可能滲透到幾百公裏以外遠處。

　　如前所述，構造型水庫地震一般都為前震－主震－餘震型，迄今全球已有的4個震級為6級以上的構造型水庫地震都屬此類型[12]，其發震斷層都屬易被庫水觸發的正斷層或走滑斷層。汶川大地震的主震發生在具有右旋性質的仰衝型斷層帶上，震源深度超過15km，且基本確認屬主—餘震型[13]。所以，從地震發生的序列類型、震源深度、斷層破裂類型等方麵比較，汶川地震均有別於水庫地震。因此，可以認為，三峽工程的蓄水既不具有觸發汶川大地震的條件，而汶川大地震也不具備水庫觸發地震的特征，三峽水庫蓄水與汶川地震無關。

　　參考文獻

　　[1] 鄭守仁. 三峽工程與水利水電料技發展. 中國大壩技術發展水平與工程實例. 北京：中國
水利水電出版社. 2007：75-97.

　　[2]劉峻德主編. 三峽工程論. 北京：中國環境科學出版社. 1990.
[3]國家地震局地球物理研究所. 長江三峽工程三鬥坪壩區地震危險性分析和地震動參數研
究報告. 北京：1990.

　　[4]陳厚群. 大壩的抗震設防標準及相應性能目標. 工程抗震與加固改造, 第27卷增刊,
2005. 1-6。

　　[5]侯順載、吳冰、陽淼. 三峽大壩多層大孔口壩段結構動力分析. 〝七. 五〞國家科技攻關
項目(16-3-2-2). 中國科學院、能源部、水利部. 水利水電科學研究院研究報告. 1990.

　　[6]侯順載、梁愛虎、李德玉. 三峽溢流壩段結構抗震安全分析. 中國水利水電科學研究院研
究報告. 1994.

　　[7]楊佳梅、李德玉. 三峽溢流壩段動力模型抗震試驗研究. 中國水利水電科學研究院研究報
告. 1995.

　　[8]陳厚群，徐澤平，李敏. 汶川大地震和大壩抗震安全[J]，水利學報. 2008，39(10)：1158-1167.

　　 [9] Richard A.Kerr，Richard Stone. A Human trigger for the great quake of Sichuan?[J]. Science，News of the week.2008, 323：322.

[10]雷興林，馬勝利，聞學澤等.地表水體對斷層應力與地震時空分布影響的綜合分析-以紫坪鋪水庫為例[J].地震地質. 2008，30(4)：1046-1063.

　　[11]ICOLD Committee on Seismic Aspect of Dam Design. Reservoirs and seismicity-state of
knowledge[C]. Paris: ICOLD Bulletin, 2006.

[12]沈崇剛，陳厚群，張楚漢等. 新豐江水庫地震及其對大壩的影響[J]，中國科學.1974，(2) 184-205.

　　[13]馬宗晉. 5.12汶川地震與災損評估，國務院新聞辦公室新聞發布材料. 2008.