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地震高發區水壩的抗震安全有保障
2012/8/24 9:02:21 新聞來源:188BETApp
文/張博庭

  關於如何才能科學的抗震,現代的理論,已經有了非常明確的結論。人們要想準確的預報地震基本上不大可能,但是,我們能夠做到的是,讓我們的建築物能夠經受住大地震的考驗。

  目前全世界的抗震結果,也已經驗證這一結論的重要性。在我國的汶川大地震發生後不久,日本也發生了一次7級多的地震,但總死亡人數還不到10人。這是為什麼呢?是因為日本的建築物抗震已經非常科學了。我國的汶川大地震,以及很多欠發達國家的地震,之所以死亡人數非常大,其最本質的原因,就是城市建築物普遍缺乏抗震措施。

一、抗震的三原則,足以保障建築物的抗震安全:

  科學的抗震措施,分為兩部分,一個是根據建築物“可以抗震,但不能抗裂”的特征,要求建築物一定要躲開活動的地震斷層。另一個是,根據當地可能產生的最大的地震強度,讓建築物具備大震不垮的抗震能力。

  簡單的歸納現代的建築物抗震的三條原則是:1、摸清地震分布的情況,2躲開同震地表錯動層,3具備足夠的安全質量。

  第一條是後兩條的基礎,不摸清情況,你就躲不開斷層;不知道可能的最大地震動應力,你也不可能知道,采用什麼安全係數才能保證建築物的安全。

  去年年初就有兩位號稱能用周易準確預測地震的地震大仙,聲稱“建怒江大壩‘違背常識’”。社會上的極端環保組織,乘機也把這個地震大仙,狠狠的炒作了一番。為此,我們特地召開了一次研討會。請來了幾位地震部門的專家。其中就有中國地震局地質研究所副所長,國家地震安全性評定委員會副主任委員,國家重大科學工程《城市地震活斷層探測與地震危險性評價》的首席科學家徐錫偉。他介紹說,他們所承擔的這個國家重大科學工程,已經取得了重大的成果,其作用,就是要在全國範圍內解決第一條的“摸清地震情況”問題。

  徐錫偉說:地麵震動導致地麵破壞,我們完全可以通過提高抗震設防標準,合理的抗震設防設計可以避免。但是“地震還有一種災害是由發生斷層在地震的同時產生同震的地表錯動引起的地麵建構築物的毀壞,這種同震地表錯動,是無堅不摧的。”。同震地表錯動的斷層,是必須要避開的。

  汶川的白露中心學校,現在還可以看到,已經變成一個地質公園遺址保存館。斷層就從學校操場上通過。陡坎上部另一棟房子是2006年建造的,是按照7度設防,就在陡坎上,一點裂縫都沒有。同樣是文化大革命期間造的陡坎下部的房子,一棟男生宿舍,一棟女生宿舍,離開斷層僅僅幾米遠,沒有倒塌,一點問題沒有。所以,在質量保證的條件下,離開斷層就可以保證安全。



  但是,在斷層陡坎上的這棟房子就塌了,還砸死了人。位於陡坎上的這棵樹也傾斜了,因為陡坎一側相對抬升,另一側相對下降,陡坎上地麵傾斜,樹便傾斜。因此,斷層上的破壞是要嚴重得多。

  這三條原則是現代工程抗震的根本。不理解這三條原則的,就不可能懂得為什麼在日本的東京,美國的洛杉磯,以及我國的唐山這樣的大地震斷裂帶上,還可以建城市的高樓大廈?同理,既然在大地震的高發區可以建高樓大廈,那麼水壩則是一個比高樓大廈強度高得多實體建築物,所以,建在地震高發區當然就更沒有問題了。

  我覺得,目前造成公眾產生誤解的問題之一,是我們“斷層”與“斷裂帶”的混用。徐錫偉所長,在解釋科學抗震理論的時候,不得不采用“同震地表錯動層”來修飾“斷層”,因為,我們以往的地震科學界通常都是把“斷層”與“斷裂帶”混用的。不過,我覺得如果從文字定義上來分析,斷層可以是一條線,而斷裂帶則可以是一個由很多條具體的“斷層”構成的帶狀區域。

  如果有了這樣的定義,那麼我們就可以說“斷裂帶”上即可以建高樓大廈,也可以建水壩,但是,一定要躲開“斷層”。而現在由於我們經常把“斷層”與“斷裂帶”混用,因此,目前隻能強調躲開“同震地標錯動”的斷層。這樣複雜化的表述,妨礙了地震科普的公眾傳播。所以,目前公眾中很多人還不知道,其實,斷裂帶並不可怕,在那裏既可以建高樓大廈,也可以建水壩電站,但首要問題是一定要躲開活動斷層。

二、建築物的抗震安全性,絕不僅僅取決於當地的地震強度

  最近,有個加拿大的國際探索(Probe International)發表了一篇《中國西部的地震災害與水電大壩》的文章。財新網的記者劉虹橋也寫了篇《中國西部大壩地震災害被低估》的文章。這篇文章的最大問題就是,作者根本就不懂得,一個建築物的安全性如何,並不是僅僅由該地區的地震強度決定的。

  首先說明。我高度懷疑該文章作者(約翰,傑克遜)不是一位地質學者,因為不僅這篇文章的觀點違背科學常識、錯誤百出,而且,我們要想找作者探討都沒門。文章介紹說“約翰‧傑克遜(John Jackson)是一位熟知中國西部的地質學家的筆名,他希望匿名以保護其資料提供者。”但是,我看到整篇文章中,所有數據都有公開的出處,人們根本就看不到有任何信息的來源提供者需要保護。顯然是作者的匿名,要保護的是他自己不會被揭露。

  這個匿名的(約翰·傑克遜)嚴重錯誤之一,是把地震的烈度等同於建築物的安全性。某一地區的地震烈度高,當然是那裏地震的破壞力大一些,但是,那裏的建築物是否安全,則不是僅取決於地震的可能烈度。必須強調:要安全,首先是躲開活動斷層,否則的話即使是不太大的地震,建在同震錯動層上的建築物也會倒塌。躲開了斷層之後,其安全性如何,主要是取決於該建築物的抗震能力。

  為什麼日本的7級地震隻有不到10個人死亡,而我們的某些地區的發生的地震比日本的小幾十倍,但是,死亡人數卻可能是日本的幾倍,甚至幾十倍呢?其根本原因就是,地震烈度並不當然的代表建築的安全度。也就是說,建築物的安全性主要取決於它的抗震能力,而不是它所處的地區的地震烈度。正因為此,我們人類才能在日本東京、美國的洛杉磯以及中國的唐山這樣的地區放心的建設高樓大廈。水壩的建設也是一樣,某個水壩的安全性到底如何,(在躲開了地震斷層之後)不是取決於它建在了什麼區域,而是取決於它設計的抗震能力和建築質量。我的水電站大壩就是按照這樣的規範設計建設的,所以在汶川大地震的區域內的兩千多座水電站,沒有一個水壩出現問題,造成次生災害的。

  現實當中,我們常常根據某個水庫的重要性,來確定該水壩的抗震強度。當然這裏也一定要把可能發生的最大地震考慮進去的。但是,似乎從來也沒有一個工程技術人員,會傻到按照水壩所處的地區的地震烈度,來判別水壩的安全性的。從這一點上看,這個匿名的地質學家的約翰,傑克遜,不僅可能不是什麼地質學家,而且很可能都不是一個工程技術人員。

三、水電站的建設,應該有助於當地的抗震減災

  關於這個問題,我們還可以結合那篇冒充地質學家的騙人文章來談。由於這個作者,根本就不懂專業,所以,他在文章中的一些表述也是隻能糊弄外行的笑話。例如,他說“2008年汶川地震導致約80,000人死亡,並使岷江上的紫坪鋪大壩受損。這次地震造成了水壩結構裂縫及電廠牆壁倒塌。發電機組不得不關閉,並且排空水庫以評估損害程度。山體滑坡進入了水庫導致水庫沿岸大量的建築物受損。”等等。

  而實際情況是,在汶川大地震中,不僅沒有一個人是死於紫坪鋪水庫的修建,而且,如果沒有紫坪鋪水庫的話,汶川地震的死亡人數,肯定還要大幅度的上升。首先。紫坪鋪電站所在的區域就是強震的震中區域,如果不是因為修建水庫讓紫坪鋪的村民全都搬遷出去的話,我們不知道紫坪鋪村能有多少人能躲過這場劫難。因此,才有地震後水庫的一些移民敲鑼打鼓的到紫坪鋪電站表示感激。其次,汶川大地震發生之後,通往重災區所有的道路幾乎都被山體掩埋。而隻有水庫的水麵,成為當時唯一的救生通道。如果沒有這條生命通道,我們不知道還有多少人要因為得不到及時的挖掘和救援而死去。

  再有,所謂水壩結構裂縫和廠房倒塌,都不是地震後發電機不得不關閉的原因,震後發電機的關閉,主要是由於當時的輸出線路和變壓器受損。否則的話,紫坪鋪電站怎麼可能5天之內就恢複供電?有點常識的人都應該知道,廠房倒塌和大壩裂縫,豈止是幾天之內就能解決的問題?

  事實上,不僅紫坪鋪水電站在地震中發揮了重要的減災作用,任何水電站修建之後,一定會提高該地區的整體抗震能力。因為,我們不僅要保障水庫大壩電站具有抵禦地震的能力,而且還必須要對周圍的山體邊坡進行抗震處理。


  上圖是紫坪鋪水電站大壩壩肩周圍的山體,經過這樣的處理之後,你說它還能不安全嗎?實際上,通過我們的汶川大地震後的真損調查發現,汶川震區內所有的水電站周圍,凡是經過工程處理的邊坡,沒有一處發生問題的。也就是說,無論我們在哪裏建電站,不僅要保障大壩、電站的安全,同時也還要保證周圍山體的安全。所以,當大地震發生時,修建了水電站的地方,肯定要比沒建電站的地方更安全。

  不僅如此,大地震之後我們驚奇的發現已經建成十年之久的沙牌水電站的水庫庫岸,居然沒有出現一點點滑坡,而緊連著大壩下遊的河道則是滿目瘡痍,慘不忍睹。這說明水庫的修建和反複的水位波動,已經讓水庫周圍的不穩定的地質滑坡體都釋放出來了,所以即使發生了大地震,水庫庫岸也沒有什麼可滑下來的東西了。



   震後的沙牌水電站上遊 震後的沙牌水電站下遊

  汶川大地震的結果充分證明了,水庫水電站的修建一定會從客觀上大大的減少滑坡、崩岸、泥石流等地質災害的發生。主要有三點原因:一是,人們把奔騰的江河水用來發電,勢必會大大降低水能對岸坡的衝蝕能力,減少江水對河穀的急速深切,使河流發育趨於緩慢、穩定,最終會從根本上大大減少地質災害的發生。二是,在工程修建過程中,為了減少滑坡通常都要對主要的滑坡體進行人工排除,或者護坡(包括混凝土噴塗、打入抗剪滑樁和預應力錨索固定等)處理。大大減少了滑坡體的數量。三是,水庫蓄水的初期,對前麵工程處理之後還不能完全消除的滑坡體或者說是潛在的滑坡體,提供一個集中釋放的機會。經過幾次蓄水、泄水,這些滑坡體都被釋放之後,新的庫岸肯定會變得更加穩定安全。

  因此,那篇冒充地質學家的騙人文章中所說的紫坪鋪“山體滑坡進入了水庫導致水庫沿岸大量的建築物受損。”絕對是在造謠。記得汶川地震後《南方周末》的記者曹海東就報道過這類的謠言,當然,曹記者說的還比較隱晦,隻是說“有目擊者稱”如何、如何。而我們曾要求他找出這個目擊者,他們一直也找不出來。其實,找到找不到目擊者,都不重要,無非是能判定一下,到底是目擊者造謠,還是記者自己造謠的問題。總之,汶川地震後所有的證據都已說明,水電站確實在地震中具有重要的減災的作用。

四、科學認知水庫誘發(觸發)地震的機理

  水庫水體的重量會改變地殼的受力狀態,引起地應力的調整(可稱為荷載作用)。水庫蓄水後,通過基岩中了裂隙,產生了向地下高壓注水的效果,從而改變了地殼基岩局部的應變極限,或者說改變了原來板塊之間的摩擦力(可以稱為滲透作用)。

  目前學術界普遍認為,水庫誘發地震的荷載作用很小,主要是滲流的作用。這一判斷也能得到現實的支持。例如,城市化的建築群沒有因為城區受力過重而誘發過地震。而美國丹佛市因為大量廢水高壓注入地下,卻引發了長達數年的一係列誘發地震。再比如,很多百米以上的大壩,百億庫容以上的水庫,反倒沒有造成地震,而我國12米高的小壩,幾十萬庫容的小水庫,也出現過誘發地震的現象。

  在水庫的滲透作用下,為什麼會產生地震呢?根據地震板塊運動地震理論的分析,斷層地震爆發的原因,主要在於抗拒地殼板塊運動的地應力的積累,達到一定極限之後使斷層產生了突然的破裂或者錯動。而斷層地震的發生的臨界條件就在於,所積累的地應力克服了斷層之間的摩擦力。當斷層板塊間的摩擦力越大時,需要克服摩擦力所積蓄的作用力就越大。這種情況下地震不容易發生。然而,一旦發生後地震的能量也就比較大。相反,如果斷層之間的摩擦力越小,需要克服摩擦力的地震作用力就越小,越容易產生地震,但這時地震發生後所釋放的能量也比較低。

  所以說,決定構造地震爆發時能量強弱的關鍵,在於斷層之間的摩擦力。如下圖所示,顯然不管是走滑斷層,還是逆衝斷層一旦遭受水壓力的浸潤(潤滑)之後,都會降低摩擦力。因此,高壓注水誘發的地震,一定是提前釋放地震能量,具有減小地震強度的作用。美國在上個世紀70年代就曾經采用過高壓注水的方式,提前釋放地震能量的減災實驗。




五、水庫觸發地震的震級,不可能太大

  專門研究水庫地震的專家幾乎都認為,水庫蓄水的影響深度一定是非常有限的。不管是壓力的傳導,還是滲透作用都不可能影響到地下深部的斷層。因為,隨著地層深度的增加,溫度不斷的升高,岩石的性質已經發生了本質的變化。高溫下岩石的塑性變形將會吸收一切所謂的壓力變化,在地層下的十幾公裏處,地質上都有一個區域叫作脆紉轉換帶。在韌性的岩層裏不可能再有什麼縫隙,因此,所謂滲透已經不會存在了。所以,水庫蓄水所能影響的地震,隻能是一些不超過十公裏深的淺層地震。

  至今世界上所有的水庫誘發地震,都是發生在十公裏之內,而且,6級以上的僅有四次,最大的地震隻有6.5級。

  從另一方麵看,在地殼的淺層(例如十公裏以內)根本就不大可能積蓄起來8級地震的能量。所以,世界上還沒有過發生在十公裏以內的8級地震。因此,由水庫觸發的地震,都不可能太大。

  關於水庫的滲流作用影響深度有限,是任何人都不能否認的。不過,為了能把汶川地震的責任,強加給紫坪鋪,加拿大的這篇文章,也引用國內某反壩人士發明的新說法。說什麼汶川地震有可能是先在淺層發生破裂的,然後才引起了深層的更強烈震動。這樣說就有可能算是水庫觸發的了。不過,我覺得這種說法非常牽強,已經完全篡改了所謂“震源”的定義。

結論

  一方麵,現代科學技術的抗震三原則,已經完全可以保障我們所建設的水壩,有足夠的抗震安全性。另一方麵,加拿大蒙特利爾大學工學院嵇少丞教授,在表達岩層與地震關係的科普知識的時候,精辟地總結出地震有“強岩強震,弱岩弱震,軟岩無震”的特點。據此,我們也可以總結出:在水庫誘發地震的區域內,由於高壓水體的浸潤,可能會產生強岩變弱,弱岩變軟的效果。所以,水庫的蓄水之後,很有可能會有助於減小該地區地震的強度。

  綜上所述:無論在什麼樣的地震高發區,隻要我們按照抗震規範修建的水電大壩,它抗震安全完全是有保障的。這個科學道理和在東京、洛杉磯以及唐山等地震高發區照樣可以建高樓大廈,完全一樣。

  參考對照:中國西部大壩地震災害被低估

  http://china.caixin.com/2012-07-20/100413388.html

  中國西部的地震災害與水電大壩

  http://www.sanxia2008.org/content.aspx?z=859&f=4&s=63&t=1

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