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中国工程院院士陈厚群:突破传统理念和思维 在水电工程抗震领域取得新突破

  白鹤滩水电站工程是开发和治理长江上游的重要水电工程,是西部大开发的重大基础性工程,也是国家能源战略布局“西电东送”的骨干电源点和长江防洪体系的重要组成部分。白鹤滩水电站工程抗震设计如何?白鹤滩水电站的建设对我国高混凝土坝抗震安全技术研究又有哪些推进作用?针对这些问题,本报记者采访了中国工程院院士、中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心教授级高级工程师陈厚群。

  本报记者:在翻查白鹤滩水电站地质情况资料时,看到最多的字眼就是“地质、地震、地形环境复杂”,请问白鹤滩水电站的地质条件复杂在哪儿?

  陈厚群:金沙江下游地区位于青藏高原和云贵高原向四川盆地过渡的斜坡地带, 地势总体西高东低, 区内山高谷深,谷坡陡峻,河道狭窄。在地质构造单元上是康滇地轴(川滇台背斜)和上杨子台褶带(滇东台褶皱)两个二级大地构造单元过渡的地带, 地层岩性条件相当复杂 。而白鹤滩工程所在区域位于康滇地轴与上扬子台褶带两个二级构造单元的过渡带, 坝址区位于凉山构造带东侧与莲峰—巧家构造带相夹持的三角形区域内, 区内断裂规模普遍较小,对区域地壳稳定性不构成影响。坝址区地壳稳定性条件总体较好。根据区域地震地质条件和地震活动特征分析,工程区40公里范围内, 无6级以上地震发生, 但中小地震记录频繁, 表明坝址区地震危险性主要来自外围强震影响, 历史地震对坝址的最大影响烈度为8度, 为1733年东川7.75级地震(距坝址104公里)和1850年西昌7.5级地震(距坝址73公里)。其余外围几次强震对坝址产生的地震烈度都未超过7度。对坝址区影响最大的木河断裂和小江断裂所构成的构造活动带, 极限分析未来百年对坝址的影响不会超过8度水平。

  根据2016年2月中国地震灾害防御中心提出的《金沙江白鹤滩水电站坝址设计地震动参数复核报告》,坝址区地震基本烈度按50年超越概率10%地震动参数确定,为8度。

  本报记者:汶川地震后,国家在大坝规划设计上对工程的抗震性能提出了更高的要求,同时,社会大众也对工程的安全性提出了更高的期望,请问这些给大坝抗震带来了哪些挑战?如何应对?

  陈厚群:汶川大地震中, 岷江上游河段已建大中型水电工程, 特别是紫坪铺和沙牌两座高坝, 经受住了远超设防标准的强震考验, 大坝整体安全稳定,但辅助设施抗震设计以及应急管理机制等很不完善,对工程抗震设计和次生灾害问题提出了新的要求。 因此,汶川地震以后,在金沙江下游水电开发中,国家将工程和水库抗震安全问题提上一个非常重要的高度,要求极端地震下不能溃坝,不能产生失控下泻而造成次生灾害。这些都对白鹤滩的抗震设计以及抗震水平提出了更高要求。同时,2015年,国家能源局等有关部门发布了《水工建筑物抗震设计规范》《中国地震动参数区划图》等一批新的行业规范和国家规范,对工程抗震设计等提出了新的要求,这就要求白鹤滩水电站项目需要按照国家有关法律法规和相关规范的要求, 开展地震安全性评价和抗震设计复核等工作。为了保证白鹤滩的抗震安全性,早在2005年,就对白鹤滩水电站拱坝抗震安全进行了安全分析和评价;2011年,中国水利水电科学研究院作了《白鹤滩水电站可行性研究阶段拱坝抗震安全分析与评价研究》;2013年,华东勘测设计院作了《白鹤滩水电站可行性研究工程防震抗震研究设计专题报告》;2016年,中国水科院按照新的规定,对白鹤滩水电站项目地震安全评价报告进行再次复核、改进,并与中国地震灾害防御中心共同承担了《白鹤滩拱坝抗震安全复核分析与评价研究报告》等。同时,还利用中国水科院自主研发的并行计算软件,用天河一号的超级计算机对白鹤滩水电站项目的抗震安全性进行模拟实验分析,通过反复的研究论证以及试验,保证了白鹤滩抗震设计安全。

  本报记者:白鹤滩水电站作为世界第二大水电站,其库容达到206亿立方米,有些读者关心是否会诱发地震,对于这一点,您怎么看?

  陈厚群:金沙江的四座梯级水电站都建有强震观测台,而且这四个观测台联合成为一个大的地震观测网络,通过观测和大量的分析后,我们得出的结论是:白鹤滩水库不会触发超过天然构造地震强度的地震。

  水库地震的成因机制很复杂,至今并未解决。主要是由于目前对水库地震源处所处岩层深部高温高压条件下,岩体性态和水体运动规律的认识还很不足。因此,还很难建立一个物理模型对这一复杂的过程进行描述,主要只能以统计和类比方法探讨其本质规律。我认为对水库地震按其成因大致可区分为两类:

  一类是与岩溶、矿洞、地表岩体应力调整有关的非构造型浅层微震,一般在水库蓄水和水位变动不久发生,与水位有较明显相关性。这类水库地震一般都在水库蓄水或水位变动较大后不久发生,常与水位有一定的相关性。其最大震级不会超过3~ 4级,对工程和库区不致造成危害。全球已有水库地震的震例绝大多数属于此类。

  另一类是由库水触发穿过或邻近库区的、已处于临界状态的发震断层的构造型水库地震。其在水库蓄水后的微震震中常逐渐呈现出与发震构造有一定关联的较连续的条带状,震级强度随之增大,直至发生主震,在其后的岩层应力的调整中余震将持续一段时间。由于库水向岩层深部渗透过程较缓慢,主震发生的时间一般部要滞后于水库蓄至最高水位或发生显著变化的时刻。主震的最大震级可能较高,是工程抗震所主要关心的。迄今全球震级超过6级的4例水库触发地震都属此类前震—主震—余震型。为社会和工程界所关心的主要是这类水库触发的地震。

  迄今全球水库蓄水引发水库地震震例占水库总数的比例是极小的。在30多个国家报道的100多例水库地震中,绝大部分都属于非构造型水库地震。非构造型水库地震的震源很浅,震级不大,一般不会超过3~4级,在离震中很近的地方,人们能够感觉到,但不会对当地居民的生产生活造成大的影响,更不会对大坝造成危害。

  (本文原载于《中国三峡工程报》于2017年8月3日出版的白鹤滩水电站主体工程全面建设特刊)

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