四川寶興河梯級(jí)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析*

張小霞，張建元，王 佳，魏文杰，張新華

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.云南廣業(yè)機(jī)電建筑安裝有限責(zé)任公司，云南昆明650216）

四川寶興河梯級(jí)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析*

張小霞1，張建元2，王 佳1，魏文杰1，張新華1

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.云南廣業(yè)機(jī)電建筑安裝有限責(zé)任公司，云南昆明650216）

近年來四川地震頻發(fā)，對(duì)近震源區(qū)域內(nèi)的水庫(kù)大壩造成了較大的損壞。2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0級(jí)地震給四川寶興河梯級(jí)電站帶來了不同程度的影響。該文運(yùn)用Bureau提出的大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)四川寶興河梯級(jí)電站大壩（磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭和雨城）進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過與梯級(jí)大壩的實(shí)際震損情況進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)Bureau方法做了適當(dāng)改進(jìn)。改進(jìn)后的評(píng)價(jià)結(jié)果表明：四川寶興河梯級(jí)大壩總風(fēng)險(xiǎn)因子排序與實(shí)際震損嚴(yán)重程度排序一致，所做改進(jìn)對(duì)四川寶興河梯級(jí)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的適用性，對(duì)類似地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

地震；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；總風(fēng)險(xiǎn)因子法；峰值加速度；寶興河梯級(jí)大壩；四川

水利工程對(duì)人類社會(huì)發(fā)展有著許多作用，例如發(fā)電、供水、防洪等。但水利工程的興建也會(huì)帶來諸多負(fù)面影響，如水利工程失事則會(huì)對(duì)下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成極大的損壞。當(dāng)水利工程建在地震多發(fā)區(qū)時(shí)更應(yīng)該引起重視，地震致使大壩失事的事件很多，如2001年6月26日印度布吉發(fā)生的7.6級(jí)地震，引起Chang大壩淺層地基土液化從而導(dǎo)致潰壩，Shivlakha大壩也在布吉地震中遭到嚴(yán)重?fù)p壞［1］；1854年日本8.4級(jí)Ansei-Nankai地震導(dǎo)致Manno Ike大壩滲漏加重，幾天后大壩潰決［2］；Krinitzsky［3］指出遭受嚴(yán)重?fù)p壞的大壩主要是土壩，主要破壞原因是地震運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地基液化；Hinks和Gosschalk［4］指出Earlsburn大壩、Cerro Negro大壩及El Cobra大壩等眾多土壩潰決都是由地震引發(fā)的。

目前，國(guó)外對(duì)大壩地震危害等級(jí)和大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)已有很多研究，Ozkan［5］總結(jié)了在地震作用下土壩和堆石壩的地震表現(xiàn)和安全性分析；國(guó)際大壩委員會(huì)［6］將地震危害評(píng)級(jí)和大壩及其附屬建筑物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)分開評(píng)估用來判斷大壩地震風(fēng)險(xiǎn)；Bureau將兩者聯(lián)合起來定義了大壩結(jié)構(gòu)總風(fēng)險(xiǎn)因子［7］，運(yùn)用總風(fēng)險(xiǎn)因子來判斷大壩地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；Tosun等人［8］用國(guó)際大壩委員會(huì)和Bureau提出的兩種方法進(jìn)行分析并對(duì)土耳其幼發(fā)拉底河流域的多座大壩進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為Bureau的方法更好。近年來中國(guó)的幾次大地震給震源附近的水利工程帶了很大的損壞，同時(shí)也引起了人們的注意，一些學(xué)者開始對(duì)大壩的抗震設(shè)計(jì)和震害進(jìn)行研究，陳厚群對(duì)汶川8.0級(jí)地震大壩抗震安全進(jìn)行了分析［9］，并對(duì)高壩建設(shè)抗震安全提出了相關(guān)建議；朱晟通過對(duì)土石壩震害調(diào)查分析［10］，總結(jié)了土石壩震害機(jī)理、形式，并提出了防止震害的對(duì)策；林鵬等人對(duì)高壩結(jié)構(gòu)安全作了分析［11］。國(guó)內(nèi)對(duì)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估研究還比較欠缺，評(píng)估方法及其合理性也缺乏分析探討。本文針對(duì)以上問題，研究了距2013年4月20日發(fā)生的蘆山縣7.0級(jí)地震震中較近的四川寶興河梯級(jí)大壩，包括磽磧水庫(kù)、寶興電站、小關(guān)子電站、銅頭電站和雨城電站的大壩震損情況，并運(yùn)用目前國(guó)際上應(yīng)用較廣的大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)四川寶興河梯級(jí)電站大壩進(jìn)行了大壩地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。通過評(píng)估結(jié)果和蘆山地震中各大壩震損情況的比較，對(duì)其評(píng)估方法做了適當(dāng)修改，結(jié)果表明修改后的評(píng)價(jià)結(jié)果更可靠。

1 四川寶興河已建成電站基本資料及震損情況

1.1 基本資料

本次研究針對(duì)四川寶興河梯級(jí)電站已建成投入運(yùn)行的大壩，包括：磽磧電站、寶興電站、小關(guān)子電站、銅頭電站和雨城電站，各大壩位置如圖1所示，各個(gè)電站資料如表1所示。

圖1 四川寶興河梯級(jí)電站位置示意圖

表1 大壩基本資料

1.2 震損情況調(diào)查

針對(duì)2013年4月蘆山7.0級(jí)地震，考察組于2013年6月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，逐一排查壩頂、壩前坡、壩后坡、壩下排水溝、壩肩、放水建筑物以及啟閉設(shè)施等的震損情況，掌握了蘆山地震對(duì)四川寶興河梯級(jí)電站各個(gè)大壩的震損程度，其中小關(guān)子大壩震損最為嚴(yán)重，震損情況如圖2所示。其次是雨城，然后是銅頭、寶興，磽磧大壩震損最輕。具體震損情況如表2所示。

表2 大壩震損情況

2 分析方法

目前，大壩地震危害等級(jí)和大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)方面的研究取得了許多成就，Bureau的方法應(yīng)用較廣，本文主要采用Bureau提出的總風(fēng)險(xiǎn)因子法進(jìn)行大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)壩址處的地震危害性。其表達(dá)式為：

圖2 小關(guān)子電站蘆山7.0級(jí)地震震后圖片

式中：CRF為庫(kù)容風(fēng)險(xiǎn)因子；HRF為壩高風(fēng)險(xiǎn)因子；ARF為壩齡風(fēng)險(xiǎn)因子；DHF為下游危害因子；PDF為預(yù)測(cè)損害因子；CRF＋HRF＋ARF表明大壩及水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)。式中各項(xiàng)參數(shù)取值方法見文獻(xiàn)［7］。

計(jì)算PDF時(shí)需要考慮峰值加速度的取值，對(duì)于地震峰值加速度計(jì)算方法目前主要是采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。AMBRASEYS對(duì)歐洲地區(qū)地震水平峰值加速度和垂直峰值加速度［12］關(guān)系進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)；Campbell依據(jù)50 km范圍內(nèi)的強(qiáng)震運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，提出了淺源地震水平峰值加速度經(jīng)驗(yàn)公式［13］，其計(jì)算公式為：

式中：PGA為地震峰值加速度；M為里氏震級(jí)；R為距斷層破裂帶的距離。

(1)煤泥離心機(jī)。由表3可知，煤泥離心機(jī)入料量為20.29 t/h，此處的系統(tǒng)能力按入料量計(jì)算，原設(shè)備的負(fù)荷能力是30 t/h×2=60 t/h，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

表3 地震峰值加速度PGA與烈度對(duì)照表

圖3 蘆山7.0級(jí)地震烈度圖

由于經(jīng)驗(yàn)公式具有地區(qū)性，結(jié)果不一定準(zhǔn)確。為了選取較為可靠的峰值加速度值，可以依據(jù)地震烈度與地震峰值加速度關(guān)系（表3），再根據(jù)相應(yīng)地震的烈度圖來判斷各個(gè)大壩壩址處的地震峰值加速度取值范圍。根據(jù)地震烈度與地震峰值加速度的關(guān)系來考慮壩址處地震峰值加速度的方法比較粗糙，精度不夠高。將地震烈度和峰值加速度分成差異很大的等級(jí)，雖然只能定性地描述各地區(qū)地震峰值加速度大概取值，但是據(jù)此選取的地震峰值加速度值可以體現(xiàn)地震的特性。

3 分析與討論

3.1 各風(fēng)險(xiǎn)因子選取

根據(jù)Bureau方法和各個(gè)大壩對(duì)應(yīng)的基本資料，選取各風(fēng)險(xiǎn)因子的值，具體取值結(jié)果見表4。由中國(guó)地震局圖片繪出蘆山地震地震烈度圖如圖3所示，各大壩按烈度與峰值加速度關(guān)系確定的峰值加速度值見表5。用經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算峰值加速度的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表4 大壩風(fēng)險(xiǎn)因子取值表

表6 峰值加速度值PGA計(jì)算值

由表5和表6可知，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與根據(jù)烈度選取的地震峰值加速度值差別較大。鑒于兩種方法計(jì)算結(jié)果相差較大，分別用經(jīng)驗(yàn)公式和烈度對(duì)應(yīng)的地震峰值加速度值，并根據(jù)Bureau方法計(jì)算預(yù)測(cè)損害因子PDF的值，計(jì)算結(jié)果如表7所示。根據(jù)選取的各風(fēng)險(xiǎn)因子，按照Bureau提出的總風(fēng)險(xiǎn)因子法計(jì)算各個(gè)大壩的總風(fēng)險(xiǎn)因子，并判斷大壩的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

表7 PDF計(jì)算值

表8 總風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算表

根據(jù)表8評(píng)估結(jié)果可知，PGA用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和用烈度對(duì)應(yīng)的峰值加速度值兩種方法，計(jì)算所得的大壩總風(fēng)險(xiǎn)因子排序是一樣的，從高到低排序?yàn)椋河瓿恰⑿￡P(guān)子、銅頭、寶興、磽磧。其中雨城和小關(guān)子的大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)性較高。銅頭、寶興和磽磧大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)性適中。雨城大壩的總風(fēng)險(xiǎn)因子大于小關(guān)子大壩。由實(shí)際考察研究區(qū)域各個(gè)大壩在蘆山地震中震損程度從高到低排序?yàn)椋盒￡P(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。實(shí)際震損情況是小關(guān)子震損較為嚴(yán)重，其他四座大壩震損很輕。因此，傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況之間存在一定的出入，這表明評(píng)估方法尚有不足之處，需根據(jù)實(shí)際情況作一些改進(jìn)。

3.2 評(píng)價(jià)方法改進(jìn)與再評(píng)估

根據(jù)3.1節(jié)中的評(píng)價(jià)和分析，將Bureau提出的大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法做如下改進(jìn)。

（2）分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算峰值加速度時(shí)，震中距相同的地點(diǎn)峰值加速度值相等。實(shí)際上天然地震波都是各向異性的，如汶川8.0級(jí)地震以及此次蘆山7.0級(jí)地震都是窄條型。如采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地震峰值加速度值體現(xiàn)不出特定地震的方向性；而采用地震烈度圖對(duì)應(yīng)的地震峰值加速度值又比較粗糙，且壩址震中距體現(xiàn)得不夠明顯。

預(yù)測(cè)損害因子PDF是地震嚴(yán)重程度指數(shù)ESI和壩型有關(guān)，ESI和地震震級(jí)、震源深和震中距有關(guān)，Bureau方法中ESI是震級(jí)和峰值加速度的函數(shù)，考慮到前面兩種峰值加速度計(jì)算方法都有一定缺陷，對(duì)地震嚴(yán)重程度指數(shù)（ESI）計(jì)算方法作一定修改。本研究認(rèn)為針對(duì)本次蘆山7.0級(jí)地震，計(jì)算ESI可用如下公式計(jì)算地震嚴(yán)重程度指數(shù)：

式中：R為震中距；PGA采用蘆山地震烈度圖對(duì)應(yīng)的地震峰值加速度。在式（3）中地震強(qiáng)度和震中距所占的權(quán)重是比較合理的，通過對(duì)中國(guó)近代7級(jí)以上地震總結(jié)發(fā)現(xiàn)大地震地震影響范圍較廣，但會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞的幾乎都在烈度Ⅵ度及以上的區(qū)域。根據(jù)文中列出的計(jì)算峰值加速度的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)震震級(jí)為7級(jí)，震中距R為50 km時(shí)，即使震源很淺，計(jì)算出的峰值加速度也只有0.07 g左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)的烈度小于Ⅵ度。也就是說對(duì)于7級(jí)地震，可以初步認(rèn)為地震會(huì)造成較大影響的區(qū)域在50 km范圍內(nèi)。

對(duì)Bureau方法做以上兩點(diǎn)改進(jìn)，其它各項(xiàng)因子取值不變，重新評(píng)價(jià)，改進(jìn)后的總風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)估計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 改進(jìn)的總風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)計(jì)算

按照改進(jìn)后的方法對(duì)四川寶興河梯級(jí)現(xiàn)有5個(gè)大壩進(jìn)行評(píng)估，總風(fēng)險(xiǎn)因子從高到低排序?yàn)椋盒￡P(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。改進(jìn)后雨城的總風(fēng)險(xiǎn)因子比改進(jìn)前明顯降低，改進(jìn)后的評(píng)價(jià)結(jié)果排序和調(diào)查大壩震損情況排序一致，表明所做改進(jìn)對(duì)四川寶興河梯級(jí)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的適用性。

4 結(jié)論

本次研究，查看了四川寶興河梯級(jí)電站磽磧、寶興、小關(guān)子、銅頭和雨城在蘆山地震中的震損情況，并做了地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)方法討論，主要結(jié)論有：

（1）Bureau的方法中壩高對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因子取值不夠合理，建議可把該取值標(biāo)準(zhǔn)改為：壩高為＜30 m、30～70 m和＞70 m時(shí)，相應(yīng)的HRF取為2、4、6。

（2）計(jì)算地震峰值加速度的經(jīng)驗(yàn)公式有一定弊端，而根據(jù)地震烈度圖選取地震峰值加速度值的方法又較粗糙，使得地震嚴(yán)重程度指數(shù)ESI計(jì)算結(jié)果不夠合理，從而導(dǎo)致地震預(yù)測(cè)損害因子PDF和總風(fēng)險(xiǎn)因子偏差較大，因此本文對(duì)ESI的計(jì)算公式做出部分修改，從而使地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果更加客觀、合理。

（3）對(duì)Bureau方法進(jìn)行改進(jìn)后，各個(gè)大壩總風(fēng)險(xiǎn)因子從高到低排序?yàn)椋盒￡P(guān)子、雨城、銅頭、寶興、磽磧。其中小關(guān)子和雨城大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)性較高。銅頭、寶興和磽磧大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)性適中。結(jié)果表明：改進(jìn)后的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際震損情況更吻合，所做改進(jìn)對(duì)類似地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

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Seism ic Hazard and Risk Analyses of the Cascade Dam s on the Baoxing River Basin in Sichuan Province

Zhang Xiaoxia1，Zhang Jianyuan2，Wang Jia1，WeiWenjie1and Zhang Xinhua1
（1．State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2．Yunnan Guangye Electromechanical＆Architectural Installation Corp．，LTD，Kunming，Yunnan 650216，China）

In recent years，earthquakes happened frequently in Sichuan Province，and caused great damages to nearby hydraulic reservoirs and dams.For example，cascade dams of the Baoxing river suffered different damages in the Lushan earthquake，occurred on April 20，2013.In this article，Bureau′s risk evaluation method was used to analyze the Seismic hazard and total risks of the dams in the Baoxing River.There are five dams which are the Qiaoqi，Baoxing，Xiaoguanzi，Tongtou，Yucheng.In order to check the applicability of the Bureau′s method，comparisonsweremade between its evaluation results and the actual damages of Baoxing River dams.Result of the comparison shows some discrepancy.Therefore，somemodifications have beenmade for the Bureau′smethod.Results of the evaluation after themodification aremore rational.

earthquake；dam risk rating；total risk analyses；peak ground accelerate

P642；X4

A

1000－811X（2014）03－0214－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.03.039

張小霞，張建元，王佳，等.四川寶興河梯級(jí)大壩地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（3）：214－217.［Zhang Xiaoxia，Zhang Jianyuan angWang Jia，etal.Seismic Hazard and Risk Analyses of the Cascade Dams on the Baoxing River Basin in Sichuan Province［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（3）：214－217.］*

2014－01－20 修回日期：2014－03－21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“九七三”計(jì)劃）課題（2013CB036401）；國(guó)家科技重大水專項(xiàng)（2009ZX07104－001）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51379137）；四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究經(jīng)費(fèi)

張小霞（1990－），女，重慶人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方面的研究.

E－mail：xoxayoujian＠126.com

張新華（1965－），男，四川資中人，副教授，研究方向水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)、水環(huán)境.E－mail：xhzhang＠scu.edu.cn