抽水蓄能電站工程地震次生災害及應急處置措施研究

摘" 要：為了分析研究抽水蓄能電站工程地震次生災害對樞紐建筑物、機電設備以及人員等的影響，結合抽水蓄能電站典型工程建筑物樞紐布置方案、工程區(qū)地震地質條件、以往受震工程實例，對抽水蓄能電站工程地震直接災害和次生災害進行辨識和分析，并根據(jù)分析結果總結抽水蓄能電站工程抗震安全薄弱部位，提出針對地震次生災害的預防預警措施以及應急處置措施。研究成果可為抽水蓄能電站工程防震抗震設計、地震災害預防預警以及事故應急預案的制定提供理論依據(jù)。

關鍵詞：抽水蓄能電站工程；地震次生災害；預防預警；應急處置；抗震部位

中圖分類號：TV743" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0077-04

Abstract： In order to analyze and study the influence of earthquake secondary disasters of pumped storage power station engineering on the hub buildings， mechanical and electrical equipment and personnel， the direct and secondary earthquake disasters of pumped storage power station engineering are identified and analyzed in combination with the hub layout scheme of typical engineering buildings of pumped storage power station， the seismic and geological conditions of the project area， and the examples of past seismic projects. According to the analysis results， this paper summarizes the weak parts of seismic safety of pumped storage power station， and the prevention and early warning measures and emergency disposal measures for the secondary earthquake disasters. The research results can provide theoretical basis for earthquake prevention and earthquake design of pumped storage power station projects， earthquake disaster prevention and early warning， and the formulation of accident emergency plans.

Keywords： pumped storage power station project; earthquake secondary disasters; prevention and early warning; emergency response; earthquake-resistant locations

隨著國家能源局2021年9月發(fā)布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，抽水蓄能迎來“大爆發(fā)”，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對抽水蓄能的發(fā)展提出了更高要求。抽水蓄能電站樞紐工程一般由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等建筑物組成，具有裝機容量大、輸水線路跨度大、樞紐建筑物相對分散等特點，加之新疆、甘肅等西北地區(qū)很多抽水蓄能電站工程場地地震烈度較高、區(qū)域地質構造復雜，地震風險高，故而抽水蓄能電站工程防震抗震研究尤為重要。地震作用下，除了建構筑物倒塌、裂縫等直接災害，往往還會引發(fā)潰壩、火災、爆炸、水淹廠房、全廠停電等一系列的次生災害[1]，做好地震次生災害的應急工作可以最大程度地避免和減少突發(fā)公共事件造成的人員傷亡和危害，是保證作業(yè)人員生命安全的最后一道防線。

目前，關于抽水蓄能電站工程水工建筑物防震抗震設計[2]的研究相對較多，也被廣泛關注，但關于地震災害及應急措施的研究相對較少。本文將根據(jù)抽水蓄能電站典型工程建筑物樞紐布置方案、建筑物類型和工程區(qū)地震地質條件，結合以往受震工程實例[3-4]，對抽水蓄能電站地震災害以及可能造成的影響進行分析[5]，并結合實際提出預防預警措施以及應急處置措施。

1" 地震災害分析

地震災害分為地震直接災害和地震次生災害，具體分析內容如下。

1.1" 地震直接災害分析

地震直接災害是指因地震導致的原生破壞現(xiàn)象，主要包括建筑物和構筑物的損毀及倒塌；地裂縫、地基沉陷等地面破壞；山崩、滑坡、泥石流等山體邊坡的破壞。結合實際工程案例，地震的直接災害分析如下。

1.1.1" 建、構筑物的損壞

抽水蓄能電站工程上、下水庫擋水壩壩型常見的是瀝青混凝土面板堆石壩、鋼筋混凝土面板堆石壩等，如果面板堆石壩壩頂附近動力反應明顯，可能引起壩頂附近下游壩坡堆石松動、滾落，同時地震作用可能引起面板相互擠壓破碎、開裂等。如遭遇大于地震設防烈度的極端情況下，存在潰壩風險。部分工程壩肩如果發(fā)育有斷層和節(jié)理裂隙，則對壩肩穩(wěn)定及繞壩滲漏影響較大，地震可能導致壩體破壞和防滲失效，從而使壩體滲漏量加大，嚴重者會造成滲流破壞，影響大壩的穩(wěn)定。

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)一般整體布置于山體深部，輸水系統(tǒng)區(qū)域內不會有大規(guī)模的滑坡、松動體，但局部裂隙密集或不利組合切割處可能存在潛在不穩(wěn)定塊體，如果設計、施工開挖支護不合理，超設計標準的地震作用下可能發(fā)生圍巖失穩(wěn)和邊坡失穩(wěn)。此外，國內目前設計的抽水蓄能電站，部分工程受場地各方面條件限制，對于區(qū)域性活動斷裂采取避讓原則[6]，并應預留一定的安全距離，故而部分工程庫址區(qū)域雖沒有活動斷裂直接通過，但尾水建筑物可能與活動斷裂相交，橫跨尾水的斷裂未來發(fā)生地表破裂型地震的可能性大，極端工況下，尾水建筑物可能因斷層錯動產(chǎn)生擠壓錯斷，造成尾水洞混凝土結構損壞，形成滲漏。

抽水蓄能電站廠房開發(fā)形式多為地下廠房，埋深大，地震作用不會造成廠房洞室圍巖大范圍的受拉或擠壓破壞。但極端工況下，地下洞室洞壁附近圍巖塑性損傷程度可能略微有所增加，甚至會出現(xiàn)發(fā)電廠房局部表面裂縫等現(xiàn)象。抽水蓄能電站的地面建筑物一般包含開關站、業(yè)主營地等，極端工況下，地震作用可能會對建筑物的梁、柱、墻體、地基等結構造成一定破壞。抽水蓄能電站樞紐工程邊坡一般包含開關站邊坡、上下水庫庫岸邊坡、上下水庫進/出水口邊坡、進廠交通洞和通風兼安全洞洞臉邊坡等，地震作用會加劇邊坡巖體的松弛，并引起局部巖塊崩落和塌滑，甚至邊坡失穩(wěn)。

1.1.2" 機電設備的損壞

地震對機電設備的直接影響一般表現(xiàn)在以下幾個方面：機組大軸可能產(chǎn)生偏移，水力機械輔助設備中固定設備地腳螺栓、膨脹螺栓可能脫落，系統(tǒng)管路可能破裂；發(fā)電機出口斷路器損壞、GIS變形、出線場的出線架空線發(fā)生斷線或者倒架事故等；閘門、啟閉設備可能發(fā)生變形、錯位。

1.2" 地震次生災害分析

地震次生災害一般是指地震強烈震動后，以震動的破壞后果為導因而引起的一系列其他災害，地震次生災害對水電站的影響是多方面的，且往往具有較大的破壞性和不確定性。地震次生災害對水電站的具體影響如下。

1.2.1" 火災、爆炸

地震可能造成發(fā)電、輸電、用電設施及儲油設施破壞，從而引起火災。電站電氣、油類是潛在的火災主要危險源，火災可能發(fā)生的地點主要有開關站、油處理室、油罐及油管路等；可能發(fā)生爆炸的主要設備為主變及壓力容器類。

1.2.2" 水災

地震發(fā)生后可能導致上下水庫大壩損壞，而發(fā)生洪水泛濫，造成水災。地震還可能導致庫區(qū)水位升高，發(fā)生漫壩險情。強震作用下，與斷層相交的尾水建筑物混凝土結構可能因斷層錯動產(chǎn)生擠壓錯斷，造成尾水建筑物結構損壞，形成滲漏。如未及時切斷來自上水庫的水流，滲漏會導致輸水隧洞水量損失、水流流態(tài)變化，對機組安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，繼而導致生產(chǎn)事故或安全事故，影響經(jīng)濟效益和社會效益。在破壞性地震發(fā)生時，閘門及啟閉機可能受到破壞，在引水系統(tǒng)受到破壞時，如果來水超過廠房排水系統(tǒng)的排水能力，可能導致水淹廠房。在地震發(fā)生以后，滲漏排水系統(tǒng)設備可能損壞或水系統(tǒng)管路可能破裂而導致漏水，廠房水工建筑物漏水也可能會增加，可能會導致水淹廠房的事故發(fā)生。水淹廠房輕者對設備造成損壞，尤其是電氣設備，重者因水淹造成的短路，危及設備與人身安全；更甚者會導致廠房淹沒，導致水電站癱瘓。

1.2.3" 地質災害

強震作用下，局部庫岸斜坡可能發(fā)生小規(guī)模滑塌、崩塌等地震地質災害。同時，工程區(qū)巖體中存在的小型斷裂及順層擠壓剪切帶發(fā)育，會導致沿斷層破碎帶或擠壓剪切帶的水庫滲漏問題。此外，工程區(qū)如果沖溝發(fā)育，未采取有效的攔擋措施，地震工況下也可能導致泥石流、滑坡，從而對樞紐建筑物造成一定影響。

1.2.4" 坍塌、起重傷害、物體打擊、中毒窒息等事故

極端工況下，如果建構筑物發(fā)生倒塌或工程樞紐邊坡失穩(wěn)，均可能造成坍塌事故；樞紐區(qū)、場內交通附近山體的滾石導致物體打擊事故；機組大軸在發(fā)生地震后可能產(chǎn)生偏移，主廠房橋式起重機軌道、上下游軌道高程以及軌面相對高程可能會產(chǎn)生偏差不滿足規(guī)范要求，可能導致起重傷害或者物體打擊事故。

絕大部分工程高壓配電裝置選用室內GIS配電裝置。高壓電器中的SF6氣體若發(fā)生泄漏，在電弧的作用下會發(fā)生分解，產(chǎn)生低氟化物等有毒物質，如：SF2、S2F2、SF4、S2F10、HF等，造成人員中毒窒息。

1.2.5" 安全監(jiān)測系統(tǒng)損壞

安全監(jiān)測設施是建筑物安全運行的耳目，當遭遇強烈或破壞性地震時，安全監(jiān)測設施可能會損壞或者失靈，從而無法正常監(jiān)測各建筑物的運行情況，一旦出現(xiàn)險情，不能及時進行加固處理和提前作好預警，有可能造成較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1.2.6" 交通、通信中斷

強烈的地震可能導致電站對外公路損壞。此外，部分工程進廠交通洞和通風兼安全洞隧洞進口距離斷層較近，如遇極端工況，強震作用下，可能對洞口邊坡穩(wěn)定性造成一定影響。交通的中斷會導致外部應急救援隊伍及應急救援物資無法及時抵達受災現(xiàn)場，受傷人員無法運出急救，嚴重影響災后應急搶險救援工作。

通信設備的危害程度：非破壞性地震，一般情況下可能造成結構變形或內部接線脫落、插件脫落等現(xiàn)象，但通信設備能正常運行；強烈破壞性地震，極端情況下通信盤柜傾覆、電纜橋架或大型機電設備垮塌引起電纜、光纜斷脫，導致通信設備癱瘓，電站失去與電網(wǎng)、外部的通信聯(lián)系，此時應啟動應急通信系統(tǒng)對外聯(lián)系。

1.2.7" 全廠停電

地震極端工況下，有可能發(fā)生電站與電網(wǎng)發(fā)生解列事故，全廠失去廠用電的情況，會造成全廠停電。

1.2.8" 其他次生災害

破壞性地震還可能會間接引起電站生產(chǎn)、生活區(qū)等各種管線被破壞，從而造成停水、停電狀況。生活區(qū)衛(wèi)生狀況惡化，可能造成疫病流行等次生災害。

2" 抗震安全薄弱部位和重要防護部位

根據(jù)以上分析內容，抽水蓄能電站工程抗震安全薄弱部位主要為大壩、與斷層相交的水工建筑物、對外交通。

按照“保大壩、保人身”的原則，抽水蓄能電站工程重要防護部位有：主體建筑物及重要設施設備（如上下水庫大壩、泄洪放空建筑物、地下廠房、電站進/出水口等）、主要生命線工程（如場內交通、對外交通、通信設施、應急電源）、樞紐區(qū)邊坡、安全監(jiān)測設施、生活區(qū)等。

3" 地震次生災害的預防預警

3.1" 地震次生災害的預防

設計階段應及時開展工程防震抗震研究設計專題，選取的抗震設防烈度滿足法律法規(guī)和標準規(guī)范的要求，利用三維靜動力有限元分析、壩坡動力抗滑穩(wěn)定計算等科學的計算研究方法，分析大壩及庫底回填區(qū)在各種工況下的應力和變形分布規(guī)律，樞紐建筑物、重要的機電設備采取適當?shù)墓こ炭拐鸫胧?/p>

開展次生地質災害隱患點的巡查排查工作，加強對地質災害易發(fā)隱患點的監(jiān)測、監(jiān)控，嚴防地質災害發(fā)生。

擋水大壩、輸水隧洞及其防滲系統(tǒng)布置了較為完整的監(jiān)測項目，對震前、震后壩體、防滲體的變形、應力應變和滲流能進行全面系統(tǒng)的監(jiān)測分析。

針對火災、爆炸、水災（含潰壩和水淹廠房）、泥石流、崩塌、機電設備損壞、有毒有害物質泄漏、對外交通中斷等各類型地震次生災害，提前制定預防措施。

設置應急電源、應急通信設施、緊急放空設施等，避免地震發(fā)生后，發(fā)生全廠停電、通信中斷等情況。

3.2" 地震次生災害的預警

考慮到工程抗震措施僅能減緩或降低但無法有效解決地震帶來的次生災害，為加強可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故災難的次生災害預警工作[7]，全面提高事故防范和處置能力，應做好以下幾方面預警工作。

建立、完善可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故災難的自然災害預警協(xié)調機制，做好可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故災難的自然災害預警工作。

設置強震監(jiān)測系統(tǒng)，具有監(jiān)測、記錄、數(shù)據(jù)分析功能，及時關注致災體（地震斷裂帶）和承災體（樞紐建筑物）。

根據(jù)地震監(jiān)測數(shù)據(jù)和接收到的相關部門信息，及時發(fā)布預警信息。預警信息應包括預警級別、起始時間、可能影響范圍、警示事項、應采取的措施等內容。密切關注天氣預報及庫水位變化，如需泄洪時，應提前報告大壩下游的地方政府，發(fā)布可能泄洪公告，通知人員離開河道兩岸。

根據(jù)臨震預報可能發(fā)生地震災害事件的趨勢，及時決定運行管理人員疏散避震的時間和范圍，啟用地震應急避難場所，組織相關人員疏散安置。

4" 地震次生災害的應急處置

4.1" 應急疏散和應急避難

為減少地震及其次生災害影響，提高多種災害組合發(fā)生工況下的安全系數(shù)，以便盡可能地延長在超設計工況下被困人員的生存待援時間，電站應結合電站樞紐布置設置應急避難場所和人員應急疏散路線[8]。通過分析地震期間水電工程建筑物的特點，模擬地震疏散過程[9]，從而優(yōu)化疏散路線。

運行期應急避難場所和安全疏散場地設置應覆蓋樞紐工程區(qū)、運行管理區(qū)及生活營地等位置；施工期應急避難場所和安全疏散場地設置應考慮施工人員分布，設置多處；地下廠房內臨時應急避難點設置，應與員工集中工作地點的距離不超過500 m，靠近安全通道和安全出口，并確保在地震情況下空氣流通，不受水淹、火災、中毒等窒息危害的威脅。

結合目前國內抽蓄的設計方案，電站樞紐區(qū)一般相對分散，但上水庫人員少，工作人員大多集中在地下廠房、業(yè)主營地。結合抽水蓄能電站周邊地形及自然環(huán)境等特點，運行期可以在開關站、業(yè)主營地設置應急避難場所；此外，應在地下廠房設置1處臨時應急避難點[10]，地震工況下，地下廠房區(qū)域工作人員在地下廠房安裝間附近進廠交通洞避難點進行臨時避難，隨后視情況進行疏散。

運行期均應設置應急物資儲備庫，儲備庫的規(guī)模和標準應根據(jù)需要轉移疏散的人數(shù)及管理要求確定[8]。應急物資庫可與業(yè)主營地等建筑物合建，滿足倉儲功能的需要和結構安全的相關規(guī)定，建筑耐火等級不應低于二級。應急物資的配備級別按4級配備[10-11]。

4.2" 應急處置措施

根據(jù)災害程度，將地震災害分為特別重大地震災害、重大地震災害、較大地震災害、一般地震災害4個等級。根據(jù)地震強度及影響，地震應急響應由高到低分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個級別。電站應針對電站不同部位、部門、崗位、區(qū)域、設備、設施等的情況，以及地震后可能引發(fā)的災害、事故等的特點和危險性，制定相應的現(xiàn)場處置方案。電站應明確極端條件下的設備操作及其實施程序，如對水庫放空及降低水位、水泵水輪發(fā)電機組、開關設備、滲漏排水系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)、火災的監(jiān)控和處理、閘門啟閉等的處置措施和操作程序。

4.3" 應急管理

加強電站應急管理，提升自身應急能力。建立應急管理組織機構，成立地震應急救援領導小組和應急救援工作組。根據(jù)國家相關標準規(guī)定編制工程《地震專項應急預案》。應急物資儲備宜采取分散儲備與集中調運相結合、地震儲備與其他災害應急儲備相結合、專用物資專門保管、通用物資平震結合的原則。定期開展地震應急演練、評估工作，不斷完善組織保障、制度保障、人員保障、經(jīng)費保障及物資保障，確保應急保障能力滿足應急管理需求。

5" 結束語

本文結合工程實際設計及管理經(jīng)驗，對抽水蓄能電站在地震作用下可能面臨的次生災害類型、成因機制以及影響范圍進行了深入的研究。在應急處置方面，本文提出了科學、合理且具有可操作性的策略與措施，強調通過多學科交叉融合與技術創(chuàng)新，可以顯著提升抽水蓄能電站應對地震次生災害的能力。但地震的復雜性和不確定性、不同抽水蓄能電站的具體情況和環(huán)境條件各異，使得地震次生災害預測和評估工作面臨巨大挑戰(zhàn)，因此，未來的研究應繼續(xù)深化對地震次生災害機理的認識，加強數(shù)據(jù)收集與分析能力，推動技術創(chuàng)新與應用，建立起更加完善的地震次生災害應急響應體系，為抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運行提供有力保障。

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