第六讲_水利工程与地震.ppt

1、2020/12/19,1,第六讲 水利工程与地震,水利工程概论,第六讲 水利工程与地震,一、世界地震概况-地震震级与地震烈度 二、水库诱发地震 三、三峡水库诱发地震 四、我国典型的水库诱发地震-新丰江水库 五、汶川地震与水电工程,一、世界地震概况,地球上每年平均发生500 万次大、小及微弱地震，其中构造地震约占90%，火山地震约占7%。 2004年12月26日，印尼苏门答腊岛附近海域发生里氏7.9级强烈地震并引发海啸，波及多个国家，共造成20多万人死亡或失踪，其中印尼有近17万人死亡或失踪。 2010年4月7日6时15分，在苏门答腊北部(北纬2.4度，东经97.1度)发生7.8级地震，震源深度

2、约33公里。,青海玉树7.1级地震已造成617人遇难,时间：4月14日7时49分地点：青海玉树县 根据最新消息，青海玉树地震死亡人数已升至617人，失踪313人，受伤人数增至9110人，其中重伤970人。,海地7.3级地震,当地时间2010年1月12日16时53分，海地发生7.3级地震,海地倒塌的总统府,新华网圣地亚哥月日电（记者赵凯）智利当地时间日凌晨发生里氏级地震。 3月16日，智利政府公布的死亡人数仅为507人(包括众多震后海啸中的丧生者)。这是一场世纪浩劫，也是个抗震奇迹。,1、地震的震级,地震的震级是用作表示由震源释放出来的能量，通常以黎克特地震震级来表示。震级代表地震本身的强弱，只

3、同震源发出的地震波能量有关。震级是地震大小的一种度量，根据地震释放能量的多少来划分，用“级”来表示。 震级是通过地震仪器的记录计算出来的，地震越强，震级越大。震级相差一级，能量相差约30倍。 我国使用的的震级标准是国际通用震级标准，叫“里氏震级”。各国和各地区的地震分级标准不尽相同。,地震按震级大小的分类情况：,一般将小于1级的地震称为超微震 大于等于1级,小于3级的称为弱震或微震 大于等于3级，小于4.5级的称为有感地震 大于等于4.5级，小于6级的称为中强震 大于等于6级，小于7级的称为强震 大于等于7级的称为大地震 8级以及8级以上的称为巨大地震。 地震大小，通常用字母M表示。地震愈大，

4、震级数字也愈大，震级每差1.0级，通过地震被释放的能量约差32倍，每相差2.0级，能量相差约1000倍。目前，世界上最大的震级为8.9级，是1960年发生在南美洲的智利地震。,2、地震烈度：,地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。对同一个地震，不同的地区，烈度大小是不一样的。距离震源近，破坏就大，烈度就高；距离震源远，破坏就小，烈度就低。地震烈度与震源深度、震中距、方位角、地质构造以及土壤性质等许多因素有关。,地震烈度,小于三度：人无感受，只有仪器能记录到； 三度：夜深人静时人有感受； 四五度：睡觉的人惊醒，吊灯摆动； 六度：器皿倾倒、房屋轻微损坏； 六七度：房屋破坏，地面裂缝； 九

5、十度：房倒屋塌，地面破坏严重； 十十二度：毁灭性的破坏。 地震震级与地震烈度是不同的概念。,二、水库诱发地震,2.1地震特点水库诱发地震由于水库地应力和构造地应力叠加，以及水库地震能量和构造地震能量叠加而诱发产生。水库诱发地震因素复杂，其形成机理及发生发展过程尚难准确控制，发生时间、空间及强度更难预测预报。水库诱发地震与一般天然地震相比，具有如下特点：分布范围 发震时间 发震趋势 地震,2.1.1分布范围 震中仅分布在水库及其周围5 km 范围内，震源深度大多在5 km以内，很少超过10 km。震源深度与水库库容有一定的相关性，一般库容愈大，震源愈深。国家地震部门曾对水库诱发地震明确界定：“大

6、坝上下游两岸，方圆10 km范围内发生的地震，称为诱发地震。非此范围地震，不算水库诱发地震。”,2.1.2发震时间主震发震时间一般与水库蓄水密切相关。蓄水早期地震活动与库水位升降变化有较好的相关性。较强地震活动高潮大多出现在第一、二个蓄水期的高水位季节、水位回落或低水位时。但发震时间也无一定规律性，如我国湖南的南冲水库，1964年夏蓄水，随即发震；而美国哥伦比亚河大古力水电站，1941年蓄水发电，至今已66年，迄未发现较大地震。,2.1.3发震趋势由于水库蓄水引起内外条件变化，水库蓄水初期发震较多；随着时间的推移，逐步得到调整后趋于平衡。因而地震频度和强度将随时间的延长，呈明显下降趋势。,2.

7、1.4地震特点水库诱发地震以弱震和微震为主，从国内外水库诱发地震统计资料看，6.06.5级强震仅有4例，占4%，即印度的柯依纳6.4级（1967 12 10），希腊的克里马斯塔6.3级（1966 02 05），赞比亚的卡里巴6.1级（1963 09 23）和我国的新丰江6.1级（1962 03 18）。诱发地震中5.05.9级中强震占14%，4.04.9级中强震占24%，3.03.9级地震占25%，小于3.0级弱震和微震占32%.由于水库诱发地震震源较浅，与天然地震相比，具有较高的地振动频率，较高的地面峰值加速度和震中烈度；但极震区范围很小，烈度衰减较快。,2.2诱发条件2.2.1水库规模 从

8、国内外水库诱发地震统计资料看，诱发地震的发生概率随着坝高、蓄水深度和库容的增大而明显增高。据Packer 1985年对蓄水深度大于92 m ，库容大于100亿 m3 的世界大型水库的统计分析，发震概率为12%。我国坝高100 m以上的高坝大库，发震概率约为32%，高于世界平均水平。据统计资料，全世界共有大中型水电站及水库上万座，但发生诱发地震的比例不到3 /1 000。我国现有坝高15 m以上的水库18 000座，其中仅有13座发生大小水库诱发地震，约占7.2/10 000。库容小于0.1亿m3 的小型水库，其发震概率小于1/10 000, 0.11.0亿m3 的中型水库，发震概率小于1/1

9、000, 1.010亿m3 的大中型水库，发震概率大于1/100，大于100亿m3的大型水库，发震概率大于1/10。,2.2.2岩性条件据统计资料分析，组成库盆的岩性与水库诱发地震有一定的相关性。碳酸盐岩地区易于诱发岩溶性水库地震，其次为花岗岩、玄武岩和片麻岩类型坚硬脆性的结晶类岩石，易于诱发微弱的水库地震。碎屑岩和砂页岩构成库盆的水库，不易诱发地震。,2.2.3构造条件构造型水库诱发震是岩体中的断裂在库耍亏用下发?错动引起的。张性断裂或张扭性断裂更利于库水向深部渗透，易于诱发地震。现代构造活动较强烈的地区，由于活动断裂常常随地应力的局部集中，有利于诱发较强的水库地震。,2.2.4渗透条件水库

10、诱发地震的发生，必须有库水渗透参与，因此，库盆岩体的渗透条件是诱发地震重要条件之一。渗透性好的岩体，如碳酸盐岩、多裂隙脆性岩体等构成的库盆，较易诱发地震，而不利于库水渗透的砂页岩库盆，不易诱发地震,2.2.5地应力动态库盆及周围地区的天然地应力状态、水库附加荷载及库水渗透压力等综合作用，将使岩体中不连续面上的应力条件改变，导致不连续面破裂而诱发水库地震。库盆地应力水平较高的地区，诱发水库地震的强度可能较高。,2.2.6区域地震活动水平区域地震活动水平总体上反映该区域稳定状态，地震活动水平较高地区，可能诱发较强的水库地震。,2.3地震类型 2.3.1内成成因型由于水库蓄水导致地壳上层数百m 至1

11、0 km范围内的区域地应力场发生变化，从而改变了某些地块构造运动原先的进程，引起水库及邻近地区地震活动性发生明显变化的水库地震。,2.3.2外成成因型由于水库蓄水导致浅表数百m局部范围内外动力地质作用发生变化，致使岩体或岩块相对位移或遭受破坏而伴生的水库地震。,2.3.3常见地震（1）构造型：地震强度较高，常与一个地区构造条件、现代构造活跃程度及地震活动水平密切相关。（2）岩溶型：只出现在可溶性岩石分布的库段，特别是近水平的厚层碳酸盐岩大面积出露，且岩溶发育的地区，但其震级一般小于4级。（3）微破裂型：具有一定的随机性，在断裂发育、坚硬性脆的岩体中，具备一定的初始应力和水动力条件时即可发生，但

12、其震级一般在3级左右。 国内外水库诱发地震震例见表2，3。,三、三峡水库诱发地震,三峡库区包括库首、库中及库尾地区。 三峡水库于2003年6月1-16日蓄水至135m通航发电。 2003年共发生地震541次，地震频次较19962002年增加近313倍； 2004、2005及2006年先后发生地震1 062、905、1 019次，地震频次比2003年增加近一倍，强度也有所增加，这与2003年6月116日及2006年9月20日10月27日水库分期蓄水及运行有关。但大多为2级以下微震。如2004、2005及2006年先后发生2级以下微震1 003、836、958次，分别占94.4%、92.4%、94

13、.0%。,三峡水库诱发地震,近年库区最大地震分别为2004、2005年巴东的3.8、3.5级及2006年重庆巫山的3.5级, 仍小于1997年在万县发生的最大地震4.4级。说明三峡水库蓄水运行后，微震频次虽有所增加，但地震活动仍保持在三峡地区原有弱地震活动本底状态。,四、我国典型的水库诱发地震,水库诱发地震具有较强的破坏性，不仅能直接造成破坏和伤亡，而且有可能导致坝溃水滥、引起次生灾害，使下游地区人民生命财产遭受灾难性的损失。这种双重灾难的特殊性，已引起国内外专家学者的广泛重视；我国是研究诱发地震较早的国家之一。 早在1959年就开始集中地球物理、地质、工程地质、地震工程、水利工程等多方面的科

14、技人员，对新丰江水库区的地震活动进行了研究，后又对新丰江大坝进行了抗震加固，而且对1962年3月19日的61级破坏性地震取得了抗御效果，成为世界上抗震加固成功防御诱发地震的第一个实例。,新丰江大坝,华南第一湖,不见瑶池水，但有万绿湖,雨中万绿,绿裳金带,1、工程概况,新丰江水库始建于1958年7月。翌年10月下闸蓄水。大坝坝型为单支墩式大头坝，由19个间距为18米的单支墩大头坝及两岸重力坝段组成整体。最大坝高105米(坝顶高程124米)，坝顶长440米，设计正常高水位118米，库容115亿立方米(水位116米时)，相应水位面积390平方公里。左岸附近开凿一泄洪隧洞(内径10米)。坝背发电厂房安

15、装水轮机组4台，总装机容量29万千瓦，为我国华南地区最大水库，广东最大水电企业。,2、地震经过,新丰江水库1959年10月20日下闸蓄水一个月后，开始出现地震活动，随着水位迅速上升，地震活动相应加强。 新丰江水库蓄水的同年11月便录得有地震活动： 1960年5月，水库的水位蓄到81米时，发生了三至四次强度为3.1级左右的有感地震 1960年7月18日，水库水位升到90米时，发生强度为4.3级的中度地震。 1962年3月19日，水库水位升到110.5米时，发生了震级6.1级的强震，此次地震对大坝的局部地段造成损害，此后，地震的强度逐年迅速减弱。,地震经过,当该次地震滞后第一次高水位半年，震源深度

16、5公里，展中在大坝附近1公里处。当时震声雷鸣，屋摇地动，强烈地震造成房屋倒塌1800余间，严重破坏10500间，损坏13400间，死伤85人。附属工程的水电厂厂房及高压变电站也遭受较严重的破坏，不能运营。 最为典型的是河源县城皮革厂门前一对分别为3500公斤重的石狮相对底座反时针扭转了11度。 新丰江水库大坝是世界上第一座经受六级地震考验的超百米高混凝土大坝。,3、大坝损坏情况,地震前，大坝由于采取了第一期加固措施，在整体方面经受住了61级(8度)大震的严峻考验。 然而，在右岸13 - 18号挡水坝段108.5米高程出现了长达90米的水平裂缝，上下游面均可目睹；在左岸挡水坝段近乎同一高程处，也

17、有规模较小的断续水平裂缝。当时，坝体伸缩缝多处出现渗漏水现象。右岸14号坝墩下游坝面于同年9月上旬出现长约11米渗水流(当时水位1127米)。可见该高程处的上下游坝面已具贯穿性。,该处恰好是断面陡变处，应力最易集中，107米高程上、下各3米，混凝土浇筑间隔5个半月，入仓温度差达6，7，上部全采用立窑300号水泥；强度低且不稳定。此外，抗震加固的混凝土都填筑在100米高程以下，加大了中、下部与上部的质量和刚度的差异性，使得整座坝体配置不匀。所以，高程1085米附近出现较高的动态应力，从而产生裂缝的内在成因就不难理解了。,4、新丰江水库诱发地震的特点,1）烈度高、震感强 2）地震分布集中在水库影响

18、区 3）地震活动与水库蓄水过程及运营有密切关系 4）有丰富的前震序列,1）烈度高、震感强,这主要是因为水库诱发地震的震源较浅。新丰江水库的震源深度，约为111公里。1962年3月19日在库区发生的Ms61级地震，最大烈度为8度。这充分说明，其地震的震中烈度，远远超过相同震级的天然构造地震的烈度。,2）地震分布集中在水库影响区,虽然在水库地震活动的不同阶段，其分布有迁移现象，但基本都是在水库淹没区及影响区范围之内，一般在坝区，深水区相对应的库岸附近，特别是在裸露的峡谷地段地展较多。新丰江水库地震十分活跃的地区和最强的地震均位于水位最深(80米)的大坝附近。,3）地震活动与水库蓄水过程及运营有密切

19、关系,一般水库蓄水后12月内开始发现微震活动，12年发生主震。而地震活动起伏与库水位的变化有明显的相关关系。位于新丰江水库大坝西南160公里的广州地震台在1959年10月，即在蓄水开始后一个月记录库区地震，因水位上升很快，地震活动非常频繁。1961年7月设立的地震台网到1972年12月记录了震级Ms=02级的地震258267次，其中有23513次Ms=10级。,4）有丰富的前震序列,新丰江水库地震序列，由前震、主震和余震组成。前震很多，余震衰减缓慢。据研究表明：水库蓄水和地震在时间、空间上关系密切。地震活动受水位的影响。水位快速上升至高水位，往往继之以地震活动的增强。因此，深循环的地下水通道可

20、以在裂缝带中形成。据此，随着渗透压力的增大，地下水可以达到较深的循环，并引起断面上法向应力的降低，和软弱岩石结构面上的泥化，因而降低其剪切强度。,在新丰江大坝,由于水位升高20米，水的渗透起初发生在沿大坝西北侧北北西何的断层带，结果诱发了微震。当水位升高5060米时，渗透压力增强，形成一系列小震和震级Ms30的较强地震。当水位达到其峰值时，渗透压力变得最大，因而伴之以地震活动的高潮，产生最强的地震。,5、新丰江水库的防震抗震措施及对策,1）水库蓄水后诱发地震的防治对策。 2）主震后的大坝加固抗震措施。 3）1085米高程裂缝防治措施。,1）水库蓄水后诱发地震的防治对策,新丰江大坝工程设计之初，

21、根据新丰江历史上曾发生过四次有感地震(VVI度)的记载，坝址的地震基本烈度标准定为6度。1959年10月水库关闸蓄水后，地震活动随水位日臻上升而相应加强。1960年5月在大坝附近，有感地震(烈度V度左右)连续发生，43级(烈度6度)地震也于同年7月18日发生了。鉴于这一非常震情危及大坝的安全，当时周总理亲自关怀新丰江水库的安全和防震工作，指示要采取措施加以解决。在没有先例的情况下，广大科技工作者努力攻关，经过综合分析。决定大坝抗震设防烈度标准为8度，要求按9度进行抗震加固，与水库正常高水位(118米)荷载情况组合。,水库蓄水后诱发地震的防治对策,经方案比较，采用“人”字形混凝土撑墙加强横向稳定

22、的加固对策。其优点是：增强整体性。前后撑与坝墩组成的似“箱式”的结构，各坝墩通过撑墙相互连成一体； 撑墙重心与坝墩重心位置接近，坝墩的地震惯性力可以均匀地分布在撑墙上传递至两岸重力坝段，减少坝墩受扭的影响； 上游撑墙接近大头，对改善大头基础应力有利。 当一期大坝加固工程即将峻工之际，7度破坏性地震发生了。但大坝整体方面稳如泰山，经受住这次强烈地震的严峻考验；加固效果得到了检验；这在世界水工建筑史上是独一无二的。,2）主震后的大坝加固抗震措施。,61级主震后，余震强烈，活动频繁，地震观测资料不多，趋势不明且缺乏经验，而大坝安全仍末解除威胁，下游人民忧心仲仲。中央和省委十分重视，决定不惜一切代价对

23、大坝进行第二期抗震加固。在各有关方面研究讨论后经水电部批复确定，以6度半地震设防与水位116米荷载情况组合进行施工加固；解决各坝墩纵向稳定和坝踵应力的抗滑能力，于1965年完成施工任务。经检测加固设计的稳定相应力已达到要求，抗震能力大大提高。,3）1085米高程裂缝防治措施,大坝1085米高程前后贯穿性裂缝，无疑是61级地震力的瞬时脉冲作用所引起，它是遗留问题中较大的且必须采取的防治对策。为此，需先解决两个问题。其一，坝顶部分是指那一范围的高程。其虽曾采用钢筋砼板补强，但经1962年8月6度地震检验，效果不佳，表明1085米高程是个弱点。而103米高程是坝体断面折角(悬臂)变化部分，故确定坝顶

24、部高程应从100一124米。其二，是验算1085米高程裂缝时，假定砼抗拉力为6公斤平方厘米(允许值规定不超过一60公斤平方厘米)，动力系数(a)按一般规范最大为5，故采用a5计算。据上假定并经方案比较，采用扦筋加固防治，以每坝墩27孔，每孔5Q32钢筋束，并回填灌浆。经处理后运行状态检验，满足了过去的设计要求和我国水工建筑物抗震设计规定，效果良好。,五、汶川地震与水电工程,1. 水电工程在汶川大地震中的表现 2. 汶川大地震的发生与紫坪铺水库蓄水没有关系,1. 水电工程在汶川大地震中的表现,由茂县至都江堰岷江干流及 主要支流上已建和在建的大、 中 型 水 电 站 达 2 1 座,1. 水电工程

25、在汶川大地震中的表现,5.12地震中心区域水电站分布图,走马河,1. 水电工程在汶川大地震中的表现,中坝取水口,汶川县 福堂闸址,姜射坝厂房,沙牌坝址,草坡河口,草坡闸址,福堂厂址,震区内的水电站没垮一,平武-茂汶断裂,岷江,太平驿闸址,座坝、经工程处理的边坡没,岷江,映秀湾闸址,有出现大的失稳造成次生地 质灾害。但地震引发的自然,鱼子溪二级 渔子溪,鱼子溪一级 漩口,映秀 紫坪铺坝址,国道317线,白沙河 蒲阳河 都江堰,边坡失稳、河流堰塞，对各 水电站造成了不同程度的损 害。就水电站本身而言，经,受住了本次汶川大地震的考,寿溪河,岷江,验。,1. 水电工程在汶川大地震中的表现,紫坪铺水利水电枢纽俯瞰,1. 水电工程在汶川大地震中的表现,沙牌库坝区：左岸坝肩边坡出现较大范围垮塌，坝前及 库内边坡存在垮塌现象，库水未翻坝，泄洪洞有水下泄。,2. 水电工程在汶川大地震中的表现,沙牌厂房、草坡闸址区：两岸山体大面积垮塌， 部分进入河道。,2. 水电工程在汶川大地震中的表现,姜射坝电站地面厂房,2. 汶川大地震的发生与紫坪铺水库蓄水没有关系,水库诱发地震概述,水库诱发地震是一类小概率事件，,从我国发生的33个震例分析，水库诱发地震主 要与水库库容有关，并随着坝高（蓄水深度）和 库容的增大，其所占比例明显增高。发震