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张楚汉:《汶川地震工程震害的启示》
www.cws.net.cn    2008年10月28日08:47     
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张楚汉
(清华大学)

一、汶川地震概况

    汶川地震震级为8级,震源深度15公里,目前记录到余震17000多次,6级以上5次,5级以上33次,4级以上233次,分布在龙门山中央一条映秀-北川断裂带以及山前山后断裂带上,从震中的烈度分布区看,强震区约分布在长度350公里,宽度30~40公里的范围。从历史上看,龙门山断裂带地区相对平静,100多年来并没有发生过7级以上的地震,但是从邻近区域的历史地震来看,也有几次在7级以上到8级的地震。


    从青藏高原大区域实测的地壳变形信息看,由于受印度板块的挤压,这里每年约有40毫米的变形,向北东方向移动,其深部物质受昆仑山脉阻隔折向东南,到了长度为470公里,宽度100公里的龙门山断裂带地区,东边受扬子板块阻隔,造成龙门山断裂带东西两侧每年的变形差有5mm左右。根据陈运泰院士的分析,这个变形差异过程积累了近一千年,一千年积累的应变能在2008年5月12日这一天,瞬间释放出来,可见它的能量之巨大。历史上在邻近龙门山区域也曾经发生过几次大地震,如武都1879年8级,松潘1976年7.2级,叠西1933年7.5级,再就是这次汶川8.0级地震,这几个地震都很大,虽然不全是龙门山断裂带所引发,但根据地震地质学家的见解,上述地震的动力来源,均与印度板块向北东方向的挤压相关。这个地区是所谓Y字形的一个断裂构造,左侧为鲜水河断裂,下支为安宁河断裂,右侧就是这次发震的龙门山断裂。这个地区历史上的MT图从上世纪80年起开始统计到2008年,差不多每五到十年里就有一个6.5到7级的大地震发生。这次汶川发生了8级。此外,这个地区绝大多数都是浅源地震,震源深度都在30公里以内,这次汶川地震震源深度也只有15公里,因此破坏力很大。汶川地震以逆冲为主,沿着倾向方向的逆向错动称为逆冲,但沿走向方向也有滑移分量,称为走滑,走滑又分顺时针还是逆时针,顺时针走,就叫右旋,这三个特征构成了这次汶川地震的错动特征—逆冲右旋走滑。从映秀到北川,每个段落里逆冲走滑与右旋的分量各占的比重有所不同,以上是我学习到的关于汶川地震震源机制的知识,请指正。


二、汶川地震和唐山地震的比较


    汶川地震等烈度线基本是椭圆形的,极震区主轴沿北东方向延伸,唐山地震基本上接近圆形;一个发生在白天,一个发生在夜里;汶川是8级,唐山是7.8级;震源深度差不多,汶川为15公里,唐山16公里;震中烈度均为X~XI度;汶川震源机制是逆冲走滑,上盘上升,唐山是张拉,上盘下降,因此汶川地震比唐山地震释放的能量要大得多,根据地球物理专家的估计,汶川地震释放的能量是唐山地震的3倍;汶川地震破裂时间长,约为1.5分钟,唐山地震则较短;断层破裂,汶川是200多公里,唐山地表破裂约为10公里;汶川地震处于成都平原与川北高原过渡带,唐山处于冲积平原与低山丘陵过渡带;死亡人数,唐山极震区就在唐山市,造成了毁灭性打击,死亡人数24万超过汶川,汶川地震死亡失踪加起来也已超过87000人;救援条件方面,这次汶川非常困难,因为地质次生灾害十分严重,地形地质条件异常复杂;经济损失,唐山地震约为100亿元(1976年水平),按照物价指数计算,这个数字大概相当于现在的2000~3000亿元,这次汶川地震根据初步评估是8500~9000亿,所以经济损失也比当年唐山地震要大得多。


三、汶川地震震害


    3.1  地表断裂与错动


    关于地震震害,首先是断层和地表的破裂,在深15公里处断层最大滑动量达8.9米。根据地表测量,地表破裂最大在汶川有7.5米,在北川有6.7米,高阶地面错断错坎也达到4.5到5米。震害调查表明,沿映秀—北川断裂带,地面断裂与错动非常严重。


    3.2  堰塞湖


    汶川地震形成的规模较大的堰塞湖有36个。大家最关注唐家山,这个堰塞湖在泄洪前几天,我和王思敬院士、王光谦教授等到了前线指挥部和陈部长、矫副部长、刘总和徐大师等一起讨论。我觉得当时指挥部的决策是非常符合“以人为本,科学抢险”的精神的。唐家山的成功疏导从技术层面上现在总结起来有几个关键是把握住了,第一个是上游水情的把握,根据水清抢挖溢流道;第二个就是堰体的组成构造、堰体特性的把握,第二个把握尤其重要。当时考虑到唐家山整个滑坡体有600米长,300米高,100米厚,由砂岩、泥质岩与硅质岩组成,可以判断,表层1/3可能是强风化,但至少有2/3是弱风化或微新岩体,再一个是滑坡体整体下滑,把河床覆盖层翻到上面,从堰体组成与滑动形态分析,堰体底部估计主要由大量硬的岩块组成,不会形成碎石或散沙,因此不会像土坝溃坝那样瞬间全部溃决。基于以上分析,认为唐家山1/3溃决的可能性最大,这个判断对于下游绵阳地区的人口疏散是非常有意义的。再次就是要把握堰体溃决过程与溃堰洪水的时空分布,按一维、二维模型验算,为领导提供进行人口疏散决策的依据。除唐家山外,还有肖家桥等堰塞湖的疏导都取得了成功,要认真总结经验。


    3.3  房屋建筑


    这次地震倒塌与损毁的房屋约为1500多万间。人们都很关心学校房屋,尤其是中小学倒塌情况。根据抽样统计,学校受中度到严重损坏倒塌的房子约占25%,轻微损坏和基本完好的占75%。其中都江堰中学抵抗了IX度强震,白鹿镇小学也处于IX度区,且是砖混结构,地震破坏只属于轻微的损坏。也有些中学破坏比较严重,有的整个倒塌,如北川中学。砌体结构由于没有支撑框架,震害最为严重,特别是农村,从绵阳到北川,在绵阳地区基本还是比较好的,越往山区走,到了城乡结合部,房屋的破坏越来越严重,特别是农民盖的房子,基本上没有什么构架和连接。这些房屋,假如认真地按照房屋建筑规范,抗震规范设计,一般也不致倒塌,但我们在北川极震区看见大量房屋全面倒塌,造成了严重的人员伤亡。


    3.4  水利水电工程


    根据成勘院的统计,四川省大中型水电站与其他水利工程共2473座出现不同程度的险情,但没有发生垮坝,在岷江、涪江、青衣江、大渡河、嘉陵江几个河流上1803座大中型水电站装机容量共1200万千瓦,遭受直接经济损失大概是30亿元,需要修复的费用大概是50亿元。水工建筑中的重大工程属于高坝大库的就是紫坪铺面板堆石坝,156米高,库容11亿方,装机76万千瓦,另一个是沙牌拱坝,高130米,库容1800万方,装机3.6万千瓦。这两座坝,都处于IX+度强震区。从两个工程破坏的情况看,只属于局部震损,并未影响其整体稳定与蓄水功能,在其他中小型水电站中,有的输电塔架倒塌,有若干闸坝漫顶,但都没有溃决,如铜钟水库漫顶,后来闸门打开了;太平驿也是漫顶,闸门打开以后没有问题;吉鱼水电站闸门也打开了;姜射坝也发生了漫顶。映秀湾水电站,打开的闸门开度很小过流受到限制,有的渠道破坏现象严重,渔子溪厂房被埋,映秀湾的厂房倒塌,太平驿的尾水门出水口被滑坡堵塞,闸门也遭受损毁,太平驿还有一孔溢洪道整个闸门被冲走。因此,中小水电站水库遭受到了相当严重的损毁。大型水库紫坪铺发生了局部损坏,未造成严重事故,沙牌拱坝地震中处于满库状态,从图片看,大坝仍正常挡水,两岸坝头完整,下游的山体也没有发生严重滑坡,但由于引水管破裂,厂房被淹。从整体安全看,紫坪铺和沙牌都经受了IX度以上强震的考验,世界上的拱坝遭遇IX度强震考验的沙牌是一个,美国的帕柯依玛是一个,面板堆石坝就只有紫坪铺一个经受了IX度地震的考验。


四、汶川地震后的几点看法


    第一,汶川大地震水坝和水电站的总体表现是良好的。为什么房屋建筑的倒塌那么严重?而水电水利工程虽然遭受不同程度震损,但没有一座溃坝,应该说一个是按正常的勘测-设计-施工-管理程序修建和管理,这一点很重要。


    第二,水利水电工程安全系数比公民建相对要高,抗震规程规范也经受了考验,但也存在一些关键问题值得思考,如未来在金沙江、大渡河、雅砻江、澜沧江、怒江修建一系列250m、300m级的高坝,包括面板堆石坝,混凝土拱坝、重力坝,目前世界上还没有遭遇强震考验的经验,这是最大的问题。所以在水电规划总院的讨论中提出确定一级校核地震标准,考虑到300米级高坝的重要性,建议在原来的一级设防基础上,再增加校核地震一级,什么意思呢?在公民建抗震中提出“小震不坏,中震可修,大震不倒”的原则,我觉得这三条对300米级的重要大坝和巨型水电站应该修正为“中震不坏,大震可修,极震不倒”。因此,对这些大型工程,需要增加一级校核标准。公民建中震概率是475年,大震概率约2000~2500年。对水利水电工程300米级高坝,所谓中震一般也是475年,大震约为4750年,也就是100年超越概率0.02。因此就提出,是不是可以增加校核地震一级,即100年超越概率0.01,也就是按大约9000年的概率校核一下,这样可以做到万无一失,这个意见已写进总院的暂行规定里。总之,高坝大库要求要高一点,特别对三峡大坝,三峡地区的基本烈度是VI度,设计的烈度是VII度,设计峰值加速度是0.125 g,我认为按这个设计烈度设防是必要的,但仍不够。三峡工程你怎么去算,算到万年一遇标准也只有VII度,意思是说这个地区是弱震区,周边没有大的发震断裂构造,但是话说回来,地震有那么确定吗?唐山地区原是VI度区却出现了一个X~XI度,汶川原是VII度区也出现了X~XI度,搞地震学的专家也认为现在平静的地方不见得将来无大震。因此考虑到这样一个不确定的因素,建议像三峡这样的大坝,虽然按照危险性分析算不出大地震来,还是要用三峡大坝的极限抗震能力反过来校核,看看三峡承受Ⅷ度甚至IX度地震有什么样的破损,即使发生这样的强震也要做到可修,这是一个观点。


    第三,水库触发地震问题。关于紫坪铺蓄水与汶川地震的关系,这次震后去大渡河和金沙江查勘与开会共10多天,仔细分析了一下四川省地震局关于紫坪铺蓄水前、蓄水后的库区微震频度资料,发现蓄水前、后4.0级以下的微震频度并没有明显变化,基本属同一个量级。又分析了一下紫坪铺蓄水水位过程线也没有发现水位与微震的频度具有相关关系。从这里我们可以初步看出,紫坪铺蓄水与汶川地震并无明显的相关关系。但是,另一方面,水库触发地震对未来的金沙江、大渡河和澜沧江等流域上的300米级高坝,尤其是那些发震断层就在水库周边上,某些断裂带就离开大坝坝址4~5公里的高坝,对这些水库触发地震的评估,要认真对待,不可掉以轻心。


    水库触发地震还搞不大清楚它的发震机制。怎么会触发地震呢?从国际公认的说法有两种可能机制,一种是地表有裂缝,水库渗透使裂缝扩展,岩体断裂,产生浅源的水库触发地震;还有一种是渗透水流经过相当时间以后,到达发震断层面上降低了断裂面上的强度指标,触发了构造地震,前者是非构造性的,后者是构造性的。根据触发地震历史看,新丰江水库地震是6.2级,印度戈伊纳水库地震是6.5级,目前记录最大的触发地震就是6.5级,且公认水库触发地震不会超过该区的构造地震,但可能触发一定震级的地震提前发生。因此对水库触发地震要加强监测,特别是发震断层就在水库周边的情况。


    第四,这次汶川地震万万没想到的是次生灾害,滑坡、泥石流、堰塞湖如此严重。因此,就联想到一个梯级河流,干流、支流上的水库群,这里既有混凝土坝,也有土石坝和水闸,还有堤防。梯级是一个线,加上支流就是一个面,而不是一个点。灾害事件系列,不光是地震,地震还会引起滑坡、泥石流甚至在干、支流形成堰塞湖,堰塞湖形成后就有可能溃决,假如下游正好有若干土石坝水库,漫顶怎么办?此外,还有余震,还有可能汛期的洪水风险要叠加,就是说灾害事件有可能是一系列事件的连锁反应。因此,今后考虑水利工程的安全,不能光看一个河流上的点、一座坝,而是整个梯级上下游,包括干、支流;也不光是一场地震,地震还可能引发一系列的次生灾害,再加上余震,要综合起来进行梯级系统的安全风险评估,这方面的研究要进入议事日程,这样才能确保工程安全。


    第五,抗震措施和风险管理问题。这次有很大的教训,就是除了大坝要具有抗震性能外,还有其他风险管理问题,比如放空(降低)水库的设施是否具备。第二个是交通设施,大量的滑坡使道路损毁,人进不去,设备进不去,根本没办法抢修,到现在为止沙牌还没有进入,因此交通道路是一个大问题。另外通讯和预警系统也十分重要。再加上闸门、启闭机的安全运行,这一点也重要。


报告人简介

张楚汉 (1933 - ),男,汉族。水利水电工程专家,清华大学水利水电工程系教授,博士生导师,中国科学院院士。1933年10月出生于广东梅州。1957年毕业于清华大学水利工程系,1965年研究生毕业。1978-1981年在美国加州大学(柏克利)从事研究。现为美国土木工程师协会会员,加拿大Concordia大学兼职教授,中国力学学会流固耦合委员会委员,中国南水北调专家委员会委员,国家自然科学基金会咨询委员。


    长期从事水工结构工程与抗震研究,提出一种无限边界单元以模拟不规则无限域,并与有限单元耦合,提出了拱坝-地基-库水动力相互作用的时域模型,使高拱坝及其耦联系统在强地震下可以考虑无限地基的辐射阻尼与地震自由场幅差与相位差影响。理论模型还将地基无限域与拱坝结构横缝非线性结合起来,得到了考虑地基辐射阻尼可降低拱坝地震响应25%~30%的结论,已应用于我国300米级高拱坝抗震设计中,对高拱坝安全评价具有重要意义。


    运用动力边界元法与断裂力学原理提出重力坝地震断裂与拱坝裂缝扩展模型,将这一模型发展到各向异性介质与非线性混凝土材料,进行了断裂试验验证,应用于多座混凝土坝抗震设计;在拱坝-库水-淤沙动力相互作用方面运用饱和多孔粘弹性模型得到了库水淤沙的反射特性;在边坡与地下工程研究方面提出了时域边界元与离散元耦合模型,应用于三峡船闸高边坡变形稳定预报以及地下厂房的抗震稳定分析。结合研究已培养博士13名,硕士10名,其中一人为长江学者,一人获中国水利十大科技英才称号。


    研究紧密结合我国水利水电高坝工程实践,完成了三峡、二滩、小湾、溪落渡等20多项高坝工程结构抗震等关键技术研究。发表论文130余篇,SCI收录25篇,SCI引用132篇次,合作撰写专著3部,其中《Numerical Modeling of Concrete Dam-Foundation-Reservoir Systems》为英文版清华大学学术专著。获国家自然科学三等奖,国家科技大会奖,国家优秀教学成果一等奖,国家教委科技进步一等、二等奖,电力部科技进步奖等共8项奖励。

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