三峡大坝建成17年,抗震能力有多强?抗震烈度:不是国内第一

张勋评社会 2023-04-26 01:35:01

三峡大坝是我国最著名的大坝,亦是长江干流规模最大、建设成本最高的大坝。三峡工程于1994年12月正式开工,2006年大坝主体全部建成,兼有防洪、发电、供水、航运等可观效益。

作为骨干级水利工程,三峡大坝的重要性不言而喻。为建成这座世纪大坝,我国工程团队在论证、勘选、施工阶段付出了几代人的努力,优中取优的施工质量保证了三峡大坝的安全性,大坝的抗震能力更是高出了实际需求,足以承受10000年一遇的极端地震,可确保长江千年安澜。

三峡大坝建成17年,抗震能力有多强?

自2006年至今,三峡大坝已安全运行了17年,创造的价值不可估量。但运行中的三峡大坝也面临着多种安全问题,比较突出的有防洪问题、泥沙淤积问题,以及工程的抗震问题。

三峡大坝作为我国的一等工程,拦河大坝、电站厂房、升船机、船闸均为一级建筑物,在设计之初就以高于国家标准的要求建造,确保工程在应对洪水、泥沙拥堵、地震等问题上留有余力。

在防洪方面,三峡大坝按1000年一遇的洪水设计,可抵御9.88万m³/s的洪峰流量,增加10%校核可抵御10000年一遇的洪水,对应最大流量为12.43万m³/s。在泥沙淤积方面,长江的泥沙固有含量远低于黄河,蓄水20年来,三峡水库的淤沙总量约20.5亿吨,显著低于论证值。在抗震方面,三峡库区经历了2008年的4.1级地震及2013年的5.1级地震,大坝主体依然稳如泰山。

重点是在抗震能力上,三峡大坝可谓是“定位千年,力争万年”。据勘察,三峡大坝周边地区的地震基本烈度为VI度,由于三峡大坝为重点工程,在此基础上增加一度,采用的抗震烈度为达到了VII度,对应等级地震出现的概率约为10000年一遇。

在关键的地质条件上,三峡水库和坝址不具备发生大地震的地质基础。从我国的地震烈度区划和震中分布图可以看出,三峡地区不在主要地震活动区的范围内,水库区及坝址周围属于地震活动的微弱区。

我们先看三峡水库的情况。三峡库区位于长江上游的尾端,地处我国第二阶梯的东部边缘,地势西高东低。水库西段从西津至奉节,对应四川盆地的东缘,地质结构是由泥岩、砂岩组成的低山丘陵区;东段是从奉节至南津关,这一部分的水库以河流的形式穿梭在群山之间,两岸属于川鄂褶皱山地,主要是由碳酸岩组成的低山峡谷区。

其中,在地质较薄弱的仙女门-九畹溪断裂处,极限地震活动预估为6.0级,对应的震中地震烈度为VIII度,但经过17km的能量衰减,传到三峡大坝的烈度将减至VI度,同样低于设计的VII度烈度值。

至于坝址所在地(宜昌三斗坪镇),基础则是稳定程度很高的刚性铁块,属于黄陵结晶岩地块,不存在活动性的断裂和中强震的发震构造。所以,坝址所在区域基本上是无震或地震活动极其微弱的地区,已监测到的地震小于2级,4级地震出现的可能性微乎其微。

三峡水库蓄水期间:诱发性地震不会对大坝构成影响

三峡水库在2003年开始下闸蓄水,随着水位的提升,蓄水容量不断增加。当蓄水水位为175m时,相应的蓄水量达393亿m³,大坝控制的流域面积达100万平方公里,其中库区的水面就有1084平方公里。

水的密度按1吨/m³计算,三峡库区的总蓄水量重达393亿吨,相当于库区泥沙淤积总量的近20倍,地质脆弱区可能会诱发产生地震,但这种地震也不会对大坝的安全造成影响。

首先,三峡大坝地质结构稳固,条件良好,具备应对诱发性地震的良好基础。

其次,我国相当重视对地震的观测,早在1958年就在三峡建立了七个地震台,用以监测微型、小型地震。监测结果表明,在蓄水前后,三峡水库的大部分地震都低于3级,极少能达到4级,总体呈现出频度高、强度低的特点,震级水平远低于设计论证值。

蓄水初期,三峡水库地震发生频率和等级

最后,三峡大坝的蓄水过程是稳步推进,而非直接提高到175m的正常水位。从2003年下闸到2006年蓄水至156m,再到2010年首次蓄水至175m,历经7年才达到满蓄状态,其中一个目的就是保证蓄水量平稳上升。这种蓄水策略也的确起到了很好的效果:自蓄水以来,库区地震的强度和频次呈现出减缓的趋势,地质条件越来越稳定。

综合三峡大坝的抗震标准和周边的地震活动水平两个方面来看,三峡工程有能力应对当地千年一遇的地震等级,抗震指标留下了足够的安全裕度。

抗震烈度:三峡大坝并非国内第一

根据国家标准《水工建筑物抗震设计标准》GB 51247-2018,地震烈度有基本烈度和设计烈度之分,但抗震烈度和地震等级没有直接的关系。基本烈度是指在50年内,一般场地条件下超越概率为10%的地震烈度,设计烈度则是工程设防依据的地震烈度,要求高于基本烈度。

根据国家标准,类型不同的大坝,比如土石坝、重力坝、拱坝等,抗震的等级要求各有不同。在全国范围内,三峡大坝是工程规模最大的大坝,但由于坝址地质条件良好,且坝型特殊(重力坝),该坝并不是抗震设计烈度最高的大坝。

位于中朝界河鸭绿江上的水丰水库,是中国和朝鲜共同拥有的跨界水库,该水库的大坝也是由中朝两国共同改建而成,设计标准达到了我国的最高标准:枢纽被定为一等工程,大坝被定为一级建筑物。

根据地质勘察,水丰大坝坝址的地震烈度原高达VII度,由于该水利枢纽既是国家一级建筑物,又是中朝两国的界河电站,因此在原有基础上提高两度,最终的抗震设计烈度达到了IX度(即9度),比三峡大坝还高两度。

除了特殊的界河大坝外,我国很多高拱坝的抗震烈度标准也高于三峡大坝。我国作为世界水电大国,主张依照水流和地势特点建造电站和大坝,其中,高拱坝主要分布于西南部的四川、云南等地。这里位于第一二阶梯的交界处,水位落差大,水电资源丰富,我国因地制宜在此建成了多个梯级水电站,澜沧江、金沙江、乌江、南盘江、大渡河均是重要的发电河流。

建坝的一个难点在于,四川、云南位于我国的高地震烈度区,因而高拱坝的抗震烈度普遍也很高。备受关注的白鹤滩水电站就是其中的典型代表,最大坝高289m,属于300米级高拱坝。该电站是我国当前在建规模最大的电站,建成后将成为仅次于三峡水电站的长江第二大电站。

鉴于白鹤滩水电站的重要性,枢纽工程也被确定为我国的Ⅰ等大(1)型工程,坝址区域不属于强震地区,但周边却被强地震带包围,外围强震影响较大。据此,工程人员按50年超越概率10%的参数确定基本烈度,烈度参数达到了VIII级,在300m级的高拱坝中,这一抗震参数创下了世界第一。

总结

地震是影响大坝安全的重要自然因素,抗震能力自然也是大坝素质的重要体现。三峡大坝作为我国的“国之重器”,抗震设计标准按VII级烈度设防,高于实际运行需求。监测数据显示,三峡库区99.9%的地震都是小于3级的微震和极微震,较大震级一般不超过4级,远低于设计预计的5.5级。

此外,三峡大坝是底宽顶窄的重力坝,坝基稳定性强,主体浇筑的混凝土量高达1600多万m³,依靠自身重力就能抵挡上游来水的压力,这种设计在抗震方面也更有优势。著名水利专家朱伯芳院士指出:在各种水利工程建筑中,混凝土大坝表现出的抗震能力是最强的。

在我国,大坝的抗震设计需要综合权衡多种因素,比如:当地地质环境、坝型特点、工程的重要性等。我国部分重点大坝是按照VIII度乃至IX度的烈度而设计,但这并不代表三峡大坝不够安全,从实际需求看,三峡工程的质量足以确保大坝不受地震威胁,安全性是没有问题的。

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