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全國防災減災日科普:關注水電開發的地質減災作用
2020/5/12 6:50:01    新聞來源:中國水力發電工程學會
 編者按:

512日是全國防災減災日,中國水力發電工程學會作為全國性的專業學術團體,每年都會在這一天,進行有關水電開發減災作用的科普活動。今年,結合新冠肺炎疫情防控的實際,學會不再組織召開專題科普論壇,而是撰寫水電開發的減災作用的科普文章,通過網站和公眾號等進行宣傳,敬請大家關注。


科學的水電開發的地質減災作用

每年512日的“全國防災減災日”是國家在2009年汶川地震一周年時所設立,到2020年已是第12個年頭。大地震往往是非常巨大的自然災害。除了地震之外,人類社會還有很多災害與人類的活動有關。例如,水壩的潰壩就是一種比較嚴重的災害。下圖是(2019314日)美國Spencer大壩潰壩后的情況。由此可見,水電站和水庫大壩的建設與各種地質災害的聯系非常密切。一方面,不科學、不合理的水庫大壩建設,確實可能會造成災害。但另一方面,科學合理的水電開發,不僅不會造成或者加劇地質災害,而且還具有積極的減災作用?,F在,我們就談談科學的水電開發是如何發揮出地質減災作用的。

地質災害包括地震和滑坡、崩岸、泥石流等。為了說清楚問題,下面我們把地震和其他地質災害分別來談。今天,我們這里所談的主要是水庫地震和河流周邊的地質災害問題。

首先是水庫地震問題。這個問題要想說清楚,也要分為兩個方面,一個是地震對水壩的威脅,另一個是水庫誘發地震的問題。這里第一個問題最重要,因為我們都知道,水庫大壩的安全性是非常重要的,根據歷史教訓,一個不太大的大壩失事,都可能會危及幾十萬甚至上百萬人。所以,如果水庫大壩的建設不能有效地抵御地震的威脅,我們就不能不承認水電建設對自然的地震災害有放大的作用。然而,非常幸運的是,現代的科學技術已經完全有能力保障地震高發區建設的各種建筑物的安全性,目前,這種工程抗震的科學技術從理論到實踐都有了結論。

一、地震高發區建水庫大壩的安全性有保障

不難想象,實體的水壩的堅固程度肯定要好于結構復雜的高樓大廈。而像美國的洛杉磯、日本的東京、中國的唐山等,都處于地震高發區,地震工作者為什么敢在那里建高樓大廈呢?就是因為他們掌握和運用了當代的科學抗震原理。

唐山經歷了1976年的大地震災難之后,現在已經完全建成了一座嶄新的抗震型城市。唐山的地震活動斷層,現在是城市中的綠化帶。在斷層之外,所建設的房屋只要達到了相應的抗震標準,在未來就算有大地震也完全不會再出現災難性的后果。

科學的抗震必須強調:想要安全,首先是要躲開活動斷層,否則的話即使是不太大的地震,建在同震錯動層上的建筑物也很可能會垮塌。其次是躲開活動斷層后,建筑物的安全性主要取決于該建筑物的抗震能力。

總之,一方面,坐落在地震活動斷層上(注意,不是指籠統的斷裂帶)的建筑物,即使是烈度不高的地震,也很難抵抗地震中的撕裂。另一方面,不具備抗震標準的建筑物,也會在地震中造成大量的傷亡。我國以前的民用建筑,一般沒有抗震方面的考慮,所以,即使小地震損失也很大,而發達國家的情況卻好得多。然而在水壩建設方面,由于我國的起步較晚,在抗震方面已經有國外的經驗教訓可借鑒,所以一點都不落后于發達國家。

幾年前,人們對我國西南地震高發地區的水電開發和大壩建設一直是爭議不斷。各種議論曾經讓很多人對我國西南地區的大規模水電建設感到十分的擔心。尤其是對岷江上的紫坪鋪水電站,很多宣傳都認為“一旦類似疊溪、松潘大地震,紫坪鋪電站后果將不堪設想”。然而,5·12大地震后岷江上的紫坪鋪水庫高壩,不僅沒有發生任何“不堪設想的后果”,而且還在地震中立了大功。例如,紫坪鋪水庫形成的寬闊水面,為地震后道路的嚴重塌方和空中因氣候影響而受阻的救災工作提供了可靠的水路保障;震后僅幾天(517日)紫坪鋪水電站就率先恢復發電,為災區的搶險救災提供了巨大助力;電站水庫的11億方庫容,成為當時危機四伏的眾多堰塞湖的最后屏障,保障著整個成都平原免受堰塞湖潰決洪水的威脅。

尤其讓人感到欣慰的是,紫坪鋪的這種成功抵御特大地震的現象,并不是偶然的特例,而是那次所有處在強烈地震區域內的水壩、水電站,均不負眾望地經受住了特大地震的嚴峻考驗。

為了科學應對大地震災害,也為了回答各界關注的問題,在汶川大地震后不久,國家發展和改革委員會、國家能源局委托水電水利規劃設計總院牽頭、多家單位參加,對西南地區水電站大壩在大地震中的震損情況進行了深入的調查評估,取得了大量第一手資料。調查表明:經歷了特大地震的嚴峻考驗,充分證明了我國水電建設的抗震設計規范是切實可行的,并且對于現行水壩的抗震性能,我們已經保留了比較充分的安全系數。在一些工程大大超過原有地震設防烈度的情況下,我國西南地區水電站大壩的表現,仍然令人十分滿意。

  二、水庫誘發地震的本質是觸發了正在積蓄中的天然地震

水庫地震絕不是水庫蓄水壓出來的地震,水庫地震的能量主要來自該地區的天然地震。一般人聽說三峽水庫的蓄水總重量高達300多億噸,就覺得大水庫特別恐怖。實際上,三峽水庫蓄水392億立方米,但卻是分布在1000多平方公里的范圍上,計算下來地殼平均每平方米承受的重量只有30多噸、每平方厘米的承壓強只有3公斤多,還不如一輛載重汽車的輪胎對地殼的壓力大。既然,汽車行駛不會壓出地震來,那么水庫蓄水怎么可能壓出地震來呢?

按照國家地震局的分類,水庫誘發地震不屬于人工地震。注意:人工地震與天然地震的區別在于地震能量的來源。構成人工地震的爆炸所產生的壓強和能量密度,至少要比水庫蓄水高出數百倍。

有人說,別管作用在多大的面積上,但水庫水體的總重量大。這種說法的邏輯不通,一場大暴雨的洪水總量可能有上千億立方米,對地殼造成的總壓力比水庫蓄水還要大的多,但是我們有聽說過“洪水可以誘發地震”嗎?總重量巨大的洪水壓不出地震來的道理,與水庫的蓄水有相似之處,那就是,它作用的面積很大,平均的壓強卻很小。

也有人說,水庫中水的深度是不一樣的,所以對地殼構成的壓力不應按平均值計算。

不過,由于水庫的上表面一定是水平的,所以,在單位的地殼面積上,水和土體的總體積應該是相等的。

因此,水庫水體對地殼的實際壓力,水越深的地方,壓力越小。顯然,水少的地方巖土就多,水多的地方巖土就少。由于巖土的比重大于水,所以,整體上看,水庫和周圍的土體對地殼構成的綜合壓力,實際上是水越深的地方,壓強越小。因此,世界上無論是多么大的水庫,多么深的水,也不可能壓出構造地震來。(如下圖)

水庫誘發地震的本質,是水庫的滲流影響到了板塊之間的摩擦力,導致積蓄中的構造地震提前發生。水庫蓄水影響構造地震的關鍵,并不是水體重量的壓力,而是蓄水所造成的滲流作用。國家地震局的地震分類,也表明了這一結論,其對地震的分類有五種:構造地震、火山地震、塌陷地震、誘發地震和人工地震。這種分類也說明,水庫地震不屬于人工地震,它是由于水庫蓄水或油田注水等活動(滲流)而引發的一種天然地震。

水庫地震之所以不能算作人工地震,是因為水庫地震的能量不是人為產生的,而是來自地殼板塊運動的天然構造地震。因此,從本質上看,修建水庫是不會增加原有的地震災害的,只不過會把當地正在積蓄的地震能量提前釋放出來罷了。所以,我們應該明確地告訴公眾,水庫地震的能量(破壞性)不是人為造成的,而是自然界中固有的。不僅如此,它還具有提前釋放了地震能量,并減小未來地震震級的減災作用。

例如,上個世紀70年代,國外曾有過通過向深井高壓注水的方式,使其提前釋放地震能量而最終能夠減小地震災害的嘗試。但是,由于注水后誘發地震的時間和震級無法人為控制,因此容易引起公眾的誤解,所以就終止了這種地震減災的方式。在美國地質調查局的網站,至今仍有這樣的解釋:“由于我們對地震機理的掌握還十分膚淺,盡管我們知道高壓注水是有可能把大地震的能量提前釋放,起到減小震級的作用,但是,我們畢竟還不能判斷人為誘發出來的地震的量級到底如何”。這也是為什么今天我們不再主動使用通過高壓注水,提前釋放地震能量的方式減災的理由。不過,由于通過水庫蓄水調節社會的水資源時空矛盾,是人類社會不得不做的事情,所以,通過水庫誘發地震的方式,被動的采取提前釋放能量減災措施的行為,人類社會從來也沒有停止過。

 三、水電開發的消能作用與地質減災

除了地震之外,河流周圍的地質災害,主要包括山體崩塌、滑坡和泥石流等。由于青藏高原的不斷抬升,我國西南地區多數河流的坡降都在增加,在產生了極其豐富的水能資源的同時,也使得我國西南地區的河床都在下切。河床下切后增加了兩岸的坡度,形成了深切的V形河谷。當河流的邊岸被深切,陡峭到了一定程度之后,在地震或暴雨的激發下,就有可能發生崩塌和滑坡。此時若發生洪水,如果有大量坡積物和碎石被洪水帶進山溪溝谷,就會形成泥石流。

大型滑坡和泥石流往往能堵塞河流,形成堰塞湖。各種各樣的堰塞湖的不斷出現、消亡,構成了自然界中千姿百態的河流、山川和湖泊。不過,堰塞湖特別是堰塞湖群,一旦穩定下來,發育成為河流的尼克點(即:河床縱剖面上急劇變陡的點),就能形成天然的河床消能結構,可以極大地降低河流的繼續下切,最終減少新的崩塌和滑坡等災害。打個比方說,一條正在往下深切的河谷,就象地球表面的一道傷口,而穩定的堰塞湖和尼克點結構,就是地球自愈所結的痂。所以,天然的消能結構,是河流穩定的關鍵。

我國西南山區的河流蘊藏著極大的水流能量,同時也存在著極大的地質災害隱患。水電開發建設的壩群,類似于天然河流中穩定后的堰塞壩群,對于降低滑坡勢能、減少地質災害將是非常有利的。

地質減災的核心是消能,發育良好的天然階梯深潭結構,能夠自然的消能。所以,它能穩定河床,避免地質災害。而水力發電的作用,則是通過驅動水輪機把水能轉化為電能,因此,科學的水電開發不僅達到了河流消能的目的,而且還能變害為利,讓水能服務于人類社會。

除此之外,在工程的建設過程中,人們還要對危險的滑坡體進行處理,有的需要加固、有的需要提前釋放。然而,即便如此,電站水庫建成蓄水后,一般都會有一個地質災害的集中釋放期。當一座水庫新建成蓄水以后,水位的上升對原有的山體邊坡產生了侵蝕的作用,邊坡被水浸泡后,土壤當中的空隙水壓力會增加。當水庫突然泄水導致水位急劇下降時,土壤中的孔隙水壓力來不及變化,而邊坡外部的靜水壓力突然喪失,土體內外的壓力不平衡,常常容易導致不穩定的邊坡失穩,可能會產生滑坡。

不過,發生這種情況的前提,是需要邊坡本身就具備產生滑坡的地質和地形條件。所以,現代水庫的建造和初期蓄水所產生的滑坡地質災害,非但不是水庫制造出了滑坡,而且還會為原有不穩定的地質滑坡體,提供一個集中釋放的機會。因為,即使我們不修建水庫,這個潛在的滑坡體也總有一天會爆發。例如,在受到地震晃動的影響或者遭遇連續強降雨的情況下,只要這個邊坡吸收了足夠的水分,也同樣能造成孔隙水的壓力增加,導致滑坡產生。

總而言之,水庫的建造和蓄水通??梢詾樵胁环€定的地質滑坡體,提供一個集中釋放的機會。這些不穩定的地質滑坡體,一旦在蓄水期被釋放之后,今后再遭遇到任何暴雨或地震都很難再發生地質災害。這種在水庫蓄水的初期,通過嚴密的監測,讓潛在的滑坡體在不長的時間內都釋放出來的減災方式,可以被看成是水電建設的減災“免疫”。

經過工程措施處理和水庫多次蓄水的“免疫”考驗后,水庫庫岸再次發生地質災害的可能性就非常低。不僅我國早期建設的豐滿、新安江水電站等地區很少發生滑坡,就連水能早就得到了充分利用的法國,我們也很少聽說過滑坡等地質災害,而這就是水電消能作用的結果。

具體來看,在512汶川大地震發生時,距離震中僅十幾公里的壩高132米的沙牌水電站,大壩上游的水庫庫岸完好無損,而大壩下游的自然邊坡,滑坡、崩岸的現象則非常嚴重,簡直慘不忍睹。這就是因為沙牌水電站建成以后,水庫的多次蓄水,已經把兩岸庫坡潛在的地質滑坡體都提前釋放掉了,即使再遇到大地震或者大暴雨,發生滑坡的機率也非常少??梢?,水電建設的最佳地質減災效果,一般會出現在水庫建成蓄水幾年之后,并且將能持續長期的發揮作用。(如下對比圖)

 

圖:512地震后沙牌大壩的上游邊坡

圖:512地震后沙牌大壩的下游邊坡

最后,我們需要強調的是:消能是減少地質災害的最根本措施,這種科學理念亟待普及和推廣。而水力發電恰恰是一個把河流水能轉化為電能的消能過程。有效的消能,不僅是保障水壩結構安全的最重要手段,而且還是減少河流沿岸發生地質災害最重要的措施之一。

水電開發的地質減災作用,主要體現在:

1、如果把奔騰咆哮的江河水用來發電,可以有效減少江水對河谷的急速深切,使河流發育趨于緩慢、穩定,最終會大大減少地質災害的發生。(消能減災)

2、在工程修建過程中,為了減少滑坡,通常都要對主要的滑坡體進行人工排除,或者進行人工護坡(如:混凝土噴涂、打入抗剪滑樁和預應力錨索固定等)。(工程減災)

在汶川大地震中,所有經過處理的邊坡,沒有一處發生滑坡等次生災害。

3、水庫蓄水的初期,對潛在的滑坡體提供了一個集中釋放的機會,把未來若干年內,遭遇暴雨、地震可能引發的隨機滑坡,都提前“引發”出來。(“免疫”減災)

    不過,我們還應該說明的是,雖然梯級水電站的消能作用,無疑將會有利于減少遠期的地質災害,但是,在建壩期間和電站運行初期,如果不能采取必要的防范措施,也有可能會在短期內因為工程活動的擾動,而增加地質災害。因此,應該說只有科學的水電開發,才能真正起到減少地質災害的作用。

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