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全国防灾减灾日科普:关注水电开发的地质减灾作用

编者按:


  5月12日是全国防灾减灾日,中国水力发电工程学会作为全国性的专业学术团体,每年都会在这一天,进行有关水电开发减灾作用的科普活动。今年,结合新冠肺炎疫情防控的实际,学会不再组织召开专题科普论坛,而是撰写水电开发的减灾作用的科普文章,通过网站和公众号等进行宣传,敬请大家关注。

 

 

  科学的水电开发的地质减灾作用

 

  每年5月12日的“全国防灾减灾日”是国家在2009年汶川地震一周年时所设立,到2020年已是第12个年头。大地震往往是非常巨大的自然灾害。除了地震之外,人类社会还有很多灾害与人类的活动有关。例如,水坝的溃坝就是一种比较严重的灾害。下图是(2019年3月14日)美国Spencer大坝溃坝后的情况。由此可见,水电站和水库大坝的建设与各种地质灾害的联系非常密切。一方面,不科学、不合理的水库大坝建设,确实可能会造成灾害。但另一方面,科学合理的水电开发,不仅不会造成或者加剧地质灾害,而且还具有积极的减灾作用。现在,我们就谈谈科学的水电开发是如何发挥出地质减灾作用的。

 

 

  地质灾害包括地震和滑坡、崩岸、泥石流等。为了说清楚问题,下面我们把地震和其他地质灾害分别来谈。今天,我们这里所谈的主要是水库地震和河流周边的地质灾害问题。

 

  首先是水库地震问题。这个问题要想说清楚,也要分为两个方面,一个是地震对水坝的威胁,另一个是水库诱发地震的问题。这里第一个问题最重要,因为我们都知道,水库大坝的安全性是非常重要的,根据历史教训,一个不太大的大坝失事,都可能会危及几十万甚至上百万人。所以,如果水库大坝的建设不能有效地抵御地震的威胁,我们就不能不承认水电建设对自然的地震灾害有放大的作用。然而,非常幸运的是,现代的科学技术已经完全有能力保障地震高发区建设的各种建筑物的安全性,目前,这种工程抗震的科学技术从理论到实践都有了结论。

 

  一、地震高发区建水库大坝的安全性有保障

 

  不难想象,实体的水坝的坚固程度肯定要好于结构复杂的高楼大厦。而像美国的洛杉矶、日本的东京、中国的唐山等,都处于地震高发区,地震工作者为什么敢在那里建高楼大厦呢?就是因为他们掌握和运用了当代的科学抗震原理。

 

  唐山经历了1976年的大地震灾难之后,现在已经完全建成了一座崭新的抗震型城市。唐山的地震活动断层,现在是城市中的绿化带。在断层之外,所建设的房屋只要达到了相应的抗震标准,在未来就算有大地震也完全不会再出现灾难性的后果。

 

  科学的抗震必须强调:想要安全,首先是要躲开活动断层,否则的话即使是不太大的地震,建在同震错动层上的建筑物也很可能会垮塌。其次是躲开活动断层后,建筑物的安全性主要取决于该建筑物的抗震能力。

 

  总之,一方面,坐落在地震活动断层上(注意,不是指笼统的断裂带)的建筑物,即使是烈度不高的地震,也很难抵抗地震中的撕裂。另一方面,不具备抗震标准的建筑物,也会在地震中造成大量的伤亡。我国以前的民用建筑,一般没有抗震方面的考虑,所以,即使小地震损失也很大,而发达国家的情况却好得多。然而在水坝建设方面,由于我国的起步较晚,在抗震方面已经有国外的经验教训可借鉴,所以一点都不落后于发达国家。

 

  几年前,人们对我国西南地震高发地区的水电开发和大坝建设一直是争议不断。各种议论曾经让很多人对我国西南地区的大规模水电建设感到十分的担心。尤其是对岷江上的紫坪铺水电站,很多宣传都认为“一旦类似叠溪、松潘大地震,紫坪铺电站后果将不堪设想”。然而,5·12大地震后岷江上的紫坪铺水库高坝,不仅没有发生任何“不堪设想的后果”,而且还在地震中立了大功。例如,紫坪铺水库形成的宽阔水面,为地震后道路的严重塌方和空中因气候影响而受阻的救灾工作提供了可靠的水路保障;震后仅几天(5月17日)紫坪铺水电站就率先恢复发电,为灾区的抢险救灾提供了巨大助力;电站水库的11亿方库容,成为当时危机四伏的众多堰塞湖的最后屏障,保障着整个成都平原免受堰塞湖溃决洪水的威胁。

 

  尤其让人感到欣慰的是,紫坪铺的这种成功抵御特大地震的现象,并不是偶然的特例,而是那次所有处在强烈地震区域内的水坝、水电站,均不负众望地经受住了特大地震的严峻考验。

 

  为了科学应对大地震灾害,也为了回答各界关注的问题,在汶川大地震后不久,国家发展和改革委员会、国家能源局委托水电水利规划设计总院牵头、多家单位参加,对西南地区水电站大坝在大地震中的震损情况进行了深入的调查评估,取得了大量第一手资料。调查表明:经历了特大地震的严峻考验,充分证明了我国水电建设的抗震设计规范是切实可行的,并且对于现行水坝的抗震性能,我们已经保留了比较充分的安全系数。在一些工程大大超过原有地震设防烈度的情况下,我国西南地区水电站大坝的表现,仍然令人十分满意。

 

    二、水库诱发地震的本质是触发了正在积蓄中的天然地震

 

  水库地震绝不是水库蓄水压出来的地震,水库地震的能量主要来自该地区的天然地震。一般人听说三峡水库的蓄水总重量高达300多亿吨,就觉得大水库特别恐怖。实际上,三峡水库蓄水392亿立方米,但却是分布在1000多平方公里的范围上,计算下来地壳平均每平方米承受的重量只有30多吨、每平方厘米的承压强只有3公斤多,还不如一辆载重汽车的轮胎对地壳的压力大。既然,汽车行驶不会压出地震来,那么水库蓄水怎么可能压出地震来呢?

 

  按照国家地震局的分类,水库诱发地震不属于人工地震。注意:人工地震与天然地震的区别在于地震能量的来源。构成人工地震的爆炸所产生的压强和能量密度,至少要比水库蓄水高出数百倍。

 

  有人说,别管作用在多大的面积上,但水库水体的总重量大。这种说法的逻辑不通,一场大暴雨的洪水总量可能有上千亿立方米,对地壳造成的总压力比水库蓄水还要大的多,但是我们有听说过“洪水可以诱发地震”吗?总重量巨大的洪水压不出地震来的道理,与水库的蓄水有相似之处,那就是,它作用的面积很大,平均的压强却很小。

 

  也有人说,水库中水的深度是不一样的,所以对地壳构成的压力不应按平均值计算。

 

  不过,由于水库的上表面一定是水平的,所以,在单位的地壳面积上,水和土体的总体积应该是相等的。

 

  因此,水库水体对地壳的实际压力,水越深的地方,压力越小。显然,水少的地方岩土就多,水多的地方岩土就少。由于岩土的比重大于水,所以,整体上看,水库和周围的土体对地壳构成的综合压力,实际上是水越深的地方,压强越小。因此,世界上无论是多么大的水库,多么深的水,也不可能压出构造地震来。(如下图)

 

 

  水库诱发地震的本质,是水库的渗流影响到了板块之间的摩擦力,导致积蓄中的构造地震提前发生。水库蓄水影响构造地震的关键,并不是水体重量的压力,而是蓄水所造成的渗流作用。国家地震局的地震分类,也表明了这一结论,其对地震的分类有五种:构造地震、火山地震、塌陷地震、诱发地震和人工地震。这种分类也说明,水库地震不属于人工地震,它是由于水库蓄水或油田注水等活动(渗流)而引发的一种天然地震。

 

  水库地震之所以不能算作人工地震,是因为水库地震的能量不是人为产生的,而是来自地壳板块运动的天然构造地震。因此,从本质上看,修建水库是不会增加原有的地震灾害的,只不过会把当地正在积蓄的地震能量提前释放出来罢了。所以,我们应该明确地告诉公众,水库地震的能量(破坏性)不是人为造成的,而是自然界中固有的。不仅如此,它还具有提前释放了地震能量,并减小未来地震震级的减灾作用。

 

  例如,上个世纪70年代,国外曾有过通过向深井高压注水的方式,使其提前释放地震能量而最终能够减小地震灾害的尝试。但是,由于注水后诱发地震的时间和震级无法人为控制,因此容易引起公众的误解,所以就终止了这种地震减灾的方式。在美国地质调查局的网站,至今仍有这样的解释:“由于我们对地震机理的掌握还十分肤浅,尽管我们知道高压注水是有可能把大地震的能量提前释放,起到减小震级的作用,但是,我们毕竟还不能判断人为诱发出来的地震的量级到底如何”。这也是为什么今天我们不再主动使用通过高压注水,提前释放地震能量的方式减灾的理由。不过,由于通过水库蓄水调节社会的水资源时空矛盾,是人类社会不得不做的事情,所以,通过水库诱发地震的方式,被动的采取提前释放能量减灾措施的行为,人类社会从来也没有停止过。

 

  三、水电开发的消能作用与地质减灾

 

  除了地震之外,河流周围的地质灾害,主要包括山体崩塌、滑坡和泥石流等。由于青藏高原的不断抬升,我国西南地区多数河流的坡降都在增加,在产生了极其丰富的水能资源的同时,也使得我国西南地区的河床都在下切。河床下切后增加了两岸的坡度,形成了深切的V形河谷。当河流的边岸被深切,陡峭到了一定程度之后,在地震或暴雨的激发下,就有可能发生崩塌和滑坡。此时若发生洪水,如果有大量坡积物和碎石被洪水带进山溪沟谷,就会形成泥石流。

 

  大型滑坡和泥石流往往能堵塞河流,形成堰塞湖。各种各样的堰塞湖的不断出现、消亡,构成了自然界中千姿百态的河流、山川和湖泊。不过,堰塞湖特别是堰塞湖群,一旦稳定下来,发育成为河流的尼克点(即:河床纵剖面上急剧变陡的点),就能形成天然的河床消能结构,可以极大地降低河流的继续下切,最终减少新的崩塌和滑坡等灾害。打个比方说,一条正在往下深切的河谷,就象地球表面的一道伤口,而稳定的堰塞湖和尼克点结构,就是地球自愈所结的痂。所以,天然的消能结构,是河流稳定的关键。

 

  我国西南山区的河流蕴藏着极大的水流能量,同时也存在着极大的地质灾害隐患。水电开发建设的坝群,类似于天然河流中稳定后的堰塞坝群,对于降低滑坡势能、减少地质灾害将是非常有利的。

 

  地质减灾的核心是消能,发育良好的天然阶梯深潭结构,能够自然的消能。所以,它能稳定河床,避免地质灾害。而水力发电的作用,则是通过驱动水轮机把水能转化为电能,因此,科学的水电开发不仅达到了河流消能的目的,而且还能变害为利,让水能服务于人类社会。

 

  除此之外,在工程的建设过程中,人们还要对危险的滑坡体进行处理,有的需要加固、有的需要提前释放。然而,即便如此,电站水库建成蓄水后,一般都会有一个地质灾害的集中释放期。当一座水库新建成蓄水以后,水位的上升对原有的山体边坡产生了侵蚀的作用,边坡被水浸泡后,土壤当中的空隙水压力会增加。当水库突然泄水导致水位急剧下降时,土壤中的孔隙水压力来不及变化,而边坡外部的静水压力突然丧失,土体内外的压力不平衡,常常容易导致不稳定的边坡失稳,可能会产生滑坡。

 

  不过,发生这种情况的前提,是需要边坡本身就具备产生滑坡的地质和地形条件。所以,现代水库的建造和初期蓄水所产生的滑坡地质灾害,非但不是水库制造出了滑坡,而且还会为原有不稳定的地质滑坡体,提供一个集中释放的机会。因为,即使我们不修建水库,这个潜在的滑坡体也总有一天会爆发。例如,在受到地震晃动的影响或者遭遇连续强降雨的情况下,只要这个边坡吸收了足够的水分,也同样能造成孔隙水的压力增加,导致滑坡产生。

 

  总而言之,水库的建造和蓄水通常可以为原有不稳定的地质滑坡体,提供一个集中释放的机会。这些不稳定的地质滑坡体,一旦在蓄水期被释放之后,今后再遭遇到任何暴雨或地震都很难再发生地质灾害。这种在水库蓄水的初期,通过严密的监测,让潜在的滑坡体在不长的时间内都释放出来的减灾方式,可以被看成是水电建设的减灾“免疫”。

 

  经过工程措施处理和水库多次蓄水的“免疫”考验后,水库库岸再次发生地质灾害的可能性就非常低。不仅我国早期建设的丰满、新安江水电站等地区很少发生滑坡,就连水能早就得到了充分利用的法国,我们也很少听说过滑坡等地质灾害,而这就是水电消能作用的结果。

 

  具体来看,在512汶川大地震发生时,距离震中仅十几公里的坝高132米的沙牌水电站,大坝上游的水库库岸完好无损,而大坝下游的自然边坡,滑坡、崩岸的现象则非常严重,简直惨不忍睹。这就是因为沙牌水电站建成以后,水库的多次蓄水,已经把两岸库坡潜在的地质滑坡体都提前释放掉了,即使再遇到大地震或者大暴雨,发生滑坡的机率也非常少。可见,水电建设的最佳地质减灾效果,一般会出现在水库建成蓄水几年之后,并且将能持续长期的发挥作用。(如下对比图)

 

 

图:512地震后沙牌大坝的上游边坡

 

 

图:512地震后沙牌大坝的下游边坡

 

  最后,我们需要强调的是:消能是减少地质灾害的最根本措施,这种科学理念亟待普及和推广。而水力发电恰恰是一个把河流水能转化为电能的消能过程。有效的消能,不仅是保障水坝结构安全的最重要手段,而且还是减少河流沿岸发生地质灾害最重要的措施之一。

 

  水电开发的地质减灾作用,主要体现在:

 

  1、如果把奔腾咆哮的江河水用来发电,可以有效减少江水对河谷的急速深切,使河流发育趋于缓慢、稳定,最终会大大减少地质灾害的发生。(消能减灾)

 

  2、在工程修建过程中,为了减少滑坡,通常都要对主要的滑坡体进行人工排除,或者进行人工护坡(如:混凝土喷涂、打入抗剪滑桩和预应力锚索固定等)。(工程减灾)

 

  在汶川大地震中,所有经过处理的边坡,没有一处发生滑坡等次生灾害。

 

  3、水库蓄水的初期,对潜在的滑坡体提供了一个集中释放的机会,把未来若干年内,遭遇暴雨、地震可能引发的随机滑坡,都提前“引发”出来。(“免疫”减灾)

 

    不过,我们还应该说明的是,虽然梯级水电站的消能作用,无疑将会有利于减少远期的地质灾害,但是,在建坝期间和电站运行初期,如果不能采取必要的防范措施,也有可能会在短期内因为工程活动的扰动,而增加地质灾害。因此,应该说只有科学的水电开发,才能真正起到减少地质灾害的作用。


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