科学认识地震 做好水电工作

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  今年5月12日四川汶川发生的特大地震,由于发生在水电开发相对密集的岷江流域,一些媒体提出这次地震与三峡工程建设及其它水电开发有关,认为是三峡工程建设及其它水电开发引发了这场地震。从地震历史来看,这种说法是没有任何科学依据的。对于地震,我们只能采取防范措施,尽可能减少其带来的损失,而不可能制止地震的发生。
  
  今年5月12日四川汶川发生的特大地震,是我国建国以来强度最大的地震,给人民生命和财产造成了重大损失,房屋倒塌、道路损毁、通讯中断、河流堰塞。由于这次地震发生在水电开发相对密集的岷江流域,一些媒体提出这次地震与三峡工程建设及其它水电开发有关,认为是三峡工程建设及其它水电开发引发了这场地震。从地震历史来看,这种说法是没有任何科学依据的,但这次地震给包括水电开发在内的所有工程的建设和管理都提供了许多的启示和经验,认真分析和全面总结这次地震造成损失的原因和经验教训,加强对地震发生规律性认识的研究,进一步做好包括水电在内的各种工程建设的防震减灾工作是十分必要的。
  
  一、地震是一种自然现象
  
  地震就像刮风、下雨、闪电一样,是地球上经常发生的一种自然现象。如果仅从地震来讲,它本身并不是灾害,而是由于地震具有巨大的能量,给人类带来了破坏和侵害而成了灾害。造成地震灾害的原因,主要是因为人类还缺乏对地震规律的正确认识,缺乏对地震破坏力的正确防御方法。随着社会现代化的快速发展,地震及其可能带来的灾害已经成为威胁经济社会发展的最重要自然因素。加强对地震的成因和发生机理的研究,做好地震预测预报工作,特别是在工程上采取防震抗灾措施已成为一门重要的学科。由于地震研究是一项十分艰难的工作,受科学技术等多方面因素的制约,虽然人类已经能够上天入海,但是人类面对自己居住的家园——地球却无法“深入”,对地球内部仍然是知之甚少。世界各国在地震研究方面已做了大量的工作,也有过许多成功预报和灾害防御的范例,如海城地震的预报就是一个成功的例子,而从现有的地震科学实践来看,对地震灾害科学的研究还处于“略知皮毛”的境地,对地震灾害科学的研究还需要几代人持之以恒的探索和奋斗。
  5.12汶川特大地震灾害给每个人的心灵都带来了强烈的震撼,使我们感到了地震的无情和对地震的无奈,因此在社会上产生一些谣传,出现了明显的“恐震”心理。从认识规律看,“知震”才不会“恐震”,而消除“恐震”心理的有力武器是传播地震科学知识和地震灾害防御知识,让公众全面了解地震、正确认识地震,掌握自我防护的基本常识。许多事例和教训说明,如果掌握了避震防灾的常识和技能,在应对地震这样突发的自然灾害时,就能大大减轻人员伤亡和经济损失。“防震减灾”是人类针对地震灾害的唯一选择,这不仅是在地震预报难题解决之前的正确选择,而且即便人类能够准确预报地震的发生,人们仍然要走防震减灾的道路。这是因为地震是一种自然现象,对于地震,我们只能采取防范措施,尽可能减少其带来的损失,而不可能制止地震的发生。
  
  二、地震是地球内部运动的外部表现
  
  人类有史以来就一直在不断地研究和认识地球,产生了许多的假说和超现实的神话幻想,如“星云假说”、“盘古开天地”传说等。但直到16世纪哥白尼时代,人们才认识到地球只是一颗行星,特别是随着地球科学的发展,并通过研究地震、火山活动等自然现象,人类初步了解了地球的内部构造。从目前的研究和认识来看,地球是一个略呈梨形的椭圆体,平均半径约6400公里。地球由地表至核心可分为性质不同的三层,最外一层是相当薄的地壳,厚度为几公里至几十公里;其下为地幔,厚度约2900公里,地壳与地幔的交界面称为莫霍面;最内的球心为地核,半径约为3500公里。
  地质学研究认为,地壳由不均匀的岩石组成,地壳厚度变化也很大,在海洋下,一般为几公里;而在大陆下,平均厚度为30~40公里;在大的山脉之下,厚度更大一些,如我国青藏高源,地壳厚度可达70公里。地球岩层的比重从外向内是在增加的,地壳岩石的密度最小,约为每立方厘米2.7~3克;地幔为每立方厘米3.3~5.7克;而内核则可达每立方厘米10克以上。整个地球的平均密度约为每立方厘米5.5克。地球内部的温度也随深度而增加。地下20公里处温度约为600摄氏度,100公里处约为1000~1500摄氏度,700公里处约为2000摄氏度,地核内部则高达4000~5000摄氏度。一般认为,地球内部的高温来自地球内部放射物质不断释放的热量。
  如果笼统地讲,地震是地球表层的震动。根据震动性质的不同,一般分为天然地震、人工地震、脉动三类。天然地震是指自然界发生的地震现象;人工地震是指爆破、核试验等人为因素引起的地震现象;脉动则是由于大气、海浪等原因引起的地球表面的经常性微动。能够构成地震灾害的主要是天然地震。关于天然地震的震源成因机制,目前较为认同的是由于地球板块运行造成的。地质学研究认为,地球的地壳由几个实体板块构成,各自在热地幔上漂浮,持续地进行着地壳运动,在理论上称之为“板块学说”。认为地震是由于板块构造运动引起的,它是地壳岩石中长期积累的变形在瞬时内转换为动能的结果。此外,还有一种新的地震成因是“地下核燃烧” 假说,认为地震是地下铀、钍元素富集区的核燃烧,使它的围岩发生的炸裂。总体来看,由于受科学技术发展水平的限制,人类对地震的成因和机制还没有完全搞清楚,也就难以准确预报地震发生的时间、地点和规模,但无论是“板块学说”还是“地下核燃烧” 假说,都说明地震是地球内部运动的外部表现,是由地球内部结构构造运动而引起的,人类活动是不可能造成破坏性地震的。如200米深的水库对地面的压力为每平方厘米20公斤,而即使15公里的震源深度,其自然状态的压力就可达每平方厘米4000公斤以上,相对来看,水库对地球内部可发生地震深度的压力是微不足道的。当然,也有人认为,大坝建设和水库蓄水除增加地壳负荷外,其渗水断层水压的加大,有可能削弱断层摩擦力,存在触发地震的可能性。即使如此,水库蓄水也只能是外因,而内因还是地壳内有发生地震的地质条件。从理论上讲,水的这种对断层的润滑作用会加快原有地震的发生,减少地震带能量的更大集聚,从而起到减少地震震级的作用,对减少地震的灾害是有利的。实践已经证明,在一定的地质条件下,水库蓄水有时会引发地震,称为水库诱发地震,这种诱发地震具有震级低和范围小的特点,是不可能产生大的灾难性地震的。
  
  三、地震主要发生在地震带上
  
  从人类有史以来记录的地震来看,地球上发生的大的地震都集中在地震带上。据统计,全球两个大地震带释放的地震能量占全球地震总能量的95%,一个是环太平洋地震带,另一个是欧亚地震带。我国位于世界两大地震带之间,地震断裂十分发育,地震活动频度高,是一个震灾严重的国家。5.12汶川特大地震也发生在龙门山逆冲构造带上。
  龙门山构造带是青藏高源内部巴颜喀喇地块和中国东部华南地块的边界构造带,经历了长期的地质演化历史,具有十分复杂的结构和构造。龙门山构造带南西起于泸定,向北东延伸经灌县、江油、广元进入陕西勉县一带,全长约500余公里。基本构造格架由三条北东向压扭性大断裂所组成,三大断裂从北至南分别是平武-茂汶断裂、北川-映秀断裂和江油-灌县断裂。三条断裂总体情况相似,即走向变化于北30 °~60°东,都倾向北西,倾角40°~70°。断裂带主要由压碎岩、糜棱岩及断层泥组成,为压扭逆冲断裂,地貌上线性构造清晰,新构造活动较强烈,历史上曾发生过多次大的地震,如1933年的茂汶叠溪7.5级地震、1976年的松藩7.2级地震。据分析,5.12汶川特大地震就发生在龙门山断裂带上,其主要动力来源是印度板块与欧亚大陆碰撞及其向北推挤,导致了亚洲大陆内部大规模的变形,使应力在龙门山推覆构造带上高度积累,沿映秀至北川的断裂突然发生错动,产生了8级强烈地震,并触动龙门山断裂东段中央断裂的连锁破裂。因此,地震的发生在地理分布上是有规律的,只要充分研究论证地形地质条件,认真做好各种工程建设的选址工作,避开可能发生地震的断裂构造带,严格按照地震设防要求做好工程设计,精心施工,加强管理,高度重视,地震灾害是可以有效防御的。
  
  四、岷江流域水电情况
  
  岷江是长江上游的主要支流之一,位于四川盆地的西部边缘,发源于四川与甘肃接壤的岷山南麓,上游分东西两源,东源漳腊河出自弓嘎岭,西源潘州河出自朗加岭,两源于松潘县红桥关相汇,并开始进入峡谷,河床深切,水流湍急,在茂县两河口汇入黑水河,在汶川县城汇入杂谷脑河,在草坡镇汇入草坡河,在映秀镇汇入渔子溪,流经成都平原后,在乐山与大渡河汇合后,至宜宾汇入长江。岷江干流全长约730多公里,流域面积13.5万多平方公里,天然落差约3560米,多年平均流量约每秒2830立方米,年水量近900亿立方米,水力资源理论蕴藏量约800万千瓦。根据河流自然和河道特征,将都江堰以上称为上游,都江堰至乐山称为中游,乐山至宜宾称为下游。
  岷江流域是我国水电开发起步最早的流域。上世纪50年代就开始了岷江水电开发规划工作,1972年建成了岷江干流上的第一座水电站映秀湾水电站(装机13.5万千瓦),1975年建成了岷江支流渔子溪上的渔子溪水电站(装机16万千瓦)。改革开放以来,随着四川省经济社会的发展,对电力需求不断增加,带动了岷江流域水电的更快开发。1988年建成了岷江支流鱼子溪上的耿达水电站(装机16万千瓦),1996年和2004年又相继建成了位于汶川县境内岷江干流上的太平驿水电站(装机26万千瓦)和福堂水电站(装机36万千瓦),特别是为了解决成都平原地区工农业生产和人民生活用水问题,2001年又开工建设了紫坪铺水利枢纽工程(装机76万千瓦,2006年建成)。与此同时,岷江干支流的其它水电站也相继开工建设。到目前为止,岷江水电开发主要集中在上游河段的干支流上。干流自上而下已建成的水电站分别为天龙湖(18万千瓦)、金龙潭(18万千瓦)、吉鱼(10.02万千瓦)、铜钟(4.95万千瓦)、姜射坝(12.8万千瓦)、福堂(36万千瓦)、太平驿(26万千瓦)、映秀湾(13.5万千瓦)水电站和紫坪铺水利枢纽(76万千瓦)。支流杂谷脑河、草波河和渔子溪也已建成了多座水电站,主要是杂谷脑河上的红叶二级(9万千瓦)、薛城(9万千瓦)、桑坪(7.2万千瓦),草坡河上的沙牌(3.6万千瓦)、草坡(3万千瓦),渔子溪上的耿达(16万千瓦)、渔子溪上(16万千瓦),加上其它小型水电站,岷江流域已建成的水电总装机容量约为300万千瓦。
  根据岷江流域地形地质条件,岷江水电开发以引水式开发为主,即在河道上建设很低的闸坝(一般为10~30米)挡水,在两岸开挖隧道引水至下游几公里(或一二十公里)处发电。目前岷江流域已建成的水电站,除干流紫坪铺(大坝为混凝土面板堆石坝,坝高156米,库容11.12亿立方米)和支流草坡河沙牌(大坝为碾压混凝土拱坝,坝高132米,库容1800万立方米)为高坝发电外,其余水电站都是低坝引水发电,坝高小于30米,发电厂房基本为地下厂房。汶川5.12大地震以前,经国家地震部门专题研究,岷江干流在太平驿水电站坝址以上的地震基本烈度均为Ⅷ度,太平驿水电站坝址以下地震基本烈度均为Ⅶ度。根据现行规范,岷江流域水电站枢纽工程均按照基本烈度进行抗震设防。汶川5.12特大地震,岷江干流的地震基本烈度均达到了Ⅷ度甚至更高。
  据了解,汶川5.12大地震对岷江流域的已建水电站都有不同程度的影响。主要表现为:震区所有水电站都因地震导致发电设备和送出工程受损等原因停止了运行,由于山体滑坡导致对外交通和通讯全部中断,部分电站的坝体由于闸门没有开启而曾漫顶过流,一些电站工程受到了滑坡和泥石流威胁。但从各方面了解的情况看,岷江上游距震中最近的两座高坝紫坪铺和沙牌水电站经受住了这次地震的考验,承受住了超过设防标准的强烈地震,说明按现代理论设计修建的面板堆石坝和碾压混凝土拱坝具有很强的抗震潜力,水电建设一贯遵循的留有裕度的安全设计理念是正确的。目前,紫坪铺水电站已经恢复发电。由于其它水电站均为低坝引水式电站,挡水建筑物为混凝土闸坝,具有更强的抗震能力,虽然各电站不同强度受到了地震影响,但都没有出现大的损坏。从目前了解情况看,这些电站受地震影响主要是闸坝变形和被滑坡体淹没,没有发生垮坝问题。可以说,5.12汶川特大地震震中地区的已建水电站总体是稳定的,没有带来大的次生灾害,说明水电工程具有较强的抗震能力。
  
  五、坚定不移地做好水电建设工作
  
  从5.12汶川特大地震对震中地区水电工程的影响来看,我国水电工程的抗震能力总体是好的,但也反映出一些设计和管理方面的不足,特别是在地震应急机制方面差距很大。如备用电源问题、对外通讯问题、应急管理问题,致使在地震发生后,电站与外界失去了一切联系,不仅外界不能及时了解水电站情况,而且在电站值守的人员也不知所措,由于缺乏备用电源或不知如何使用备用电源,而不能及时开启闸门放流,影响了河流的正常下泄。这种状况影响了对水电站震后情况的客观判断,出现了许多盲目和无效的行动,延误了及时和有效的救援活动。
  能源是经济社会发展的重要物质基础。由于受多种因素的制约,我国目前的能源消费以煤为主,由此生产的资源和环境问题日益突出。水能资源是可再生的清洁能源,特别是我国水能资源丰富,技术可开发装机容量达5.4亿千瓦,按重复使用100年计算,水能资源占我国常规能源剩余可采储量的40%,是我国仅次于煤炭的第二大能源资源。总体来看,我国水能资源开发利用程度还比较低,开发利用好我国丰富的水能资源是有效解决我国能源问题的必由之路。位于震中地区的岷江紫坪铺大坝经受住这次特大地震的考验说明,我国水电设计理论和施工技术是符合实际的,水电工程大坝的抗震能力是超出想象的。从这次地震对水电站的总体影响来看,保障水电工程地震安全的重要原则是,水电工程建设必须避开可能发生地震的断裂带。通过这次特大地震对震中地区水电工程的考验,使我们对水电工程抵御地震的能力和特点有了更清晰的认识。因此,应在全面分析这次特大地震对震中地区已建水电工程影响的基础上,进一步加强水电工程防震抗震技术研究,更加重视对区域地震地质和工程地质条件的勘测和分析,制定更加严格的水电工程防震抗震设计规程规范,加强水电工程防震抗震应急能力建设,完善水电建设和运行管理的体制和机制,坚定不移地把水电建设和管理工作做的更好,为经济社会的可持续发展做出应有的贡献。
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