最近這段時(shí)期，社會上對水電開發(fā)，特別是其中的地震、地質(zhì)問題都很關(guān)注。本人長期從事大壩抗震研究，想從大壩抗震安全的角度談一點(diǎn)自己的看法。

大力發(fā)展水電是國情決定的

談到水電開發(fā)，不能不從我國能源結(jié)構(gòu)說起。我們主要還是以煤電為主，煤電占二次能源結(jié)構(gòu)的百分之七八十，這是國情決定的。在可預(yù)見的將來，要完全改變也是有困難的。但是由于生態(tài)環(huán)境的要求，由于資源的制約，能源結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行改善。

為應(yīng)對氣候變化，國家領(lǐng)導(dǎo)人已在國際場合作出莊嚴(yán)承諾，2020年前我國一次能源里非化石能源比例要占到15%。據(jù)我了解，現(xiàn)在這個(gè)數(shù)字只有百分之七八，任務(wù)相當(dāng)艱巨，而水電可能要承擔(dān)一半以上的任務(wù)。

我國水電資源在全世界占首位，開發(fā)程度只有20%多，而發(fā)達(dá)國家早就把水電資源開發(fā)得差不多了，我國還有很大潛力。如果按照100年計(jì)算，我國水電能源相當(dāng)于全國各種能源加起來總和的40%，這是不可忽視的水電優(yōu)勢。何況，水電開發(fā)不光解決能源問題，它還有防洪、航運(yùn)、改善生態(tài)環(huán)境的綜合效應(yīng)。考慮到我們的國情，大力發(fā)展水電將起到無可替代的作用。

我國地勢西高東低，河流源頭大部分在西部，西部落差很大，水電資源百分之七八十集中在西部。西部恰恰是我國地震最強(qiáng)烈的地區(qū)，而且這些高山陡坡對區(qū)域構(gòu)造活動也有著不可分割的關(guān)聯(lián)。因此，水電抗震安全是不可回避的問題。這也是我們的國情。

大壩抗震安全有無保證

說到抗震安全，首先在概念上要區(qū)分“抗震”和“抗斷”。什么是抗震呢？就是地震動引起的地面震動，通常以某個(gè)地方加速度的多少來表征，這是地面震動對大壩造成的影響。抗斷是斷層斷裂，造成斷裂兩邊的位錯(cuò)。

比如1999年臺灣的集集地震，石崗閘壩的幾個(gè)閘室被錯(cuò)動了七八米，這種錯(cuò)動是任何大壩都難以抗御的。大壩可以抗震，但抗斷很困難，一般不允許建設(shè)在活動斷層上。對于斷層，現(xiàn)在采取的是盡量避讓的辦法。現(xiàn)行的水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定，壩址區(qū)分為有利地段、不利地段和危險(xiǎn)地段，發(fā)生斷層的肯定是危險(xiǎn)地段，要充分論證，加以避讓。

那么大壩抗震是不是安全呢？在強(qiáng)地震區(qū)，我國各有關(guān)部門對大壩抗震安全確實(shí)是非常關(guān)注的，主要反映在兩個(gè)方面。

首先是設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。一些重大的高壩工程，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是按五千年一遇。地震有很大的隨機(jī)性，只能從概率意義上估計(jì)它的風(fēng)險(xiǎn)度。洪水的百年一遇、千年一遇也是這個(gè)概念。我國規(guī)范規(guī)定100年內(nèi)超越設(shè)計(jì)地震的概率只有2%，相當(dāng)于五千年一遇的概率水準(zhǔn)，應(yīng)該說是相當(dāng)高了。與此相比，一般建房子是按照50年的超越概率10%，大概相當(dāng)于五百年一遇的抗震水平。

汶川大地震后，國家發(fā)改委專門下發(fā)文件，要求對重要的大壩工程，除了按照五千年一遇的設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核外，還要對已建和在建的重要大壩工程，按照“極限地震”進(jìn)行校核，就是保證在極限地震下不發(fā)生潰壩導(dǎo)致的對下游的嚴(yán)重次生災(zāi)害的地震災(zāi)變。據(jù)我了解，有關(guān)水電部門都認(rèn)真執(zhí)行了這樣的要求。

關(guān)于極限地震，國際上也沒有非常明確的定義，總的來講就是根據(jù)壩址的具體的地震地質(zhì)條件確定可能發(fā)生的極限地震。暫時(shí)是按照一萬年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，即從概率意義上講，一萬年才可能發(fā)生這樣一次大地震，我們的重大水壩工程要按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。這是非常嚴(yán)格的要求。汶川地震以后，我們正在修訂國家的水利抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。我本人負(fù)責(zé)水工抗震規(guī)范的總編和修訂工作，我們準(zhǔn)備把發(fā)改委的要求正式列入正在修編的水工抗震規(guī)范。今后凡是重大的屬于甲類抗震設(shè)防的重大大壩工程，除了按照五千年一遇的抗震設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)以外，還要對極限地震進(jìn)行校核。

其次，在金沙江、大渡河等一系列高壩工程建設(shè)的推動下，我國在保證大壩抗震安全方面做了大量的研究工作。這些工作包括壩址相關(guān)的地震動輸入、各種壩型在強(qiáng)烈地震作用下的響應(yīng)、大壩材料在地震作用下動態(tài)抗裂的研究等。據(jù)我了解，這方面的研究工作是處于國際前列的。

汶川地震是對我國大壩抗震安全的一次大檢驗(yàn)，特別是在比較強(qiáng)烈的地震區(qū)內(nèi)，有4個(gè)100米以上不同類型的高壩。紫坪鋪混凝土面板壩，是一個(gè)較新的壩型，158米高。另外，沙牌碾壓混凝土拱壩，也是一個(gè)較新的壩型，有130多米高的水頭，地震時(shí)幾乎是滿庫；還有碧口水電站的心墻土石壩，還有寶珠寺的混凝土重力壩。4種完全不同類型的壩，都在100米以上，經(jīng)受了超乎預(yù)期設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的汶川大地震。也就是說，汶川大地震是超過它們的設(shè)防水準(zhǔn)很多的大地震。但是，這些壩都沒有被毀壞。當(dāng)然，紫坪鋪等壩有些損壞，但這些壩整體上是穩(wěn)定的，經(jīng)受住了特大強(qiáng)震的考驗(yàn)。

汶川地震以后，在中國大壩委員會的組織下，國際大壩委員會有關(guān)專家到現(xiàn)場考察討論，一致的結(jié)論是，這些大壩經(jīng)受住了考驗(yàn)，我國在大壩抗震方面做了大量有成效的抗震設(shè)計(jì)和研究工作。

我國是多地震國家，大壩抗震安全是非常值得重視的關(guān)鍵技術(shù)問題，但要利用豐富的水能資源又無法回避抗震問題。但只要認(rèn)真按照抗震實(shí)際規(guī)范的嚴(yán)格要求，對大壩進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)，再保證優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量，然后再加上規(guī)范的運(yùn)行管理，大壩安全就有保證。

百米左右高壩的抗震，在汶川地震里已經(jīng)得到檢驗(yàn)。現(xiàn)在正在修建一系列300米的高壩，要保證它們在極限地震下不發(fā)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害災(zāi)變，我們還要做大量科研工作。當(dāng)然，這些工作也都在進(jìn)行之中。

地質(zhì)災(zāi)害也是水電開發(fā)里非常關(guān)注的問題。所謂岸坡穩(wěn)定，我理解分成兩部分，一部分是壩址區(qū)的，另外一部分是庫區(qū)的。

壩址區(qū)的岸坡，必要的時(shí)候要采取加固措施。比如，對壩肩常會進(jìn)行加固。汶川地震中對這些措施的有效性有了非常好的檢驗(yàn)和證明。在紫坪鋪或者沙牌水電站，鄰近發(fā)生斷層地區(qū)的高壩可以看到，凡是經(jīng)過處理的岸坡，都完好無損。

在庫區(qū)，水位上升時(shí)，岸坡，特別是比較陡峻的局部地區(qū)總會有一些不很穩(wěn)定的地區(qū)，比如三峽工程1000多公里庫區(qū)中，就存在這樣一些不很穩(wěn)定的局部地區(qū)。高壩大庫蓄水以后，局部庫區(qū)發(fā)生一些地質(zhì)災(zāi)害是正常現(xiàn)象。一般情況下，只要規(guī)模不是很大，不會造成太大影響，而且可以治理。以三峽庫區(qū)為例，國家投入幾十億元治理，國土資源部多年來做了大量工作。從三年試驗(yàn)性蓄水情況看，2008年試驗(yàn)性蓄水，一直到去年達(dá)到設(shè)計(jì)要求的175m水位，庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害是逐年減少的，說明長期來的治理非常有效。

對大壩的地震和地質(zhì)災(zāi)害問題，既要高度重視，不能掉以輕心，但也不能因噎廢食。

該如何理解水庫地震

建大壩是不是就會引發(fā)地震？不一定。

全世界現(xiàn)在有幾十萬座大壩，其中高壩的數(shù)量很大。據(jù)我所知，到目前為止，各國報(bào)道水庫地震的事例也不過100多起。而這100多起是不是水庫地震、是不是跟水庫有關(guān)有的還存在爭議。國際大壩委員會下設(shè)地震專業(yè)委員會，我是該委員會副主席。該委員會有一個(gè)關(guān)于水庫地震的文件，列舉了39個(gè)比較公認(rèn)的水庫地震。目前從統(tǒng)計(jì)資料看，全世界水庫引發(fā)地震的比例不到千分之零點(diǎn)幾，這個(gè)比例是很小的。

水庫地震可以分成兩種大的類型。一類是非構(gòu)造型的水庫地震。庫岸里一些喀斯特溶洞，或者古老的礦洞，或者因?yàn)閹r體地表較破碎，蓄水以后應(yīng)力重新調(diào)整，這樣引發(fā)的地震跟發(fā)震構(gòu)造沒有直接聯(lián)系，可稱之為非構(gòu)造型水庫地震。這類水庫地震，按到目前為止的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，震級一般不高，也就是三到四級，對鄰近的壩體或者附近的民居建筑不會造成很大影響。到目前為止，所謂的水庫地震絕大部分屬于這種非構(gòu)造型水庫地震。

另外，確實(shí)有少數(shù)跟發(fā)震構(gòu)造有一定聯(lián)系，稱之為構(gòu)造型水庫地震。該類地震震級可能較高，但水庫只是起觸發(fā)作用，因而水庫地震的震級不會超過被觸發(fā)的天然地震的震級。大家關(guān)注的也正是該類可能造成損害的地震。

水庫引發(fā)地震的機(jī)理，全世界還都并沒有搞清。因?yàn)椤暗氐紫聨坠铩⑹畮坠锏牡貙又校窃趺醋饔玫模诘氐紫聨坠镆韵碌母邷馗邏簵l件下，是什么性質(zhì)？”“巖石的性質(zhì)又會有什么變化？”等很多問題還沒有搞得很清楚。但是，有關(guān)專家形成一個(gè)初步共識，即無非有兩類作用：水庫的水體重量和水沿著斷層裂隙的滲透作用。

關(guān)于水體的重量，很多研究表明它不起主要作用。一個(gè)水庫哪怕兩三百米高，但是地震發(fā)生在地底下起碼5~10公里，這些5~10公里的巖石比重是2.6~2.7，而水的比重是1，庫水的重量跟巖體的重量比是微不足道的。所以，主要是水體對發(fā)震斷層的滲透作用，有可能造成巖體抗滑強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致斷層錯(cuò)動，并最終引發(fā)地震。這是目前比較共識的解釋。

發(fā)生構(gòu)造型水庫地震需要3個(gè)前提條件。其一，該庫區(qū)確實(shí)存在發(fā)震斷層，發(fā)震斷層的定義，世界上沒有非常嚴(yán)格的統(tǒng)一認(rèn)定，我國地質(zhì)專家的認(rèn)定是10萬年以內(nèi)有過活動的發(fā)生斷層。

其二，該發(fā)生斷層原有的應(yīng)力積累，已到其臨界狀態(tài)。庫水的作用只是起到觸發(fā)它的作用。現(xiàn)在，國際大壩委員會已經(jīng)在文件上規(guī)定，把這樣的水庫地震稱為“水庫觸發(fā)地震”。它實(shí)際上是個(gè)天然地震，庫水不觸發(fā)也存在，而且接近臨界狀態(tài)了。

其三，要有庫水向深部滲透到發(fā)震斷層的水文地質(zhì)條件。目前為止，世界上只有4個(gè)震級超過6級的水庫地震。我國廣東的新豐江大壩的水庫地震就是其中之一。這4個(gè)水庫地震中的最大震級，有的資料說6.3級，有的說6.5級，并不是非常精確。6級多一點(diǎn)，這是目前為止水庫地震的上限。

另外，水庫地震本身還有一些特點(diǎn)。它一般震源比較淺，有明顯的前震，前震持續(xù)一段時(shí)間再發(fā)生主震，因?yàn)樗w向深部滲透有個(gè)過程。主震以后，還發(fā)生余震。所以，它在地震類型上屬于前震、主震、余震型。我國的構(gòu)造地震很大部分都屬于主震、余震型，比如汶川地震就沒有明顯的前震。

有人曾提出汶川地震是不是跟紫坪鋪有關(guān)。事實(shí)上，我們的抗震規(guī)范規(guī)定，對于可能發(fā)生水庫地震的水庫，都要經(jīng)過嚴(yán)格的勘探，如果有可能發(fā)生地震，至少在蓄水以前一年要設(shè)立強(qiáng)震觀察臺站，嚴(yán)密監(jiān)視。比如三峽水庫早就設(shè)置了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大、數(shù)字化的專門監(jiān)測水庫地震的臺網(wǎng)。有24個(gè)臺站密布在認(rèn)為容易發(fā)生水庫地震的庫區(qū)，一直工作到現(xiàn)在。

紫坪鋪也是這樣，它在建壩前13個(gè)月就設(shè)置了7個(gè)臺站，基本上把容易發(fā)生水庫地震的地區(qū)都控制住了。水庫蓄水兩年半以后才發(fā)生汶川地震，所以蓄水前13個(gè)月跟蓄水后兩年半時(shí)間地震活動的頻度、強(qiáng)度都有對比。地震部門把這些資料跟蓄水前的13個(gè)月，蓄水以后每13個(gè)月都作了統(tǒng)計(jì)，無論強(qiáng)度和頻度都沒有什么變化。也就是說，從監(jiān)測資料來看，紫坪鋪水庫蓄水前后的地震活動性沒有明顯的變化。

監(jiān)測水庫地震的臺網(wǎng)比較密，一般很微小的地震都能測到。因此，這些資料很有說服力，說明紫坪鋪本身并不可能觸發(fā)汶川地震這么大的地震。我們把這些觀點(diǎn)寫成文章，在國際刊物上發(fā)表了。發(fā)表以后，原來發(fā)表過質(zhì)疑文章的美國Science News亞太地區(qū)主編Richard Stone先生對我進(jìn)行了專訪，隨后發(fā)表了一篇反映我們觀點(diǎn)的文章。在這些方面，很多誤解的造成，是因?yàn)榻涣鳒贤ú粔颉Ｖ灰鹬厥聦?shí)，尊重科學(xué)的依據(jù)，一些問題應(yīng)該可以說清楚。

社會關(guān)心水電開發(fā)中的一些問題，特別是關(guān)于地震地質(zhì)方面的安全問題，這是正常的。科學(xué)問題是容許有各種不同意見的，需要共同探討。真理總是越辯越明的，但作為技術(shù)人員，我們都應(yīng)該以科學(xué)的態(tài)度，依據(jù)科學(xué)資料來說明自己的論點(diǎn)。

（作者：中國工程院院士陳厚群）

趙宇彤摘自：科學(xué)網(wǎng)