1999年9月21日,台湾省南投县集集镇发生7.6级地震,震源深度9千米。孕育这次地震的车笼辅断层将大地撕开了一条长达83千米的裂口,震中南投集集镇几乎所有建筑物都被变为废墟。
这次地震留下了许多震撼的灾害场面,无数垮塌的房屋、一半被抬起的学校操场、塌落一半的山体,。其中,还有一座全世界唯一被地震完全摧毁的混凝土大坝——石冈重力坝。
地震使得重力坝仿佛被一双大手撕裂,该段坝体完全错断摧毁,两边坝顶高差达7.8米,三扇弧形闸门完全毁坏,库水大量流失。
即使这样看起来,这石冈重力坝的质量还是很不错的。震后工程人员将被摧毁的坝体围了起来,剩下大段完好的坝体依然能投入使用。
全世界每年那么多地震,世界各地又有那么多水利工程,为何这是唯一一座被地震完全摧毁的大坝呢?
这要从大坝的特质说起。
大坝的主要功能是拦截大量水体,大量的水体一直“挤压”着大坝,相当于一直给它一个水平方向的推力,所以坝体的设计在考虑基本功能的时候,会把抗水平“推力”作为一个重要的设计内容来考虑。而地震的破坏力最强的是S波,主要让物体“左右摇晃”,正是水平方向的作用。所以一般大坝在进行抗震设计时,也会着重考虑抵抗水平方向的应力问题。所以,对于大坝的坝体来讲,普通建筑最害怕的“剪切力”,并不是一个“值得”惧怕的问题。
大坝当中的“老大哥”——重力坝更是如此。
重力坝是主要依靠坝体自重来维持稳定的坝,由混凝土或浆砌石修筑,如果从侧面切开看,截面是一个三角形形状,很多情况下接近直角三角形,整体由若干坝段组成。就像我们小时候在小水沟中用泥巴堆起一座小“坝”,就能将水堵住,这就成了“重力坝”。
重力坝是世界上最早出现的坝型之一。公元前3世纪,中国在连通长江与珠江流域的灵渠工程上,修建了一座高5米的砌石溢流坝,迄今已运行2000多年,是世界上现存的使用历史最久的一座重力坝。
重力坝施工简单、对地基条件要求不高,相对安全可靠,耐久性好,虽然很费材料,但抵抗地震和战争破坏的能力比较强。世界第一大水电站——三峡大坝就是混凝土实体重力坝,最为人津津乐道的就是它结实到可以抵御小型核弹的袭击。
三峡大坝
2008年5月12日,四川汶川发生8.0级特大地震,极震区山崩地裂、河流淤塞、房屋坍塌、人民生命财产遭到巨大损失。
四川省广元市的地震烈度达Ⅷ度(8度),辖区内的宝珠寺水电站大坝是混凝土重力坝,工程抗震设计烈度只有7度的大坝虽然受到了地震影响,但主体完好,仅坝顶附属结构有破坏,其结构缝有挤压或拉开现象,基本上在设计允许的变形范围内。
除了重力坝能抗地震,其他类型的大坝抗震能力也很优秀。汶川地震灾区内有数十座大中型水电水利工程,都在这次强震中经受住了考验,甚至是比设防烈度高出2度-3度地震动的严峻考验,表现堪称优异。大坝没有一座垮塌,部分电站通过紧急抢修,迅速恢复发电,为抗震救灾提供了可靠电源。
紫坪铺水库大坝是土石坝,虽然受到轻微的损伤,但是功能方面没有受到影响,水库在震后开辟了水上救生通道,成为震不断的水上生命线,在抗震救灾中发挥了特殊作用。
抗震能力如此强悍的大坝,为何在集集地震中遭受重创?
这涉及到大坝的选址问题。
巨大的破坏性地震,如汶川地震、集集地震,往往会在地表和地下深处产生绵延数十甚至数百千米的破裂和数米至十多米的位移,这种能量是巨大的,是任何结构工程都无法抵御的。但这种位移仅限于发震断层及其两侧很窄的范围之内。
在汶川地震中,灾区大中型水电工程坝址离断层带最近的距离也在1.5千米以上,均未出现大坝错断现象。因此水电站选址一般要在距坝址不小于25公里范围内进行区域断层及活动断层的研究,对活动性断层进行详细定位,在坝址5公里范围内避免出现活动断层,更不允许坝体跨越活动断层。
而台湾集集地震中的石冈大坝,在施工前的地质调查中并没有发现坝址跨越断层的问题,但其下游3公里处,就是集集地震的“罪魁祸首”——车笼埔断层。地震发生时,坝址上下游附近产生了8条次级断层,其中一条恰好通过石冈坝的右侧坝轴线,引起地层断裂。
(赖明煌 摄)
断层左侧的上盘上升约10米,下盘仅上升2.2米,坝体完全被撕裂,由此可见断层破坏性之大。
大地怒吼着将大坝撕扯开来,倾泻而下的洪水宛如一道泪痕,诉说着地震的残酷与无情......
参考资料:
汶川地震灾区大中型水电工程大坝震损分析 李福云
汶川地震水坝震害调查分析及数值模拟 任长青
1999年台湾921集集大地震中的水利水电工程_朱伯芳
水电站大坝如何规避地震威胁 中国水利水电科学研究院
来源:震知卓见(ID:dizhen_sd)