为什么混凝土坝耐强烈地震而不垮（朱伯芳,杨波）

摘要：分析了国内外重大地震对混凝土坝造成的损害，结果表明与房屋、桥梁、道路等相比，混凝土坝具有更强的抗地震能力。首次从理论上阐明了混凝土坝所以具有较强的抗地震能力是由于平时即以水平荷载为主且安全系数较高。在我国继续兴建水坝，既是必要的，也是安全的，就混凝土坝抗震设计与抗震措施提出了一些建议。

关键词：混凝土坝；地震；安全性

1 引言

2008 年5 月12 日四川汶川特大地震对人民生命财产造成了重大损失，此次地震中，有一千多座水坝受到一定损害，绝大部分是小型土石坝，损害主要是坝坡局部坍落、坝体裂缝等，未发生垮坝事故；但万一垮坝，大量库水下泄，灾害将异常巨大；因此，汶川地震后，人们对强震区内修建高坝大库的安全性特别关切是十分自然的。我国100m 以上的高坝绝大部分是混凝土坝，近期在建或即将兴建的许多200m 以上的高坝也多是混凝土坝，并且大多处于强烈地震区，本文着重讨论混凝土坝的抗地震问题。

首先分析国内外混凝土坝实际遭受的地震损害，每次强烈地震后，都有不少房屋、桥梁严重受损，甚至倒塌，但除了1999 年台湾921 大地震中石冈重力坝由于活断层穿过坝体而有三个坝段破坏外，至今还没有一座混凝土坝因地震而垮掉，许多混凝土坝遭受烈度8、9 度强烈地震后，损害轻微，可以说在各种土木水利工程中，混凝土坝是抗地震能力最强的。

我们首次从理论上阐明了混凝土坝之所以具有较强的抗地震能力是由于它在平时即以水平荷载为主且有较大安全系数，我国水资源十分短缺，而且时空分布极不均衡，国民经济的持续发展和人民生活水平的提高都离不开水利水电工程的建设，在我国继续兴建水坝，既是必要的又是可行的，当然，在强震区筑坝，应特别重视坝的安全，首先要尽量远离活动断层，要重视地基的稳定性和工程设计施工的质量，并采取必要的抗震措施。

2 国内外混凝土坝震害

2.1 1999 年台湾921 地震中的几座混凝土坝[1]

1999 年9 月21 日在我国台湾省南投县发生了一次7.3 级地震，震源深度8km，地震是由于车笼埔断层的破裂而引起的，破裂总长度105km，震中最大地面加速度1.01g。地震造成2295 人死亡，房屋全倒20815 户，半倒17978 户，多栋12层以上的大楼拦腰折倒。多处大规模山崩阻塞河道造成堰塞湖。山崩及桥梁损坏致600 多处公路交通中断。由于土壤液化引发地面喷砂、地层下陷、结构倾斜。地震区内有多座水坝，石冈重力坝因活断层通过坝体而有三个坝段被毁，其他水坝损害轻微。

（1）石冈重力坝

石冈混凝土重力坝，坝高 21.4m，长352m，坝顶装有宽12.8m、高8.0m 弧形闸门共18 道，见图1。

地震前车笼埔断层在石冈坝下游 3km 处通过，921 地震发生时，在坝址上下游附近新产生了8 条次断层，引起地层破裂，其中一条次断层恰好通过石冈坝的右侧坝轴线，左侧断层上盘上升了约9.8m，下盘上升只有2.2m，使坝体两侧产生约7.6m 的垂直错动，活断层通过处，三个坝段被毁，断层两边坝顶高程相差7.6m。地震时附近地震台实测最大加速度，东西向0.581g，南北向0.418g，垂直向0.489g，这是到目前为止全世界惟一的被地震完全摧毁的混凝土坝。除坝体外，在坝址上游400m 及1500m 处，河床也分别隆起了约6m 及3.5m，并在河床中形成了瀑布的奇观。

该坝共 20 余坝段，除了活断层穿过处三个坝段被毁外，其余坝段虽然紧靠活断层，经受了强烈震动，并未损坏。震后在上游修筑围堰挡住三个被毁坝段，工程继续运用。表明了混凝土坝的巨大抗地震能力。

（2）雾社重力坝

雾社坝高 114m，长213m，设计最高水位为1005.0m，921 地震时水位为999.24m，。在坝顶高程1005.85m 处及坝底部廊道高程915.88m，设有地震仪，测得最大水平加速度分别为1.018g 及0.282g（无铅直方向地震仪）。地震之后，坝体本身并无重大的损伤，只有一些轻微损害。

（3）谷关拱坝

谷关混凝土拱坝，坝高85.1m，坝项长度149m，地震后下游坝面一条原有裂缝扩展成长约25m 的斜裂缝，最大宽度1-2mm，另外还有一些较短的斜裂缝，最大水平加速度约0.4g，震后放空水库，对裂缝进行了修补。

（4）德基拱坝

德基双曲薄拱坝，坝高 181m，坝顶长290m，坝顶拱冠厚度4.5m，坝底拱冠厚度20m，坝顶高程1411m，正常满水位1408m，正常运转低水位1361m，921地震发生时水位1394.6m。地震后大坝总体状态良好，惟一的异常是坝基渗水量明显增加，渗出的水是清水，1 个月后渗水量即逐渐减小。地震前后，坝内垂线仪测得的坝体位移无异常现象，距坝址2km 的一个强震台的实测记录，最大地面加速度为东西向0.53g，南北向0.52g，竖直向0.23g，但强震台位于高山上，高程为1510m，比德基坝基岩高程1230m 高出280m，有一定放大作用，估计德基坝基底实际最大水平加速度约为0.4~0.5g。

2.2 帕柯依马拱坝震害

美国加州的帕柯依马（Pacoima）拱坝是到目前为止全世界惟一的受地震损害较重的一座拱坝，坝高113m，坝顶弧长180m，1928 年建成，由于左岸地质条件差，有一剪切带，建成时的坝高比原设计降低约3m，并在左岸设置重力式推力墩。该坝用纯拱法设计并用拱冠梁法校核，运行近40 年后，于1967~1968年对坝体安全进行了复核，采用径向试载法计算，荷载包括全水头+自重+0.15g水平地震，结果表明，坝体应力无问题，但在地震荷载作用下，左岸坝肩抗滑稳定处于边缘状态。

1971 年2 月9 日发生了一次由San Fernando 断层破裂而引起的6.6 级地震，震源深度12.8km，震中在坝址北面6.4km 处，发震断层在坝下深度为4.8km，一台强震仪设置在左岸山脊上，离坝37m，比坝顶高15m。实测水平方向最大加速度1.25g，竖向加速度0.7g，由于强震仪设置在节理发育的陡峭山脊上，考虑地形地质条件推算河谷的地面峰值加速度为0.50g。震后整个山体铅直方向上升了1.28m，水平方向移动了2.0m，坝轴线沿顺时针方向旋转了30″角度。震后左坝肩与推力墩之间的收缩缝张开了6.35~9.7mm，拱坝本身及大坝与基岩接触面均完好无损。如图3，左坝肩受扰动的岩体分为A 和B 两部分，推力墩建在岩体B上，B 与A 都沿破裂面1 移动过，但岩体B 只有轻微移动，而岩体A 则沿破裂面2 与岩体B 分开，并沿破裂面1 有较大移动，铅直方向移动0.2m，水平方向移动了0.25m，钻孔表明，左坝肩山体下部未受破坏。

按照地震时的实际水位（?570m），考虑到地形和地质条件的影响，取实测地震加速度的2/3，进行动力计算，最大压应力和拉应力为6.31MPa 和5.16MPa，坝体并无明显损伤或裂缝。

震后修补措施：①用 35 根预应力锚索将左岸岩体锚固，每根锚索作用力为3087kN。②对坝与推力墩之间张开的接缝及推力墩上裂缝进行灌浆。③对左岸坝肩进行固结灌浆，对全坝基岩进行了新的帷幕灌浆。

1994 年1 月中旬附近又发生了一次6.6 级地震，地面加速度0.49g，左坝肩与推力墩之间接缝又张开47mm，推力墩也裂开了并沿铅直方向向下面移动13mm，沿水平方向朝下游也移动13mm，大坝未受到重大损伤。

帕柯依马拱坝提供了两点重要启示：①左坝肩 1991 年地震时移动了，经过加固，1994 年地震时又移动了，说明地质和地形条件对拱坝抗震十分重要。②1991 年地震时库水位低于坝顶45m，坝体无损伤，说明低水位时拱坝仍有相当好的抗震性能。

2.3 其他混凝土坝的震害

2008 年5 月12 日发生的8 级汶川大地震中，沙牌碾压混凝土拱坝，高132m，距震中30km，当地烈度9 度，震后大坝损害轻微。宝珠寺混凝土重力坝，高130m，地震裂度7 度，未超过设计裂度，未受损害。其他多为低水头混凝土坝，坝体损害轻微。

我国广东省新丰江单支墩大头坝，最大坝高105m，1959 年建成，1962 年3月19 日发生的水库地震，震级6.1，震中距6km，坝址地震烈度8 度，震后右岸坝段在靠近顶部断面变化处出现了一条长达82m 的水平裂缝，左岸同高程也有较小的不连续裂缝，事后对坝体进行了补强加固。

意大利北部的 Ambiesta 拱坝，最大坝高59m，坝顶长145m，设有周边缝，1976 年5 月6 日附近发生6.5 级地震，震中距坝22km，坝址地震烈度达9 度，左坝座处实测最大加速度为0.33g，经过地震该坝未受到任何损害。

智利北部的拉贝耳拱坝，最大坝高112m，坝顶长116.5m，顶部厚5.5m，底部厚18.45m，坝的两侧布置有带3 孔溢洪道的推力墩。为了防止空库时坝受地震倒向上游，在坝内埋有一条由144 根φ36mm 钢筋组成的钢筋带，分布在坝顶以下38m 处，1985 年3 月3 日当地发生7.7 级地震，震中距坝80km，实测最大加速度横向0.31g，顺河向0.114g，垂直向0.11g，坝体未受损伤。

日本的鸣子拱坝（高95m），1964 年新泻地震时离震中140km，拱坝的接缝和廊道有渗漏量增加和水质变浑现象，但以后又恢复正常。日本上椎叶拱坝（坝高110m）和绫北拱坝（坝高75m）也经受过中等程度地震，黑部第四拱坝（坝高180m）施工将结束时受到0.18g 地震，均未受损害。

1967 年12 月11 日，在印度的柯印纳发生了一次水库地震，震级6.4，距震中15km 的柯印纳重力坝因受震而产生了严重裂缝。该坝由蛮石混凝土建造，坝高103m，底宽70.2m。地震时实测地面最大加速度顺坝轴方向为0.63g，顺水流方向为0.49g，竖直方向为0.34g。地震以后，在一些坝体的上游面和下游面都产生了裂缝，主要水平裂缝是在坝体坡面改变处，事后在下游面建造支墩以加固坝体。

表 1 中列出了国内外混凝土坝震害情况。

3 混凝土坝抗震能力较强是由于平时以水平荷载为主且安全系数较高

实际经验表明，每次强烈地震之后，都有大量房屋、桥梁、道路受损乃至倒塌，但除了石冈重力坝因活断层穿过坝体而破坏外，至今还设有一座混凝土坝因地震而垮坝，许多混凝土坝在遭受烈度8-9 度地震后，损害轻微，可见，在各种土木水利工程中，混凝土坝的抗地震能力是最强的，这是为什么？下面笔者从理论上加以分析。

任何建筑物承受的荷载都可归纳为铅直荷载 W 和水平荷载Q，如图4，对于房屋或烟囱等工业民用建筑：

其中 W1 是坝体自重，W3 是铅直向地震惯性力，U 是扬压力；Q1 是静水推力，Q2 是地震荷载，包括动水压力和坝体水平惯性力。

对于一般的工业和民用建筑来说，铅直荷载是主要荷载，水平荷载中，风荷载远小于地震荷载。例如，高度100m、直径5.0m、厚度0.30m 的钢筋混凝土烟囱，风荷载Q1=350kN，烈度7、8、9 度地震水平荷载Q2=1627kN、3255kN、6510kN，如果设计中未考虑地震，只考虑了风荷载，并按传统取安全系数1.8，如遭遇7度地震时，地震水平荷载Q2 为风荷载的4.65 倍，结构难以承受。又如设计中只考虑了7 度地震，实际遭遇9 度地震，实际水平荷载为设计值的4 倍，也难免失事。

混凝土坝的情况则截然不同。建坝的目的就是为了挡水，因此库水引起的巨大的水平推力是混凝土坝必须承受的基本荷载，设计规范中采用的安全系数也较大，抗滑安全系数不小于3.0，抗压安全系数不小于4.0[6、7]，这意味着正常设计和施工的混凝土坝可以承担约相当于3 倍水荷载的水平推力，地震破坏力主要来自水平力，例如，一座高155m 的混凝土重力坝，静水压力Q1=112500kN，8 度地震的水平推力（包括动水压力和坝体惯性力）Q2=97000kN，即使满库时发生8度地震，（Q1+Q2）/Q1=1.86＜3.0，坝体仍是安全的。这就是在8、9 度地震作用下大量房屋、桥梁倒塌而混凝土坝却安然无恙的根本原因。

下面用 2 个算例来说明。

[算例1] 混凝土重力坝，如图5，坝高155m，项宽15m，底宽120m，上游水深150m，淤砂深50m，下游水深30m，坝体抗滑稳定系数按下式计算：

式中：f—摩擦系数；C—粘着力，A—面积，Q1—静水平推力，Q2—动水平推力，W—自重，U—扬压力。地震荷载按“水工建筑物抗震设计规范”DL 5073-1997[6]计算。坝体应力按材料力学公式计算。

表 2 列出了建基面上动态剪力与静态剪力比值Q2/Q1 及动态弯矩与静态弯矩比值M2/M1。坝体动态与静态抗滑稳定系数K 决定于Q2/Q1，坝体应力则决定于M2/M1，在静荷载作用下，根据混凝土坝设计规范[6、7]，抗滑稳定系数不小于3.0，抗压安全系数不小于4.0。如果按照水工建筑物抗震设计规范[8]取地震荷载作用折减系数ξ=0.25，由表2 可知，在9 度地震作用下，剪力比（Q1+Q2）/Q1=1.41＜3.0，弯矩比（M1+M2）/M1=1.56＜4.0，这意味着即使原来设计中没有考虑地震，在遭遇9 度地震时也是安全的。如果采用系数ξ=1.00，在8 度地震时，（Q1+Q2）/Q1=1.82＜3.0，（M1+M2）/M1=2.12＜4.0，坝是安全的。在9 度地震时，（Q1+Q2）/Q1=2.64＜3.0，（M1+M2）/M1=3.23＜4.0，坝体抗剪和抗压也是安全的，但安全余度不大；另外，拉应力可能超过抗拉强度，可能产生一些裂缝，但因抗剪和抗压没有问题，坝不致于垮掉。

表 3 中列出了按抗剪断公式（3）计算的抗滑安全系数。通常混凝土坝，尤其是高坝，多建筑在Ⅰ、Ⅱ类岩基上，由表3 可见，即使取ξ=1.00，在满库+9度地震条件下，K 仍大于1。但如基岩条件很差，例如，在Ⅳ、Ⅴ类岩基上，则K＜1.0 此时必须修改坝体断面，实际上按1∶0.80 坝坡，在静荷载作用下，K＜3.0，也必须修改剖面。

表 4 列出了坝体应力，如取ξ=0.25，应力无问题，如取ξ=1.00，压应力也无问题，9 度地震时，坝踵拉应力偏大，但因地震是反复荷载，实际经验表明，坝体拉应力稍大，问题不大。

[算例2] 混凝土拱坝，如图6 所示，坝高220m，坝顶弧长385m，坝基为Ⅱ类岩体，建基面f=1.08，C=1.12MPa，混凝土设计标号 相关热词搜索： 而不 混凝土 地震 杨波 朱伯芳