地震载荷和极端动载荷下水库大坝的安全性

1 引言

导致一个水库大坝发生严重破坏或失去它应有的功能可能出于以下原因：

(1) 溢流。由于暴雨或其它因素导致库内蓄水水位过高，从而水溢出坝顶。

2 地震与大坝

让我们首先回顾一些著名的案例。

(1) 第一个案例是胡佛大坝。1935年建成的胡佛大坝(Hoover Dam)是20世纪早期最伟大的建筑之一，据说在没有建造胡佛大坝之前，那个地方没有发生过地震，但是自从1936年Mead湖开始蓄水后，大坝周围发生过几百次小的地震，而且水位越高，发生地震的次数越多，但是迄今为止，胡佛大坝还屹立在那里，并没有发生破坏。不过，由此引发人们的猜想：是不是因为建了大坝诱发了地震。

(2) 第二个案例是Vajont大坝。1959年建成的Vajont大坝(坝高262m)，在建成后曾报告说蓄水后比空库时该地区的地震活动频繁。1963年夏天由于受暴雨影响，水库达到了最大库容最高水位，10月份该地区在两个星期内发生了60次小震，最终发生山体滑坡，3.5亿立方米的岩石倾倒进库中，导致水库中的水溢出坝顶，下游2750多人失去了生命， 这是大坝史上最惨痛的一次事故。究竟是大坝导致了地震还是坝址本身就坐落在断层带上，还是暴雨导致了滑坡，目前仍然是科学家和工程师们一直感兴趣的研究课题。

关于大坝如何引起地震，最广为接受的解释是，水库下面和地基附近的微裂缝和裂隙中产生了额外的水压。当岩石中的水压增加时，它就会起到润滑节理和裂隙的作用，降低了岩石表面的摩擦力，从而引起断层移动，但目前这都是猜测，没有严谨的科学证明和支持。

(3) 第三个案例是Ataturk大坝。2023年2月6日土耳其发生M7.8级地震【土耳其M7.4级地震后的岩土地震工程研究回顾(Kocaeli, Turkey, 1999)】后，位于土耳其东南部的阿塔图尔克大坝(Ataturk Dam)出现了裂缝，该大坝是土耳其的第三大坝，拥有超过800平方千米的水库面积，估计储水量近50立方千米。如果大坝破裂，将对大坝附近约30平方公里的区域造成破坏。此外，叙利亚北部的米丹基湖大坝(Lake Midanki Dam)也受到了影响。

(4) 第四个案例是富士沼泽大坝。下图所示的是2011年日本东北9.0级大地震(Tohoku Earthquake)后，富士沼泽大坝(Fujinuma Dam) [高18.5m的土石坝]的水漫过坝顶，大坝失事引发的洪水造成8人丧生。

3 地震安全性

地震对大坝的危害包括：地面震动、断层移动、块体移动及其他对特定工程和特定场地的影响，同时也需要考虑水库触发地震活动。地震灾害包括：(1) 地面震动；(2) 坝基沿断层或不连续面错动；(3) 块体移动进入水库，形成冲击波，致使水库水位上升、输电线路受损、道路堵塞等；(4) 特定项目和特定场地灾害(如地面变形、渗漏、液化等)。

大坝工程采用整体安全概念，主要包括以下要素：(1) 结构安全性; (2) 大坝安全监控; (3) 运行安全性; (4) 应急计划。混凝土坝的主要地震安全标准如下：(1) 坝基稳定性，即拱坝坝肩楔体和重力结构沿潜在滑动面滑动的稳定性; (2) 由伸缩缝和水平裂缝形成的混凝土块的滑动和倾覆稳定性，即大坝中心顶部附近的混凝土块需经受的最大绝对加速度响应。

虽然大型水坝是自20世纪30年代以来最早进行系统性抗震设计的建筑物，但由于多数老坝的设计采用的是现今认为已过时的地震设计标准和分析方法，所以这些坝的地震安全性是未知的。因此，需要采用现行抗震设计标准和现代的动态分析方法，重新评估已建坝的抗震安全性，修复有缺陷的大坝。有必要定期检查大型坝的抗震设计标准和地震安全性。

4 极端动载荷

大坝的安全性除了地震之外，另一个不可控制的极端情形是轰炸对大坝的摧毁，这种极端偶然动载荷对大坝的破坏只有发生在战争期间。2023年6月6日，乌克兰的卡霍夫卡大坝(Kakhovka Dam)遭到了轰炸，致使大坝中断，库水向下游倾泻而下。卡霍夫卡大坝始建于1950年，坝高30m, 坝长3.3km，库容181.8亿立方米。

未轰炸之前的大坝:

轰炸后的大坝：

5 结束语

溢流、地基破坏、坝体出现裂缝、地震和极端动载荷对水库大坝的安全性构成了威胁，尤其是最后一项，尽管大概率情况下不会发生，但在目前的特殊形势下还需考虑应急处理方案。

某大坝高181m, 坝长2355m, 正常蓄水高度175m，库容393亿m^3