對怒江水電開發(fā)中的地震地質與工程抗震問題的認識

許 光，蘇克忠

（中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

1 研究背景

近期，對怒江水電開發(fā)問題的討論日趨激烈。章軻先生在《怒江水電開發(fā)擴大化，多位地震專家恐釀巨大災難》一文中，報道了徐道一、孫文鵬兩位地震地質專家的談話。兩位專家認為怒江流域處于怒江深大斷裂帶上，地質構造復雜，新構造活動強烈，鄰近強震不斷發(fā)生；河谷區(qū)滑坡、泥石流等地質災害的風險程度高，反對進行水電開發(fā)。如果對怒江進行大規(guī)模的水電開發(fā)，即將有“小孩走上懸崖”的危險。章軻先生也從而得出：“怒江水電開發(fā)擴大化，多位地震專家恐釀巨大災難”的結論［1］。

首先，“水電開發(fā)擴大化”，是指某條河流水能水資源儲量有限，而計劃水電開發(fā)量遠大于水能儲量。事實上，我國大陸部分水電資源理論蘊藏量為6.944億kW，居世界之首。但已開發(fā)的水電資源量相對較低，目前僅為25%左右，而世界上發(fā)達國家比例均在60%以上。其中美國為82%，加拿大為65%，德國為73%［2］。以怒江為例，在我國境內(nèi)，怒江流域面積125500km2，其中西藏境內(nèi)為103600km2，云南境內(nèi)為21900km2。怒江干流長2020km，其中西藏自治區(qū)境內(nèi)為1401km，云南境內(nèi)為619km；干流天然落差4848m，其中西藏境內(nèi)3717m，云南境內(nèi)1131m。怒江干流水力資源理論蘊藏量為36407.4MW，其中西藏19307.4MW，云南17100MW；怒江的多年平均流量為2250m3/s［3-5］。而怒江干流尚未開發(fā)一座電站，可見我國怒江的水電開發(fā)，不是擴大化，恰恰相反——是非常不足的。

其次，章軻文中引某些地質專家關于“怒江流域在怒江深大斷裂帶上，鄰近強震不斷發(fā)生，河谷區(qū)有滑坡、泥石流等地質災害”的論據(jù)，得出“不能進行水電開發(fā)”的結論。怒江流域所處地區(qū)的地震地質條件如何，怒江斷裂帶究竟是一條怎樣的斷裂帶？怒江流域修建水庫是否會誘發(fā)更大的滑坡等地質災害，在復雜構造斷裂帶上能否進行工程建設，針對這些問題，有必要進行深入的討論。

2 怒江流域云南段地震地質概述

2.1 怒江斷裂帶云南段 怒江云南段南北展布穿行于橫斷山脈，西靠高黎貢山，東依怒山（碧羅雪山），河谷高程1500～2500m，兩岸山頂高程3500～5000m，相對高差多在2000以上，其北段與東側一山之隔的瀾滄江、金沙江共同構成了著名的三江并流景觀，也蘊藏了大量的水能水資源，在衛(wèi)星地圖、地形圖上都有明顯的表現(xiàn)（圖1）。

滇西南怒江斷裂帶總體上沿怒江河谷展布，它位于印度板塊與歐亞板塊東部邊界影響地帶，青藏高原的東南緣，夾持于騰沖地塊與保山地塊之間。該斷裂在云南境內(nèi)長500余km，它北起西藏自治區(qū)察隅縣瓦龍鄉(xiāng)，向南經(jīng)松塔、丙中洛、貢山、馬吉、福貢、碧江、亞碧羅、六庫、石頭寨、賽格、道街西、鎮(zhèn)安東、天寧至光坡。怒江斷裂帶并不是一條斷裂，它是由多條NNW走向至近SN向的斷裂組成，是大陸內(nèi)部的大型活動斷裂帶。怒江斷裂在六庫以南的怒江下游段，斷裂大體上沿著怒江西側高黎貢山東麓延伸，至道街壩附近分為東西兩支：東支斷裂繼續(xù)沿怒江西岸呈SN向延伸，一直到龍陵縣罕拐南與NEE向的畹町斷裂帶交匯；西支沿高黎貢山西麓延伸并轉為SW向切過高黎貢山直至龍陵縣城附近（圖2）。

圖1 怒江及周邊ETM

圖2 怒江斷裂帶及其周邊構造（根據(jù)文獻［6］，有修改）

怒江斷裂帶是晉寧運動時期伴隨高黎貢山復背斜的出現(xiàn)而形成，其后發(fā)生過多次的擠壓拉張作用，南段的古生代基性火山巖顯示了拉張活動跡象。新近紀以來，隨著印度板塊與歐亞板塊的俯沖碰撞，青藏高原的強烈隆升，印支地塊的南東向擠出，怒江斷裂帶作為協(xié)調(diào)地塊間旋轉、走滑、擠出的重要斷裂，表現(xiàn)為擠壓逆沖性質的右旋走滑斷裂。

多年以來，許多學者將怒江流域與西藏地區(qū)班公湖構造帶相對比，認為二者在大地構造上同屬一個構造帶，從而習慣上稱之為班公湖—怒江結合帶或班公湖—怒江消減帶，并認為是一大型的板塊結合帶或俯沖消減帶。然而，近年來的綜合研究不支持怒江斷裂云南段是一板塊結合帶，更不是消減帶，這是因為：（1）沿怒江兩側發(fā)育的石炭系沉積地層是一個發(fā)育在穩(wěn)定的大陸基底之上的沉積盆地，沉積建造以濱海相和淺海相碳酸鹽巖、砂巖和大理巖等蓋層沉積，反映本區(qū)在石炭紀之前是穩(wěn)定的大陸邊緣環(huán)境［6］；（2）整個怒江流域不具有結合帶或俯沖帶所特有的蛇綠混雜巖、高壓變質巖，變質作用以中低壓變質為主［7］；（3）怒江兩側的碧羅雪山和高黎貢山發(fā)育大量的中-新生代以來的中酸性巖體，其大地構造環(huán)境是較為經(jīng)典的島弧環(huán)境；（4）區(qū)內(nèi)北-南向韌性走滑剪切帶發(fā)育；（5）通過跨斷裂帶的綜合地球物理調(diào)查表明，“班公湖-怒江縫合帶”并不是嚴格意義上的縫合帶，而趨向表明是一個老的弧后拉張區(qū)［8］；（6）遙感影像判讀沒有發(fā)現(xiàn)區(qū)域性深大斷裂所必需的影像特征。

因此，云南境內(nèi)的怒江斷裂帶，表現(xiàn)了與西藏班公湖-怒江斷裂帶間的極大差別。這里雖然也有大斷裂存在的許多現(xiàn)象，但缺少斷裂深達超過巖石圈深度的證據(jù)。因此，筆者認為在怒江流域并不存在所謂的“深大斷裂”，而是與鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶相類似，它的形成是70Ma以來歐亞板塊與印度板塊的持續(xù)碰撞拼合導致青藏高原的隆升所形成的一系列協(xié)調(diào)上地殼物質擠壓變形走滑擠出的淺表型走滑斷裂帶。

2.2 怒江云南段地震活動特征 怒江中下游主要位于滇西南地震帶內(nèi)，該地震帶位于紅河斷裂帶以西并延伸至境外。滇西南地震帶在我國境內(nèi)部分又可以劃分為騰沖-龍陵地震帶、耿馬-瀾滄地震帶和思茅-普洱地震帶。

由于該區(qū)域歷史地震資料缺失很多，1900年以前僅記錄到破壞性地震17次；1900—2006年共發(fā)生M≥6級地震52次，最大地震為7.4級。怒江云南段地震活動周期大約為50a左右，1900年以來共經(jīng)歷了兩次地震活躍期，第一次為1906年—1948年，第二次為1976年至今。

對怒江流域云南段有影響的破壞性地震主要分布在該段的南部和區(qū)外的東部（如圖3）。南部強震活動主要集中在騰沖、龍陵、耿馬等地區(qū)，并呈現(xiàn)出NNW向密集分布的特點；東部地震活動水平高強震頻繁，主要集中在麗江-大理附近。地震構造受斷裂帶分布影響，主要以NNW和NS向為主，強震多發(fā)生于兩組構造交匯部位。

圖3 怒江中下游地區(qū)破壞性地震震中分布（公元886—2006年，根據(jù)文獻［9］，有修改）

根據(jù)最新出版的1∶400萬《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（50年超越概率10%）［10］，中游的松塔～福貢河段地震動峰值加速度為0.10g，地震烈度為Ⅶ度；福貢～六庫河段地震動峰值加速度為0.15g，地震烈度為Ⅶ度；下游河段（六庫以下）地震動峰值加速度為0.20g～0.30g，地震烈度為Ⅷ度（如圖4）。地震烈度小于相鄰河流，如龍頭水庫馬吉和松塔的地震烈度為Ⅶ度，而金沙江的龍頭水庫虎跳峽和瀾滄江的龍頭水庫小灣均為Ⅷ度。規(guī)劃報告擬定和推薦的各梯級方案的壩址避開了怒江主干斷裂，基本具備成庫和建壩條件，松塔和馬吉兩龍頭梯級水庫封閉條件好，壩址距怒江主干斷裂相對較遠，工程地質條件良好，具備修建高壩大庫的地形地質條件。

圖4 云南省地震動峰值加速度區(qū)劃

3 怒江水電開發(fā)是否會誘發(fā)重大地質災害

3.1 關于水庫誘發(fā)地震 水庫誘發(fā)地震的成因很復雜，至今學術界并沒有統(tǒng)一的認識。但是普遍認為，水庫誘發(fā)地震是由于水庫蓄水而導致了鄰近斷裂帶中地應力狀態(tài)和環(huán)境物理狀態(tài)的變化，從而引起的地震現(xiàn)象。需要指出的是，并非每個水庫都會誘發(fā)地震，而導致災害性的水庫誘發(fā)地震更是屈指可數(shù)。根據(jù)國際大壩協(xié)會的統(tǒng)計，迄2008年為止，我國已建大壩86353座，但是被報道與水庫蓄水有關的震例不過20余個，普遍認同的震級超過6級的水庫誘發(fā)地震只有新豐江大壩（6.1級）。由此可見水庫蓄水引起的地震概率之低。

2008年5·12汶川大地震發(fā)生后，即有媒體報道地震是鄰近的紫坪鋪水庫誘發(fā)的，更有甚者說地震是三峽水庫誘發(fā)的。談三峽是誘因的自是無稽之談；至于紫坪鋪水庫，地震發(fā)生時，水庫水位接近死水位，庫容很低（約3億m3），這種狀態(tài)下根本不可能誘發(fā)8級地震。論及此，不得不再反思水庫誘發(fā)地震的性質。地震，是由于地殼運動，發(fā)震斷層由于持續(xù)的地應力積聚達到臨界狀態(tài)而突然發(fā)生的斷層錯動。水庫誘發(fā)地震，是由于水庫中的流體滲入鄰近發(fā)震斷層而使其應力狀態(tài)的改變而提前釋放應力發(fā)生的地震。故而可以這樣認為：水庫誘發(fā)的一系列的小震，是將該斷層可能發(fā)生的某次大地震分化瓦解的結果。假設紫平鋪水庫真的誘發(fā)出了龍門山斷裂帶上的一系列的小震的話，那么5·12汶川大地震是不是就可以避免了呢？

但是，水利工程的建設不能忽視水庫地震的可能性和后果。在建壩開發(fā)水電之前，要對水庫區(qū)進行詳盡的地質勘測，對水庫蓄水可能誘發(fā)的水庫地震進行專門的安全性評價。此外，對于大的水電工程，例如三峽、溪洛渡等水電站，在建設之前都已布設了水庫誘發(fā)地震臺網(wǎng)對水庫影響區(qū)進行地震監(jiān)測，記錄水庫影響區(qū)蓄水前本底地震及蓄水后的地震活動，嚴密監(jiān)測水庫區(qū)地震活動并對其進行科學預警。

綜上所述，怒江水電開發(fā)中水庫誘發(fā)地震的風險總體是可控的。

3.2 關于滑坡泥石流 第四紀以來，滇西北怒江流域區(qū)受青藏高原進入強烈抬升階段，怒江及其各級支流強烈下切，高黎貢山、怒山等幾大山脈地形地貌在各種外力地質作用下進行改造和演化。各種外力地質作用過程產(chǎn)生崩、滑、流危害。根據(jù)動力因素與抗力因素的組合特征和地質災害發(fā)育現(xiàn)狀，全區(qū)地質災害發(fā)育可歸為4個類區(qū)：現(xiàn)代冰雪剝蝕區(qū)（Ⅰ）、植被覆蓋構造剝蝕地貌區(qū)（Ⅱ）、河谷峽谷荒漠區(qū)（Ⅲ）、河谷峽谷植被覆蓋區(qū)（Ⅳ）［11］。其中Ⅲ、Ⅳ兩區(qū)是地質災害強發(fā)區(qū)和集中區(qū)。地質災害的危害程度取決于2方面：①形成地質災害的自然地質作用強度；②人類活動與地質災害的關聯(lián)度。

怒江流域山高水急，江水帶有極大的能量，如果不進行開發(fā)利用，它就會依靠不斷的沖刷岸坡消耗能量。所以，造成怒江河谷不斷地被深切，因而崩塌、滑坡、泥石流等地質災害就會經(jīng)常發(fā)生。這些地質災害是在怒江河谷不斷被深切的情況下，必然會出現(xiàn)的自然現(xiàn)象。如果人們把怒江的水能用來發(fā)電，勢必會大大降低水能對岸坡的沖蝕能力，使得怒江河谷的快速深切、發(fā)育趨于穩(wěn)定，最終會大大減少地質災害的發(fā)生。從總的能量守恒的概念上說，怒江水電開發(fā)就是把江水切割岸坡的能量利用起來發(fā)電，造福人類。

此外，在水電站建成之后，由于水庫的形成，能夠增加周圍的水汽，有效地改善周圍的局部小氣候，有利于植被的快速生長，從而進一步改善環(huán)境減少地質災害的出現(xiàn)。很多地質災害的產(chǎn)生原因，與植被遭破壞、水土流失直接相關。所以，一般來說水電站建成之后到發(fā)揮出最佳的地質減災效果，還要有一段時間。另一方面，水電開發(fā)過程中會對沿岸居民進行開發(fā)性移民，流域區(qū)人口的減少可以大大降低對區(qū)域植被的破壞，從而有效減少了人類活動與地質災害的關聯(lián)度。

所以，筆者認為怒江水電開發(fā)之后，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的發(fā)生程度較水電開發(fā)前將會有所降低。

3.3 關于潰壩的可能性 怒江流域屬河谷地形，在云南省境內(nèi)總長度為690km，峽谷兩岸的山峰多在海拔3000m以上，具備建水庫的條件。工程規(guī)劃河段的地質條件好，工程技術難度不大。怒江中下游河段水量年際變化小，暴雨強度不大，洪水年際變化小，造成潰壩的可能性不大。即使該工程出現(xiàn)意外，巨大洪水破壩而出，但經(jīng)過較長距離的狹窄彎曲峽谷的約束、調(diào)蓄及消能作用，也會使洪水的流速和流量大大減少，對下游的危害大大降低。此外，隨著地震工程和工程抗震科研工作水平的提高，大壩的安全是可以保證的，下面就對此方面工作進行論述。

4 怒江水電開發(fā)中的工程抗震問題

4.1 已建大壩的抗震情況 大地震只在極震區(qū)造成嚴重破壞，隨著震中距的加大，破壞力迅速衰減，建筑物仍有安全之地。譬如，美國西部與我國西部一樣，是復雜地質構造區(qū)。位于圣安德烈斯斷裂帶附近的舊金山市曾發(fā)生過8級特大地震，但舊金山市建設的空前繁榮，而且附近也建設了一定數(shù)量的水電站，至今沒有發(fā)生重大潰壩事件。美國西部建設的帕克依瑪高拱壩，也曾遭受大地震的考驗。1971年2月9日美國圣符安南道（San Fefnando）6.6級地震，地面加速度記錄0.5g（相當于9度），壩頂記錄1.6g，僅壩肩巖石出現(xiàn)裂縫，大壩安然無恙。日本地處太平洋板塊和歐亞板塊碰撞結合處，其地質構造的復雜程度和強震活動程度遠大于我國和美國西部。但日本建設了一批水電站、核電站。最近，日本發(fā)生罕見的“3·11”9級特大地震和空前的大海嘯，只有近震中的5個縣受到嚴重破壞（海嘯的破壞力遠大于地震），遠離震中的地方還是安全的，也沒有發(fā)生潰壩事故。

我國大規(guī)模的水利水電建設始于20世紀60年代，迄今已有50余年，建成有大型水壩近400座，中型水壩2000余座。這期間正是我國地震進入活躍期，先后發(fā)生幾十次強震，有一些壩受到超設計標準地震烈度的考驗，雖然出現(xiàn)一些局部損壞，但大壩整體是穩(wěn)定的，沒有發(fā)生一座潰壩事故。2008年汶川8級特大地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，附近建有大、中型水壩30余座，紫坪鋪水庫就建在距離震中十幾公里的地方。震前一些大、中型水庫、水電站，按8度、7度進行了抗震設計，實際遭遇超設計標準的9度、10度和11度的地震。建筑物僅出現(xiàn)一些局部損壞，但整體上還是穩(wěn)定的，沒有發(fā)生倒塌、潰壩，做到了“大震不倒”。

國內(nèi)外大壩抗震的事實證明：在龍門山斷裂帶、怒江斷裂帶等復雜地質構造帶和強震易發(fā)區(qū)進行工程建設是可行的。

4.2 工程抗震學的科技支撐 為什么水電站大壩能抵御8、9級高烈度地震而不垮呢？這是為了將地震災害減少到最低，從20世紀30年代起，在國內(nèi)外發(fā)展起兩門新興學科：工程地震學和抗震工程學。在這兩門新興學科的基本理論和方法指導下，大大增強了各種工程抗震能力，保證了在地震區(qū)工程的抗震安全。

工程地震學研究地震區(qū)里各具體工程地點可能遭受到的地震最大烈度，以便工程設計人員采取經(jīng)濟合理的措施，以確保建筑物安全。我國在本學科研究中取得了突破性進展，完成了《全國地震烈度區(qū)劃圖》的編制，并且不斷修訂完善，由確定性向概率的方向發(fā)展，由籠統(tǒng)的地震烈度向地震動參數(shù)最大加速度和反應譜方向發(fā)展。它不僅為一般工程抗震設計提供了重要的設計參數(shù)，更為工程的選址指明了方向。同時，還為水利水電、核電等重大工程制定了《工程場地地震安全性評價》標準。規(guī)定了工程場地地震安全性評價的工作分級，工作內(nèi)容和適用對象，以及明確應采用確定性分析和概率分析兩種方法互相校正。通過深入研究，進一步保證評價質量，為重大工程的抗震設計提供科學依據(jù)。

地震安全性評價通過深入勘測研究，只確定活動斷裂帶的具體分布和活動斷裂帶上的潛在震源區(qū)的位置，并提供可能最大震級和地震動參數(shù)：最大加速度、頻譜特征、地震持續(xù)時間等。為抗震設計提供重要依據(jù)。工程設計部門依據(jù)地震安全性評價報告和其他方面的重要數(shù)據(jù)，進行選址、規(guī)劃、勘測、設計，從技術可行性和經(jīng)濟合理性兩個方面進行分階段，由淺入深的設計，充分保證了工程的地震安全性能。

抗震工程學是根據(jù)工程地震學提供的長期地震預報的結果和地震動參數(shù)，在國家經(jīng)濟政策的指導下經(jīng)濟、安全又合理地制訂興建工程的抗震設防技術措施。工程抗震研究以結構動力學和工程力學為基礎，研究內(nèi)容包括建筑材料與地基的動力特性，結構動力特性和結構動力反應以及結構可靠性理論和工程設計等領域。根據(jù)對工程運用期間可能發(fā)生的最大地震，確定工程的設計烈度，再按照強震動參數(shù)進行抗震計算和采取相應的抗震措施。當遭遇設計烈度地震時，即可達到小震不壞，中震可修，大震不倒的目標。國內(nèi)外水利水電建設和經(jīng)過大震考驗的實踐證明：在強烈活動的地震帶上，避開活動斷層，認真尋找相對穩(wěn)定的“安全島”，深入進行地震安全性評價，以及進行精心抗震設計，進行精心施工，遭遇設計烈度地震下，是可以做到大震不倒的。這對怒江中下游的水電開發(fā)工作提供了借鑒和保障。

4.3 我國高壩抗震安全保證的綜合措施 為了保證高壩抗震安全，我國主要采取了以下多種綜合措施：（1）國家頒布有關政策法令，依法進行規(guī)劃、設計、審批、管理；（2）加強科學研究，攻克難關；（3）專門深入研究場地的地震安全性和設計參數(shù)，作為抗震設計的可靠依據(jù)；（4）按照基建程序進行由淺入深、由面到點，按部就班的流域規(guī)劃設計；（5）按照多種安全監(jiān)測規(guī)范的要求，在大壩表部和內(nèi)部埋設有監(jiān)測地震反應的加速度儀，監(jiān)測壩體沉陷儀器，位移儀器，應力應變儀器，滲漏量儀器等，多采用自動化記錄方式，一旦發(fā)生強震，可根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，迅速判斷大壩有無震害并判斷震害等級，以便采取相應的應急預案；（6）建全應急預案的組織保證。

5 結語

（1）滇西南怒江斷裂帶并非如某些專家所說，是一條深及地幔的具有板塊分界性質的深大斷裂。怒江云南段地震多發(fā)區(qū)集中在南段和東部，規(guī)劃壩址避開了主干斷裂，具備修建水庫大壩的地震地質條件；（2）怒江梯級電站的修建，將降低區(qū)域內(nèi)的滑坡、泥石流等地質災害發(fā)生頻率；修建水庫大壩后可能發(fā)生的水庫誘發(fā)地震和潰壩等風險是可控的；（3）在工程地震學和抗震工程學這兩門新興學科指導下，增強了各種水利工程抵抗地震風險的能力，保證了地震區(qū)工程的抗震安全，為科學合理的規(guī)劃怒江電站壩址提供了理論基礎；（4）為了保證高壩抗震安全，我國采取了多種綜合措施，從加強抗震科研，到精心設計、精心施工、加強工程管理以及地震應急預案等，為怒江水電開發(fā)提供重要的科技支撐。

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