[00140504]汶川地震中小型水库震害现场调查及预测和评估方法

2008年5月12日发生的汶川Ms8.0级特大地震,造成四川、重庆、陕西、云南、甘肃、贵州、湖北、湖南8省市水库震损2666座。四川省6678座水库大坝中震损1996座,占8省市全部震损水库的75%,震损大坝的绝大多数为土石坝。因此,四川省震损大坝数量最多,最具有代表性。在四川省水库大坝重灾区（绵阳、广元、成都、德阳、雅安）的1723座大坝中,73%的大坝出现不同震害;且50%以上震损水库出现多种震害;全部溃坝险情大坝（69座）、94.5%的高危险情大坝（293座）和55.2%的次高危险情大坝（892座）位于水库大坝重灾区。汶川地震发生后,几乎所有震区水库都被要求空库运行,导致大量水资源的浪费,充分暴露了我国在水库震后应急响应方面缺乏必要的、科学的、技术的有力支持,水库大坝应急抢险措施的安全性、合理性和经济性有待进一步地评估。 截止2015年年底,我国有水库大坝9.8万多座,其中,中小型水库土石坝8.83万座;西部98.6%的水库大坝位于中强地震区;还有普遍渗漏的防洪堤29万多公里,很多堤坝也位于中强地震区。限于当时条件,我国20世纪50-70年代修建的很多坝基未做很好的处理,坝身填筑质量差,由于自然因素和环境的作用以及大坝在建造时遗留的工程隐患,病险水库大坝超过50%,其中90%以上的病险水库大坝为土石坝,经不起强震袭击。我国在建、拟建和已有的土石坝及堤坝工程都不可避免地面临着现实的地震威胁,其地震安全性已成为关系国计民生的重大问题。 因此,结合汶川特大地震灾害,从灾害中学习、在科学上反思,总结经验教训、提升科学认识、发现科学问题、解决科学难题,对我国今后的防震减灾方针、政策以及技术规程制定和指导灾区恢复重建具有重大意义,同时对提升我国防震减灾研究水平和国家影响与地位既是难得的机遇也具有深远的影响。 项目组在国家汶川特大地震现场应急和国家汶川8.0级地震科学考察工作的基础上,在国家公益性行业（地震）科研专项项目（201008005、201008006）、国家自然科学基金项目（51079067）、教育部高校博士学科点专项科研基金项目（20113221110009）和中央级公益性研究所基本科研业务费专项基金项目（2009B06、2014B03）的资助下,历时9年有余,收集、整理和补充调查了翔实的水库工程特性指标、震前运行状况、宏观震害现象及震后应急处置措施等,通过对收集到的珍贵水库土石坝震害资料的详细挖掘,系统总结出了水库土石坝震害与地震烈度、断层分布与走向、场地条件及坝体特性的关系等,揭示了了汶川特大地震土石坝的破坏特征、机理和发展规律,取得了系列创新性突出并获得工程应用的研究成果。该项目的研究成果解决了水库土石坝、尾矿坝和堤坝工程抗震减灾的实际工程问题,推进了岩土工程抗震减灾学科的进步。中国地震学会组织的鉴定专家组认为该项目“总体上达到了国际领先水平”,主要创新成果如下： 1. 结合汶川特大地震现场应急和水库工程震害科学考察,分析了中小型水库工程背景和震害资料,建立了水库震害资料数据库,出版了一部系统、全面、客观真实地反映汶川地震中小型水库震害的历史性资料文献的《汶川地震中小型水库震害与数据库》专著,实现了珍贵的土石坝震害资料的信息化保存,开发了具有自主知识产权的数据库应用软件。 2. 基于现场震害调查资料,采用模糊数学、支持向量分类机等多种分析手段,给出了震损土石坝抗震性能优劣程度的模糊有效性排序方法,首次建立了水库土石坝易损性矩阵,提出了单体和群体土石坝震害预测与震损等级快速评估方法。 3. 在对典型具有溃坝险情的土石坝现场调研与试验研究的基础上,基于交变移动模型,引入饱和度作为状态变量,发展了可连续描述非饱和与饱和土体静动力学特性的本构模型,提出了场地-土石坝体系的三维地震灾变过程数值模拟方法,重现了土石坝的地震破坏过程。 4. 通过对土石坝震害资料的深入挖掘,揭示了汶川特大地震中小型水库土石坝的震害特征、机理及发展规律,建立了土石坝震损评估指标体系,提出了土石坝震害等级分类方法和应急加固对策。 项目成果在《汶川地震后震损水库大坝除损加固方案》的编制、《水工建筑物抗震设计规范》的修订,以及在鹿鸣钼矿、塔吉克帕特鲁金矿、马钢城门峒、西藏甲玛沟等8座尾矿坝和北京密云水库、大渡河梯级电站的泸定水电站、硬梁包水电站,南盘江云鹏水电站、毛尔盖水电站、雅砻江两河口水电站、江苏省句容抽水蓄能电站等18座水库土石坝的地震稳定性分析研究中得到了应用,产生了显著的社会经济效益和影响力。 依托本项目,登记软件著作权3项,出版专著2部,国内外主流期刊上发表论文35篇,其中,2篇论文在国际顶级期刊《Engineering Geology》发表。培养全国优秀科技工作者1名、博士后2名、博士生4名、硕士生6名,获江苏省优秀硕士学位论文1篇。