【摘要】针对近期关于怒江流域地震地质条件复杂､地质灾害风险程度高而反对水电开发的言论,笔者对怒江断裂带进行了研究,对怒江流域进行水电开发而进行的工程抗震问题进行了论述,对修建水库大坝后发生地质灾害的风险水平进行了预测,并介绍了我国高坝抗震安全保证的综合措施｡研究表明:怒江断裂带并非是一条作为欧亚大陆碰撞缝合线的深大断裂;怒江在建设水库大坝后会降低流域内的地质灾害风险水平;在复杂构造带和强震易发区进行工程建设是可行的;在详细的地震安全性评价基础上和细致的工程抗震设计后进行水库大坝的建设是安全的｡
【关键词】怒江;水电开发;地震地质;工程抗震
1 研究背景
近期,对怒江水电开发问题的讨论日趋激烈｡章轲先生在《怒江水电开发扩大化,多位地震专家恐酿巨大灾难》一文中,报道了徐道一､孙文鹏两位地震地质专家的谈话｡两位专家认为怒江流域处于怒江深大断裂带上,地质构造复杂,新构造活动强烈,邻近强震不断发生;河谷区滑坡､泥石流等地质灾害的风险程度高,反对进行水电开发｡如果对怒江进行大规模的水电开发,即将有“小孩走上悬崖”的危险｡章轲先生也从而得出:“怒江水电开发扩大化,多位地震专家恐酿巨大灾难”的结论[1]｡
首先,“水电开发扩大化”,是指某条河流水能水资源储量有限,而计划水电开发量远大于水能储量｡事实上,我国大陆部分水电资源理论蕴藏量为6.944亿kW,居世界之首｡但已开发的水电资源量相对较低,目前仅为25%左右,而世界上发达国家比例均在60%以上｡其中美国为82%,加拿大为65%,德国为73%[2]｡以怒江为例,在我国境内,怒江流域面积125500km2,其中西藏境内为103600km2,云南境内为21900km2｡怒江干流长2020km,其中西藏自治区境内为1401km,云南境内为619km;干流天然落差4848m,其中西藏境内3717m,云南境内113lm｡怒江干流水力资源理论蕴藏量为36407.4MW,其中西藏19307.4MW,云南17100MW;怒江的多年平均流量为2250m3/s[3-5]｡而怒江干流尚未开发一座电站,可见我国怒江的水电开发,不是扩大化,恰恰相反——是非常不足的｡
其次,章轲文中引某些地质专家关于“怒江流域在怒江深大断裂带上,邻近强震不断发生,河谷区有滑坡､泥石流等地质灾害”的论据,得出“不能进行水电开发”的结论｡怒江流域所处地区的地震地质条件如何,怒江断裂带究竟是一条怎样的断裂带?怒江流域修建水库是否会诱发更大的滑坡等地质灾害,在复杂构造断裂带上能否进行工程建设,针对这些问题,有必要进行深入的讨论｡
2 怒江流域云南段地震地质概述
2.1 怒江断裂带云南段怒江云南段
南北展布穿行于横断山脉,西靠高黎贡山,东依怒山(碧罗雪山),河谷高程1500-2500m,两岸山顶高程3500-5000m,相对高差多在2000以上,其北段与东侧一山之隔的澜沧江､金沙江共同构成了著名的三江并流景观,也蕴藏了大量的水能水资源,在卫星地图､地形图上都有明显的表现(图1)｡
滇西南怒江断裂带总体上沿怒江河谷展布,它位于印度板块与欧亚板块东部边界影响地带,青藏高原的东南缘,夹持于腾冲地块与保山地块之间｡该断裂在云南境内长500余km,它北起西藏自治区察隅县瓦龙乡,向南经松塔､丙中洛､贡山､马吉､福贡､碧江､亚碧罗､六库､图1怒江及周边ETM石头寨､赛格､道街西､镇安东､天宁至光坡｡怒江断裂带并不是一条断裂,它是由多条NNW走向至近sN向的断裂组成,是大陆内部的大型活动断裂带｡怒江断裂在六库以南的怒江下游段,断裂大体上沿着怒江西侧高黎贡山东麓延伸,至道街坝附近分为东西两支:东支断裂继续沿怒江西岸呈SN向延伸,一直到龙陵县罕拐南与NEE向的畹町断裂带交汇;西支沿高黎贡山西麓延伸并转为SW向切过高黎贡山直至龙陵县城附近(图2)｡
怒江断裂带是晋宁运动时期伴随高黎贡山复背斜的出现而形成,其后发生过多次的挤压拉张作用,南段的古生代基性火山岩显示了拉张活动迹象｡新近纪以来,随着印度板块与欧亚板块的俯冲碰撞,青藏高原的强烈隆升,印支地块的南东向挤出,怒江断裂带作为协调地块间旋转､走滑､挤出的重要断裂,表现为挤压逆冲性质的右旋走滑断裂｡
多年以来,许多学者将怒江流域与西藏地区班公湖构造带相对比,认为二者在大地构造上同属一个构造带,从而习惯上称之为班公湖一怒江结合带或班公湖一怒江消减带,并认为是一大型的板块结合带或俯冲消减带｡然而,近年来的综合研究不支持怒江断裂云南段是一板块结合带,更不是消减带,这是因为:(1)沿怒江两侧发育的石炭系沉积地层是一个发育在稳定的大陆基底之上的沉积盆地,沉积建造以滨海相和浅海相碳酸盐岩､砂岩和大理岩等盖层沉积,反映本区在石炭纪之前是稳定的大陆边缘环境[6];(2)整个怒江流域不具有结合带或俯冲带所特有的蛇绿混杂岩､高压变质岩,变质作用以中低压变质为主[7];(3)怒江两侧的碧罗雪山和高黎贡山发育大量的中一新生代以来的中酸性岩体,其大地构造环境是较为经典的岛弧环境;(4)区内北一南向韧性走滑剪切带发育;(5)通过跨断裂带的综合地球物理调查表明,“班公湖一怒江缝合带”并不是严格意义上的缝合带,而趋向表明是一个老的弧后拉张区阳[8];(6)遥感影像判读没有发现区域性深大断裂所必需的影像特征｡
因此,云南境内的怒江断裂带,表现了与西藏班公湖一怒江断裂带间的极大差别｡这里虽然也有大断裂存在的许多现象,但缺少断裂深达超过岩石圈深度的证据｡因此,笔者认为在怒江流域并不存在所谓的“深大断裂”,而是与鲜水河断裂带､龙门山断裂带相类似,它的形成是70Ma以来欧亚板块与印度板块的持续碰撞拼合导致青藏高原的隆升所形成的一系列协调上地壳物质挤压变形走滑挤出的浅表型走滑断裂带｡
2.2 怒江云南段地震活动特征
怒江中下游主要位于滇西南地震带内,该地震带位于红河断裂带以西并延伸至境外｡滇西南地震带在我国境内部分又可以划分为腾冲一龙陵地震带､耿马一澜沧地震带和思茅一普洱地震带｡
由于该区域历史地震资料缺失很多,1900年以前仅记录到破坏性地震17次;1900--2006年共发生M≥6级地震52次,最大地震为7.4级｡怒江云南段地震活动周期大约为50a左右,1900年以来共经历了两次地震活跃期,第一次为1906年一1948年,第二次为1976年至今｡对怒江流域云南段有影响的破坏性地震主要分布在该段的南部和区外的东部(如图3)｡南部强震活动主要集中在腾冲､龙陵､耿马等地区,并呈现出NNW向密集分布的特点;东部地震活动水平高强震频繁,主要集中在丽江一大理附近｡地震构造受断裂带分布影响,主要以NNW和Ns向为主,强震多发生于两组构造交汇部位｡
根据最新出版的1:400万《中国地震动峰值加速度区划图》(50年超越概率l0%)[10],中游的松塔-福贡河段地震动峰值加速度为0.109,地震烈度为Ⅶ度;福贡-六库河段地震动峰值加速度为0.159,地震烈度为Ⅶ度;下游河段(六库以下)地震动峰值加速度为0.209-O.309,地震烈度为Ⅷ度(如图4)｡地震烈度小于相邻河流,如龙头水库马吉和松塔的地震烈度为Ⅶ度,而金沙江的龙头水库虎跳峡和澜沧江的龙头水库小湾均为Ⅷ度｡规划报告拟定和推荐的各梯级方案的坝址避开了怒江主干断裂,基本具备成库和建坝条件,松塔和马吉两龙头梯级水库封闭条件好,坝址距怒江主干断裂相对较远,工程地质条件良好,具备修建高坝大库的地形地质条件｡
3 怒江水电开发是否会诱发重大地质灾害
3.1 关于水库诱发地震
水库诱发地震的成因很复杂,至今学术界并没有统一的认识｡但是普遍认为,水库诱发地震是由于水库蓄水而导致了邻近断裂带中地应力状态和环境物理状态的变化,从而引起的地震现象｡需要指出的是,并非每个水库都会诱发地震,而导致灾害性的水库诱发地震更是屈指可数｡根据国际大坝协会的统计,迄2008年为止,我国已建大坝86353座,但是被报道与水库蓄水有关的震例不过20余个,普遍认同的震级超过6级的水库诱发地震只有新丰江大坝(6.1级)｡由此可见水库蓄水引起的地震概率之低｡
2008年5.12汶川大地震发生后,即有媒体报道地震是邻近的紫坪铺水库诱发的,更有甚者说地震是三峡水库诱发的｡谈三峡是诱因的自是无稽之谈;至于紫坪铺水库,地震发生时,水库水位接近死水位,库容很低(约3亿m3),这种状态下根本不可能诱发8级地震｡论及此,不得不再反思水库诱发地震的性质｡地震,是由于地壳运动,发震断层由于持续的地应力积聚达到临界状态而突然发生的断层错动｡水库诱发地震,是由于水库中的流体渗入邻近发震断层而使其应力状态的改变而提前释放应力发生的地震｡故而可以这样认为:水库诱发的一系列的小震,是将该断层可能发生的某次大地震分化瓦解的结果｡假设紫平铺水库真的诱发出了龙门山断裂带上的一系列的小震的话,那么5•12汶川大地震是不是就可以避免了呢?
但是,水利工程的建设不能忽视水库地震的可能性和后果｡在建坝开发水电之前,要对水库区进行详尽的地质勘测,对水库蓄水可能诱发的水库地震进行专门的安全性评价｡此外,对于大的水电工程,例如三峡､溪洛渡等水电站,在建设之前都已布设了水库诱发地震台网对水库影响区进行地震监测,记录水库影响区蓄水前本底地震及蓄水后的地震活动,严密监测水库区地震活动并对其进行科学预警｡综上所述,怒江水电开发中水库诱发地震的风险总体是可控的｡
3.2 关于滑坡泥石流
第四纪以来,滇西北怒江流域区受青藏高原进入强烈抬升阶段,怒江及其各级支流强烈下切,高黎贡山､怒山等几大山脉地形地貌在各种外力地质作用下进行改造和演化｡各种外力地质作用过程产生崩､滑､流危害｡根据动力因素与抗力因素的组合特征和地质灾害发育现状,全区地质灾害发育可归为4个类区:现代冰雪剥蚀区(I)､植被覆盖构造剥蚀地貌区(II)､河谷峡谷荒漠区(Ⅲ)､河谷峡谷植被覆盖区(Ⅳ) [11]｡其中Ⅲ､Ⅳ两区是地质灾害强发区和集中区｡地质灾害的危害程度取决于2方面:①形成地质灾害的自然地质作用强度;②人类活动与地质灾害的关联度｡
怒江流域山高水急,江水带有极大的能量,如果不进行开发利用,它就会依靠不断的冲刷岸坡消耗能量｡所以,造成怒江河谷不断地被深切,因而崩塌､滑坡､泥石流等地质灾害就会经常发生｡这些地质灾害是在怒江河谷不断被深切的情况下,必然会出现的自然现象｡如果人们把怒江的水能用来发电,势必会大大降低水能对岸坡的冲蚀能力,使得怒江河谷的快速深切､发育趋于稳定,最终会大大减少地质灾害的发生｡从总的能量守恒的概念上说,怒江水电开发就是把江水切割岸坡的能量利用起来发电,造福人类｡
此外,在水电站建成之后,由于水库的形成,能够增加周围的水汽,有效地改善周围的局部小气候,有利于植被的快速生长,从而进一步改善环境减少地质灾害的出现｡很多地质灾害的产生原因,与植被遭破坏､水土流失直接相关｡所以,一般来说水电站建成之后到发挥出最佳的地质减灾效果,还要有一段时间｡另一方面,水电开发过程中会对沿岸居民进行开发性移民,流域区人口的减少可以大大降低对区域植被的破坏,从而有效减少了人类活动与地质灾害的关联度｡
所以,笔者认为怒江水电开发之后,崩塌､滑坡､泥石流等地质灾害的发生程度较水电开发前将会有所降低｡
3.3 关于溃坝的可能性
怒江流域属河谷地形,在云南省境内总长度为690km,峡谷两岸的山峰多在海拔3000m以上,具备建水库的条件｡工程规划河段的地质条件好,工程技术难度不大｡怒江中下游河段水量年际变化小,暴雨强度不大,洪水年际变化小,造成溃坝的可能性不大｡即使该工程出现意外,巨大洪水破坝而出,但经过较长距离的狭窄弯曲峡谷的约束､调蓄及消能作用,也会使洪水的流速和流量大大减少,对下游的危害大大降低｡此外,随着地震工程和工程抗震科研工作水平的提高,大坝的安全是可以保证的,下面就对此方面工作进行论述｡
4 怒江水电开发中的工程抗震问题
4.1 已建大坝的抗震情况
大地震只在极震区造成严重破坏,随着震中距的加大,破坏力迅速衰减,建筑物仍有安全之地｡譬如,美国西部与我国西部一样,是复杂地质构造区｡位于圣安德烈斯断裂带附近的旧金山市曾发生过8级特大地震,但旧金山市建设的空前繁荣,而且附近也建设了一定数量的水电站,至今没有发生重大溃坝事件｡美国西部建设的帕克依玛高拱坝,也曾遭受大地震的考验｡1971年2月9日美国圣符安南道(SanFefnando)6.6级地震,地面加速度记录0.59(相当于9度),坝顶记录1.69,仅坝肩岩石出现裂缝,大坝安然无恙｡13本地处太平洋板块和欧亚板块碰撞结合处,其地质构造的复杂程度和强震活动程度远大于我国和美国西部｡但13本建设了一批水电站､核电站｡最近,日本发生罕见的“3•11”9级特大地震和空前的大海啸,只有近震中的5个县受到严重破坏(海啸的破坏力远大于地震),远离震中的地方还是安全的,也没有发生溃坝事故｡
我国大规模的水利水电建设始于20世纪60年代,迄今已有50余年,建成有大型水坝近400座,中型水坝2000余座｡这期间正是我国地震进入活跃期,先后发生几十次强震,有一些坝受到超设计标准地震烈度的考验,虽然出现一些局部损坏,但大坝整体是稳定的,没有发生一座溃坝事故｡2008年汶川8级特大地震发生在龙门山断裂带上,附近建有大､中型水坝30余座,紫坪铺水库就建在距离震中十几公里的地方｡震前一些大､中型水库､水电站,按8度､7度进行了抗震设计,实际遭遇超设计标准的9度､10度和11度的地震｡建筑物仅出现一些局部损坏,但整体上还是稳定的,没有发生倒塌､溃坝,做到了“大震不倒”｡
国内外大坝抗震的事实证明:在龙门山断裂带､怒江断裂带等复杂地质构造带和强震易发区进行工程建设是可行的｡
4.2 工程抗震学的科技支撑
为什么水电站大坝能抵御8､9级高烈度地震而不垮呢?这是为了将地震灾害减少到最低,从20世纪30年代起,在国内外发展起两门新兴学科:工程地震学和抗震工程学｡在这两门新兴学科的基本理论和方法指导下,大大增强了各种工程抗震能力,保证了在地震区工程的抗震安全｡
工程地震学研究地震区里各具体工程地点可能遭受到的地震最大烈度,以便工程设计人员采取经济合理的措施,以确保建筑物安全｡我国在本学科研究中取得了突破性进展,完成了《全国地震烈度区划图》的编制,并且不断修订完善,由确定性向概率的方向发展,由笼统的地震烈度向地震动参数最大加速度和反应谱方向发展｡它不仅为一般工程抗震设计提供了重要的设计参数,更为工程的选址指明了方向｡同时,还为水利水电､核电等重大工程制定了《工程场地地震安全性评价》标准｡规定了工程场地地震安全性评价的工作分级,工作内容和适用对象,以及明确应采用确定性分析和概率分析两种方法互相校正｡通过深入研究,进一步保证评价质量,为重大工程的抗震设计提供科学依据｡
地震安全性评价通过深入勘测研究,只确定活动断裂带的具体分布和活动断裂带上的潜在震源区的位置,并提供可能最大震级和地震动参数:最大加速度､频谱特征､地震持续时间等｡为抗震设计提供重要依据｡工程设计部门依据地震安全性评价报告和其他方面的重要数据,进行选址､规划､勘测､设计,从技术可行性和经济合理性两个方面进行分阶段,由浅人深的设计,充分保证了工程的地震安全性能｡
抗震工程学是根据工程地震学提供的长期地震预报的结果和地震动参数,在国家经济政策的指导下经济､安全又合理地制订兴建工程的抗震设防技术措施｡工程抗震研究以结构动力学和工程力学为基础,研究内容包括建筑材料与地基的动力特性,结构动力特性和结构动力反应以及结构可靠性理论和工程设计等领域｡根据对工程运用期间可能发生的最大地震,确定工程的设计烈度,再按照强震动参数进行抗震计算和采取相应的抗震措施｡当遭遇设计烈度地震时,即可达到小震不坏,中震可修,大震不倒的目标｡国内外水利水电建设和经过大震考验的实践证明:在强烈活动的地震带上,避开活动断层,认真寻找相对稳定的“安全岛”,深入进行地震安全性评价,以及进行精心抗震设计,进行精心施工,遭遇设计烈度地震下,是可以做到大震不倒的｡这对怒江中下游的水电开发工作提供了借鉴和保障｡
4.3 我国高坝抗震安全保证的综合措施
为了保证高坝抗震安全,我国主要采取了以下多种综合措施:(1)国家颁布有关政策法令,依法进行规划､设计､审批､管理;(2)加强科学研究,攻克难关;(3)专门深入研究场地的地震安全性和设计参数,作为抗震设计的可靠依据;(4)按照基建程序进行由浅入深､由面到点,按部就班的流域规划设计;(5)按照多种安全监测规范的要求,在大坝表部和内部埋设有监测地震反应的加速度仪,监测坝体沉陷仪器,位移仪器,应力应变仪器,渗漏量仪器等,多采用自动化记录方式,一旦发生强震,可根据记录数据,迅速判断大坝有无震害并判断震害等级,以便采取相应的应急预案;(6)建全应急预案的组织保证｡
5 结语
(1)滇西南怒江断裂带并非如某些专家所说,是一条深及地幔的具有板块分界性质的深大断裂｡怒江云南段地震多发区集中在南段和东部,规划坝址避开了主干断裂,具备修建水库大坝的地震地质条件;(2)怒江梯级电站的修建,将降低区域内的滑坡､泥石流等地质灾害发生频率;修建水库大坝后可能发生的水库诱发地震和溃坝等风险是可控的;(3)在工程地震学和抗震工程学这两门新兴学科指导下,增强了各种水利工程抵抗地震风险的能力,保证了地震区工程的抗震安全,为科学合理的规划怒江电站坝址提供了理论基础;(4)为了保证高坝抗震安全,我国采取了多种综合措施,从加强抗震科研,到精心设计､精心施工､加强工程管理以及地震应急预案等,为怒江水电开发提供重要的科技支撑｡
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