猴子巖水電站水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)

王金生，李清和

（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

猴子巖水電站水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)

王金生，李清和

（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的大渡河干流上，正常蓄水位為1 842.0 m，水庫總庫容7.06億m3，裝機(jī)容量170萬kW。本文從巖性、構(gòu)造、地震活動(dòng)背景定性分析水庫誘發(fā)地震的可能性，然后根據(jù)地質(zhì)環(huán)境類比法定性估算水庫誘發(fā)地震最大震級(jí)，再進(jìn)行水庫誘發(fā)地震的概率預(yù)測(cè)。經(jīng)研究猴子巖水庫蓄水后存在發(fā)生小于或等于4級(jí)的地震的可能，震中烈度低于Ⅶ度。

猴子巖水電站；水庫誘發(fā)地震；概率預(yù)測(cè)

1 概 述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的大渡河干流上，壩址控制流域面積54 036 km2，占全流域面積的69.8%，多年平均流量774 m3／s。正常蓄水位為1 842.00 m，水庫總庫容7.06億m3，裝機(jī)容量170萬kW，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.50 m，目前為世界第二高面板堆石壩。

大渡河猴子巖水電站構(gòu)造上位于鮮水河地震帶和龍門山地震帶的接壤部位，區(qū)域內(nèi)共記載到Ms≥4.7（公元1216年～2004年）的破壞性地震88次，其中7.0～7.9級(jí)地震9次；6.0～6.9級(jí)地震17次；5.0～5.9級(jí)地震46次；4.7～4.9級(jí)地震16次［1～6］。此外，記錄到2.0≤Ms≤4.6級(jí)現(xiàn)代小震（公元1216年～2004年）1 592次。說明場(chǎng)址周圍地震活動(dòng)水平比較高。猴子巖水電站50年超越概率10%水準(zhǔn)時(shí)基巖場(chǎng)地水平峰值加速度為141 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國已建壩高超過100 m的水庫49座，發(fā)震的有10座。庫容大于20億m3水庫37座，有9座發(fā)震。世界上發(fā)生震級(jí)Ms＞5.0級(jí)的水庫地震基本是壩高大于100 m，庫容大于20億m3的水庫。在我國同時(shí)滿足壩高大于100 m、庫容大于20億m3的水庫共有20個(gè)，發(fā)震的有7個(gè)［7～9］。猴子巖水電站壩高232 m，庫容7.06億m3，從統(tǒng)計(jì)資料分析，水庫誘發(fā)地震的可能性較小，考慮到猴子巖電站地震地質(zhì)條件復(fù)雜，仍有必要進(jìn)行了水庫誘發(fā)地震分析預(yù)測(cè)。

2 庫區(qū)誘震環(huán)境影響因素

庫區(qū)屬中高山深切河谷地貌。庫區(qū)內(nèi)山頂海拔一般為3 000 m以上，庫區(qū)右岸分水嶺最高峰海拔為5 482 m，左岸為5 734 m，庫區(qū)河床高程為1 693～1 835 m。庫段河谷狹窄，基巖裸露，谷坡陡峻，為狹窄的“V”形谷，屬典型的高山峽谷河道型水庫，庫長約42 km。

庫區(qū)自下游磨子溝至上游丹巴四道溝口的巖層依次有泥盆系中下統(tǒng)捧達(dá)組（D1－2pd）淺變質(zhì)鈣質(zhì)、泥質(zhì)、白云質(zhì)碳酸鹽巖和泥、砂質(zhì)巖不等厚韻律互層的地層，中上統(tǒng)河心組（D2－3h）白云巖及泥質(zhì)碳酸鹽巖夾少量泥、砂質(zhì)巖，中下統(tǒng)的危關(guān)組（D1－2w）二云（石英）片巖，志留系的通化組（St）片巖－石英巖，奧陶系大河邊組（Od）中－粗粒晶大理巖、條紋－條帶狀大理巖、白云質(zhì)大理巖、結(jié)晶灰?guī)r，震旦系水晶組（Z2s）白云質(zhì)大理巖夾灰黑色二云石英片巖，蜈蚣口組（Z2w）二云片巖、二云石英片巖，木座組（Z1mz）白云母石英片巖－白云母石英淺粒巖、變粒巖及變質(zhì)火山角礫巖，元古界的花崗巖（Ptro）。總體可分為變質(zhì)碎屑巖段及花崗巖段，后者位于庫區(qū)中上段，能儲(chǔ)存高應(yīng)變能并易發(fā)生脆性破裂。

庫區(qū)位于川滇SN向構(gòu)造帶北端，庫區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造形跡以近SN、NNW、NW、NE、NNE向的褶皺和斷裂為主。區(qū)內(nèi)主要弧形斷層有：貝母山斷裂、躍壩－貴強(qiáng)灣斷裂等，南北向構(gòu)造的紅鋒斷裂。貝母山弧形沖斷層：在庫區(qū)中部斜穿大渡河，距離壩址最近距離約4 km，為金湯弧形斷裂系西翼最主要的一條斷裂，走向NNW，傾向NNE，傾角陡，斷裂破碎帶寬約幾十米，斷裂晚更新世以來已不活動(dòng)。躍壩－貴強(qiáng)灣斷裂北西段起于丹巴開頂以西的大渡河右岸，向南東方向延伸經(jīng)溪火溝附近斜穿大渡河，再沿大渡河左岸向南東方向延伸到躍壩，為逆斷層。紅鋒斷裂：走向近SN，波狀彎曲，斷面傾向W或NE，傾角70°，兩盤巖塊破碎糜棱巖化，沿走向切割康定雜巖體和泥盆系為逆沖斷裂。該斷裂位于水庫右岸距壩址最近約2 km，位于庫首及庫中，與大渡河近平行展布。庫區(qū)斷裂晚更新世以來均不具備活動(dòng)性。

利用庫區(qū)周圍的地震震源機(jī)制解和原地應(yīng)力測(cè)量資料來推測(cè)庫區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)情況，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W、NWW方向。根據(jù)樞紐區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平埋深250 m以里，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹40°～70°W，傾角40°～50°，最大主應(yīng)力達(dá)36.43 MPa；最大主應(yīng)力方向與區(qū)域主要構(gòu)造主壓力方向較為接近。因此庫區(qū)山體深部應(yīng)力與樞紐區(qū)地應(yīng)力應(yīng)基本一致，均受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地形自重應(yīng)力場(chǎng)疊加控制。從水庫區(qū)節(jié)理、裂隙測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，壩區(qū)主要為NWW、NW、NE等多組，優(yōu)勢(shì)方位為NE向，為NEE、NNW、NW向等多組，沒有發(fā)育一致優(yōu)勢(shì)方向，說明淺部不同地點(diǎn)的節(jié)理、裂隙發(fā)育方向是受局部應(yīng)力引起的，而不是受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力引起的?？偟膩碚f，庫區(qū)山體淺部主要受局部自重應(yīng)力場(chǎng)控制，深部主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制。

猴子巖水電站地處鮮水河地震帶和龍門山地震帶的接壤部位。根據(jù)地震地質(zhì)條件和歷史地震分析，工程區(qū)內(nèi)不具備強(qiáng)震發(fā)生的地震地質(zhì)背景，歷史及現(xiàn)今地震活動(dòng)以弱震為主，其地震效應(yīng)屬工程區(qū)外圍強(qiáng)震活動(dòng)的波及區(qū)。據(jù)歷史地震調(diào)查，庫區(qū)地震活動(dòng)頻度較高，但地震活動(dòng)的強(qiáng)度較弱，93%為3級(jí)以下地震。

庫區(qū)河谷深切，谷坡陡峻，河谷的強(qiáng)烈下切導(dǎo)致谷坡向臨空方向產(chǎn)生較強(qiáng)烈卸荷。巖體卸荷作用主要沿順坡向中陡傾角裂隙進(jìn)行，在裂隙密集部位卸荷明顯，其卸荷強(qiáng)度一般隨水平深度增加而減弱。卸荷帶深度庫底一般為40～60 m，正常蓄水位處卸荷帶深度一般為80～100 m。

庫區(qū)水文地質(zhì)條件受巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地貌及植被等因素的控制，地下水類型以基巖裂隙水為主，其次為松散巖類孔隙水。水庫區(qū)地下水化學(xué)成分以重碳酸鈣鎂型水、重碳酸硫酸鈣鎂型水為主。本區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要大氣降水，地下水位高于河水位，地下水補(bǔ)給河水。猴子巖水電工程位于高山峽谷地區(qū)，兩岸地下水位遠(yuǎn)高于水庫蓄水位，水庫蓄水后仍然為地下水補(bǔ)給庫水，不存在橫向滲漏問題。但在花崗巖區(qū)，由于水庫蓄水后水位抬高，在岸邊的有限范圍內(nèi)，花崗巖中的節(jié)理、裂隙有可能成為良好的透水通道。

綜上所述，猴子巖水電站庫區(qū)主要為“V”型峽谷，巖性主要為碎屑巖及花崗巖，其中花崗巖巖體較為完整，巖石堅(jiān)硬，有利于存儲(chǔ)彈性能。庫區(qū)斷裂以金湯弧形構(gòu)造及南北向構(gòu)造為主，多為逆沖型，斷層帶擠壓緊密，晚更新以來均不具活動(dòng)性。庫區(qū)淺表部巖體卸荷，其水平深度一般不超過100 m，分析認(rèn)為其導(dǎo)水深度不可能超500 m。庫區(qū)巖體總體基本穩(wěn)定，無大的基巖滑坡。庫區(qū)地震活動(dòng)頻度較高，但地震活動(dòng)的強(qiáng)度較弱，庫區(qū)山體淺部主要受局部自重應(yīng)力場(chǎng)控制，深部主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制，最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹40°～70°W。

3 水庫誘震類型及誘震可能性分析

水庫誘發(fā)地震可分為構(gòu)造型、非構(gòu)造型和混合型三大類，每一大類又可發(fā)震的具體原因和特點(diǎn)分為不同的亞型［19～20］（見表1）。

表1 水庫誘發(fā)地震成因類型分類

常見的水庫誘發(fā)地震有構(gòu)造破裂增強(qiáng)型、巖溶塌陷型和地殼表層卸荷型［20～21］。由于猴子巖水電站庫區(qū)無大規(guī)模碳酸鹽巖分布，巖溶基本不發(fā)育，因此不存在巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震。

構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的判別標(biāo)志包括：

（1）庫壩區(qū)有區(qū)域性和／或地區(qū)性大斷裂通過；

（2）庫壩區(qū)存在活動(dòng)斷裂和／或處于地?zé)岙惓^(qū)；

（3）庫壩區(qū)跨越和／或處于新生代盆地內(nèi)；

（4）庫壩區(qū)存在深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，并能與水庫的水體溝通；

（5）庫壩區(qū)的地震活動(dòng)顯著和／或現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為正斷層或走滑斷層環(huán)境。

地殼表層卸荷型水庫誘發(fā)地震的判別標(biāo)志：

（1）庫壩區(qū)有斷層發(fā)育；

（2）庫壩區(qū)巖體堅(jiān)硬程度較高；

（3）庫壩區(qū)有一定規(guī)模的卸荷應(yīng)力帶［20～21］。

根據(jù)前述猴子巖水電站水庫誘震環(huán)境因素組合分析，構(gòu)造型水庫地震五條判別標(biāo)志中，無1條符合，因此基本不存在誘發(fā)構(gòu)造性地震的可能性。庫壩區(qū)呈“V”字型，岸坡卸荷強(qiáng)烈，存在較大規(guī)模堅(jiān)硬巖體（如花崗巖庫段），且有斷層發(fā)育，判斷存在誘發(fā)地殼表層應(yīng)力調(diào)整型水庫地震的可能。

另外從地質(zhì)角度對(duì)水庫誘發(fā)地震進(jìn)行分析：

（1）巖性與滲漏條件。猴子巖水庫區(qū)與庫水接觸的巖性大部分為碎屑巖庫段，水庫蓄水后不至于發(fā)生水庫誘發(fā)地震。在水庫中上段有花崗巖出露，由于花崗巖在冷卻過程中易產(chǎn)生節(jié)理、裂隙等張性結(jié)構(gòu)面，在地殼抬升及河流下切過程中易產(chǎn)生卸荷裂隙等，因此水庫蓄水后在該段易引起庫水的滲透、卸荷裂隙充水誘發(fā)應(yīng)力調(diào)整型（地殼表層卸荷亞型）地震。

（2）構(gòu)造與滲漏條件。猴子巖水庫區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造形跡以近SN、NW、NE向的褶皺和壓性斷裂為主，水庫區(qū)沒有大規(guī)模的活動(dòng)斷裂通過。庫區(qū)范圍內(nèi)只有貝母山弧形沖斷層和火地等幾條規(guī)模較小的NE向斷層穿過水庫，其它斷裂都不與庫水接觸。斷裂為壓性或壓扭性，由于巖性不利于水的滲漏，蓄水后庫水沿?cái)鄬酉蛏钐帩B透有限。因此，蓄水后由于庫水的滲透引起斷裂活動(dòng)而發(fā)生地震的可能性很小。

從水庫區(qū)節(jié)理、裂隙測(cè)量結(jié)果來看，節(jié)理多屬重力作用下卸荷裂隙為主，受地形控制。節(jié)理發(fā)育沒有統(tǒng)一的優(yōu)勢(shì)方向，說明地表淺層不同地點(diǎn)的節(jié)理、裂隙發(fā)育方向是受局部應(yīng)力引起的，而不是受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力引起的。但斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育規(guī)模有限，巖性又是不利于庫水的滲透，因此畜水后發(fā)生地震的可能性很小。

（3）庫區(qū)地震活動(dòng)背景和應(yīng)力場(chǎng)。猴子巖水庫區(qū)（101°30′～102°20′、31°40′～32°10′）范圍內(nèi)，1970年至今共發(fā)生地震18次。地震震級(jí)均小于4.0級(jí)，最大地震震中距壩址最近5 km，本庫區(qū)地震活動(dòng)是非常微弱的。區(qū)域基本處于以北西西—南東東向水平主壓應(yīng)力與北北東—南南西向水平主張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，庫區(qū)應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向在NW～NWW方向，與地下廠房主應(yīng)力一致。

因此從地質(zhì)角度定性分析猴子巖庫壩區(qū)水庫誘發(fā)地震可能性較小。

4 水庫誘發(fā)地震極限震級(jí)預(yù)測(cè)方法及預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)水庫誘發(fā)地震強(qiáng)度常用方法包括：

（1）類比法。包括工程類比、地震地質(zhì)類比［20］。工程常用的是根據(jù)不同庫段相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境類型進(jìn)行比較，結(jié)合水庫特征等因素綜合考慮，從而定性地評(píng)估各區(qū)段誘發(fā)地震的最大可能強(qiáng)度。一般根據(jù)夏其發(fā)、汪雍熙等編制的水庫誘發(fā)地震地質(zhì)環(huán)境類型表進(jìn)行定性評(píng)估。

（2）經(jīng)驗(yàn)公式法。通常借用震級(jí)與破裂長度相關(guān)公式［20］，也有根據(jù)水庫規(guī)模綜合影響與震級(jí)相關(guān)公式進(jìn)行估計(jì)。后者已不常用，因?yàn)樗畮?要素（壩高、庫容、水庫面積）并不是水庫誘發(fā)地震的決定因素［20］。

（3）統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法。包括概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法、綜合模糊評(píng)判決法、模式識(shí)別法等。其中概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法應(yīng)用最多，其基于貝葉斯概率公式，計(jì)算簡單，結(jié)論較可靠。

下面對(duì)猴子巖電站水庫誘發(fā)地震最大震級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

首先根據(jù)庫區(qū)地震地質(zhì)特征將猴子巖水庫分為庫首段、水庫中段和庫尾段。庫首段從壩址至烏龜石段為碳酸巖及片巖庫段，巖溶不發(fā)育，巖體較堅(jiān)硬，部分軟硬相間；水庫中段為烏龜石至格宗庫段，為花崗巖庫段；格宗至庫尾段為碎屑巖庫段。

先用地質(zhì)環(huán)境類比法，據(jù)夏其發(fā)、汪雍熙等編制的水庫誘發(fā)地震地質(zhì)環(huán)境類型表定性評(píng)估水庫誘發(fā)地震最大震級(jí)。庫首段為裂隙層狀巖體亞型，以微震為主。水庫中段為花崗巖庫段，屬裂隙塊狀巖體亞型，水庫誘發(fā)地震為微震或弱震。庫尾段亦為裂隙層狀巖體亞型，以微震為主。

再進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

水庫誘發(fā)地震（RIS）是多種因素綜合作用的結(jié)果［10～15］。目前尚難找出與那些因素或那種因素存在必然的聯(lián)系，有些因素的確定性也不夠，因此用概率統(tǒng)計(jì)中的貝葉斯方法進(jìn)行研究。研究知道庫深、庫容、應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動(dòng)性、巖性介質(zhì)、地震活動(dòng)背景等六種因素與水庫地震關(guān)系密切，作為統(tǒng)計(jì)因素，其中在巖性介質(zhì)中，為提高精度，把碳酸巖，花崗巖、玄武巖，分別從沉積巖，火成巖中分出來。按誘震的震級(jí)劃分成4類，Ⅰ類是Ms＞5.0級(jí)、Ⅱ類為5.0≥Ms＞4.0、Ⅲ類為4.0≥Ms＞3.0、Ⅳ類為3.0≥Ms［16～19］。

綜合考慮六種誘震因素的發(fā)震概率則公式為：

式中的M和D、V、S、F、R、B分別表示RIS事件震級(jí)和庫深、庫容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動(dòng)性、誘震區(qū)巖性和地震活動(dòng)背景六種因素，每種因素的狀態(tài)范圍列在表2中。P（Mi）＝Ni／N，Ni為發(fā)生i類地震次數(shù)，N為發(fā)生地震的總數(shù)。研究證明D、V、S、F、R和B等六種因素狀態(tài)是相互獨(dú)立的。

根據(jù)已發(fā)震和未發(fā)震的水庫條件，結(jié)合要預(yù)測(cè)水庫的具體條件可計(jì)算出不同震級(jí)的發(fā)震概率，本項(xiàng)工作利用286座深大水庫的資料，其中發(fā)震的水庫有79座。計(jì)算出多因素條件下不同震級(jí)的發(fā)震概率。

按表2中的各因素狀態(tài)，猴子巖電站水庫庫容6.62億m3，庫容因素取V3，庫首段正常蓄水位1 842 m，壩前庫深149 m，取D1，壩址至烏龜石附近約22 km，巖性主要為泥盆系生物灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r、志留系白云巖、千枚巖，巖性因素取R6；庫中段烏龜石至格宗段巖性為花崗巖，巖性因素取R2，庫深因素取D2；庫尾段庫深因素取D3，巖性主要為片巖－石英巖，巖性因素取R6。綜合考慮全庫區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)取S1，斷層晚第四紀(jì)均不活動(dòng)，取F2，地震活動(dòng)背景取B2。

把這三個(gè)庫段的各誘震因素狀態(tài)分別代入（1）式，即可計(jì)算出三個(gè)庫段多因素誘發(fā)不同震級(jí)地震的概率。

通過對(duì)猴子巖水庫誘發(fā)地震可能性分析，以及水庫誘發(fā)地震的概率預(yù)測(cè)，結(jié)果認(rèn)為，猴子巖水庫庫首段從壩址至烏龜石段為碳酸巖庫段，巖溶不發(fā)育，蓄水后存在發(fā)生小于3級(jí)地震的可能；庫中段烏龜石至格宗段為花崗巖庫段，蓄水后存在發(fā)生小于或等于4級(jí)應(yīng)力調(diào)整型地震的可能；庫尾段格宗至庫尾段為碎屑巖庫段，蓄水后存在發(fā)生小于2級(jí)地震的可能。

水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)見圖1。

猴子巖水庫屬于大型水庫，蓄水后存在因應(yīng)力調(diào)整發(fā)生小于或等于4級(jí)的地震的可能，但震級(jí)較小，震中烈度小于Ⅶ度，低于工程場(chǎng)地的地震基本烈度值，對(duì)水工建筑物不會(huì)造成破壞性影響。

5 小 結(jié)

猴子巖水電站庫區(qū)主要為“V”型峽谷，巖性主要為碎屑巖及花崗巖，庫區(qū)無大的大規(guī)模的活動(dòng)斷裂通過，庫區(qū)地震活動(dòng)微弱。其巖性不利于水的滲透，同時(shí)無深部水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，經(jīng)判別庫區(qū)不可能產(chǎn)生構(gòu)造性水庫誘發(fā)地震。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境類比及概率統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)，猴子巖水庫蓄水后存在發(fā)生小于或等于4級(jí)的地震的可能，震中烈度低于Ⅶ度，對(duì)水工建筑物不會(huì)造成破壞性影響。

表2 水庫誘震因素狀態(tài)

圖1 猴子巖水電站水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)

由于目前水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)還處在摸索階段，所謂定量預(yù)測(cè)還只能是半定量甚至是定性的估算［20］，技施階段建議加強(qiáng)天然本底構(gòu)造地震監(jiān)測(cè)，同時(shí)做好蓄水后水庫誘發(fā)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整水庫誘發(fā)地震預(yù)測(cè)結(jié)果，指導(dǎo)庫壩區(qū)抗震設(shè)計(jì)及防治工作。

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1003－9805（2015）02－0089－05

2014－12－22

王金生（1967－），男，湖北蘄春人，高級(jí)工程師，從事水電站地質(zhì)勘察工作。