輸水隧洞賦存活斷層蠕滑位移模式研究

肖成志朱國金楊小龍劉小巖周 輝

(1.河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071； 3.中國科學院大學 北京 100049； 4.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

我國地處亞歐板塊、太平洋板塊、印度洋板塊三大板塊的交接處，同時受三大板塊的影響，地質(zhì)構(gòu)造復雜，且分布著大量活動斷層。為緩解水資源區(qū)域分布不均、西部山區(qū)交通不便等區(qū)域發(fā)展挑戰(zhàn)問題，近些年我國在建和擬建大量交通隧道、引水(輸水)隧洞、能源輸送管路等超長跨區(qū)域線性工程，有些工程線路難以避免穿越活動斷層。這些活斷層蠕滑錯動引起的隧洞圍巖、襯砌、管道等工程結(jié)構(gòu)安全性問題是此類工程建設和運行中的關(guān)鍵難題，而活斷層的錯動位移模式則是相關(guān)結(jié)構(gòu)科學設計的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學者采用試驗和數(shù)值模擬方法研究了穿越活斷層隧洞(道)結(jié)構(gòu)適用性問題，并取得了一些研究成果。何永輝和陳熹[1-2]采用FLAC3D模擬了不同傾角和寬度的正斷層、逆斷層和走滑斷層在不同蠕滑錯動速度和錯動量下隧道結(jié)構(gòu)的破壞機制。劉愷[3]采用有限元方法研究了成蘭鐵路穿越斷層隧道抗斷層位錯問題，分析了斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍和變形位移的分布情況。劉學增[4]通過模型試驗研究了逆斷層錯動對公路隧道的影響規(guī)律，分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主要受拉區(qū)和受壓區(qū)位置?，F(xiàn)有研究多針對具體工程案例開展，多側(cè)重了斷層錯動下工程結(jié)構(gòu)響應問題，而對不同地質(zhì)條件(考慮斷層影響帶、斷層物質(zhì)分區(qū)等)、斷層類型和傾角下的斷層錯動位移模式缺乏系統(tǒng)研究和深入認識。在位移模式辨識不清的情況下進行工程設計將導致設計依據(jù)與目標模糊、運行安全無法保障等現(xiàn)實難題。

對于斷層錯動問題，構(gòu)造地質(zhì)和地震學者從區(qū)域尺度開展了斷層活動特征的研究。薛霆虓[5]用二維模型模擬了幾千年時間尺度內(nèi)走滑斷層的活動，分析了幾何彎曲斷層和幾何平直斷層對地震事件的影響。李煜航[6]利用GPS觀測結(jié)果作為約束，基于三維有限元接觸單元法，研究了大同盆地口泉斷裂的現(xiàn)今活動性及分段特征。Atilla Aydin和James G.Berryman[7]通過大量的野外調(diào)研結(jié)合有效介質(zhì)理論，研究了走滑斷層的發(fā)展過程和巖體的破碎情況及其所導致的巖體物理力學性質(zhì)相應的變化。宮少琦[8]采用設定弱層的方法，模擬了逆沖斷層的錯動。這些研究雖與穿越活動斷層工程關(guān)注的尺度不同，但可為其理解斷層錯動特征提供認識基礎(chǔ)。

針對上述問題，本文首先總結(jié)分析活斷層的地質(zhì)和活動特征，然后以滇中引水工程鳳凰山隧洞所穿越的元謀-綠汁江活斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)為典型，開展不同類型、傾角斷層蠕滑錯動的數(shù)值模擬，同時考慮斷層帶內(nèi)巖體力學參數(shù)分區(qū)，分析相同錯動速度下沿隧洞軸線斷層錯動位移在豎直和水平方向的分布特征及其隨錯動時間的演化特征，最后總結(jié)給出斷層的錯動位移模式。

1 活斷層地質(zhì)與活動特征

穿越活斷層的輸水隧洞、交通隧洞等長線地下工程與活斷層相交，相交洞段賦存于斷層帶內(nèi)，斷層帶上下盤與帶內(nèi)巖體地質(zhì)特征的詳細剖析是研究沿隧洞軸線斷層錯動位移模式的基礎(chǔ)。

1.1 活斷層地質(zhì)特征

表1列出了我國典型活斷層的地質(zhì)特征?？梢?，活斷層結(jié)構(gòu)一般可分為上下盤、影響帶和破碎帶。上下盤巖體較完整，巖性可能相同也可能不同，破碎帶巖體較破碎，巖性、礦物種類繁多且會夾雜一定厚度的斷層泥，大多會呈現(xiàn)分帶特征。如劉備[9]在野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，郯廬斷裂帶安徽段所呈現(xiàn)的破碎型活斷層有分帶特征，自主斷面中心向外依次發(fā)育斷層泥帶、斷層角礫帶與碎裂帶，寬達幾米到幾十米。上下盤和破碎帶之間為存在較多節(jié)理裂隙的影響帶[10]，其力學性質(zhì)處于上下盤和破碎帶之間。

圖1為典型的活斷層地質(zhì)剖面圖，即云南滇中引水工程鳳凰山隧洞所穿越的元謀-綠汁江斷層的地質(zhì)剖面圖。

元謀-綠汁江斷層位于傳統(tǒng)意義上的中國南北地震帶的南西緣。北接磨盤山斷層，南端止于楚雄一建水斷層，展布于米易西昔格達、元謀、一平浪、羅川附近進入綠汁江河谷，到易門三家廠南被北西和北東向斷層切錯，后逐漸消失，總長約 270 km?？傮w走向北東5°，傾向北西，傾角約81°，破碎帶寬約100 m。綜合研究結(jié)果表明，該斷層最新活動時間為晚更新世末期至全新世，其性質(zhì)表現(xiàn)為以左旋剪切走滑為主、局部張剪或壓剪的特征，左旋平均走滑率為1.75～3.25 mm/a。自第四紀以來，該斷層活動特征明顯，并控制了新九、昔格達、紅格、龍街、元謀等斷層沿線的第四紀斷陷盆地的發(fā)育。

表1 我國典型活斷層的地質(zhì)特征Tab.1 Geological condition of several active faults in China

圖1 元謀-綠汁江斷層地質(zhì)剖面Fig.1 Geological section of Yuanmou-Lvzhijiang fault

斷層巖體明確分為上下盤、影響帶和破碎帶。上下盤為中厚-厚層狀泥巖夾砂巖，單軸抗壓強度(Rc)為15～20 MPa，巖體總體完整，結(jié)構(gòu)面一般平直光滑。影響帶巖性與上下盤相同。破碎帶物質(zhì)主要由糜棱巖、碎裂巖、片狀巖，少量磨礫巖、斷層泥及砂巖透鏡體組成，局部見灰黑色炭化糜棱巖，膠結(jié)差的破碎帶寬度為100～150 m。圍巖類別總體為Ⅴ類。

1.2 活斷層錯動速率

活動斷裂帶的蠕滑錯動是一種長期緩慢的錯動，年錯動量一般不大于十幾毫米。表2列出了我國典型活斷層的錯動速率，可見，最大的可達10～15 mm/a，如鮮水河斷裂，最小的僅為0.25 mm/a左右，如雅瑪里克斷層。

表2 我國典型活斷層的錯動速率Tab.2 Sliding rate of several active faults

2 活斷層蠕滑錯動模擬方法

活斷層規(guī)模巨大，斷層結(jié)構(gòu)、蠕滑錯動方式和斷層帶地質(zhì)條件復雜，不同類型斷層因錯動方式和傾角的差異，會對穿越其中的隧洞圍巖及襯砌產(chǎn)生不同的破壞作用。采用數(shù)值模擬方法更便于考慮這些復雜條件、細致剖析錯動位移分布特點。嚴格來講，斷層蠕滑錯動應該采用黏塑性本構(gòu)模型來描述斷層物質(zhì)的變形行為，但鑒于模擬時間、參數(shù)取值及所關(guān)注的問題，現(xiàn)有數(shù)值模擬中多采用上下盤施加恒定的位移速率以實現(xiàn)斷層蠕滑錯動的等效模擬，本文仍借鑒這一方法。

如表1所示，不同斷層上下盤巖性、破碎帶基巖巖性及充填物質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征等均不同，巖體力學參數(shù)相差很大，但對斷層錯動位移模式起決定性作用的是斷層類型、傾角和巖體力學參數(shù)的分區(qū)。同時，盡管不同斷層產(chǎn)生年代、地層巖性和活動類型均不同，斷層帶內(nèi)具體地質(zhì)體差異明顯，但總體結(jié)構(gòu)特征相似，故本文研究中并非具體模擬每一條斷層，而是以元謀-綠汁江斷層莊房箐區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)為典型代表建立活斷層蠕滑錯動數(shù)值模擬方法。

圖2為元謀-綠汁江斷層破碎帶分區(qū)特征及相應的三維地質(zhì)模型。依據(jù)斷層的錯動方式和傾角特征分別建立斷面傾角α為30°，45°的逆斷層，60°，75°傾角的正斷層以及75°，81°，90°傾角的左旋走滑斷層3種類型的斷層模型。

圖2 典型斷層結(jié)構(gòu)與三維地質(zhì)模型(單位尺寸：m)Fig.2 Typical fault structure and three-dimensionalgeological model

依據(jù)元謀—綠汁江斷裂帶地質(zhì)勘察資料的建議，斷裂帶(包括上下盤)13個分區(qū)巖體力學參數(shù)列于表3?？傮w上表現(xiàn)為上下盤巖體力學參數(shù)高于影響帶，并向中心部位逐漸減小，從中心部位到兩側(cè)巖體力學參數(shù)對稱分布。

上下盤巖體均采用線彈性模型，影響帶和破碎帶巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，錯動開始前建立以自重和構(gòu)造為主的初始地應力場。

斷層錯動速度是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵邊界參數(shù)，且由于正斷層具有張拉性質(zhì)，逆斷層具有壓縮性質(zhì)，故斷層錯動速度的設定需要考慮斷層類型。

如表2所示，大多數(shù)斷層的年錯動量最大不超過十幾毫米。本文取表2中的最大值，即15 mm/a。同時，本文在定義上、下盤錯動速度時，為了使逆斷層具有擠壓性質(zhì)，正斷層具有拉伸性質(zhì)，故使X方向的速度vx和Z方向的速度vz的和速度方向與斷層類型相匹配，即逆斷層的合速度方向指向斷面內(nèi)，而正斷層的指向斷面外，如圖2所示。

表3 典型斷層帶巖體的力學參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of rock mass in typical fault

本文所有逆斷層模型的豎向錯動速率vz均為15 mm/a，水平錯動速率vx為32 mm/a，和速度與30°斷層的斷面夾角為5°，與45°斷層斷面夾角為20°；所有正斷層模型的豎向錯動速率vz均為15 mm/a，水平錯動速率vx為10.5 mm/a，和速度與60°斷層的斷面夾角為5°，與75°斷層斷面夾角為20°；所有走滑斷層的水平錯動速率vy為15 mm/a。

3 活斷層蠕滑錯動位移模式研究

活斷層蠕滑錯動計算完成后，取水平穿越斷層沿線的位移分析其分布規(guī)律和模式。

3.1 不同類型斷層的錯動位移模式

圖3～5分別為逆斷層、正斷層和走滑斷層水平和豎直方向的位移分布曲線(位移以沿坐標軸正向為正，負向為負)。可見，逆斷層帶水平向壓縮、豎直向錯動；正斷層帶水平向拉伸、豎直向錯動；走滑斷層只有水平向錯動。

圖3 逆斷層的位移模式Fig.3 Displacement modes of reverse fault

圖4 正斷層位移模式Fig.4 Displacement modes of normal fault

圖5 左旋走滑斷層位移模式Fig.5 Displacement modes of sinistral strike-slip fault

各種類型斷層的模擬結(jié)果均顯示出斷層兩側(cè)上下盤至破碎帶中心位移逐漸降低，總體呈“S”型。在影響帶內(nèi)，位移分布呈線性特征，破碎帶內(nèi)位移呈曲線變化，變化梯度較影響帶顯著增大，在二者接觸部位，位移變化梯度出現(xiàn)拐點，這是破碎帶較影響帶巖體力學參數(shù)低的緣故。換句話說，拐點處位移梯度的差異在于二者力學參數(shù)差異的大小。

在相同錯動速率下，兩種傾角逆斷層的水平和豎直分布曲線完全重合，而不同傾角正斷層和走滑斷層的位移分布曲線差別很小，可忽略不計。故總體來看，斷層傾角對其錯動情況基本無影響。

另外，破碎帶內(nèi)位移變化梯度大，錯動效應表現(xiàn)強烈，對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響顯著。同時，破碎帶與影響帶接觸部位位移梯度出現(xiàn)突變，故應對此處隧洞結(jié)構(gòu)設計應予以重點關(guān)注。

3.2 斷層巖體力學特性分區(qū)對位移模式影響

根據(jù)表1所列多個斷層地質(zhì)構(gòu)造特征的描述，斷層帶巖體力學特性分區(qū)雖然可概化為圖2所示的形式，但斷層形成過程非常復雜，斷層帶內(nèi)物質(zhì)變異性也非常大，具體到某一斷層，其帶內(nèi)巖體分區(qū)并非如此明顯。因此，針對30°逆斷層、60°正斷層和81°左旋走滑斷層，本小節(jié)對斷層巖體力學特性分區(qū)對其錯動位移模式的影響進行探討。

斷層巖體力學特性分區(qū)采用3種模式，即：

(1) 圖4的細化分區(qū)。

(2) 斷層破碎帶采用均一巖體力學參數(shù)(表3中±20～±30區(qū)段參數(shù))，其他部位參數(shù)不變。

(3) 斷層影響帶和破碎帶全部采用同一均質(zhì)化參數(shù)(表1中±30～±40區(qū)段參數(shù))。

各類斷層的模擬結(jié)果分別如圖6～8所示?？梢姡琤分區(qū)模式下斷層錯動位移模式由“S”型變?yōu)椤癦”型，破碎帶內(nèi)位移分布由曲線變?yōu)橹本€。c分區(qū)模式下斷層錯動位移分布均為直線。

圖6 不同巖體分區(qū)模式逆斷層位移模式Fig.6 Displacement modes of reverse faults in differentrock mass subarea modes

圖7 不同巖體分區(qū)模式正斷層位移模式Fig.7 Displacement modes of normal faults in differentrock mass subarea modes

圖8 不同巖體分區(qū)模式左旋走滑斷層位移模式Fig.8 Displacement modes of sinistral strike-slip faultsin different rock mass subarea modes

不同類型斷層的3種斷層帶巖體力學特性分區(qū)模式下錯動位移差列于表4中?？梢?，僅將斷層破碎帶巖體概化為均一巖體所帶來的誤差不大，而將影響帶和破碎帶均概化為同一巖體，所得錯動位移分布將與實際相差較大，故在進行工程結(jié)構(gòu)設計時，不建議采用后者概化方式。

可見，不同斷層帶巖體力學特性分區(qū)表現(xiàn)出的錯動位移模式不同，同一分區(qū)內(nèi)錯動位移分布呈直線型，過于概化斷層帶內(nèi)巖體將給錯動位移分析帶來不可忽視的誤差。

3.3 斷層錯動時間對位移分布的影響

由于隧洞(道)工程的設計使用年限約為100 a，在工程結(jié)構(gòu)運行期間，斷層在不斷錯動發(fā)展，因此，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設計時必須考慮斷層錯動位移分布隨時間的演化特征。本節(jié)針對30°逆斷層、60°正斷層和81°左旋走滑斷層，采用巖體力學特性a分區(qū)模式，計算得到不同時間段斷層錯動位移分布，如圖9～11所示。

表4 巖體力學特性分區(qū)對斷層帶錯動位移的影響Tab.4 Influence of zoning of rock mechanics characteristicson displacement of fault zone

圖9 逆斷層的位移模式隨錯動時間的演化Fig.9 Displacement modes of reverse faults duringdifferent years

圖10 正斷層的位移模式隨錯動時間的演化Fig.10 Displacement modes of normal faults duringdifferent years

由圖9可見，錯動20 a左右30°逆斷層的位移分布與圖3相似：位移梯度變化較為平緩，隨著錯動時間的增加，錯動位移在破碎帶力學性質(zhì)最弱的區(qū)域(斷層位置-10～10 m)集中發(fā)展；50 a后，70%的錯動位移發(fā)生在該區(qū)域；100 a后，則有83%。圖10所示60°正斷層的位移分布與逆斷層相似，但正斷層的位移局部化更加突出，20 a時區(qū)域(-10～10 m)的位移就占總位移的81%;50 a時則占98%。由此可見，對于斷層破碎帶存在明顯力學性質(zhì)分區(qū)的正斷層和逆斷層，結(jié)構(gòu)設計時必須充分重視最弱區(qū)域的結(jié)構(gòu)適應性問題。

圖11 左旋走滑斷層位移模式隨錯動時間的演化Fig.11 Displacement modes of sinistral strike-slip faultsduring different years

圖11為左旋走滑斷層位移分布隨時間的變化曲線，可見，走滑斷層的位移模式不隨時間發(fā)生變化，未顯現(xiàn)位移局部化現(xiàn)象。因此，在工程結(jié)構(gòu)設計時采用統(tǒng)一的位移模式，僅僅考慮隨時間增長位移大小的變化即可。

4 結(jié) 論

針對穿越活斷層隧洞沿線錯動位移模式問題，基于對斷層地質(zhì)構(gòu)造與活動特征的分析，采用數(shù)值方法分析了不同類型、傾角斷層的錯動位移模式，得到了如下結(jié)論。

(1) 逆斷層、正斷層和走滑斷層的水平和豎直錯動位移均呈“S”型，位移模式與斷層傾角關(guān)系不顯著。

(2) 巖體力學特性越弱，錯動位移變化梯度越大，破碎帶內(nèi)位移梯度較影響帶大，在破碎帶和影響帶接觸部位，位移梯度存在拐點，隧洞結(jié)構(gòu)設計時需特別重視。

(3) 不同斷層帶巖體力學特性分區(qū)表現(xiàn)出的錯動位移模式不同:破碎帶為均一巖體并與影響帶不同時，錯動位移呈“Z”型;兩個帶均為同一巖體時，錯動位移呈直線型。

(4) 隨錯動時間的增長，正斷層和逆斷層均會出現(xiàn)位移局部化現(xiàn)象:即破碎帶巖體力學特性明顯分區(qū)時，位移將集中于力學特性最弱的區(qū)域內(nèi);破碎帶巖體力學特性較均一時，位移將集中于破碎帶與影響帶的接觸部位。走滑斷層的位移模式和分布特征不隨錯動時間變化。

致 謝

本研究得到中國科學院青年創(chuàng)新促進會的資助，在此表示感謝！