水利水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性淺析

孫云博，孫文植

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

區(qū)域地質(zhì)，尤其是區(qū)域性活斷層是實(shí)實(shí)在在存在的地質(zhì)體(地質(zhì)現(xiàn)象)，是關(guān)系工程是否可行的根本地質(zhì)問題，是重大工程的選址(選線)的決定性因素。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定是指一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)在地球內(nèi)因及外因作用下的穩(wěn)定性。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)是區(qū)域地質(zhì)評價(jià)及影響分析的具體表現(xiàn)及反映。對于區(qū)域穩(wěn)定性，內(nèi)因及外因兼而有之，有的是在內(nèi)因基礎(chǔ)上誘發(fā)的外因作用，有的是在外因?yàn)橹鞯淖饔孟?，?nèi)因起誘發(fā)作用；有的就是內(nèi)因作用，有的就是外因作用。只不過區(qū)域地質(zhì)研究的范圍廣，涉及的因素多，反映區(qū)域地質(zhì)的圖件比例小，在比較短的時(shí)間內(nèi)，要對區(qū)域地質(zhì)有一個(gè)比較全面的客觀認(rèn)識，并與所研究的工程很好的結(jié)合關(guān)聯(lián)，非常困難。區(qū)域穩(wěn)定性對各類工程建設(shè)，特別是大型工程建筑影響極大，是規(guī)劃選址階段工程地質(zhì)勘察研究的主要任務(wù)。研究區(qū)域穩(wěn)定性具有實(shí)際意義及理論意義[1-5]。只要我們思想高度重視，認(rèn)真收集各方面的資料，現(xiàn)場仔細(xì)調(diào)查，全面了解和掌握區(qū)域地質(zhì)概況，正確評價(jià)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性及其對工程的影響。區(qū)域地質(zhì)評價(jià)及影響分析一般在工程地質(zhì)勘察報(bào)告的區(qū)域地質(zhì)概況章節(jié)反映，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜的需要作專題研究。

區(qū)域地質(zhì)部分通常在可研勘察階段給出定論：《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)5.1.2可研階段工程地質(zhì)勘察內(nèi)容：進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究，確定場地地震參數(shù)，并對工程場地的構(gòu)造穩(wěn)定性作出評價(jià)。

1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的內(nèi)容

1.1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的范圍

GB50487-2008中5.2.2區(qū)域構(gòu)造背景研究中水利水電工程區(qū)域研究分遠(yuǎn)場(壩址周圍半徑不小于150 km的范圍)，近場(25 km或20 ～40 km)及工程場區(qū)(8 km)3個(gè)圈層。區(qū)域構(gòu)造背景研究的范圍可根據(jù)工程場地所在的大地構(gòu)造單元和地震區(qū)(帶)分布特征確定，通常包括壩址所在的Ⅱ、Ⅲ級大地構(gòu)造單元及相鄰單元的有關(guān)地區(qū)，以及發(fā)生強(qiáng)烈地震對壩址的影響烈度有可能≥6度的地震帶。

1.2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究的內(nèi)容

GB50487-2008中5.2.1水利水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)評研究有3項(xiàng)內(nèi)容：1區(qū)域構(gòu)造背景研究；2活斷層及其活動(dòng)性質(zhì)判定；3確定地震動(dòng)參數(shù)。

研究的具體內(nèi)容包括沉積建造、巖漿活動(dòng)、火山活動(dòng)、變質(zhì)作用、地球物理場異常、表層和深部構(gòu)造、區(qū)域性活動(dòng)斷層、現(xiàn)近地殼形變、現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場、第四紀(jì)火山活動(dòng)情況及地震活動(dòng)性等。即研究影響區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的因素。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)選取主要的影響因素綜合評價(jià)。

對人類工程活動(dòng)來說，活動(dòng)斷裂及其所賦予的地震是區(qū)域穩(wěn)定最重要的研究內(nèi)容。區(qū)域穩(wěn)定性就是地殼運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)代活動(dòng)程度，其活動(dòng)方式可分2類：一類是大面積的掀科或升降，多屬長期的緩慢窿起或拗陷運(yùn)動(dòng)；另一類是沿?cái)嗔训牟町愡\(yùn)動(dòng)，常伴生不同能量的地震。在工程的規(guī)劃階段，區(qū)域穩(wěn)定性是首先考慮的問題。一般來說，應(yīng)盡量避開地震活動(dòng)區(qū)或地震危險(xiǎn)帶；通常都要論證工程區(qū)斷裂活動(dòng)與地震發(fā)生的可能性以及鄰區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈地震對本區(qū)的影響程度。地震的發(fā)生具有特定的地質(zhì)背景。通常大的地震多集中在不同大地構(gòu)造單元接壤地帶的大斷層上。所以首先要分析工程區(qū)所處的大地構(gòu)造部位，論證工程區(qū)斷裂帶兩側(cè)的地質(zhì)發(fā)展史以及斷裂帶兩側(cè)地貌的發(fā)育特征。重點(diǎn)是大斷裂，研究斷裂帶的空間分布，斷裂帶的多期性，斷裂帶的時(shí)間性，斷裂的活動(dòng)性，斷裂的危險(xiǎn)性。

1.3 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究的方法

1.3.1 區(qū)域構(gòu)造遠(yuǎn)場研究方法

GB50487-2008中5.2.2水利水電工程區(qū)域構(gòu)造遠(yuǎn)場研究方法：收集資料(不同部位，不同時(shí)期的資料，尤其是地震部門、規(guī)劃部門、大中型工程的安評資料)，進(jìn)行Ⅱ、Ⅲ大地構(gòu)造單元和地震區(qū)(帶)劃分，復(fù)核區(qū)域構(gòu)造與地震震中分布圖。近場收集利用區(qū)域地質(zhì)圖，調(diào)查區(qū)域性斷裂，鑒定其活動(dòng)性。工程場區(qū)可能存在活動(dòng)斷層時(shí)，應(yīng)進(jìn)行壩區(qū)專門性地質(zhì)測繪，評價(jià)活斷層對壩址的影響。

1.3.2 活動(dòng)斷層的判定方法

GB50487-2008中5.2.3規(guī)定活動(dòng)斷層的判定內(nèi)容包括：活斷層的識別、活動(dòng)年代、活動(dòng)性質(zhì)、現(xiàn)近活動(dòng)強(qiáng)度和最大位移速率等。活斷層：晚更新世以來活動(dòng)過的斷層，活斷層的時(shí)間下限由GB50287—99規(guī)范中的“最后一次錯(cuò)動(dòng)年代距今10萬～15萬年” 改為10萬年以內(nèi)。斷裂活動(dòng)性問題是水工建筑物場地構(gòu)造穩(wěn)定性以及進(jìn)行地震安全性評價(jià)的主要依據(jù)，也是關(guān)系水工建筑物安全的重大問題。5.2.4規(guī)定5條活動(dòng)斷層的直接判據(jù)。5.2.5規(guī)定活動(dòng)斷層的3條間接判據(jù)。5.2.4規(guī)定活動(dòng)斷層年齡確定方法?；顒?dòng)斷層的測年方法有C14、ESR法、熱釋光法、電子自旋共振法、鈾系不平衡法、鉀—?dú)宸?、裂變徑跡法等，各種方法的適應(yīng)條件和測年時(shí)段不同，應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況和需求選用。

2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的方法

2.1 影響區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定的因素及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的因子

一般情況下，通過對區(qū)域構(gòu)造背景、斷層的活動(dòng)性、地震危險(xiǎn)性分析和水庫誘發(fā)地震危險(xiǎn)性預(yù)測四個(gè)方面的詳細(xì)工作，就能夠?qū)ㄔO(shè)場地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性得出恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)。選取能夠反映影響區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定因素的量化指標(biāo)地震烈度、相應(yīng)的加速度、現(xiàn)代活動(dòng)斷層(壩址8 km活動(dòng)斷層的長度及是否是M≥5級的發(fā)震構(gòu)造)、地震活動(dòng)(近場活動(dòng)震級及頻次)作為評價(jià)因子。

2.2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的方法

傳統(tǒng)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性綜合評價(jià)方法是建立在宏觀判斷基礎(chǔ)上的定性評價(jià)。在實(shí)際工作中，通常是先用定性的綜合分析方法判斷工程場地的構(gòu)造穩(wěn)定性等級，再用定量或半定量分析方法進(jìn)行比較論證。

2.2.1 定性評價(jià)方法

構(gòu)造類比和地震地質(zhì)類比法：主要從大地構(gòu)造格架、區(qū)域性活動(dòng)斷裂及其次級斷裂的展布、地震活動(dòng)等方面進(jìn)行綜合分析評價(jià)。

工程類比法：在抗震設(shè)計(jì)和制定抗震措施方面，工程類比法是常用的方法之一。在區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分析評價(jià)中，將若干個(gè)工程進(jìn)行宏觀比較，同樣有一定的意義。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)刭|(zhì)工作局限在一個(gè)工程的范圍內(nèi)，有時(shí)難免夸大或縮小某些影響因素的作用，面對處于不同構(gòu)造環(huán)境的中的工程進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，往往有助于發(fā)現(xiàn)本工程評價(jià)中存在的問題。

2.2.2 定量(半定量)評價(jià)方法

這類方法以其對各類工程地質(zhì)作用和現(xiàn)象、巖土性質(zhì)和狀態(tài)等資料進(jìn)行定量化數(shù)學(xué)整理為基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)解決工程地質(zhì)問題的理論計(jì)算方法。通常有數(shù)學(xué)模型與人工智能方法 、數(shù)值計(jì)算法、物理模擬方法，目前仍處于初步探索階段。

2.3 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分級

區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的分級評價(jià)就是根據(jù)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的因子的不同組合進(jìn)行分級，原則就高不就低。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性一般按四級或三級標(biāo)準(zhǔn)劃分，四分法和三分法兩類方案沒有本質(zhì)上的區(qū)別。在水利水電工程的實(shí)際使用中，四分法方案中的二、三檔界線較難掌握，評價(jià)結(jié)果受人的主觀影響大。為了更確切地反映場址在區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性上的差異，在《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-99)的編寫過程中，結(jié)合目前我國水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的水平，以及相應(yīng)行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，提出了穩(wěn)定性分檔的三分法方案。

2.4 工程實(shí)例

已建的渭南市澗浴水庫區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜[6]，對區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)作了專題研究。主要結(jié)論：研究區(qū)域所處的大地構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺的西南緣，即渭河中斷陷與豫西元臺坳褶斷帶的銜接部位，二者以太華山北側(cè)斷裂為界。在壩址周圍25 km范圍內(nèi)發(fā)育渭河斷裂，渭南塬前斷，華山山前斷裂3條區(qū)域活動(dòng)斷裂。歷史上的強(qiáng)震均與它們有關(guān)，且多發(fā)生于上述斷裂的交匯部位，1556年華縣8.25級大地震與太華北側(cè)斷裂有強(qiáng)烈的關(guān)系，沿該斷裂晚更新世～全新世斷層十分發(fā)育，具有強(qiáng)震活動(dòng)特征，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)性差。根據(jù)對斷裂活動(dòng)性分段，活動(dòng)斷裂發(fā)震及未來地震活動(dòng)趨勢研究，壩址以北赤水—瓜坡一帶有發(fā)生5～6級地震的可能性，此段僅距壩址12 km。工程場地未來50年超越概率10%的地震烈度為Ⅷ度，對工程場地影響最大潛在震源為華縣潛在震源區(qū)，其次為渭南潛在震源區(qū)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按近震考慮，工程場地50 a超越概率10%的水平基巖加速度峰值為0.207 g。壩型選用抗震性能好的面板堆石壩。

隴縣段家峽水庫擴(kuò)建工程[7]工程場地構(gòu)造穩(wěn)定性差，因右壩肩發(fā)育海源—六盤山—寶鳮活動(dòng)斷裂，該斷裂為白堊系紅層構(gòu)造盆地的邊界斷裂，構(gòu)造多期活動(dòng)，斷層的東側(cè)為中上奧陶統(tǒng)的灰?guī)r，常沿?cái)嗔褞卤P形成一套淺變質(zhì)蝕變巖及侵入巖。沿?cái)鄬訋r體破碎，巖溶發(fā)育，形成滲漏通道。在擴(kuò)建工程勘察中因斷層帶中的淺成侵入玢巖的確定(外觀似灰綠色砂巖，早期認(rèn)為是砂巖，不同的是有玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，后取巖樣作磨片鑒定確認(rèn)為玢巖，系沿著斷層發(fā)生的淺成侵入巖)。由于活動(dòng)斷層的分布于庫壩區(qū)，且距水庫及大壩很近，規(guī)模較大，活動(dòng)性強(qiáng)，歷史上在曹家灣曾發(fā)生6.0級地震。工程場地區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地震裂度高，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，未來發(fā)生6～7級破壞性地震的危險(xiǎn)性是存在的，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度a=0.161 g，地震基本烈度Ⅷ度，擴(kuò)建工程只能暫時(shí)擱置。

3 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性對水利水電工程的影響

3.1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分級對工程影響

按三分法方案評價(jià)對工程的影響和選址適宜性評價(jià)。穩(wěn)安性好，可不進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，適宜；穩(wěn)定性差，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，較適宜；需要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，不宜。

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)5.2.8壩(場)址選擇準(zhǔn)則：1)壩(場)址不宜選在50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度大于或等于0.40 g的強(qiáng)震區(qū)。2)大壩等主體建筑物不宜建在活斷層上。

3.2 活斷層對工程的影響

活斷層對工程的影響對工程的影響主要表觀在以下2方面：1)在工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)(一般50～200 a)，活斷層錯(cuò)動(dòng)(包括引起裂地震的突然錯(cuò)動(dòng)和無震蠕滑錯(cuò)動(dòng))對工程可能產(chǎn)生的直接破壞。2)由于活斷層突然錯(cuò)動(dòng)引發(fā)強(qiáng)烈地震動(dòng)，其巨大動(dòng)荷載造成水工建筑物結(jié)構(gòu)的破壞，庫岸崩塌或滑坡，軟基液化失效等，影響工程正常運(yùn)行。

3.3 活斷層區(qū)建筑物場址選擇原則

通常采用避讓的原則，并且規(guī)定安全避讓距離。若重大工程必須在活斷層發(fā)育區(qū)修建，應(yīng)選擇相對穩(wěn)定地段；線狀工程必須通過活動(dòng)斷層應(yīng)直交通過； 建筑物廠址選擇應(yīng)避開活動(dòng)斷層帶；在活斷層區(qū)的建筑物應(yīng)采取與之相適應(yīng)的建筑形式和結(jié)構(gòu)措施。

4 工程場地地震的影響

4.1 工程場地地震參數(shù)的確定方法

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)5.2.7對工程場地地震參數(shù)的確定規(guī)定：1)壩高大于200 m的工程或庫容大于10×109m3的大(1)型工程，以及50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度大于或等于0.10 g地區(qū)且壩高大于150 m的大(1)型工程，應(yīng)進(jìn)行場地地震安全性評價(jià)工作。2)對50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度大于或等于0.10 g地區(qū)，土石壩壩高超過90 m、混凝土壩及漿砌石壩壩高超過130 m的其它大型工程，宜進(jìn)行場地地震安全性評價(jià)工作。3)對50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度大于或等于0.10 g地區(qū)的引調(diào)水工程的重要建筑物，宜進(jìn)行場地地震安全性評價(jià)工作。4)其它大型工程可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)確定地震參數(shù)。5)場地地震安全性評價(jià)應(yīng)包括工程使用期限內(nèi)，不同超越概率水平下，工程場地基巖的地震動(dòng)參數(shù)。

4.2 誘震密切工程地質(zhì)條件

誘震密切工程地質(zhì)條件主要包括五方面：1)巖性，誘發(fā)地震的頻率上表現(xiàn)為碳酸鹽巖高，震級花崗巖高；2)地應(yīng)力，地應(yīng)力決定誘發(fā)地震的力學(xué)類型；3)水文地質(zhì)條件，庫周隔水層土封閉，高壓水頭易發(fā)震；4)歷史地震，可發(fā)生于歷史地震高水平或弱震區(qū)無震區(qū)；5)壩主與庫容，高壩大庫易發(fā)，危險(xiǎn)性大。

5 結(jié)語

(1)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性，對水利水電工程尤為重要。對擬建水利水電工程，必須進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究，確定場地地震參數(shù)，并對工程場地的構(gòu)造穩(wěn)定性作出評價(jià)。

(2)對不同水利水電工程，確定了區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的范圍、研究方法、評價(jià)內(nèi)容、評價(jià)方法(定性及定量)及地震動(dòng)參數(shù)的確定方法等。

(3)根據(jù)對區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)的分析研究，分析對水利水電工程的影響，根據(jù)不同程度的影響，合理科學(xué)的指導(dǎo)水利水電工程的選址及建設(shè)。