水利水電工程區域構造的穩定性

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區域地質，尤其是區域性活斷層是實實在在存在的地質體（地質現象），是關系工程是否可行的根本地質問題，是重大工程的選址（選線）的決定性因素。區域構造穩定是指一個區域范圍內在地球內因及外因作用下的穩定性。區域構造穩定性評價是區域地質評價及影響分析的具體表現及反映。對于區域穩定性，內因及外因兼而有之，有的是在內因基礎上誘發的外因作用，有的是在外因為主的作用下，內因起誘發作用；有的就是內因作用，有的就是外因作用。只不過區域地質研究的范圍廣，涉及的因素多，反映區域地質的圖件比例小，在比較短的時間內，要對區域地質有一個比較全面的客觀認識，并與所研究的工程很好的結合關聯，非常困難。區域穩定性對各類工程建設，特別是大型工程建筑影響極大，是規劃選址階段工程地質勘察研究的主要任務。研究區域穩定性具有實際意義及理論意義［１－５］。只要我們思想高度重視，認真收集各方面的資料，現場仔細調查，全面了解和掌握區域地質概況，正確評價區域構造穩定性及其對工程的影響。區域地質評價及影響分析一般在工程地質勘察報告的區域地質概況章節反映，區域地質條件復雜的需要作專題研究。區域地質部分通常在可研勘察階段給出定論：《水利水電工程地質勘察規范》（ＧＢ５０４８７－２００８）５．１．２可研階段工程地質勘察內容：進行區域構造穩定性研究，確定場地地震參數，并對工程場地的構造穩定性作出評價。

１區域構造穩定性評價的內容

１．１區域構造穩定性評價的范圍ＧＢ５０４８７－２００８中５．２．２區域構造背景研究中水利水電工程區域研究分遠場（壩址周圍半徑不小于１５０ｋｍ的范圍），近場（２５ｋｍ或２０～４０ｋｍ）及工程場區（８ｋｍ）３個圈層。區域構造背景研究的范圍可根據工程場地所在的大地構造單元和地震區（帶）分布特征確定，通常包括壩址所在的Ⅱ、Ⅲ級大地構造單元及相鄰單元的有關地區，以及發生強烈地震對壩址的影響烈度有可能≥６度的地震帶。

１．２區域構造穩定性研究的內容

ＧＢ５０４８７－２００８中５．２．１水利水電工程區域構造穩定性評價評研究有３項內容：１區域構造背景研究；２活斷層及其活動性質判定；３確定地震動參數。研究的具體內容包括沉積建造、巖漿活動、火山活動、變質作用、地球物理場異常、表層和深部構造、區域性活動斷層、現近地殼形變、現代構造應力場、第四紀火山活動情況及地震活動性等。即研究影響區域構造穩定性的因素。區域構造穩定性評價選取主要的影響因素綜合評價。對人類工程活動來說，活動斷裂及其所賦予的地震是區域穩定最重要的研究內容。區域穩定性就是地殼運動的現代活動程度，其活動方式可分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動；另一類是沿斷裂的差異運動，常伴生不同能量的地震。在工程的規劃階段，區域穩定性是首先考慮的問題。一般來說，應盡量避開地震活動區或地震危險帶；通常都要論證工程區斷裂活動與地震發生的可能性以及鄰區發生強烈地震對本區的影響程度。地震的發生具有特定的地質背景。通常大的地震多集中在不同大地構造單元接壤地帶的大斷層上。所以首先要分析工程區所處的大地構造部位，論證工程區斷裂帶兩側的地質發展史以及斷裂帶兩側地貌的發育特征。重點是大斷裂，研究斷裂帶的空間分布，斷裂帶的多期性，斷裂帶的時間性，斷裂的活動性，斷裂的危險性。

１．３區域構造穩定性研究的方法

１．３．１區域構造遠場研究方法

ＧＢ５０４８７－２００８中５．２．２水利水電工程區域構造遠場研究方法：收集資料（不同部位，不同時期的資料，尤其是地震部門、規劃部門、大中型工程的安評資料），進行Ⅱ、Ⅲ大地構造單元和地震區（帶）劃分，復核區域構造與地震震中分布圖。近場收集利用區域地質圖，調查區域性斷裂，鑒定其活動性。工程場區可能存在活動斷層時，應進行壩區專門性地質測繪，評價活斷層對壩址的影響。

１．３．２活動斷層的判定方法

ＧＢ５０４８７－２００８中５．２．３規定活動斷層的判定內容包括：活斷層的識別、活動年代、活動性質、現近活動強度和最大位移速率等。活斷層：晚更新世以來活動過的斷層，活斷層的時間下限由ＧＢ５０２８７—９９規范中的“最后一次錯動年代距今１０萬～１５萬年”改為１０萬年以內。斷裂活動性問題是水工建筑物場地構造穩定性以及進行地震安全性評價的主要依據，也是關系水工建筑物安全的重大問題。５．２．４規定５條活動斷層的直接判據。５．２．５規定活動斷層的３條間接判據。５．２．４規定活動斷層年齡確定方法。活動斷層的測年方法有Ｃ１４、ＥＳＲ法、熱釋光法、電子自旋共振法、鈾系不平衡法、鉀—氬法、裂變徑跡法等，各種方法的適應條件和測年時段不同，應用時要根據實際情況和需求選用。

２區域構造穩定性評價的方法

２．１影響區域構造穩定的因素及區域構造穩定性評價的因子一般情況下，通過對區域構造背景、斷層的活動性、地震危險性分析和水庫誘發地震危險性預測四個方面的詳細工作，就能夠對建設場地的區域構造穩定性得出恰當的評價。選取能夠反映影響區域構造穩定因素的量化指標地震烈度、相應的加速度、現代活動斷層（壩址８ｋｍ活動斷層的長度及是否是Ｍ≥５級的發震構造）、地震活動（近場活動震級及頻次）作為評價因子。

２．２區域構造穩定性評價的方法傳統的區域構造穩定性綜合評價方法是建立在宏觀判斷基礎上的定性評價。在實際工作中，通常是先用定性的綜合分析方法判斷工程場地的構造穩定性等級，再用定量或半定量分析方法進行比較論證。

２．２．１定性評價方法

構造類比和地震地質類比法：主要從大地構造格架、區域性活動斷裂及其次級斷裂的展布、地震活動等方面進行綜合分析評價。工程類比法：在抗震設計和制定抗震措施方面，工程類比法是常用的方法之一。在區域構造穩定性分析評價中，將若干個工程進行宏觀比較，同樣有一定的意義。這是因為當地質工作局限在一個工程的范圍內，有時難免夸大或縮小某些影響因素的作用，面對處于不同構造環境的中的工程進行橫向對比，往往有助于發現本工程評價中存在的問題。

２．２．２定量（半定量）評價方法

這類方法以其對各類工程地質作用和現象、巖土性質和狀態等資料進行定量化數學整理為基礎，使用計算機解決工程地質問題的理論計算方法。通常有數學模型與人工智能方法、數值計算法、物理模擬方法，目前仍處于初步探索階段。

２．３區域構造穩定性分級

區域構造穩定性的分級評價就是根據區域構造穩定性評價的因子的不同組合進行分級，原則就高不就低。區域構造穩定性一般按四級或三級標準劃分，四分法和三分法兩類方案沒有本質上的區別。在水利水電工程的實際使用中，四分法方案中的二、三檔界線較難掌握，評價結果受人的主觀影響大。為了更確切地反映場址在區域構造穩定性上的差異，在《水利水電工程地質勘察規范》（ＧＢ５０２８７－９９）的編寫過程中，結合目前我國水工建筑物抗震設計的水平，以及相應行業規范的規定，提出了穩定性分檔的三分法方案。

２．４工程實例

已建的渭南市澗浴水庫區域地質條件復雜［６］，對區域構造穩定性評價作了專題研究。主要結論：研究區域所處的大地構造單元為中朝準地臺的西南緣，即渭河中斷陷與豫西元臺坳褶斷帶的銜接部位，二者以太華山北側斷裂為界。在壩址周圍２５ｋｍ范圍內發育渭河斷裂，渭南塬前斷，華山山前斷裂３條區域活動斷裂。歷史上的強震均與它們有關，且多發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斷裂有強烈的關系，沿該斷裂晚更新世～全新世斷層十分發育，具有強震活動特征，區域構造穩性差。根據對斷裂活動性分段，活動斷裂發震及未來地震活動趨勢研究，壩址以北赤水—瓜坡一帶有發生５～６級地震的可能性，此段僅距壩址１２ｋｍ。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，其次為渭南潛在震源區，抗震設計時應按近震考慮，工程場地５０ａ超越概率１０％的水平基巖加速度峰值為０．２０７ｇ。壩型選用抗震性能好的面板堆石壩。隴縣段家峽水庫擴建工程［７］工程場地構造穩定性差，因右壩肩發育海源—六盤山—寶鳮活動斷裂，該斷裂為白堊系紅層構造盆地的邊界斷裂，構造多期活動，斷層的東側為中上奧陶統的灰巖，常沿斷裂帶下盤形成一套淺變質蝕變巖及侵入巖。沿斷層帶巖體破碎，巖溶發育，形成滲漏通道。在擴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，早期認為是砂巖，不同的是有玻璃質結構，后取巖樣作磨片鑒定確認為玢巖，系沿著斷層發生的淺成侵入巖）。由于活動斷層的分布于庫壩區，且距水庫及大壩很近，規模較大，活動性強，歷史上在曹家灣曾發生６．０級地震。工程場地區域地質條件復雜，地震裂度高，區域構造穩定性差，未來發生６～７級破壞性地震的危險性是存在的，工程區地震動峰值加速度ａ＝０．１６１ｇ，地震基本烈度Ⅷ度，擴建工程只能暫時擱置。

３區域構造穩定性對水利水電工程的影響

３．１區域構造穩定性

分級對工程影響按三分法方案評價對工程的影響和選址適宜性評價。穩安性好，可不進行抗震設計，適宜；穩定性差，需要進行抗震設計，較適宜；需要加強抗震設計，不宜。《水利水電工程地質勘察規范》（ＧＢ５０４８７－２００８）５．２．８壩（場）址選擇準則：１）壩（場）址不宜選在５０年超越概率１０％的地震動峰值加速度大于或等于０．４０ｇ的強震區。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）在工程的設計基準期內（一般５０～２００ａ），活斷層錯動（包括引起裂地震的突然錯動和無震蠕滑錯動）對工程可能產生的直接破壞。２）由于活斷層突然錯動引發強烈地震動，其巨大動荷載造成水工建筑物結構的破壞，庫岸崩塌或滑坡，軟基液化失效等，影響工程正常運行。

３．３活斷層區建筑物場址選擇

原則通常采用避讓的原則，并且規定安全避讓距離。若重大工程必須在活斷層發育區修建，應選擇相對穩定地段；線狀工程必須通過活動斷層應直交通過；建筑物廠址選擇應避開活動斷層帶；在活斷層區的建筑物應采取與之相適應的建筑形式和結構措施。

４工程場地地震的影響

４．１工程場地地震參數的確定方法

《水利水電工程地質勘察規范》（ＧＢ５０４８７－２００８）５．２．７對工程場地地震參數的確定規定：

（１）壩高大于２００ｍ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％的地震動峰值加速度大于或等于０．１０ｇ地區且壩高大于１５０ｍ的大（１）型工程，應進行場地地震安全性評價工作。

（２）對５０年超越概率１０％的地震動峰值加速度大于或等于０．１０ｇ地區，土石壩壩高超過９０ｍ、混凝土壩及漿砌石壩壩高超過１３０ｍ的其它大型工程，宜進行場地地震安全性評價工作。３）對５０ａ超越概率１０％的地震動峰值加速度大于或等于０．１０ｇ地區的引調水工程的重要建筑物，宜進行場地地震安全性評價工作。

（４）其它大型工程可按現行國家標準《中國地震動參數區劃圖》（ＧＢ１８３０６－２０１５）確定地震參數。

（５）場地地震安全性評價應包括工程使用期限內，不同超越概率水平下，工程場地基巖的地震動參數。

４．２誘震密切工程地質條件

誘震密切工程地質條件主要包括五方面：

（１）巖性，誘發地震的頻率上表現為碳酸鹽巖高，震級花崗巖高；

（２）地應力，地應力決定誘發地震的力學類型；

（３）水文地質條件，庫周隔水層土封閉，高壓水頭易發震；

（４）歷史地震，可發生于歷史地震高水平或弱震區無震區；

（５）壩主與庫容，高壩大庫易發，危險性大。

５結語

（１）區域構造穩定性，對水利水電工程尤為重要。對擬建水利水電工程，必須進行區域構造穩定性研究，確定場地地震參數，并對工程場地的構造穩定性作出評價。

（２）對不同水利水電工程，確定了區域構造穩定性評價的范圍、研究方法、評價內容、評價方法（定性及定量）及地震動參數的確定方法等。

（３）根據對區域構造穩定性評價的分析研究，分析對水利水電工程的影響，根據不同程度的影響，合理科學的指導水利水電工程的選址及建設。

參考文獻

［１］水利水電工程地質勘察規范ＧＢ５０４８７－２００８［Ｓ］．北京．中國計劃出版社．２００８．

［２］水電水利工程水庫區工程地質勘察技術規程ＤＬ／Ｔ５３３６－２００６［Ｓ］．北京．中國計劃出版社．２００６．

［３］巖土工程勘察規范ＧＢ５００２１－２００１（２００９）［Ｓ］．北京．中國建筑工業出版社．２００９．

［４］中小型水利水電工程地質勘察規范ＳＬ５５－２００５［Ｓ］．北京．中國水利水電出版社．２００５．

［５］中國地震動參數區劃圖ＧＢ１８３０６－２０１５［Ｓ］．北京．中國水利水電出版社．２０１５．

［６］劉登貴．渭南市澗浴水庫工程地質勘察報告［Ｒ］．西安：陜西省水利電力勘測設計研究院．２０００．

［７］孫云博．隴縣段家峽水庫擴建工程地質勘察報告［Ｒ］．西安：陜西省水利電力勘測設計研究院．１９９６．

作者:孫云博 孫文植 單位:陜西省水利電力勘測設計研究院