新疆克孜尔水库活断层上筑坝实例分析与对策研究

夏新利 翟世龙 陶茂松

(新疆克孜尔水库管理局，新疆库车 842000)

1 引言

克孜尔水库位于地震多发区，工程地质条件复杂，特别是在活动断层上筑坝国内尚属首例。我国著名地质专家、原国家地质部部长李四光先生，对克孜尔水库的工程建设非常关心，曾在1968年12月听取了关于克孜尔水库工程地震地质情况的汇报后指出:ⓐ可以在复杂地震地质条件下建坝，目前选定的坝址是适宜的，坝高以不超过F2断层面的出露高程为宜;ⓑ水库地区的基本烈度为8度，场地烈度主坝定为8.5度，副坝定为8度;ⓒ必须要有一系列措施跟上去，包括水工结构措施，长期观测与科研工作，水库运用措施等方面。

克孜尔水库于1960—1984年前后经过4次大的地质勘察，随着对F2断层活动性调查的进一步深入，最终选择了存在一定抗震危险性的上坝址。选择时主要考虑了以下因素:ⓐ从库区地形及对全流域水量进行控制出发，选克孜尔水库和骆驼脖子水库均能达到目的;ⓑ从地质构造与地震条件出发，选择骆驼脖子水库要优于克孜尔水库，但从文物条件分析，骆驼脖子水库可形成库容较小，只有7000万～8000万m3，对于渭干河多年平均年径流量26亿m3来说，起不到控制流域洪水的目的，要达到克孜尔水库同样的库容，则会淹没部分克孜尔千佛洞，对国家级文物造成破坏，因而，最终选择了具有高地震危险性场地条件的克孜尔水库坝址。

2 区域及近场区地震构造

克孜尔水库位于库车、拜城坳陷与却勒塔格隆起带的接壤处，拜城山字形构造前弧东翼内侧，属南天山地震带中段。该区域新构造活动强烈，历史上曾发生多次7级和6级地震。场地位于库车坳陷南部的却勒塔格新生代弧形褶皱隆起带上［2］(见图1)。区域内有晚更新世以来活动断裂12条(见下页表1)，发育在库车拗陷及其周围地区(见图2)。近场区主要地震构造包括克孜尔断裂、却勒塔格断裂和喀桑托开断裂［4-6］。

图1 库车坳陷地质构造

图2 区域地震构造

表1 区域主要活动断裂统计

3 F2断层活动特征及其对克孜尔水库建坝可行性论证要点分析

克孜尔水库是我国在已探明活断层上建成的第一座大型水库，F2断层活动规律对克孜尔水库的安全性有着重要影响，自克孜尔水库立项论证起，F2活断层的研究便成为各阶段工作的重要组成部分，成为水库建设和管理人员不可回避的核心任务［7］。F2断层的工程地质评价及跨活断层的副坝右坝肩的坝工设计，是该水库最大的工程地质问题和设计工作的重点。及时掌握F2断层活动带的变化规律，是水库合理运行和科学管理的基本前提。

3.1 F2断层与克孜尔水库

克孜尔活断层(F2)横穿库区及副坝(见图3、图4)，是一条全新世活动逆断层，在水库副坝右坝肩处有3个分支面，出露高程1131.50～1153.70m，在库坝区该段长约10km。在F2与F1两条断层之间有迭瓦断层带，地层局部近直立或倒转，层间滑动明显。在南北向压应力作用下，F2断层结构面上分解出垂直结构面的挤压应力和平行结构面的反扭水平应力，表现为跨断层基线逐渐缩短，水准测量中上盘上升、下盘下降，断层两盘相对左旋扭错。

图3 克孜尔水库坝区地质剖面

图4 克孜尔水库大坝与F1、F2断层位置关系

3.2 跨F2断层长系列观测资料分析

为准确了解和掌握天山南缘秋立塔克褶皱山系中次生的F2断层活动特征，验证野外地质工作的论断，指导水库运转，根据李四光先生的建议，1971年设立第一形变站，坐落在副坝二道坝后(向东)50m处的沟坳中，建土木结构观测房，南北向布置跨F2断层［3-4］。自1972年起，开始进行跨断层室内短水准与基线观测，迄今已积累长达42年的水准和35年的基线观测数据，为最终在活断层上建坝提供了宝贵的实证资料。跨断层长系列观测资料按月均值点绘成时间过程线(见图5、图6)，反映了F2断层的垂直和水平应变与时间的关系，对长系列观测资料综合分析可以看出:

图5 水准观测月均值

图6 基线观测月均值

a.F2断层的活动是缓慢的基本匀速的蠕动。其垂直活动自1972年1月—2011年6月累计量为14.90mm，1979年6月—2011年6月水平活动累计缩短量为15.80mm，活动速率中等，工程有效使用期内，活动总量不大，对水库的安全运行不致造成较大影响。

b.观测数据的时序过程线，包括水准和基线均有一个明显的年周期变化，在总体蠕动趋势的情况上，显示出清楚的年变周期。年变周期可能是年内温度变化所引起的热变形现象。

c.1990年水库截流、1991年初期蓄水后，观测数据时序过程线发生转折，速率也有变化。1997年后，才逐渐恢复正常，这是修建水库这一工程活动及水库蓄水引起的，说明F2断层上的地应力处于极限平衡状态。

d.由于水库施工、蓄水等工程活动，致使库坝区应力场和水文地质条件发生改变。这种改变一方面对F2断层活动性产生影响，另一方面致使测站附近上下盘地倾速率发生变化，并直接反映到了长系列观测数据中，致使变形时程曲线形态发生明显的变化［8］。

3.3 F2断层活动方式(运动特性)的判定

依据以下理由可以判断，F2断层的活动方式(运动特性)以蠕变为主。

a.库区及周围小区域(方圆20km)内，自1900年以来，地震活动震级为Ms＜5.60级水平，为地震活动相对平静、稳定地区。

b.F2断层所切穿的地层均为成岩作用较差的第三系泥岩、沙岩。据室内模拟试验和野外原位试验，断层泥的摩擦角 φ=11.5°～19°、黏聚力 c=100～250kPa。新鲜泥岩、沙岩的抗剪强度分别为φ=34°、c=500kPa;φ=35°、c=580kPa。其抗压强度在 9～24MPa之间，岩体强度低、塑性大，不具备积累较强地应力的地质条件。

c.F2断层带是以塑性的挠曲变形为主，断裂变形居次要地位，其分段以不同的变形方式释放能量，一次释放的能量不可能很大。

d.依据断层下盘卵砾石长轴顺力的牵引方向排列，说明卵砾石有时间改变自身的位置，由此推断:断层活动缓慢。

e.跨断层长系列观测资料表明:F2断层确实在发生蠕动变形。

f.在水库施工过程中及水库蓄水后，F2断层变形的时序曲线形态明显改变，说明F2断层应力状态处于极限平衡状态，不可能积累大的构造应力。

g.F2活动断层早期断层面上断层泥的热释温温度为172.10℃，表明断层早期破裂时摩擦温度较高，具有快速粘滑破裂特征;而最新错动的断层泥热释温温度仅为63.70℃，说明断层最新活动时摩擦温度不高，以蠕滑活动为主。

3.4 在工程运行期内F2断层活动量的预测

跨活断层工程设计一个很关键的量，就是断层在工程使用寿命期内，其最大的活动量有多大，是突变量还是缓慢变形量。

前面已经论证F2断层的蠕动变形方式，库坝区F2断层的主活动期在全新世初，现在仅是上次活动的延续，有变弱的趋势［9］。由此，可以推测 F2断层未来10～200年内，仍会按目前的蠕动变形速度活动;未来100～200年的累计垂直活动量约为30.70～61.40mm(已有近40年观测资料证实了该推测)。表2所列为不同震级地震发生几率及伴随地壳变形量。

表2 不同震级地震发生几率及伴随地壳变形量

考虑一种非常不利的情况，F2断层在蠕变过程中，其端部、或其他部位由于断层的活动受到阻碍积累了能量，因而产生黏滑活动。根据F2断层的规模，并与天山南麓其他地震断裂类比，其一次黏滑错动量应在1m以内。

3.5 F2断层对克孜尔水库建坝可行性论证的要点

克孜尔水库是渭干河流域规划中理想的控制工程。1966年进行该工程的初步设计勘测时，明确指出，F2断层至今还在活动，这是克孜尔水库能否修建的关键问题。论证的要点如下:

a.坝址位于拜城山字型构造前弧东翼(或却勒塔格弧形构造东翼)内侧，不是地应力集中的地方。1900年至今，库坝区及方圆20km范围内，地震活动的震级为Ms＜5.6，说明库区及近邻区是一个地震活动相对平静的地区。地震基本烈度Ⅷ度。

b.放弃F2断层通过高坝段的下坝址，选择F2断层通过副坝右坝肩的上坝址，使F2断层对建筑物影响最小。

c.建库前长期跨断层观测资料证明，F2断层的活动方式为蠕变，活动速率中等，预计工程有效使用期内，活动总量不大。

d.当今土石坝设计，可以采取一定措施适应F2断层的蠕动变形。

通过对F2断层的活动性质、活动量进行分析，认为:依据库坝区所处的区域构造部位及当今坝工设计水平，可以建坝。

4 抗震工程措施

大坝的工程抗震措施符合抗震设防要求，具体体现在坝型选择、坝体结构以及将混凝土建筑物全部布设在地质构造相对简单的副坝段等抗震处理方式上。

4.1 克孜尔水库大坝采用的抗震工程措施

a.选择了能适应地震变形的坝型。采用当地材料，选择了黏土心墙砂砾石坝，坝的剖面设计为自愈剖面。采用较缓的坝坡和较宽的坝顶。

b.采用较大的坝顶超高，坝顶超高与坝高比值为0.12，超过8～9度地震区国际上一般取值范围0.042～0.076。

c.采用较宽的心墙。心墙底部宽度达到最大坝高的0.90倍。

d.尽可能挖除坝基中的低含黏量的粉细砂层等软弱地层，对不能挖除的粉细砂层采用强夯处理，避免产生地基液化的可能;心墙建基在第三纪砂岩、泥岩互层上，基岩面上设0.50m的混凝土垫层，基岩用铺盖式固结灌浆加固。

e.针对坝址区内方山等可能因地震引起大体积塌岸和滑坡，并进而可能引起的涌浪，做了专门处理;对位于主副坝连接部的方山以及主坝右坝肩倾倒体作为坝体的一部分进行设计。

f.砂砾石料上游与下游坝壳的浸润线以下部位，压实后的相对紧密度Dr分别采用0.85、0.80，经施工质量检查实际达到的Dr为0.98～0.80，平均0.87，干容重分别达到2.37～2.23 t/m3和2.28t/m3。

g.依据地形，大坝轴线布置采用了向上游弯曲的坝轴线。

h.坝顶与最大地震涌浪爬高间的超高值符合0.50～1.50m的要求。

i.对坝顶、坝与岸坡或与混凝土刚性建筑物的连接部位均有所加强，在防渗体上、下游面均设置了厚反滤层和过滤层，反滤层厚度为3m。

4.2 克孜尔水库大坝采用的抗断设计措施

a.根据主坝区比副坝区地质构造更为复杂的工程地质特点，主坝区只布置了对地基变形适应性强的拦河土坝，而溢洪道、泄洪涵洞、电站引水系统等刚性建筑物均布置在地质构造相对简单的副坝区。

b.在F2断层通过坝段，心墙采用了上下游坡各为1∶1的厚心墙砂砾石坝坝型，坝坡也被适当放缓，上游为1∶3，下游为1∶2.5;在防渗体上、下游面均设置了厚反滤层和过滤层，过滤层厚度为2m，反滤层厚度为3m;黏土贴坡和上、下游反滤层、过滤层分别沿方山边缘延伸，保护渗流出口，黏土贴坡、反滤层以及过渡层厚度的确定均考虑了F2断层发生大量值错动时，不致造成错断破坏。

c.在F2断层通过坝段，心墙主要采用高塑性黏土填筑，以适应F2断层的错动变形。

d.由于F2活动断层带存在发生大量值集中错动的可能，心墙与基岩的接触面如设刚性的混凝土垫层将不能适应这种错动，故在断层带喷沥青层作为心墙底部柔性的垫层。沥青垫层可起到防止心墙受基岩裂隙中渗流集中冲刷的作用。

e.沿F2断层走向，在副坝下游又设置了二道副坝，一端与副坝相接，另一端与方山相接，作为F2断层的第二道防线，副坝与二道副坝之间填砂砾料压实［10］。主要考虑F2活断层错动变形时，防渗体开裂，因二道坝与副坝之间填充的砂砾为无黏性土，不致产生张开裂缝，水流在回填的砂砾石中以渗流的形式出现，平均渗透比降仅为0.05(i=14/270)，具有较好的渗透稳定性，有效防止产生集中渗漏通道，避免溃坝发生，为大坝应急抢险争取时间。

5 问题与讨论

克孜尔水库大坝已安全运行20年，并经历了Ms5.70近场区地震和Ms4.80地震群及两次百年一遇洪水的考验，但地震、地质结构判断及抗震措施的采用是否得当，仍需进一步的时间考验和验证。克孜尔水库在建坝前后，建立了比较多样的观测手段，并积累了大量可贵资料，但仍需进一步总结完善，特别是针对F2断层目前的短视距测量，应增设一条长测线跨过F1和F2断层，以观测背斜带北缘的地壳缩短与垂直变形情况。克孜尔水库的建设实属不得已而为之，但随着国家经济发展和产业结构的调整，在这样特殊地震地质条件下建坝的可能性仍然存在，建议应认真加以总结。■

［1］ 水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计院．新疆渭干河克孜尔水库设计报告［R］．1995．

［2］ 柏美祥，向志勇，胡军，等．却勒塔格活动断裂带的某些特征［J］．内陆地震，2000，14(3)．

［3］ 邓起东，冯先岳，张培震，等．天山活动构造［M］．北京:地震出版社，2000．

［4］ 赵瑞斌，杨主恩，周伟新，等．天山南北两侧山前坳陷带中新生代构造特征与地震［J］．地震地质，2000，22(3)．

［5］ 彭敦复．新疆水利水电工程活断层处理的工程实践［M］．乌鲁木齐:新疆人民出版社，2005．

［6］ 水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘查设计研究院．新疆渭干河克孜尔水库右坝肩防渗工程地质勘查报告［R］．2004．

［7］ 水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘查设计研究院．新疆克孜尔水库大坝安全鉴定——大坝抗震复核报告(水工部分)［R］．2001．

［8］ 新疆防御自然灾害研究所．克孜尔水库地震危险性分析及对策［Z］．1999．

［9］ 李斌，夏新利，等．新疆克孜尔水库F2活动断层活动特征分析［J］．工程地质学报，2009．

［10］ 克孜尔水库——一座建造在活动断层上的大坝编委会．克孜尔水库——一座建造在活动断层上的大坝［M］．乌鲁木齐:新疆科学技术出版社，2011．