输水隧洞赋存活断层蠕滑位移模式研究

肖成志朱国金杨小龙刘小岩周 辉

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室，湖北 武汉 430071； 3.中国科学院大学 北京 100049； 4.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

我国地处亚欧板块、太平洋板块、印度洋板块三大板块的交接处，同时受三大板块的影响，地质构造复杂，且分布着大量活动断层。为缓解水资源区域分布不均、西部山区交通不便等区域发展挑战问题，近些年我国在建和拟建大量交通隧道、引水(输水)隧洞、能源输送管路等超长跨区域线性工程，有些工程线路难以避免穿越活动断层。这些活断层蠕滑错动引起的隧洞围岩、衬砌、管道等工程结构安全性问题是此类工程建设和运行中的关键难题，而活断层的错动位移模式则是相关结构科学设计的基础。

国内外学者采用试验和数值模拟方法研究了穿越活断层隧洞(道)结构适用性问题，并取得了一些研究成果。何永辉和陈熹[1-2]采用FLAC3D模拟了不同倾角和宽度的正断层、逆断层和走滑断层在不同蠕滑错动速度和错动量下隧道结构的破坏机制。刘恺[3]采用有限元方法研究了成兰铁路穿越断层隧道抗断层位错问题，分析了断层错动对隧道结构的影响范围和变形位移的分布情况。刘学增[4]通过模型试验研究了逆断层错动对公路隧道的影响规律，分析了隧道衬砌结构的主要受拉区和受压区位置。现有研究多针对具体工程案例开展，多侧重了断层错动下工程结构响应问题，而对不同地质条件(考虑断层影响带、断层物质分区等)、断层类型和倾角下的断层错动位移模式缺乏系统研究和深入认识。在位移模式辨识不清的情况下进行工程设计将导致设计依据与目标模糊、运行安全无法保障等现实难题。

对于断层错动问题，构造地质和地震学者从区域尺度开展了断层活动特征的研究。薛霆虓[5]用二维模型模拟了几千年时间尺度内走滑断层的活动，分析了几何弯曲断层和几何平直断层对地震事件的影响。李煜航[6]利用GPS观测结果作为约束，基于三维有限元接触单元法，研究了大同盆地口泉断裂的现今活动性及分段特征。Atilla Aydin和James G.Berryman[7]通过大量的野外调研结合有效介质理论，研究了走滑断层的发展过程和岩体的破碎情况及其所导致的岩体物理力学性质相应的变化。宫少琦[8]采用设定弱层的方法，模拟了逆冲断层的错动。这些研究虽与穿越活动断层工程关注的尺度不同，但可为其理解断层错动特征提供认识基础。

针对上述问题，本文首先总结分析活断层的地质和活动特征，然后以滇中引水工程凤凰山隧洞所穿越的元谋-绿汁江活断层地质结构为典型，开展不同类型、倾角断层蠕滑错动的数值模拟，同时考虑断层带内岩体力学参数分区，分析相同错动速度下沿隧洞轴线断层错动位移在竖直和水平方向的分布特征及其随错动时间的演化特征，最后总结给出断层的错动位移模式。

1 活断层地质与活动特征

穿越活断层的输水隧洞、交通隧洞等长线地下工程与活断层相交，相交洞段赋存于断层带内，断层带上下盘与带内岩体地质特征的详细剖析是研究沿隧洞轴线断层错动位移模式的基础。

1.1 活断层地质特征

表1列出了我国典型活断层的地质特征。可见，活断层结构一般可分为上下盘、影响带和破碎带。上下盘岩体较完整，岩性可能相同也可能不同，破碎带岩体较破碎，岩性、矿物种类繁多且会夹杂一定厚度的断层泥，大多会呈现分带特征。如刘备[9]在野外调查时发现，郯庐断裂带安徽段所呈现的破碎型活断层有分带特征，自主断面中心向外依次发育断层泥带、断层角砾带与碎裂带，宽达几米到几十米。上下盘和破碎带之间为存在较多节理裂隙的影响带[10]，其力学性质处于上下盘和破碎带之间。

图1为典型的活断层地质剖面图，即云南滇中引水工程凤凰山隧洞所穿越的元谋-绿汁江断层的地质剖面图。

元谋-绿汁江断层位于传统意义上的中国南北地震带的南西缘。北接磨盘山断层，南端止于楚雄一建水断层，展布于米易西昔格达、元谋、一平浪、罗川附近进入绿汁江河谷，到易门三家厂南被北西和北东向断层切错，后逐渐消失，总长约 270 km。总体走向北东5°，倾向北西，倾角约81°，破碎带宽约100 m。综合研究结果表明，该断层最新活动时间为晚更新世末期至全新世，其性质表现为以左旋剪切走滑为主、局部张剪或压剪的特征，左旋平均走滑率为1.75～3.25 mm/a。自第四纪以来，该断层活动特征明显，并控制了新九、昔格达、红格、龙街、元谋等断层沿线的第四纪断陷盆地的发育。

表1 我国典型活断层的地质特征Tab.1 Geological condition of several active faults in China

图1 元谋-绿汁江断层地质剖面Fig.1 Geological section of Yuanmou-Lvzhijiang fault

断层岩体明确分为上下盘、影响带和破碎带。上下盘为中厚-厚层状泥岩夹砂岩，单轴抗压强度(Rc)为15～20 MPa，岩体总体完整，结构面一般平直光滑。影响带岩性与上下盘相同。破碎带物质主要由糜棱岩、碎裂岩、片状岩，少量磨砾岩、断层泥及砂岩透镜体组成，局部见灰黑色炭化糜棱岩，胶结差的破碎带宽度为100～150 m。围岩类别总体为Ⅴ类。

1.2 活断层错动速率

活动断裂带的蠕滑错动是一种长期缓慢的错动，年错动量一般不大于十几毫米。表2列出了我国典型活断层的错动速率，可见，最大的可达10～15 mm/a，如鲜水河断裂，最小的仅为0.25 mm/a左右，如雅玛里克断层。

表2 我国典型活断层的错动速率Tab.2 Sliding rate of several active faults

2 活断层蠕滑错动模拟方法

活断层规模巨大，断层结构、蠕滑错动方式和断层带地质条件复杂，不同类型断层因错动方式和倾角的差异，会对穿越其中的隧洞围岩及衬砌产生不同的破坏作用。采用数值模拟方法更便于考虑这些复杂条件、细致剖析错动位移分布特点。严格来讲，断层蠕滑错动应该采用黏塑性本构模型来描述断层物质的变形行为，但鉴于模拟时间、参数取值及所关注的问题，现有数值模拟中多采用上下盘施加恒定的位移速率以实现断层蠕滑错动的等效模拟，本文仍借鉴这一方法。

如表1所示，不同断层上下盘岩性、破碎带基岩岩性及充填物质、地质结构特征等均不同，岩体力学参数相差很大，但对断层错动位移模式起决定性作用的是断层类型、倾角和岩体力学参数的分区。同时，尽管不同断层产生年代、地层岩性和活动类型均不同，断层带内具体地质体差异明显，但总体结构特征相似，故本文研究中并非具体模拟每一条断层，而是以元谋-绿汁江断层庄房箐区域地质结构为典型代表建立活断层蠕滑错动数值模拟方法。

图2为元谋-绿汁江断层破碎带分区特征及相应的三维地质模型。依据断层的错动方式和倾角特征分别建立断面倾角α为30°，45°的逆断层，60°，75°倾角的正断层以及75°，81°，90°倾角的左旋走滑断层3种类型的断层模型。

图2 典型断层结构与三维地质模型(单位尺寸：m)Fig.2 Typical fault structure and three-dimensionalgeological model

依据元谋—绿汁江断裂带地质勘察资料的建议，断裂带(包括上下盘)13个分区岩体力学参数列于表3。总体上表现为上下盘岩体力学参数高于影响带，并向中心部位逐渐减小，从中心部位到两侧岩体力学参数对称分布。

上下盘岩体均采用线弹性模型，影响带和破碎带岩体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，错动开始前建立以自重和构造为主的初始地应力场。

断层错动速度是数值模拟中的关键边界参数，且由于正断层具有张拉性质，逆断层具有压缩性质，故断层错动速度的设定需要考虑断层类型。

如表2所示，大多数断层的年错动量最大不超过十几毫米。本文取表2中的最大值，即15 mm/a。同时，本文在定义上、下盘错动速度时，为了使逆断层具有挤压性质，正断层具有拉伸性质，故使X方向的速度vx和Z方向的速度vz的和速度方向与断层类型相匹配，即逆断层的合速度方向指向断面内，而正断层的指向断面外，如图2所示。

表3 典型断层带岩体的力学参数Tab.3 Mechanical parameters of rock mass in typical fault

本文所有逆断层模型的竖向错动速率vz均为15 mm/a，水平错动速率vx为32 mm/a，和速度与30°断层的断面夹角为5°，与45°断层断面夹角为20°；所有正断层模型的竖向错动速率vz均为15 mm/a，水平错动速率vx为10.5 mm/a，和速度与60°断层的断面夹角为5°，与75°断层断面夹角为20°；所有走滑断层的水平错动速率vy为15 mm/a。

3 活断层蠕滑错动位移模式研究

活断层蠕滑错动计算完成后，取水平穿越断层沿线的位移分析其分布规律和模式。

3.1 不同类型断层的错动位移模式

图3～5分别为逆断层、正断层和走滑断层水平和竖直方向的位移分布曲线(位移以沿坐标轴正向为正，负向为负)。可见，逆断层带水平向压缩、竖直向错动；正断层带水平向拉伸、竖直向错动；走滑断层只有水平向错动。

图3 逆断层的位移模式Fig.3 Displacement modes of reverse fault

图4 正断层位移模式Fig.4 Displacement modes of normal fault

图5 左旋走滑断层位移模式Fig.5 Displacement modes of sinistral strike-slip fault

各种类型断层的模拟结果均显示出断层两侧上下盘至破碎带中心位移逐渐降低，总体呈“S”型。在影响带内，位移分布呈线性特征，破碎带内位移呈曲线变化，变化梯度较影响带显著增大，在二者接触部位，位移变化梯度出现拐点，这是破碎带较影响带岩体力学参数低的缘故。换句话说，拐点处位移梯度的差异在于二者力学参数差异的大小。

在相同错动速率下，两种倾角逆断层的水平和竖直分布曲线完全重合，而不同倾角正断层和走滑断层的位移分布曲线差别很小，可忽略不计。故总体来看，断层倾角对其错动情况基本无影响。

另外，破碎带内位移变化梯度大，错动效应表现强烈，对隧洞衬砌结构安全性影响显著。同时，破碎带与影响带接触部位位移梯度出现突变，故应对此处隧洞结构设计应予以重点关注。

3.2 断层岩体力学特性分区对位移模式影响

根据表1所列多个断层地质构造特征的描述，断层带岩体力学特性分区虽然可概化为图2所示的形式，但断层形成过程非常复杂，断层带内物质变异性也非常大，具体到某一断层，其带内岩体分区并非如此明显。因此，针对30°逆断层、60°正断层和81°左旋走滑断层，本小节对断层岩体力学特性分区对其错动位移模式的影响进行探讨。

断层岩体力学特性分区采用3种模式，即：

(1) 图4的细化分区。

(2) 断层破碎带采用均一岩体力学参数(表3中±20～±30区段参数)，其他部位参数不变。

(3) 断层影响带和破碎带全部采用同一均质化参数(表1中±30～±40区段参数)。

各类断层的模拟结果分别如图6～8所示。可见，b分区模式下断层错动位移模式由“S”型变为“Z”型，破碎带内位移分布由曲线变为直线。c分区模式下断层错动位移分布均为直线。

图6 不同岩体分区模式逆断层位移模式Fig.6 Displacement modes of reverse faults in differentrock mass subarea modes

图7 不同岩体分区模式正断层位移模式Fig.7 Displacement modes of normal faults in differentrock mass subarea modes

图8 不同岩体分区模式左旋走滑断层位移模式Fig.8 Displacement modes of sinistral strike-slip faultsin different rock mass subarea modes

不同类型断层的3种断层带岩体力学特性分区模式下错动位移差列于表4中。可见，仅将断层破碎带岩体概化为均一岩体所带来的误差不大，而将影响带和破碎带均概化为同一岩体，所得错动位移分布将与实际相差较大，故在进行工程结构设计时，不建议采用后者概化方式。

可见，不同断层带岩体力学特性分区表现出的错动位移模式不同，同一分区内错动位移分布呈直线型，过于概化断层带内岩体将给错动位移分析带来不可忽视的误差。

3.3 断层错动时间对位移分布的影响

由于隧洞(道)工程的设计使用年限约为100 a，在工程结构运行期间，断层在不断错动发展，因此，隧洞衬砌结构设计时必须考虑断层错动位移分布随时间的演化特征。本节针对30°逆断层、60°正断层和81°左旋走滑断层，采用岩体力学特性a分区模式，计算得到不同时间段断层错动位移分布，如图9～11所示。

表4 岩体力学特性分区对断层带错动位移的影响Tab.4 Influence of zoning of rock mechanics characteristicson displacement of fault zone

图9 逆断层的位移模式随错动时间的演化Fig.9 Displacement modes of reverse faults duringdifferent years

图10 正断层的位移模式随错动时间的演化Fig.10 Displacement modes of normal faults duringdifferent years

由图9可见，错动20 a左右30°逆断层的位移分布与图3相似：位移梯度变化较为平缓，随着错动时间的增加，错动位移在破碎带力学性质最弱的区域(断层位置-10～10 m)集中发展；50 a后，70%的错动位移发生在该区域；100 a后，则有83%。图10所示60°正断层的位移分布与逆断层相似，但正断层的位移局部化更加突出，20 a时区域(-10～10 m)的位移就占总位移的81%;50 a时则占98%。由此可见，对于断层破碎带存在明显力学性质分区的正断层和逆断层，结构设计时必须充分重视最弱区域的结构适应性问题。

图11 左旋走滑断层位移模式随错动时间的演化Fig.11 Displacement modes of sinistral strike-slip faultsduring different years

图11为左旋走滑断层位移分布随时间的变化曲线，可见，走滑断层的位移模式不随时间发生变化，未显现位移局部化现象。因此，在工程结构设计时采用统一的位移模式，仅仅考虑随时间增长位移大小的变化即可。

4 结 论

针对穿越活断层隧洞沿线错动位移模式问题，基于对断层地质构造与活动特征的分析，采用数值方法分析了不同类型、倾角断层的错动位移模式，得到了如下结论。

(1) 逆断层、正断层和走滑断层的水平和竖直错动位移均呈“S”型，位移模式与断层倾角关系不显著。

(2) 岩体力学特性越弱，错动位移变化梯度越大，破碎带内位移梯度较影响带大，在破碎带和影响带接触部位，位移梯度存在拐点，隧洞结构设计时需特别重视。

(3) 不同断层带岩体力学特性分区表现出的错动位移模式不同:破碎带为均一岩体并与影响带不同时，错动位移呈“Z”型;两个带均为同一岩体时，错动位移呈直线型。

(4) 随错动时间的增长，正断层和逆断层均会出现位移局部化现象:即破碎带岩体力学特性明显分区时，位移将集中于力学特性最弱的区域内;破碎带岩体力学特性较均一时，位移将集中于破碎带与影响带的接触部位。走滑断层的位移模式和分布特征不随错动时间变化。

致 谢

本研究得到中国科学院青年创新促进会的资助，在此表示感谢！