水利水电工程区域构造稳定性浅析

孙云博，孙文植

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

区域地质，尤其是区域性活断层是实实在在存在的地质体(地质现象)，是关系工程是否可行的根本地质问题，是重大工程的选址(选线)的决定性因素。区域构造稳定是指一个区域范围内在地球内因及外因作用下的稳定性。区域构造稳定性评价是区域地质评价及影响分析的具体表现及反映。对于区域稳定性，内因及外因兼而有之，有的是在内因基础上诱发的外因作用，有的是在外因为主的作用下，内因起诱发作用；有的就是内因作用，有的就是外因作用。只不过区域地质研究的范围广，涉及的因素多，反映区域地质的图件比例小，在比较短的时间内，要对区域地质有一个比较全面的客观认识，并与所研究的工程很好的结合关联，非常困难。区域稳定性对各类工程建设，特别是大型工程建筑影响极大，是规划选址阶段工程地质勘察研究的主要任务。研究区域稳定性具有实际意义及理论意义[1-5]。只要我们思想高度重视，认真收集各方面的资料，现场仔细调查，全面了解和掌握区域地质概况，正确评价区域构造稳定性及其对工程的影响。区域地质评价及影响分析一般在工程地质勘察报告的区域地质概况章节反映，区域地质条件复杂的需要作专题研究。

区域地质部分通常在可研勘察阶段给出定论：《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)5.1.2可研阶段工程地质勘察内容：进行区域构造稳定性研究，确定场地地震参数，并对工程场地的构造稳定性作出评价。

1 区域构造稳定性评价的内容

1.1 区域构造稳定性评价的范围

GB50487-2008中5.2.2区域构造背景研究中水利水电工程区域研究分远场(坝址周围半径不小于150 km的范围)，近场(25 km或20 ～40 km)及工程场区(8 km)3个圈层。区域构造背景研究的范围可根据工程场地所在的大地构造单元和地震区(带)分布特征确定，通常包括坝址所在的Ⅱ、Ⅲ级大地构造单元及相邻单元的有关地区，以及发生强烈地震对坝址的影响烈度有可能≥6度的地震带。

1.2 区域构造稳定性研究的内容

GB50487-2008中5.2.1水利水电工程区域构造稳定性评价评研究有3项内容：1区域构造背景研究；2活断层及其活动性质判定；3确定地震动参数。

研究的具体内容包括沉积建造、岩浆活动、火山活动、变质作用、地球物理场异常、表层和深部构造、区域性活动断层、现近地壳形变、现代构造应力场、第四纪火山活动情况及地震活动性等。即研究影响区域构造稳定性的因素。区域构造稳定性评价选取主要的影响因素综合评价。

对人类工程活动来说，活动断裂及其所赋予的地震是区域稳定最重要的研究内容。区域稳定性就是地壳运动的现代活动程度，其活动方式可分2类：一类是大面积的掀科或升降，多属长期的缓慢窿起或拗陷运动；另一类是沿断裂的差异运动，常伴生不同能量的地震。在工程的规划阶段，区域稳定性是首先考虑的问题。一般来说，应尽量避开地震活动区或地震危险带；通常都要论证工程区断裂活动与地震发生的可能性以及邻区发生强烈地震对本区的影响程度。地震的发生具有特定的地质背景。通常大的地震多集中在不同大地构造单元接壤地带的大断层上。所以首先要分析工程区所处的大地构造部位，论证工程区断裂带两侧的地质发展史以及断裂带两侧地貌的发育特征。重点是大断裂，研究断裂带的空间分布，断裂带的多期性，断裂带的时间性，断裂的活动性，断裂的危险性。

1.3 区域构造稳定性研究的方法

1.3.1 区域构造远场研究方法

GB50487-2008中5.2.2水利水电工程区域构造远场研究方法：收集资料(不同部位，不同时期的资料，尤其是地震部门、规划部门、大中型工程的安评资料)，进行Ⅱ、Ⅲ大地构造单元和地震区(带)划分，复核区域构造与地震震中分布图。近场收集利用区域地质图，调查区域性断裂，鉴定其活动性。工程场区可能存在活动断层时，应进行坝区专门性地质测绘，评价活断层对坝址的影响。

1.3.2 活动断层的判定方法

GB50487-2008中5.2.3规定活动断层的判定内容包括：活断层的识别、活动年代、活动性质、现近活动强度和最大位移速率等。活断层：晚更新世以来活动过的断层，活断层的时间下限由GB50287—99规范中的“最后一次错动年代距今10万～15万年” 改为10万年以内。断裂活动性问题是水工建筑物场地构造稳定性以及进行地震安全性评价的主要依据，也是关系水工建筑物安全的重大问题。5.2.4规定5条活动断层的直接判据。5.2.5规定活动断层的3条间接判据。5.2.4规定活动断层年龄确定方法。活动断层的测年方法有C14、ESR法、热释光法、电子自旋共振法、铀系不平衡法、钾—氩法、裂变径迹法等，各种方法的适应条件和测年时段不同，应用时要根据实际情况和需求选用。

2 区域构造稳定性评价的方法

2.1 影响区域构造稳定的因素及区域构造稳定性评价的因子

一般情况下，通过对区域构造背景、断层的活动性、地震危险性分析和水库诱发地震危险性预测四个方面的详细工作，就能够对建设场地的区域构造稳定性得出恰当的评价。选取能够反映影响区域构造稳定因素的量化指标地震烈度、相应的加速度、现代活动断层(坝址8 km活动断层的长度及是否是M≥5级的发震构造)、地震活动(近场活动震级及频次)作为评价因子。

2.2 区域构造稳定性评价的方法

传统的区域构造稳定性综合评价方法是建立在宏观判断基础上的定性评价。在实际工作中，通常是先用定性的综合分析方法判断工程场地的构造稳定性等级，再用定量或半定量分析方法进行比较论证。

2.2.1 定性评价方法

构造类比和地震地质类比法：主要从大地构造格架、区域性活动断裂及其次级断裂的展布、地震活动等方面进行综合分析评价。

工程类比法：在抗震设计和制定抗震措施方面，工程类比法是常用的方法之一。在区域构造稳定性分析评价中，将若干个工程进行宏观比较，同样有一定的意义。这是因为当地质工作局限在一个工程的范围内，有时难免夸大或缩小某些影响因素的作用，面对处于不同构造环境的中的工程进行横向对比，往往有助于发现本工程评价中存在的问题。

2.2.2 定量(半定量)评价方法

这类方法以其对各类工程地质作用和现象、岩土性质和状态等资料进行定量化数学整理为基础，使用计算机解决工程地质问题的理论计算方法。通常有数学模型与人工智能方法 、数值计算法、物理模拟方法，目前仍处于初步探索阶段。

2.3 区域构造稳定性分级

区域构造稳定性的分级评价就是根据区域构造稳定性评价的因子的不同组合进行分级，原则就高不就低。区域构造稳定性一般按四级或三级标准划分，四分法和三分法两类方案没有本质上的区别。在水利水电工程的实际使用中，四分法方案中的二、三档界线较难掌握，评价结果受人的主观影响大。为了更确切地反映场址在区域构造稳定性上的差异，在《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)的编写过程中，结合目前我国水工建筑物抗震设计的水平，以及相应行业规范的规定，提出了稳定性分档的三分法方案。

2.4 工程实例

已建的渭南市涧浴水库区域地质条件复杂[6]，对区域构造稳定性评价作了专题研究。主要结论：研究区域所处的大地构造单元为中朝准地台的西南缘，即渭河中断陷与豫西元台坳褶断带的衔接部位，二者以太华山北侧断裂为界。在坝址周围25 km范围内发育渭河断裂，渭南塬前断，华山山前断裂3条区域活动断裂。历史上的强震均与它们有关，且多发生于上述断裂的交汇部位，1556年华县8.25级大地震与太华北侧断裂有强烈的关系，沿该断裂晚更新世～全新世断层十分发育，具有强震活动特征，区域构造稳性差。根据对断裂活动性分段，活动断裂发震及未来地震活动趋势研究，坝址以北赤水—瓜坡一带有发生5～6级地震的可能性，此段仅距坝址12 km。工程场地未来50年超越概率10%的地震烈度为Ⅷ度，对工程场地影响最大潜在震源为华县潜在震源区，其次为渭南潜在震源区，抗震设计时应按近震考虑，工程场地50 a超越概率10%的水平基岩加速度峰值为0.207 g。坝型选用抗震性能好的面板堆石坝。

陇县段家峡水库扩建工程[7]工程场地构造稳定性差，因右坝肩发育海源—六盘山—宝鳮活动断裂，该断裂为白垩系红层构造盆地的边界断裂，构造多期活动，断层的东侧为中上奥陶统的灰岩，常沿断裂带下盘形成一套浅变质蚀变岩及侵入岩。沿断层带岩体破碎，岩溶发育，形成渗漏通道。在扩建工程勘察中因断层带中的浅成侵入玢岩的确定(外观似灰绿色砂岩，早期认为是砂岩，不同的是有玻璃质结构，后取岩样作磨片鉴定确认为玢岩，系沿着断层发生的浅成侵入岩)。由于活动断层的分布于库坝区，且距水库及大坝很近，规模较大，活动性强，历史上在曹家湾曾发生6.0级地震。工程场地区域地质条件复杂，地震裂度高，区域构造稳定性差，未来发生6～7级破坏性地震的危险性是存在的，工程区地震动峰值加速度a=0.161 g，地震基本烈度Ⅷ度，扩建工程只能暂时搁置。

3 区域构造稳定性对水利水电工程的影响

3.1 区域构造稳定性分级对工程影响

按三分法方案评价对工程的影响和选址适宜性评价。稳安性好，可不进行抗震设计，适宜；稳定性差，需要进行抗震设计，较适宜；需要加强抗震设计，不宜。

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)5.2.8坝(场)址选择准则：1)坝(场)址不宜选在50年超越概率10%的地震动峰值加速度大于或等于0.40 g的强震区。2)大坝等主体建筑物不宜建在活断层上。

3.2 活断层对工程的影响

活断层对工程的影响对工程的影响主要表观在以下2方面：1)在工程的设计基准期内(一般50～200 a)，活断层错动(包括引起裂地震的突然错动和无震蠕滑错动)对工程可能产生的直接破坏。2)由于活断层突然错动引发强烈地震动，其巨大动荷载造成水工建筑物结构的破坏，库岸崩塌或滑坡，软基液化失效等，影响工程正常运行。

3.3 活断层区建筑物场址选择原则

通常采用避让的原则，并且规定安全避让距离。若重大工程必须在活断层发育区修建，应选择相对稳定地段；线状工程必须通过活动断层应直交通过； 建筑物厂址选择应避开活动断层带；在活断层区的建筑物应采取与之相适应的建筑形式和结构措施。

4 工程场地地震的影响

4.1 工程场地地震参数的确定方法

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)5.2.7对工程场地地震参数的确定规定：1)坝高大于200 m的工程或库容大于10×109m3的大(1)型工程，以及50年超越概率10%的地震动峰值加速度大于或等于0.10 g地区且坝高大于150 m的大(1)型工程，应进行场地地震安全性评价工作。2)对50年超越概率10%的地震动峰值加速度大于或等于0.10 g地区，土石坝坝高超过90 m、混凝土坝及浆砌石坝坝高超过130 m的其它大型工程，宜进行场地地震安全性评价工作。3)对50 a超越概率10%的地震动峰值加速度大于或等于0.10 g地区的引调水工程的重要建筑物，宜进行场地地震安全性评价工作。4)其它大型工程可按现行国家标准《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)确定地震参数。5)场地地震安全性评价应包括工程使用期限内，不同超越概率水平下，工程场地基岩的地震动参数。

4.2 诱震密切工程地质条件

诱震密切工程地质条件主要包括五方面：1)岩性，诱发地震的频率上表现为碳酸盐岩高，震级花岗岩高；2)地应力，地应力决定诱发地震的力学类型；3)水文地质条件，库周隔水层土封闭，高压水头易发震；4)历史地震，可发生于历史地震高水平或弱震区无震区；5)坝主与库容，高坝大库易发，危险性大。

5 结语

(1)区域构造稳定性，对水利水电工程尤为重要。对拟建水利水电工程，必须进行区域构造稳定性研究，确定场地地震参数，并对工程场地的构造稳定性作出评价。

(2)对不同水利水电工程，确定了区域构造稳定性评价的范围、研究方法、评价内容、评价方法(定性及定量)及地震动参数的确定方法等。

(3)根据对区域构造稳定性评价的分析研究，分析对水利水电工程的影响，根据不同程度的影响，合理科学的指导水利水电工程的选址及建设。