雷世兵　王啟國　鄧爭榮　劉　宇　劉海峰　劉世斌

(長江巖土工程總公司(武漢)　武漢　430010)

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特高壩地基深大斷裂活動性與筑壩工程地質(zhì)問題研究*

雷世兵王啟國鄧爭榮劉宇劉海峰劉世斌

(長江巖土工程總公司(武漢)武漢430010)

某擬建水電站為高壩大庫，擋水建筑物系200m級碾壓混凝土重力壩，系我國在境外投資建設(shè)的重大能源項目之一。該水電站位于一條區(qū)域性的深大斷裂(F4斷裂)上，該斷裂的活動性以及涉及的筑壩技術(shù)可行性為本工程的重大技術(shù)課題，關(guān)乎水電站成立與否的關(guān)鍵。為此開展了區(qū)域地震地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探、硐探、斷裂物質(zhì)測齡以及巖土物理力學(xué)性質(zhì)現(xiàn)場和室內(nèi)測試等大量工作，研究表明：(1)該斷裂地震活動微弱，最新活動年齡14.2萬～79.8萬年，是一條晚更新世以來不活動的斷裂，為非活動斷層；(2)F4斷裂對水壩建設(shè)存在影響的部位主要為碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層，其中微新碎裂巖多為Ⅲ1B類巖體，僅F4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體為Ⅳ1B類巖體，F(xiàn)4-1、F4-2斷層帶工程性質(zhì)差，為Ⅴ類巖體，是壩基最軟弱的部位；(3)在F4斷裂帶上筑壩，建庫后誘發(fā)構(gòu)造型水庫地震的可能性小，存在的主要工程地質(zhì)問題為壩基變形和滲漏、滲透穩(wěn)定問題，可通過適當深挖，并結(jié)合回填混凝土塞、固結(jié)灌漿、加深加密帷幕孔以及增加帷幕排數(shù)等工程措施予以處理。因此，F(xiàn)4斷裂帶上可以興建水電站工程，筑壩技術(shù)可行。結(jié)果可為該水電站設(shè)計、施工提供技術(shù)依據(jù)，為類似工程提供技術(shù)參考。

200m級碾壓混凝土重力壩深大斷裂非活動斷層工程特征工程地質(zhì)問題筑壩技術(shù)

0　引　言

某水電站裝機容量超3000MW，水庫總庫容超2×109m3，擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高200余米。在同類壩型中(邢林生等，2014)，該電站比我國已建成的北盤江光照水電站(全球最高碾壓混凝土重力壩)和南盤江紅水河龍灘水電站第一期工程高10m左右。

該水電站擬建在某國E江上，在開展前期勘察工作中，發(fā)現(xiàn)沿E江發(fā)育一條深大的區(qū)域性斷裂(圖1)，稱為E江斷裂，編號F4，走向NNE～SW，斷裂帶寬30～150m，總長度約500km。受河段上下游水電梯級開發(fā)方案和地形條件的限制，水電站壩址無法回避F4區(qū)域性深大斷裂。

圖1　壩址位置及近場區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1　Seismic structural map for the near site of hydropower station

在深大的區(qū)域斷裂帶上興建高壩大庫，有著巨大的地震安全風(fēng)險，一般需要規(guī)避在深大斷裂帶上興建水壩工程，因為稍有不慎，就有可能會釀成重大的潰壩事件，斷裂活動除直接毀壞大壩水工建筑物外，潰壩還將形成嚴重的次生洪澇災(zāi)害(陳厚群等，2008；陳德基，2009；王啟國等，2012)。另外，該水電站是我國在境外全資建設(shè)的重大能源項目之一，項目若失敗，將在國際上產(chǎn)生嚴重地不良影響。因此，該水電站壩基F4斷裂是否為活動斷層，深大斷裂帶上是否可以修建高壩大庫，是決定本工程成立與否的關(guān)鍵(曹去修等，2009；郭麒麟等，2012；雷啟云等，2015)。

該國基礎(chǔ)地質(zhì)工作非常薄弱，經(jīng)收集僅有 1：100萬區(qū)域地質(zhì)簡圖和構(gòu)造綱要簡圖，研究區(qū)域范圍內(nèi)沒有做過任何項目的地震安全性評價工作，地質(zhì)或地震地質(zhì)等野外工作幾近空白。因此，研究區(qū)在地震構(gòu)造環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造背景研究工作方面，特別是近場區(qū)地震地質(zhì)和工程地質(zhì)等方面，可供參考的研究成果極少。

本文基于區(qū)域地震地質(zhì)研究，研究了F4斷裂的活動性，并探討了在該斷裂帶上筑壩而存在的工程地質(zhì)問題，初步論證了工程場地興建高壩大庫的可行性，為該水電站建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)，為類似工程提供技術(shù)參考。

2　壩址區(qū)地質(zhì)背景

工程區(qū)域為構(gòu)造中、低山地貌，北側(cè)為東西向延伸的山脈，西側(cè)第三紀盆地，地勢總體北高南低、東高西低。E江在工程區(qū)略呈向東彎曲的弧形，流向總體自北向南，多為中、低山峽谷地貌，第1岸坡的高程一般300～1400m，河床高程230～270m。

研究區(qū)區(qū)域斷裂構(gòu)造以近南北走向為主，其他方向斷裂較少，且規(guī)模較小。工程近場區(qū)斷裂主要有穿過場址區(qū)的F4斷裂，東部F7斷裂和北西向小規(guī)模斷裂F7-1等(圖1)，各斷裂的基本特征(表1)。根據(jù)本國與鄰國有限的地震記錄，水電站場址附近歷史上地震主要發(fā)生在20世紀30年代，最強地震發(fā)育在壩址東部(F7斷裂帶)，最大地震達6.5級(1930年9月21日和1933年8月11日)，對擬建水電站壩址影響烈度≤Ⅶ度。

表1　近場區(qū)主要斷裂的基本特征

Table 1　Brief table for characteristics of regional main fracture of hydropower station

斷裂編號走向延伸長度/km斷裂主要特征F4NNE～SN約500斷裂基本順E江河谷及東北部地貌變異帶附近分布,斷裂沿線不同段侵入花崗巖、輝長巖等巖體,并可見明顯的斷裂破碎帶和斷層構(gòu)造巖F7SN～NNW約187距工程場址最近距離約22km。在該斷裂(帶)內(nèi)分布有眾多第四紀火山,且與火山活動具有構(gòu)造方面的聯(lián)系,故該斷裂又被稱為“火山斷裂帶”。是近場區(qū)活動較強的一組斷裂F7-1NW約60距場地最近距離約28km。近場區(qū)北西向斷裂與其他斷裂呈交切狀,沿斷裂發(fā)育線性河谷,河谷中片麻巖與混合巖地層陡立,呈斷層接觸,上覆松散的更新世沉積物未斷開。該斷層第四紀活動性較弱,無晚更新世活動跡象

另外，壩址與水庫區(qū)無震級M≥5.0級的地震記錄，地震活動性相對較弱。

工程場地屬于構(gòu)造穩(wěn)定性較差地區(qū)。工程場地50a超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為170gal(0.17g)，場址地震基本烈度按Ⅷ度考慮。

3　F4斷裂的活動性鑒定

活動斷層是指第四紀期間，尤其是晚更新世(10萬年)以來活動過的，并在今后仍有可能活動的斷層( 常廷改，2006；雷啟云等，2015)?；顒訑鄬拥蔫b定有直接測定活動物質(zhì)年齡的方法和一些間接的判斷方法(地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標志，考古標志，測量和監(jiān)測標志，地球化學(xué)和地球物理標志等)(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組，2006；林傳勇等，2008；史蘭斌等，2008)。由于工程區(qū)位于國外經(jīng)濟非常落后的偏遠山區(qū)，交通不便，尤其其區(qū)域地震地質(zhì)資料非常匱乏，對F4斷裂的活動性鑒定主要通過地質(zhì)、地貌標志的野外調(diào)查，結(jié)合斷裂帶物質(zhì)的熱釋光法(TL)測年和電子自旋共振法(ESR)測年等方法綜合判別。

擬建水電站工程位于F4斷裂北段，F(xiàn)4斷裂在近場區(qū)內(nèi)走向NNE，在壩址以北(含本電站水庫區(qū))基本上沿E江河床展布，地表覆蓋嚴重，露頭較差；壩址以南沿E江左岸山坡向南延伸，并逐漸偏離E江，在E江東邊SSW向延伸，在E江一線的古老變質(zhì)巖基底中，沿變質(zhì)帶方向發(fā)育，斷裂沿線不同段侵入花崗巖、輝長巖等巖體，并可見明顯的斷裂破碎帶和斷層構(gòu)造巖。

F4斷裂破碎帶規(guī)模在近場區(qū)內(nèi)相對較小，壩址以北F4斷裂的露頭較差，向南逐漸延出區(qū)外，斷裂連續(xù)性好，破碎帶規(guī)模加大，也是本文區(qū)域地震地質(zhì)研究的重點地段。野外工作對位于壩址以南地表露頭較好的F4斷裂作了追索，重點調(diào)查和研究了D1～D4等多處F4斷裂露頭(D1位于壩址南南西約85km處，D2～D4位置見圖1)，分述如下：

3.1D1處

在該斷裂中段的E江左岸簡易公路上，沿F4斷裂侵入花崗巖和輝長巖巖株(圖2、圖3)，某些地段斷層兩側(cè)因巖性不同而產(chǎn)生差異風(fēng)化，閃長巖抗風(fēng)化能力較強，形成高山，花崗巖抗風(fēng)化能力較弱，形成侵蝕平臺，斷裂破碎帶處呈侵蝕凹槽。沿該斷裂無地震活動記錄，亦未見斷裂切穿上覆的第四紀沉積物，斷裂物質(zhì)測年表明，其最新活動年齡為14.2萬(TL法測齡)～79.8萬年(ESR法測齡)左右，為中更新世。

圖2　左岸公路旁斷裂剖面Fig.2　Profile for the fault on the left road1.花崗巖；2.輝長巖；3.破碎帶；4.花崗巖風(fēng)化殼；5.殘坡積

圖3　左岸公路旁斷裂剖面Fig.3　Profile for the fault on the left road1.安山巖；2.泥砂巖；3.碎裂巖；4.殘坡積；5.糜棱巖；6.斷層

圖4　某河右岸公路大橋上游斷裂剖面Fig.4　Profile for the fault in the upstream of highway bridge on the right bank of river1.片麻巖；2.構(gòu)造片巖

3.2D2處

近場區(qū)南段，斷裂表現(xiàn)為強烈擠壓帶，某河右岸公路大橋上游約80m可見該斷裂的完整剖面(圖4)。在該剖面中，區(qū)域片麻理倒轉(zhuǎn)，斷裂表現(xiàn)為3個強烈的擠壓片理帶，片理帶寬度一般為4～5m，最寬處約8m左右。片理傾向289°～310°、傾角60°～70°，整個斷層帶寬度約100m。斷層構(gòu)造巖以構(gòu)造片巖為主，在第3個擠壓片理帶中見有構(gòu)造角礫巖，膠結(jié)緊密。

3.3D3處

在壩址下游約3km的E江左岸，斷層表現(xiàn)為強劈理帶，寬約50m，可見3個主斷面，走向NE20°左右，傾向東，傾角陡，斷裂摩擦鏡面上可見近垂直擦痕(圖5)。斷裂破碎帶主要由碎裂巖、構(gòu)造角礫巖和構(gòu)造透鏡體及構(gòu)造片巖組成(圖6)，圍巖為斑狀變晶花崗片麻巖夾透鏡狀大理巖。在該處實施了1個構(gòu)造鉆孔，揭露的巖心多為碎裂巖，其中孔深74.5～88.0m段為泥化物，此外尚分布有少量糜棱巖，斷裂泥化物測試的年齡為60萬年(ESR法測齡)左右，為中更新世。

圖5　E江左岸F4主斷面及斷面上近于直立擦痕Fig.5　The striation on main fault plane on the left bank of E River is approximately vertical

另外，該點處還可見斷層被T1階地沖洪積層覆蓋，物質(zhì)主要為褐黃色粉細砂和礫石層，地表零星分布薄層含礫砂土層，階地底部為斷層破碎帶和花崗片麻巖，階面拔河高度21m左右，階地基座高程與高漫灘基本相當。該T1階地形態(tài)完整，沒有發(fā)現(xiàn)晚第四紀以來的構(gòu)造活動跡象。

3.4D4處

在E江大橋下游600m的左岸公路東側(cè)一帶因修路開挖而形成一處大型地質(zhì)剖面(圖7)，斷層發(fā)育于花崗片麻巖中，表現(xiàn)為擠壓破碎帶，上覆較薄的殘積黏性土和坡洪積含礫砂土層，其中含礫砂土呈褐黃色，結(jié)構(gòu)密實，厚度4m左右，系E江T2階地堆積物，沉積年齡9.64萬年(ESR法測齡)左右，反映T2階地形成以來該斷裂未發(fā)生過較明顯的斷錯地表活動。

綜上所述，野外地表測繪沒有發(fā)現(xiàn)F4斷裂帶的地震活動記錄，亦未見斷裂錯斷上覆的第四紀T1階地、T2階地沉積物，采用熱釋光法(TL)和電子自旋共振法(ESR)對F4斷裂帶物質(zhì)測試的最新活動年齡為14.2萬～79.8萬年。由此可見，F(xiàn)4斷裂是一條早、中更新世活動較強，晚更新世以來不活動的斷裂，為非工程活動斷層。因此，F(xiàn)4斷裂帶上具備興建水壩工程的構(gòu)造條件。

圖6　E江大橋南橋頭下斷裂實測剖面Fig.6　Observed profile of fault under the bridgehead of E River1.F4斷層影響帶；2.含少量石英脈的碎裂巖帶；3.含大量石英脈的碎裂巖帶；4.構(gòu)造角礫巖夾透鏡體；5.構(gòu)造片巖帶；6.花崗巖碎裂巖帶；7.花崗片麻巖透鏡體；8.花崗巖

圖7　F4斷裂與階地關(guān)系示意圖Fig.7　Relational sketch between terrace and fault F41.斑狀變晶花崗片麻巖；2.斷層角礫巖；3.階地；4.強、弱風(fēng)化界線

4　壩址區(qū)F4斷裂帶工程地質(zhì)特征

結(jié)合樞紐建筑物的布置方案，針對性地對F4斷裂帶開展了工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探、硐探、坑槽探、聲波測試、原位力學(xué)及滲透變形試驗、室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗等大量的勘察研究工作。研究表明，壩址區(qū)F4斷裂可劃分為韌性剪切帶和脆性破裂帶兩個系列。韌性剪切帶形成于中晚元古代與變質(zhì)-變形同期；脆性破裂斷裂形成時代較晚，由碎裂巖帶和兩條規(guī)模較大的斷裂破碎帶(F4-1、F4-2斷層)組成。其中韌性剪切帶在壩址區(qū)寬度500～800m，以粗糜棱巖(斑狀變晶花崗片麻巖)為主，微新巖體的抗壓強度90～110kPa，變形模量18～23GPa，巖體完整性好、強度高，是大壩優(yōu)良的建基巖體；碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層發(fā)育于韌性剪切帶西緣，對建筑物方案布置和基礎(chǔ)處理存在重大影響，也是本文研究的重點。

碎裂巖帶為F4-1、F4-2斷層早期在他們兩側(cè)形成了寬度較大的破碎帶，經(jīng)歷后期熱液重結(jié)晶作用，再次膠結(jié)成巖形成，巖質(zhì)較堅硬。碎裂巖帶在大壩軸線處、壩趾處寬度分別為86m、92m左右。碎裂巖典型照片(圖8)。

圖8　勘探揭露的碎裂巖典型照片F(xiàn)ig.8　Typical photos of cataclastic rock revealed by explorationa.平洞揭露的全強風(fēng)化碎裂巖；b.鉆孔揭露的全強風(fēng)化碎裂巖；c.平洞揭露的弱風(fēng)化碎裂巖；d.平洞揭露的微風(fēng)化碎裂巖

碎裂巖全強風(fēng)化帶鉆孔巖心多呈碎屑、砂土狀及少量碎塊狀(圖8)，RQD一般為0，縱波波速值2120～2856m·s-1，厚度一般5～15m，局部缺失，在大壩軸線一帶，其下限高程235～277m；弱風(fēng)化帶鉆孔巖心主要呈碎塊狀，極少量柱狀，RQD一般為9%～27%，縱波波速值2941～4762m·s-1，厚度一般小于10m，局部厚達15m左右，在大壩軸線處，其下限高程235～268m。以下為微新巖體，鉆孔巖心多呈柱狀，RQD一般為53%～82%，在鄰近微風(fēng)化上限22～38m范圍內(nèi)，縱波波速為3603～4500m·s-1，以下多為4500～4900m·s-1。壩基微新碎裂巖多為中硬巖，少量堅硬巖。

根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分類原則(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組，2009)，壩基強風(fēng)化碎裂巖呈散體狀結(jié)構(gòu)，由巖塊夾泥或泥夾巖塊組成，強度低，工程性質(zhì)差，為Ⅴ類巖體，不宜作為大壩建基巖體，需挖除。弱風(fēng)化碎裂巖呈碎裂狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育-很發(fā)育，多張開，巖塊間嵌合力差，為Ⅳ2B類巖體。微新碎裂巖大部分呈次塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，軟弱結(jié)構(gòu)面分布不多，巖體較完整，有一定的強度，多為Ⅲ1B類巖體，可以作為建基巖體；少量巖體完整性較差，存在不利于壩基穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面，屬Ⅳ1B類巖體，作為建基巖體需采取必要的工程加固措施。弱風(fēng)化和微新碎裂巖的物理力學(xué)參數(shù)(表2)。

表2　壩址碎裂巖的物理力學(xué)參數(shù)一覽表

Table 2　Physical & Mechanical properties of cataclasite of hydropower station

風(fēng)化程度巖體工程地質(zhì)類別巖體結(jié)構(gòu)類型天然重度/kN·m-3孔隙率/%巖石飽和單軸抗壓強度/MPa巖體變形模量/GPa泊松比軟化系數(shù)巖體抗剪斷強度混凝土/巖體抗剪斷強度混凝土/巖體抗剪強度fc'/MPaf'c'/MPaf'弱風(fēng)化Ⅳ2B碎裂狀25.97.6630～352～30.310.620.5～0.70.7～0.80.4～0.50.6～0.70.5～0.6微風(fēng)化-新鮮Ⅳ1B塊裂狀26.32.1540～503～40.290.750.6～0.70.8～0.90.5～0.60.7～0.80.5～0.7Ⅲ1B次塊狀26.41.2140～555～70.280.810.7～0.90.9～1.10.6～0.70.7～0.90.6～0.8

表3　壩址F4-1、F4-2斷層帶的物理力學(xué)參數(shù)一覽表

Table 3　Physical & Mechanical properties of faults F4-1and F4-2of hydropower station

物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)類型巖體類別重度γ/kN·m-3變形模量E0/GPa抗剪斷強度允許承載力R/MPa滲透系數(shù)K/cm·s-1臨界水力比降Jcr允許水力比降Jalf'c'/MPa泥化物散體Ⅴ20.20.01～0.020.25～0.300.01～0.030.2～0.3i×10-4～i×10-51.5～2.00.75～1.0泥化物夾碎石散體Ⅴ20.50.03～0.040.30～0.350.03～0.050.3～0.5i×10-3～i×10-41.3～1.50.65～0.75

F4-1、F4-2斷層后期活動微弱，并經(jīng)長期地質(zhì)作用軟化及部分泥化，在主斷面部位形成了軟弱構(gòu)造巖帶，寬度小于4m，物質(zhì)為泥化物、泥化物夾碎石。F4-1、F4-2斷層走向5°～25°，總體傾向W，傾角72°～85°，在壩軸線處F4-1斷層帶寬度2.0m、F4-2斷層帶寬度1.1m；壩趾處F4-1斷層帶呈破裂面、F4-2斷層帶寬度1.3m。鉆探與平硐揭露的F4-1、F4-2斷層帶典型照片(圖9)。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面分級規(guī)定(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組，2009)，F(xiàn)4-1、F4-2斷層為Ⅱ級結(jié)構(gòu)面。

F4-1、F4-2斷層軟弱構(gòu)造巖帶取樣室內(nèi)顆粒分析試驗定名為粉土質(zhì)砂和含細粒土礫，少量粉土質(zhì)礫，其中F4-1斷層軟弱構(gòu)造巖帶的泥化程度較F4-2高。這兩個斷層帶的巖石質(zhì)量指標RQD均為0，聲波縱波速2105～2855m·s-1，帶內(nèi)物質(zhì)主要呈散體結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅴ類。斷層帶物質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)(表3)。

圖9　勘探揭露的F4-1、F4-2斷層帶典型照片F(xiàn)ig.9　Typical photos of faults F4-1and F4-2revealed by explorationa.鉆孔揭露的F4-1斷層帶巖心；b.鉆孔揭露的F4-2斷層帶巖心；c.平洞揭露的F4-2斷層帶

5　F4斷裂帶筑壩工程地質(zhì)問題

根據(jù)水電站設(shè)計方案(圖10)，大壩的14#～18#壩段位于F4斷裂的碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層帶上(圖11)，該部位大壩壩高158～173m，屬于高壩范疇。在F4斷裂帶上筑壩涉及的工程地質(zhì)問題主要有水庫誘發(fā)地震、抗滑穩(wěn)定、壩基變形以及滲漏與滲透穩(wěn)定問題等(王啟國，2009；王學(xué)潮，2009)，依次分析如下。

圖10　大壩布置與F4斷裂分布圖Fig.10　Distribution map of dam layout and fault F41.斷層及編號；2.碎裂巖；3.碎裂巖邊界；4.中上元古界；5.基巖片麻理產(chǎn)狀；6.河流；7.壩塊編號

圖11　壩軸線處碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層分布剖面Fig.11　Profile of cataclastic rock zone on the dam axis & faults F4-1and F4-21.第四系；2.中晚元古界變質(zhì)巖；3.花崗片麻巖；4.斑狀變晶花崗片麻巖；5.F4-1、F4-2斷層；6.斷層影響帶；7.碎裂巖；8.第四系與基巖分界線；9.全強風(fēng)化帶下限及弱風(fēng)化帶下限；10.透水率q>1Lu下限及q>3Lu下限；11.平洞及編號；12.鉆孔及編號；13.建基面

5.1水庫誘發(fā)地震

該水電站總庫容20多億m3，庫首部位的庫水深度達110～150m，為特大型水庫，庫水深度越大，蓄水造成附加孔隙水壓力和水體重量相應(yīng)增大，誘震的機率與強度就越大。另外，水庫區(qū)干流庫段以深切峽谷的高陡斜坡為主，干流庫盆順直，也有利于誘發(fā)水庫地震。

該水電站水庫長度約50km，F(xiàn)4斷裂穿越長度約13.1km的庫首段，該庫段河谷深切，呈“V”形谷，河谷寬300～500m，兩岸谷坡陡立，岸坡傾角一般大于35°。

庫首段出露巖性主要為前寒武系結(jié)晶基底斑狀變晶花崗片麻巖和花崗片麻巖，夾少量石英片巖，其中花崗片麻巖陡坡庫岸發(fā)育產(chǎn)狀76°∠50°、130°∠74°等數(shù)組平行或斜切岸坡的節(jié)理帶，以陡傾、半閉合狀、長大延伸的構(gòu)造裂隙為主，次為卸荷裂隙。根據(jù)我國已確認的21例水庫誘發(fā)地震震例分析，巖性與水庫誘發(fā)地震具有較好的相關(guān)性，排除由構(gòu)造因素引起的水庫地震，其中庫段由碳酸鹽巖組成的誘發(fā)水庫地震17例，占81%；花崗巖類4例，占19%；松散巖類、碎屑巖類和變質(zhì)碎屑巖類的水庫庫段極少有誘發(fā)地震的震例。以上震例主要是3級以下的弱震、微震，而3級以上的較強地震一般與斷裂構(gòu)造誘震有直接的相關(guān)聯(lián)系。對比我國21座水庫震例，由水庫庫盆的巖石類型分析，本水電站庫首塊狀硬質(zhì)巖類有利于誘發(fā)巖石淺表應(yīng)力調(diào)整型水庫地震。庫首水位抬升130m左右，且為深切峽谷的庫岸地貌，結(jié)合工程類比，庫首段塊狀硬質(zhì)巖類誘發(fā)淺表破裂型水庫地震的可能性較大，誘震強度M≤3.0級。

F4斷裂破碎帶規(guī)模特征以斷裂中段和南段較為明顯，斷裂北段在壩址下游附近主要表現(xiàn)為NNE優(yōu)勢方向的裂隙密集帶和構(gòu)造碎裂巖，帶寬30～150m，往深處延伸的產(chǎn)狀目前難以斷定。沿斷裂帶未見明顯新構(gòu)造活動跡象，斷裂活動多發(fā)生在中更新世，為非活動斷裂，斷裂沿線的地震活動性微弱，也未見溫泉等地下水分布，因此，建庫后誘發(fā)構(gòu)造型水庫地震的可能性小。

根據(jù)水庫地震的發(fā)震特點，預(yù)測評價認為，庫首13km左右?guī)於渭皦沃犯浇邆湔T發(fā)水庫地震的可能，類型主要為塊狀硬質(zhì)巖類淺表破裂型水庫地震，發(fā)震的最大強度在3.0級左右。

根據(jù)水庫誘發(fā)地震的震級與震中烈度，求算水庫地震對大壩建筑物的影響烈度，結(jié)果表明，水庫誘發(fā)地震對壩址建筑物的影響烈度不超過Ⅴ度，對壩址建筑物和庫區(qū)居民生命財產(chǎn)基本無影響。另外，尚未突破壩區(qū)Ⅷ度的地震基本烈度值，水庫誘發(fā)地震不改變大壩抗震設(shè)計的基本條件。由于本工程為200m級的高壩大庫，鑒于工程的重要性，建議在水庫蓄水前建立地震監(jiān)測臺網(wǎng)，開展水庫運行期間的地震安全監(jiān)測工作。

5.2抗滑穩(wěn)定

影響大壩抗滑穩(wěn)定的因素主要是壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面空間分布、產(chǎn)狀、性狀、貫通率以及側(cè)向邊界條件等，分析抗滑穩(wěn)定首先需要壩基具備潛在滑移邊界條件，再根據(jù)潛在滑移結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)標準值核算大壩穩(wěn)定性，便于針對性地采取工程處理措施。

大壩的14#～18#壩段位于F4斷裂帶上，該壩段地基共實施了8個鉆孔、3個平硐，其中鉆孔中未見緩傾角裂隙性斷層，平洞揭露了5條緩傾角裂隙性斷層。緩傾角裂隙則隨機分布，豎直線密度<0.2條·m-1，和其他壩段相比屬于緩傾角裂隙不發(fā)育區(qū)。該壩段地基緩傾角裂隙性斷層和大部分緩傾角裂隙分布在高程235～250m之上，處于大壩壩基開挖范圍內(nèi)，少量建基面以下的緩傾角裂隙多短小、產(chǎn)狀凌亂、空間分布不一，連通性差，不構(gòu)成潛在滑移邊界條件。因此，該水電站14#～18#壩段不存在壩基抗滑穩(wěn)定問題。

F4-1、F4-2斷層走向5°～25°，總體傾向W，傾角72°～85°。壩基范圍內(nèi)F4-1、F4-2斷層軟弱構(gòu)造巖帶寬度分別為0～2.1m、0.9～2.0m，軟弱構(gòu)造巖多表現(xiàn)為泥化物，性狀差。雖然14#～18#壩段壩基不存在抗滑穩(wěn)定問題，但是F4-1、F4-2斷層帶為陡傾角、Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，可構(gòu)成F4斷裂帶兩側(cè)壩段壩基潛在滑移的側(cè)向切割條件。由于其他壩段壩基巖體不涉及F4斷裂破碎帶，其抗滑穩(wěn)定問題將另文論證。

5.3壩基變形

根據(jù)大壩基礎(chǔ)開挖方案，14#～18#壩段建基面以下的碎裂巖主要為微新巖體，其中位于F4-1斷層上下盤的碎裂巖，呈次塊狀結(jié)構(gòu)，變形模量5～8GPa，縱波波速3500～4500m·s-1，為Ⅲ1B類巖體，強度滿足大壩建基巖體的要求，可以直接作為壩基持力層；位于F4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體，呈塊裂結(jié)構(gòu)，變形模量3～5GPa，縱波波速2800～3500m·s-1，為Ⅳ1B類巖體，相對東側(cè)的微新斑狀變晶花崗片麻巖巖體(變形模量18～23GPa)其變形模量明顯偏低，在壩體自身重力作用下，將會產(chǎn)生壩基變形問題。

大壩建基面以下的F4-1、F4-2斷層帶中的泥化物和泥化物夾碎石呈散體結(jié)構(gòu)，性質(zhì)軟弱，變形模量0.01～0.04GPa(表4)，承載力比例極限0.25～0.39MPa，在壩基巖體中強度最低，是壩基變形最薄弱的部位。

表4　壩址F4-1、F4-2斷層帶原位變形與荷載試驗成果表

Table 4　Results of in situ deformation and load test of faults F4-1and F4-2of hydropower station

項目變形模量Eo/GPa承載力比例極限/MPa最小值0.010.25最大值0.040.39平均值0.020.34組數(shù)33

可見，F(xiàn)4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體和F4-1、F4-2斷層帶是F4斷裂帶中性狀相對較差和最差的部位，均是壩基變形的處理對象。

針對14#～18#壩段壩基F4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體和F4-1、F4-2斷層帶引發(fā)的壩基變形問題，建議采取如下工程處理措施(王啟國等，2010)：

(1)挖槽回填混凝土塞，F(xiàn)4-2斷層下盤影響帶及F4-1、F4-2斷層帶物質(zhì)呈塊裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)，膠結(jié)差，建議采取適當挖除，并回填混凝土塞置換等工程處理措施，掏挖深度宜大于斷層及影響帶的合計寬度，且混凝土塞往大壩上下游延伸1.5倍塞高的長度，以保證處理效果。

(2)固結(jié)灌漿加固處理，對壩基范圍的表部碎裂巖建議全部實施鉆孔固結(jié)灌漿加固處理措施，建議灌漿鉆孔間距(2.0～2.5)m×(2.0～2.5)m，深度一般20～25m，局部巖體聲波縱波波速偏低的部位適當加深。

通過上述工程措施，可以顯著提高14#～18#壩段壩基軟弱巖帶的均勻性、完整性、強度、滲透性等工程特性(符平等，2004)，滿足建壩要求。

5.4滲漏與滲透穩(wěn)定

在14#～18#壩段壩基斷裂帶中的鉆孔實施了壓水試驗，據(jù)統(tǒng)計，在微風(fēng)化碎裂巖中共計壓水試驗142段，屬微透水(q<1Lu)的壓水試驗56段，占碎裂巖中壓水試驗總段數(shù)的39.4%，屬弱透水(1Lu≤q<10Lu)的壓水試驗84段，占碎裂巖中壓水試驗總段數(shù)的59.2%(圖12)，可見壩基微風(fēng)化碎裂巖巖體主要屬弱透水特性，次為微透水，透水性較其兩側(cè)微風(fēng)化斑狀變晶花崗片麻巖及花崗片麻巖巖體強。

表5　壩基F4-1、F4-2斷層帶滲透破壞試驗成果一覽表

Table 5　Seepage failure test results in faults F4-1and F4-2of dam foundation

樣品編號及部位滲透系數(shù)/cm·s-1破壞水力比降臨界水力比降滲透破壞形式位置MPD9F4-1右-12.91×10-38.810.99局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-1右-21.70×10-49.210.90局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-1左-15.31×10-510.691.70局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-1左-22.20×10-48.901.02局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-1左-31.10×10-37.90—接觸沖刷斷層軟弱構(gòu)造巖帶與上盤接觸部位MPD9F4-1左-41.53×10-39.213.10MPD9F4-1右-34.80×10-410.602.10接觸沖刷斷層軟弱構(gòu)造巖帶與下盤接觸部位MPD9F4-1右-42.80×10-4>8.700.91—MPD13F4-1-14.10×10-410.102.90接觸沖刷斷層軟弱構(gòu)造巖帶與下盤接觸部位MPD13F4-1-24.90×10-49.711.50MPD9F4-2右-11.22×10-35.711.00局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-2右-22.10×10-412.103.39局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-2左-11.87×10-36.130.80局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-2左-2—5.80—局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶MPD9F4-2左-3—12.10—接觸沖刷斷層軟弱構(gòu)造巖帶與上盤接觸部位MPD9F4-2左-4—12.10—MPD9F4-2右-31.88×10-314.101.20接觸沖刷斷層軟弱構(gòu)造巖帶與下盤接觸部位MPD9F4-2右-41.10×10-3>2.101.10—MPD13F4-2-13.57×10-35.412.20局部流土斷層軟弱構(gòu)造巖帶與下盤接觸部位MPD13F4-2-23.63×10-33.101.20

據(jù)F4-1、F4-2斷層帶泥化物現(xiàn)場滲透變形試驗成果表明(表5)，F(xiàn)4-1、F4-2斷層帶滲透系數(shù)多在10-4～10-3量級，多具中等透水性，局部具弱透水性。F4-1及F4-2斷層帶臨界水力比降低值分別為0.9、0.8，破壞水力比降低值分別為8.8、5.7，滲透破壞形式均為局部流土；F4-1及F4-2斷層帶與其上下盤接觸地帶的臨界水力比降低值分別為0.9、1.1，破壞水力比降低值分別為7.9、3.1，滲透破壞形式主要為局部流土以及接觸沖刷。

圖12　壩基微新碎裂巖壓水試驗統(tǒng)計直方圖Fig.12　Statistical histogram of water pressure tests on fresh cataclastic rock of dam foundation

可見，F(xiàn)4-1、F4-2斷層帶性狀極差，在長期高水頭滲透壓力作用下，可能產(chǎn)生局部流土或接觸沖刷等形式的滲透破壞；碎裂巖壩段1Lu線埋深達140m左右，在整個壩基中其深度最大，形成凹槽狀，碎裂巖帶整體透水性較斷裂帶兩側(cè)巖體大，均是壩基防滲處理的重點部位。

為了滿足14#～18#壩段壩基防滲要求，保證大壩穩(wěn)定，建議加強壩基帷幕灌漿工程措施。由于本工程為高壩大庫，滲控標準高，壩基防滲標準取巖體透水率q≤1Lu。本壩段壩基透水率q<1Lu的巖體埋深較大，建基面以下埋深達120.5m，防滲封閉工程量較大，其中F4-1、F4-2斷層部位相對碎裂巖帶須加強防滲處理，如采取加深、加密帷幕孔以及增加帷幕排數(shù)等措施，有效降低大壩地基的揚壓力。另外，建議在壩基碎裂巖帶的帷幕后面設(shè)置排水措施，以同樣達到降低壩基揚壓力的目的(蔡高堂，1995)。

壩基帷幕深度大，有較高的技術(shù)難度，因此建議在帷幕灌漿施工前，選擇典型地段進行灌漿試驗，以取得帷幕灌漿的相關(guān)工藝、材料和設(shè)計參數(shù)等資料，保證帷幕灌漿的處理效果。

6　結(jié)論與討論

某擬建水電站分布順河向貫穿大壩壩基的區(qū)域性深大斷裂—F4斷裂。經(jīng)研究，該斷裂帶未見明顯新構(gòu)造活動跡象，地震活動微弱，最新活動年齡14.2萬～79.8萬年，是一條晚更新世以來不活動的斷裂，為非活動斷層。

貫穿壩基的F4斷裂對水壩建設(shè)存在影響的部位主要為碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層。建基巖體中，微新碎裂巖多為Ⅲ1B類巖體，強度滿足大壩建基巖體的要求，僅F4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體為Ⅳ1B類巖體，作為建基巖體其強度不足。F4-1、F4-2斷層帶為Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，工程性質(zhì)差，屬Ⅴ類巖體，是壩基最軟弱的部位。

水電站建設(shè)涉及F4斷裂的諸工程地質(zhì)問題中，F(xiàn)4斷裂為非活動斷裂，建庫后誘發(fā)構(gòu)造型水庫地震的可能性?。唤ɑ嬉韵碌木弮A角結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少，不存在壩基抗滑穩(wěn)定問題；F4-2斷層下盤影響帶內(nèi)的碎裂巖巖體和F4-1、F4-2斷層帶是F4斷裂帶中性狀相對較差和最差的部位，強度低，易產(chǎn)生壩基變形危害；碎裂巖帶和F4-1、F4-2斷層帶是壩基相對透水性較強的部位，尤其F4-1、F4-2斷層帶在高水頭作用下可能產(chǎn)生局部流土或接觸沖刷等形式的滲透破壞。針對壩基變形和滲漏、滲透穩(wěn)定問題，建議采取挖槽回填混凝土塞、固結(jié)灌漿、加強帷幕灌漿等工程處理措施。

綜上所述，F(xiàn)4斷裂為非活動斷層，筑壩主要涉及壩基變形和滲漏、滲透穩(wěn)定問題，可通過必要的工程措施加以處理?？傊?，F(xiàn)4區(qū)域性深大斷裂帶上可以興建水電站工程，筑壩技術(shù)可行。由于本工程為高壩大庫，工程重要性較高，除了做好大壩的抗震工程措施外，在庫壩區(qū)尚需布置必要的地震安全監(jiān)測工作。

另外，在大壩施工過程中，必須加強F4斷裂帶的施工地質(zhì)工作，及時與前期勘察成果進行對比分析，積極和項目參建各方共同研究、商討處理方案的可行性和合理性，使壩基這一重大地質(zhì)缺陷得到徹底地處理，以保證該水電站安全建設(shè)和建成后的安全運行。

致謝本文得到了項目組孫云志教授級高級工程師、吳樹良工程師等同志的大力支持和指導(dǎo)，這里表示衷心地感謝!

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DEEP FAULT ACTIVITY OF ESPECIALLY HIGH DAM FOUNDATION AND GEOLOGICAL ISSUES OF DAM ENGINEERING

LEI ShibingWANG QiguoDENG ZhengrongLIU YuLIU HaifengLIU Shibin

(Changjiang Geotechnical Engineering Corporation(Wuhan)，Wuhan430010)

This paper examines a planned hydropower station that is one of the important energy projects in overseas invested by China.It has a reservoir with high dam.Its water retaining structure is a roller-compacted concrete gravity dam of 200m high.The dam is located at a regional deep fault(F4).Activities of fault and feasibility of damming technology，as an important technical issue，is key to the establishment of hydropower station.Thus，a lot of work，including regional seismic geological investigation，geophysical prospecting，drilling，exploratory adit，fault age，field and indoor tests for rock and soil physical and mechanical properties，has been conducted.Results show that：(1)Seismic activities in this fault are weak and the latest one is from 0.142million to 0.798million years ago.The fault is inactive since late Pleistocene.(2)Cataclastic rock belt and the faults F4-1and F4-2have the most influence on the dam.The fresh cataclastic rock mainly is the Ⅲ1Bclass rock.The Ⅳ1Bclass rock only exists in F4footwall.Faults F4-1and F4-2，which is composed of the Ⅴ class rock，have bad engineering properties，and are the most weak part of dam foundation;(3)The possibility of building the dam at fault F4to induce stereotype reservoir earthquake is less.The main engineering geological problem is deformation and seepage in dam foundation.Seepage stability can be dealt with through appropriate engineering measures such as deep digging and combining with backfilling concrete plug，consolidation grouting，deepening encryption and increasing the curtain row number.With results mentioned above all，an conclusion can be made that conducting hydropower projects on the fault F4zone is viable in technical way.The results can only provide technical basis for hydropower station design and construction，but also technical reference for similar projects．

Roller-compacted concrete gravity dam，Deep fault，Inactive fault，Engineering characteristics，Engineering geological problem，Damming technique

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.026

2015-12-22;

2016-02-10.

雷世兵(1983-)，男，工程師，工程地質(zhì)專業(yè).Email: 94213148@qq.com

簡介：王啟國(1972-)，男，高級工程師，工程地質(zhì)專業(yè).Email: cjwwqg001@163.com

TV73；P642

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