新構造運動對杞麓湖調蓄水隧洞圍巖穩定的影響

趙永川，張正平

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南昆明 650021)

通海縣杞麓湖調蓄水隧洞工程位于杞麓湖及其以南，該湖流域面積354 km2，多年平均產水量1.17×108m3，僅靠岳家營附近的落水洞泄洪，泄水量約2.46 m3/s，難以滿足防洪需要。杞麓湖調蓄水隧洞工程是以灌溉、防洪、改善湖泊生態環境的綜合利用水利工程，隧洞全長9815 m，其中頂管段長2 491 m，基巖洞段長7 324 m，設計流量18 m3/s。

云南省地震分布廣泛，全省128個縣市有110多個縣發生過5級以上地震，有30多個縣發生過6級以上地震，有10多個縣發生過7級以上大地震。該省新構造運動強烈，中強地震活動頻繁。以20世紀100年的資料分析，平均每年發生M≥5級地震3次，每2年發生M≥6級地震1次，每9年發生M≥7級地震1次［1］。隨著云南經濟社會的發展，中強地震帶附近的隧洞工程越來越多，而杞麓湖調蓄水隧洞位于云南省的強地震帶上(通海—建水地震帶)，新構造運動強烈，地震活動強烈［2］，山口—華寧斷裂為全新世活動斷裂。研究新構造運動對巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水狀態［3］的影響，對隧洞圍巖分類、圍巖穩定性分析有重要的指導作用，也為類似工程提供了借鑒經驗。

1 新構造運動及活動斷裂

1.1 地理位置

云南省發生M≥7級強震的地震帶有南北向的小江斷裂地震帶、中甸—麗江—洱源—大理地震帶、騰沖—龍陵地震帶，有北西向的雙江—瀾滄—勐海地震帶，有北東向的通海—建水地震帶，另外還有大量的M≥5～7級的中強地震帶，地震活動強烈。通海—建水地震帶位于通海縣與石屏縣、建水縣之間的三角地帶，隧洞位于該地震帶內。

1.2 活動斷裂

新構造運動是指地球演化中最新的由于地球內力作用引起地殼或巖石圈產生變形的地球物質的運動，控制了陸地的剝蝕與沉積、夷平面、階地與海岸線的變遷，控制了活動斷裂、地震與火山的分布和活動強度。

天然地震根據不同成因分為構造地震、火山地震、天然陷落地震、天然擾動地震，構造地震是直接由地殼構造運動導致地層或巖體發生錯動(或破裂)所引起的地震，這類地震數量最多，約占全球天然地震的90%，構造地震主要受斷裂控制。

在水利水電行業，活動斷裂是指新構造運動時期有過差異性活動的斷裂，直接判別依據為:①錯動晚更新世(Q3)以來地層的斷裂;②斷裂帶中的構造巖或被錯動的脈體，經絕對年齡測定，最新一次錯動年代距今10萬年以內;③根據儀器觀測，沿斷裂有＞0.1 mm/Ma的位移;④沿斷裂有歷史和現代中、強震震中分布或有晚更新世以來的古地震遺跡，或者有密集而頻繁的近期微震活動;⑤在地質構造上，證實與已知活斷裂有共生或同生關系的斷裂［4］。

1.3 區域新構造運動的特點

區域內新構造運動表現為強烈的垂直差異運動及斷裂的新活動。

(1)大面積整體間歇性掀斜抬升運動。區域地形從西北向東南方向傾斜，形成明顯的三個地形階梯面，表明新構造運動有從北向南大面積掀斜隆升的特點。南盤江流域發育5級階地，高出河床分別為5～15 m、15～30 m、30～40 m、50～80 m、80～100 m，表明新構造運動大面積抬升具有間歇性的運動特點。

(2)斷塊之間的差異升降運動。區域內具有較大規模和深度的活動斷裂發育，地殼被切割成活動塊體，形成了塊體間的差異運動，例如山口—華寧斷裂兩盤差異運動明顯，南部的曲江盆地高程約1 300 m，北部山頂高程約2 300 m，相對高差約1 000 m。

(3)斷裂的新活動。山口—華寧斷裂自古生代開始活動，一直未間斷，全新世發生過5次7～8級地震，呈現右旋走滑運動的特點，直至現今仍在活動。

1.4 新構造運動對巖溶發育的影響

新構造運動對巖溶發育的影響主要表現在以下兩個方面:①全新世以來，山口—華寧斷裂發生過5次7～8級地震，地應力的每次升高和釋放，使白云巖易于產生裂隙，多次高地應力的作用使裂隙張開更寬、延伸更長，利于地下水的運移，增加地下水的水流速度，使白云巖的相對溶解速度增加，斷裂的新活動為白云巖的巖溶發育創造了內部條件。②南盤江流域發育5級階地，表明全新世以來，河流有5個停頓時期，階地成為地下水的排泄面，利于巖溶發育，大面積整體間歇性掀斜抬升運動為巖溶發育創造了外部條件。

1.5 山口—華寧斷裂的活動性

山口—華寧斷裂西北起于甸中斷坳盆地中心附近的山口，向南東150°～120°斜切北東向的總果向斜后穿過峨山縣城，直抵南部龍鳳山構造盆地西南側的樂德舊、五街后，轉向東及北東50°左右至華寧縣城附近，整條斷層為一向南凸出的弧形，全長達112 km，西段走向北西，傾向南西，東段走向北東，傾向南東，傾角55°～75°，在地表表現為由多條斷層呈右階或左階雁行狀或羽狀排列組成的斷裂帶。沿斷裂帶構造擠壓強烈，發育寬達幾十米至數百米的斷層破碎帶，最寬處的峨山縣城附近破碎帶達1 000 m，其中糜棱巖帶達500～600 m。斷裂自古生代開始活動，前新生代以壓性左旋走滑運動為主，兼具反復多期活動特點，新生代中—上新世轉變為右旋走滑運動，直至現今。

山口—華寧斷裂為向南凸出的弧形構造，為通海弧形構造的前弧，是工程區規模最大斷裂，新活動十分強烈，沿斷裂現今地貌上主要表現為一條直線型溝槽狀斷裂谷，并發育峨山、小海洽、高大和曲溪四個斷陷盆地，盆地內沉積了厚度達幾十米至數百米的上第三系和第四系，其中峨山盆地厚50～60 m，小海洽盆地厚約525 m，曲溪盆地厚約650 m，具有由西向東逐漸增厚的特點。在盆地與河谷內的第四系中發育一系列晚更新世—全新世新斷層，沿斷裂斷錯水系、斷錯山谷、斷層陡崖、斷層陡坎等斷錯地貌十分發育。沿斷裂發現有多次古地震遺跡。根據對斷錯水系、斷錯巖體等斷錯位移量的綜合分析，斷裂帶晚更新世(10萬年左右)以來的平均右旋走滑速率約為3.2 mm/a，全新世(1萬年左右)以來的平均右旋走滑速率約為2.5 mm/a。近5 000年以來的平均走滑速率約為2.7 mm/a。歷史強震活動集中在峨山以東地段，自1517年始有地震記載至今，共發生過破壞性地震24次，其中6～6.9級4次，7級以上3次。

1970年1月5日通海縣高大鄉發生了7.8級地震，極震區沿斷裂分布，長軸達52 km，寬1～5.5 km，隧洞距震中1.5～7 km，基本位于極震區內;7度區呈北西—南東向(西部斷裂)及北東—南西向(東部斷裂)橢圓分布，長軸132 km，寬91 km。山口—華寧斷裂控制了通海—建水地震帶內地震的發生，屬構造地震，1970年地震時最大水平錯距3.25 m，垂直錯距0.55 m。

根據古地震研究，山口—華寧斷裂全新世發生過5次7～8級地震，同震垂直位錯量最大達0.8 m，地震復發間隔為2 000—3 000年。

2 地震對圍巖穩定的影響

新構造運動控制了活動斷裂、地震的分布和活動強度，地應力從聚集到釋放，多次地應力釋放對圍巖強度、巖體完整性、結構面性狀、地下水活動影響大，研究表明，不同巖性的影響程度不同。

2.1 巖石強度

巖石強度用巖石飽和單軸抗壓強度(Rb)表示，是指巖石在飽和狀態及無側限條件下受軸向力作用破壞時所能承受的最大壓力。隧洞沿線穿越的巖石有白云巖、砂泥(頁)巖、灰巖三種巖石。工程區大震周期為16年一次，巖石在反復的地應力聚集和釋放的作用下，使巖石的風化作用更加強烈，風化越強，巖石強度越低。

白云巖(Z2d1)出露在隧洞2+491～4+819，長2 328 m，占隧洞長度的31.8%，隧洞從全、強風化巖石中通過，最大埋深超過150 m仍為強風化巖石，白云巖硬、脆，易于破碎和風化，受地震影響極大，巖石強度Rb=20 ～30 MPa。

砂泥(頁)巖(Z2d2、D2h)出露在隧洞4+819～5+238、7+674 ～9+765，長 2 510 m，占隧洞長度的34.3%，隧洞從全、強風化巖石中通過，最大埋深超過160 m仍為強風化巖石，因為砂頁巖為軟巖，易于風化，受地震影響較大，巖石強度Rb=8～12 MPa。

巖性不同，巖石強度受地震影響程度也不同。受地震影響最大的是白云巖，最小的是灰巖，白云巖夾砂頁巖、砂泥(頁)巖的強度受地震影響較大。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度用巖體完整性系數(KV)表示，是指巖塊與巖體聲波波速比值的平方，反映了巖體結構類型、巖體完整性、結構面發育程度與性狀等，表達式為:

式中:Vmp為現場測試的巖體縱波速度，m/s;Vrp為室內測試的巖塊縱波速度，m/s。

KV值的相對大小，表示巖體完整程度的相對差異，各行業的規范根據KV值對巖體完整程度進行劃分，以五級劃分為主，見表 1［4－5］。

白云巖，在反復地應力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結構面極發育，KV=0.1 ～0.3，巖體完整性為破碎—較破碎。

白云巖夾砂頁巖，在反復地應力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結構面較發育，KV=0.2～0.4，巖體完整性差。

砂泥(頁)巖，在反復地應力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結構面較發育，KV=0.2 ～0.4，巖體完整性差。

白云質灰巖，在地震作用下，完整程度影響較小，KV=0.6～0.7，巖體較完整，但灰巖巖溶發育，以溶隙、溶洞為主要巖溶形態。

巖體巖性不同，其完整程度受地震影響程度也不同。受地震影響最大的是白云巖，最小的是灰巖，白云巖夾砂頁巖、砂泥(頁)巖的完整程度受地震影響較大。

表1 巖體完整程度分級表Table 1 The grading of the integrity degree of rock mass

2.3 結構面狀態

結構面發育方向以北東、北西向為主，與主要構造線基本一致，沿隧洞線發育以下四組:①走向10°～30°，傾向北西，傾角 65°～75°;②走向 50°～80°，傾向北西或南東，傾角70°～80°;③走向 290°～320°，傾向北東或南西，傾角75°～80°;④走向 340°～360°，傾向北東或南西，傾角80°～85°。

白云巖性脆，在地震作用下，結構面極發育，起伏粗糙，張開寬度多為2～4 mm，巖屑夾泥充填。

白云巖夾砂頁巖，在地震作用下，結構面較發育，起伏粗糙，因砂頁巖為軟質巖，張開寬度多為1～3 mm，泥夾巖屑充填。

砂泥(頁)巖，為軟質巖，在地震作用下，結構面較發育，起伏粗糙，張開寬度多為1～3 mm，泥夾巖屑充填。

白云質灰巖，為硬質巖，在地震作用下，結構面較發育，起伏粗糙，張開寬度多為0.5～1 mm，巖屑夾泥充填。

地震作用下，結構面性狀主要有兩個方面的改變，一是張開寬度增大，二是充填物因巖性不同而不同。

2.4 地下水

白云巖性脆，在地震作用下，結構面極發育，巖石易破碎，利于地下水的富集和運移，形成儲水地層。

白云巖夾砂頁巖，在地震作用下，白云巖易破碎，形成富水和儲水地層;砂頁巖富水性差，易泥化，為阻水地層，形成儲水與阻水相間的水文地質結構。

砂泥(頁)巖，富水性差，透水性弱，易泥化，地震對地下水的富集和運移影響不大。

白云質灰巖，富水性好，透水性強，地震對地下水的富集和運移影響不大。

地震作用下，白云巖形成儲水地層，白云巖夾砂頁巖形成儲水與阻水相間的水文地質結構，地震對砂泥(頁)巖、白云質灰巖地下水的富集和運移影響不大。

2.5 圍巖分類

按照水利水電地下洞室詳細圍巖分類，以巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水狀態、主要結構面產狀等五個因素的總評分為基本判據，其中巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態的評分為正分，地下水狀態、主要結構面產狀的評分為負分;圍巖強度應力比為限定判據。

白云巖段Ⅳ類圍巖長1 481 m，Ⅴ類圍巖長847 m;白云巖夾砂頁巖段Ⅳ類圍巖長710 m，Ⅴ類圍巖長431 m;砂泥(頁)巖段Ⅳ類圍巖長1 269 m，Ⅴ類圍巖長1 241 m;白云質灰巖段Ⅲ類圍巖長959 m，Ⅳ類圍巖長386 m。因此，新構造運動對隧洞圍巖穩定性影響較大，在中強地震帶附近的隧洞圍巖分類應考慮地震的影響，以便為設計和施工提供可靠的基礎資料，為施工安全、保障工期、節約投資提供依據。

3 原因探討

白云巖、砂巖為脆性巖石，脆性巖石的基本特征是在其應力、應變曲線上存在一個突變、不可控的脆性段。脆性巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，在地應力的聚積和釋放過程中，巖石多為拉伸破壞，形成細小裂紋，不斷產生新的結構面，脆性巖石的破壞是裂紋的起裂、擴展和連結的結果。在新構造運動作用下，全新世以來沿山口—華寧斷裂發生過5次7～8級地震，地震復發間隔為2 000—3 000年，在5次地應力升高和釋放作用下，不斷產生新的結構面，使結構面延伸更長、張開更寬，從而利于地下水的運移和富集，利于巖石風化，巖體完整性變差，影響圍巖的穩定。

白云巖中白云石礦物為不規則的多邊形晶體面，呈鑲嵌結構，基本無膠結物。晶體間鑲嵌接觸面和晶體內的裂隙面是白云巖的薄弱環節，容易產生機械破壞和溶蝕破壞，使巖石分解。沿薄弱結構面非同比擴散溶蝕是白云巖的主要溶蝕作用［6］，多為整體溶蝕，形成白云巖粉，導致巖石溶蝕分解。地應力升高作用和溶蝕作用影響圍巖的完整性，使結構面的性狀變差，利于地下水活動和巖溶發育，從而影響圍巖的穩定。

4 結語

(1)新構造運動控制了活動斷裂、地震的分布和活動強度。

(2)對于易破碎巖石，新構造運動使風化作用變強、巖石強度降低、巖體完整性變差、結構面張開寬度變大和充填物變軟;新構造運動利于白云巖的地下水的富集和儲存，相對溶解度增加;新構造運動對砂泥巖的地下水影響不大。

(3)對于不易破碎巖石，新構造運動在巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水等方面影響不大。

(4)新構造運動影響圍巖穩定。

［1］ 李永強，王景來，曹刻，等.云南地震災害與地震應急［M］.昆明:云南科技出版社，2007.

［2］ 穆如男，張德光，劉克光，等.云南省地震資料匯編［M］.北京:地震出版社，1988.

［3］ 陳德基，徐福興，姚楚光，等.中國水利百科全書水利工程勘測分冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.水利水電工程地質勘察規范:GB50487—2008［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］ 中華人民共和國水利部.工程巖體分級標準:GB50218—94［S］.北京:中國計劃出版社，1995.

［6］ 張之淦.巖溶發生學——理論探討［M］.桂林:廣西師范大學出版社，2006.