趙永川，張正平

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650021)

通?？h杞麓湖調(diào)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(chǎn)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(diào)蓄水隧洞工程是以灌溉、防洪、改善湖泊生態(tài)環(huán)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(shè)計(jì)流量18 m3/s。

云南省地震分布廣泛，全省128個(gè)縣市有110多個(gè)縣發(fā)生過5級以上地震，有30多個(gè)縣發(fā)生過6級以上地震，有10多個(gè)縣發(fā)生過7級以上大地震。該省新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁。以20世紀(jì)100年的資料分析，平均每年發(fā)生M≥5級地震3次，每2年發(fā)生M≥6級地震1次，每9年發(fā)生M≥7級地震1次［1］。隨著云南經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，中強(qiáng)地震帶附近的隧洞工程越來越多，而杞麓湖調(diào)蓄水隧洞位于云南省的強(qiáng)地震帶上(通?！ㄋ卣饚?，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)強(qiáng)烈［2］，山口—華寧斷裂為全新世活動(dòng)斷裂。研究新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水狀態(tài)［3］的影響，對隧洞圍巖分類、圍巖穩(wěn)定性分析有重要的指導(dǎo)作用，也為類似工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及活動(dòng)斷裂

1.1 地理位置

云南省發(fā)生M≥7級強(qiáng)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?！ㄋ卣饚В硗膺€有大量的M≥5～7級的中強(qiáng)地震帶，地震活動(dòng)強(qiáng)烈。通?！ㄋ卣饚挥谕ê？h與石屏縣、建水縣之間的三角地帶，隧洞位于該地震帶內(nèi)。

1.2 活動(dòng)斷裂

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是指地球演化中最新的由于地球內(nèi)力作用引起地殼或巖石圈產(chǎn)生變形的地球物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)斷裂、地震與火山的分布和活動(dòng)強(qiáng)度。

天然地震根據(jù)不同成因分為構(gòu)造地震、火山地震、天然陷落地震、天然擾動(dòng)地震，構(gòu)造地震是直接由地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層或巖體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)(或破裂)所引起的地震，這類地震數(shù)量最多，約占全球天然地震的90%，構(gòu)造地震主要受斷裂控制。

在水利水電行業(yè)，活動(dòng)斷裂是指新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期有過差異性活動(dòng)的斷裂，直接判別依據(jù)為:①錯(cuò)動(dòng)晚更新世(Q3)以來地層的斷裂;②斷裂帶中的構(gòu)造巖或被錯(cuò)動(dòng)的脈體，經(jīng)絕對年齡測定，最新一次錯(cuò)動(dòng)年代距今10萬年以內(nèi);③根據(jù)儀器觀測，沿?cái)嗔延校?.1 mm/Ma的位移;④沿?cái)嗔延袣v史和現(xiàn)代中、強(qiáng)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(dòng);⑤在地質(zhì)構(gòu)造上，證實(shí)與已知活斷裂有共生或同生關(guān)系的斷裂［4］。

1.3 區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng)及斷裂的新活動(dòng)。

(1)大面積整體間歇性掀斜抬升運(yùn)動(dòng)。區(qū)域地形從西北向東南方向傾斜，形成明顯的三個(gè)地形階梯面，表明新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有從北向南大面積掀斜隆升的特點(diǎn)。南盤江流域發(fā)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)大面積抬升具有間歇性的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

(2)斷塊之間的差異升降運(yùn)動(dòng)。區(qū)域內(nèi)具有較大規(guī)模和深度的活動(dòng)斷裂發(fā)育，地殼被切割成活動(dòng)塊體，形成了塊體間的差異運(yùn)動(dòng)，例如山口—華寧斷裂兩盤差異運(yùn)動(dòng)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(dòng)。山口—華寧斷裂自古生代開始活動(dòng)，一直未間斷，全新世發(fā)生過5次7～8級地震，呈現(xiàn)右旋走滑運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，直至現(xiàn)今仍在活動(dòng)。

1.4 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對巖溶發(fā)育的影響

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對巖溶發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①全新世以來，山口—華寧斷裂發(fā)生過5次7～8級地震，地應(yīng)力的每次升高和釋放，使白云巖易于產(chǎn)生裂隙，多次高地應(yīng)力的作用使裂隙張開更寬、延伸更長，利于地下水的運(yùn)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(dòng)為白云巖的巖溶發(fā)育創(chuàng)造了內(nèi)部條件。②南盤江流域發(fā)育5級階地，表明全新世以來，河流有5個(gè)停頓時(shí)期，階地成為地下水的排泄面，利于巖溶發(fā)育，大面積整體間歇性掀斜抬升運(yùn)動(dòng)為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了外部條件。

1.5 山口—華寧斷裂的活動(dòng)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(gòu)造盆地西南側(cè)的樂德舊、五街后，轉(zhuǎn)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(dá)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(xiàn)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?cái)嗔褞?gòu)造擠壓強(qiáng)烈，發(fā)育寬達(dá)幾十米至數(shù)百米的斷層破碎帶，最寬處的峨山縣城附近破碎帶達(dá)1 000 m，其中糜棱巖帶達(dá)500～600 m。斷裂自古生代開始活動(dòng)，前新生代以壓性左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，兼具反復(fù)多期活動(dòng)特點(diǎn)，新生代中—上新世轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚呋\(yùn)動(dòng)，直至現(xiàn)今。

山口—華寧斷裂為向南凸出的弧形構(gòu)造，為通?；⌒螛?gòu)造的前弧，是工程區(qū)規(guī)模最大斷裂，新活動(dòng)十分強(qiáng)烈，沿?cái)嗔熏F(xiàn)今地貌上主要表現(xiàn)為一條直線型溝槽狀斷裂谷，并發(fā)育峨山、小海洽、高大和曲溪四個(gè)斷陷盆地，盆地內(nèi)沉積了厚度達(dá)幾十米至數(shù)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(diǎn)。在盆地與河谷內(nèi)的第四系中發(fā)育一系列晚更新世—全新世新斷層，沿?cái)嗔褦噱e(cuò)水系、斷錯(cuò)山谷、斷層陡崖、斷層陡坎等斷錯(cuò)地貌十分發(fā)育。沿?cái)嗔寻l(fā)現(xiàn)有多次古地震遺跡。根據(jù)對斷錯(cuò)水系、斷錯(cuò)巖體等斷錯(cuò)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(qiáng)震活動(dòng)集中在峨山以東地段，自1517年始有地震記載至今，共發(fā)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?？h高大鄉(xiāng)發(fā)生了7.8級地震，極震區(qū)沿?cái)嗔逊植迹L軸達(dá)52 km，寬1～5.5 km，隧洞距震中1.5～7 km，基本位于極震區(qū)內(nèi);7度區(qū)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?！ㄋ卣饚?nèi)地震的發(fā)生，屬構(gòu)造地震，1970年地震時(shí)最大水平錯(cuò)距3.25 m，垂直錯(cuò)距0.55 m。

根據(jù)古地震研究，山口—華寧斷裂全新世發(fā)生過5次7～8級地震，同震垂直位錯(cuò)量最大達(dá)0.8 m，地震復(fù)發(fā)間隔為2 000—3 000年。

2 地震對圍巖穩(wěn)定的影響

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了活動(dòng)斷裂、地震的分布和活動(dòng)強(qiáng)度，地應(yīng)力從聚集到釋放，多次地應(yīng)力釋放對圍巖強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面性狀、地下水活動(dòng)影響大，研究表明，不同巖性的影響程度不同。

2.1 巖石強(qiáng)度

巖石強(qiáng)度用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rb)表示，是指巖石在飽和狀態(tài)及無側(cè)限條件下受軸向力作用破壞時(shí)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?guī)r三種巖石。工程區(qū)大震周期為16年一次，巖石在反復(fù)的地應(yīng)力聚集和釋放的作用下，使巖石的風(fēng)化作用更加強(qiáng)烈，風(fēng)化越強(qiáng)，巖石強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)化巖石中通過，最大埋深超過150 m仍為強(qiáng)風(fēng)化巖石，白云巖硬、脆，易于破碎和風(fēng)化，受地震影響極大，巖石強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)化巖石中通過，最大埋深超過160 m仍為強(qiáng)風(fēng)化巖石，因?yàn)樯绊搸r為軟巖，易于風(fēng)化，受地震影響較大，巖石強(qiáng)度Rb=8～12 MPa。

巖性不同，巖石強(qiáng)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?guī)r，白云巖夾砂頁巖、砂泥(頁)巖的強(qiáng)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(shù)(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(jié)構(gòu)類型、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度與性狀等，表達(dá)式為:

式中:Vmp為現(xiàn)場測試的巖體縱波速度，m/s;Vrp為室內(nèi)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(yè)的規(guī)范根據(jù)KV值對巖體完整程度進(jìn)行劃分，以五級劃分為主，見表 1［4－5］。

白云巖，在反復(fù)地應(yīng)力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結(jié)構(gòu)面極發(fā)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(fù)地應(yīng)力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，KV=0.2～0.4，巖體完整性差。

砂泥(頁)巖，在反復(fù)地應(yīng)力的聚集和釋放過程中，地層被多次破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，KV=0.2 ～0.4，巖體完整性差。

白云質(zhì)灰?guī)r，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?guī)r巖溶發(fā)育，以溶隙、溶洞為主要巖溶形態(tài)。

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?guī)r，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(jié)構(gòu)面狀態(tài)

結(jié)構(gòu)面發(fā)育方向以北東、北西向?yàn)橹?，與主要構(gòu)造線基本一致，沿隧洞線發(fā)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(jié)構(gòu)面極發(fā)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(jié)構(gòu)面較發(fā)育，起伏粗糙，因砂頁巖為軟質(zhì)巖，張開寬度多為1～3 mm，泥夾巖屑充填。

砂泥(頁)巖，為軟質(zhì)巖，在地震作用下，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，起伏粗糙，張開寬度多為1～3 mm，泥夾巖屑充填。

白云質(zhì)灰?guī)r，為硬質(zhì)巖，在地震作用下，結(jié)構(gòu)面較發(fā)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(jié)構(gòu)面性狀主要有兩個(gè)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(jié)構(gòu)面極發(fā)育，巖石易破碎，利于地下水的富集和運(yùn)移，形成儲(chǔ)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(chǔ)水地層;砂頁巖富水性差，易泥化，為阻水地層，形成儲(chǔ)水與阻水相間的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

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(yùn)移影響不大。

白云質(zhì)灰?guī)r，富水性好，透水性強(qiáng)，地震對地下水的富集和運(yùn)移影響不大。

地震作用下，白云巖形成儲(chǔ)水地層，白云巖夾砂頁巖形成儲(chǔ)水與阻水相間的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地震對砂泥(頁)巖、白云質(zhì)灰?guī)r地下水的富集和運(yùn)移影響不大。

2.5 圍巖分類

按照水利水電地下洞室詳細(xì)圍巖分類，以巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等五個(gè)因素的總評分為基本判據(jù)，其中巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的評分為正分，地下水狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的評分為負(fù)分;圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為限定判據(jù)。

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(zhì)灰?guī)r段Ⅲ類圍巖長959 m，Ⅳ類圍巖長386 m。因此，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對隧洞圍巖穩(wěn)定性影響較大，在中強(qiáng)地震帶附近的隧洞圍巖分類應(yīng)考慮地震的影響，以便為設(shè)計(jì)和施工提供可靠的基礎(chǔ)資料，為施工安全、保障工期、節(jié)約投資提供依據(jù)。

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(yīng)力、應(yīng)變曲線上存在一個(gè)突變、不可控的脆性段。脆性巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，在地應(yīng)力的聚積和釋放過程中，巖石多為拉伸破壞，形成細(xì)小裂紋，不斷產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，脆性巖石的破壞是裂紋的起裂、擴(kuò)展和連結(jié)的結(jié)果。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，全新世以來沿山口—華寧斷裂發(fā)生過5次7～8級地震，地震復(fù)發(fā)間隔為2 000—3 000年，在5次地應(yīng)力升高和釋放作用下，不斷產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，使結(jié)構(gòu)面延伸更長、張開更寬，從而利于地下水的運(yùn)移和富集，利于巖石風(fēng)化，巖體完整性變差，影響圍巖的穩(wěn)定。

白云巖中白云石礦物為不規(guī)則的多邊形晶體面，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，基本無膠結(jié)物。晶體間鑲嵌接觸面和晶體內(nèi)的裂隙面是白云巖的薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生機(jī)械破壞和溶蝕破壞，使巖石分解。沿薄弱結(jié)構(gòu)面非同比擴(kuò)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(dǎo)致巖石溶蝕分解。地應(yīng)力升高作用和溶蝕作用影響圍巖的完整性，使結(jié)構(gòu)面的性狀變差，利于地下水活動(dòng)和巖溶發(fā)育，從而影響圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了活動(dòng)斷裂、地震的分布和活動(dòng)強(qiáng)度。

(2)對于易破碎巖石，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使風(fēng)化作用變強(qiáng)、巖石強(qiáng)度降低、巖體完整性變差、結(jié)構(gòu)面張開寬度變大和充填物變軟;新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)利于白云巖的地下水的富集和儲(chǔ)存，相對溶解度增加;新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對砂泥巖的地下水影響不大。

(3)對于不易破碎巖石，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水等方面影響不大。

(4)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響圍巖穩(wěn)定。

［1］ 李永強(qiáng)，王景來，曹刻，等.云南地震災(zāi)害與地震應(yīng)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(xiāng)建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50487—2008［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

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

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