姬永尚

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

新疆和田玉龍喀什水利樞紐工程位于玉龍喀什河干流中游河段上，是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程。水庫設(shè)計(jì)最大壩高233.5m，正常蓄水位2170.0m，庫容5.28×108m3，電站裝機(jī)容量200MW，屬大（2）型Ⅱ等工程[1]。水庫位于高震區(qū)，且具有壩高、水深、回水長等特點(diǎn)，進(jìn)行水庫誘發(fā)地震的可能性預(yù)測研究，對工程建設(shè)十分重要。

在水庫誘發(fā)地震危險性的預(yù)測和評價方面，主要的方法可分為定性或半定量的類比法和應(yīng)用各種模型進(jìn)行量化預(yù)測的方法兩大類。前者是指地震地質(zhì)類比分析法，后者用得較多的是水庫綜合參數(shù)判別法、概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法以及灰色聚類分析等方法。

1 玉龍樞紐水庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

水庫誘發(fā)地震有其特定的地質(zhì)環(huán)境條件，搞清楚這些特殊的地質(zhì)環(huán)境條件是評價擬建水庫誘發(fā)地震的可能性和危害性的關(guān)鍵。

水庫區(qū)位于玉龍喀什河中游高山峽谷河段，為峽谷—河槽型水庫。正常蓄水位2170m時，壩前最大水深200m左右，水庫回水長度約20km。近壩10km庫段總體呈近EW向，平面上似連續(xù)“W”形曲折展布；遠(yuǎn)壩10km庫段總體呈NE向，平面上似連續(xù)“S”形展布[1]。

水庫區(qū)兩岸出露的地層巖性主要為早元古界滹沱系（Pt）二云母石英片巖，屬中硬巖，呈片理面結(jié)合牢固的薄層狀，走向與兩岸多大角度相交，傾角較緩，巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整，透水性弱，基巖裂隙水貧乏[1]。庫區(qū)第四系覆蓋層主要堆積在現(xiàn)代河床及兩岸坡腳，厚度小于20m[1]。

水庫區(qū)為單斜構(gòu)造，巖層較穩(wěn)定，無區(qū)域性斷裂通過，主要發(fā)育NW向裂隙及三條次級斷層。斷層與河谷大角度相交，壓扭性逆斷層，斷層帶內(nèi)充填密實(shí)，膠結(jié)好，導(dǎo)水能力差。距離庫區(qū)最近的區(qū)域性活動斷裂為柯崗斷裂，位于水庫東南側(cè)約14km處，為晚更新世以來活動斷裂[1]。

水庫區(qū)巖體水文地質(zhì)條件較單一，現(xiàn)代河流為最低侵蝕基準(zhǔn)面，兩岸基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙及斷層帶內(nèi)，沿裂隙網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移，無統(tǒng)一水面，主要受冰雪融水及大氣降水補(bǔ)給，向玉龍喀什河排泄。庫盤巖體斷層及節(jié)理裂隙等透水結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖體完整性好，透水性弱，基巖裂隙水貧乏[1]。

工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.210g，地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域內(nèi)有記載的破壞性地震對場地的最大影響烈度為Ⅵ度，因此，工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性屬于基本穩(wěn)定區(qū)[1]。

2 玉龍樞紐水庫誘發(fā)地震危險性評價

采用地震地質(zhì)類比分析法、概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和灰色聚類分析法分別對水庫誘發(fā)地震的危險性進(jìn)行預(yù)測和評價。

2.1 地震地質(zhì)類比分析法

水庫庫盤巖性主要為二云母石英片巖、長石黑云母石英片巖等，不存在巖溶現(xiàn)象。水庫岸坡穩(wěn)定情況較好，無大規(guī)?；麦w分布。

水庫區(qū)無區(qū)域性活動斷裂通過，次級斷層規(guī)模相對較大的有f59、f60和f61，斷層帶寬2~3m，帶內(nèi)主要為灰綠色的千糜巖及少量糜棱巖，導(dǎo)水能力差，庫水沿小斷層帶向深部滲透有限。

區(qū)域性活動斷裂——鐵克里克斷裂（F2）距水庫壩址31km以遠(yuǎn)，不存在水力聯(lián)系；距庫尾14km的區(qū)域性活動斷裂——柯崗斷裂（F4），雖歷史記錄有6.1級地震，但該斷裂與庫水無水力聯(lián)系，且發(fā)震的可能點(diǎn)距庫邊大于10km，因此，水庫蓄水后，該斷裂不存在誘發(fā)中等強(qiáng)度以上構(gòu)造型水庫地震的可能性，但存在誘發(fā)弱—微震的可能性。

近場區(qū)地震以中、小地震活動為主要特征，地震不活躍，進(jìn)場外圍地震較活躍，多分布在南部高山區(qū)及東南部的山前盆地邊緣附近，距離場地約30~40km，地震活動與構(gòu)造有一定的相關(guān)性，大多發(fā)生在活動構(gòu)造附近地區(qū)。在壩址附近15km范圍沒有M≥3.0的地震記錄，地震活動水平相對較弱。

綜上所述，水庫區(qū)不存在明顯有利于誘發(fā)水庫地震的環(huán)境條件，水庫蓄水不具備誘發(fā)中等強(qiáng)度以上水庫地震的條件，但存在誘發(fā)弱—微震的可能性。

2.2 概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法

應(yīng)用貝葉斯公式建立的評價水庫誘發(fā)地震的概率統(tǒng)計(jì)模型可表達(dá)為：

式中：P（Mi|A）——所需評價的水庫誘發(fā)地震的概率；

Mi——震級類別（i＝0，1，2，3，4），即評價目標(biāo)（地震震級上限所屬狀態(tài)）；

A——各誘震因子及其相應(yīng)的狀態(tài)；

P（Mi）——各不同震級地震類別的先驗(yàn)概率；

P（A|Mi）——不同誘震因子組合條件下不同震級的條件概率；

P（A）——水庫誘發(fā)地震的全概率，由下式計(jì)算：

根據(jù)玉龍喀什水利樞紐壩高、庫段地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震背景、水文地質(zhì)條件等因素，確定各誘震因子的狀態(tài)。

①庫深（D）：分三種情況考慮，0~6km段庫水深度大于150m，即D1；6~14km段庫水深度92~150m，即D2；14~20km段庫水深度小于92m，即D3。

②構(gòu)造應(yīng)力（S）：斷裂性質(zhì)為逆斷層，說明處于逆斷層環(huán)境，即S1。

③斷層活動性（F）：次級小規(guī)模斷層（f59、f60和f61）為非活動斷層，即F2。

④巖石類型（G）：庫區(qū)巖性為二云母石英片巖和長石黑云母石英片巖，屬層狀巖體，即G2。

⑤地震活動背景（E）：工程區(qū)地震活動以中、小震為主，地震危險性主要受外圍強(qiáng)震活動波及影響，對工程區(qū)最大影響烈度為Ⅷ度，未來地震活動性參數(shù)以強(qiáng)烈水平估計(jì)，即E1。

⑥水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況（FD）：次級規(guī)模斷層（f59、f60和f61），為壓扭性逆斷層，斷層帶寬2~3m，帶內(nèi)主要為灰綠色的千糜巖及少量糜棱巖，充填密實(shí)，膠結(jié)好，導(dǎo)水性差，導(dǎo)水深度不會超過2000m，即FD2。

⑦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫水接觸關(guān)系（FC）：次級規(guī)模斷層（f59、f60和f61）在水庫內(nèi)通過，與庫水直接接觸，即FC1。

⑧巖溶發(fā)育程度（SK）：庫區(qū)不存在巖溶問題，取消此誘震因子。

因此，玉龍喀什水利樞紐水庫誘發(fā)地震預(yù)測的誘震因子狀態(tài)組合情況為：D1、S1、F2、G2、E1、FD2、FC1；D2、S1、F2、G2、E1、FD2、FC1；D3、S1、F2、G2、E1、FD2、FC1。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)學(xué)表達(dá)，代入不同誘震狀態(tài)的條件概率和先驗(yàn)概率，對該庫段水庫誘發(fā)地震因子組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。計(jì)算各單元所屬預(yù)測目標(biāo)對應(yīng)的五個狀態(tài)的概率，取其中概率預(yù)測最大值對應(yīng)的預(yù)測狀態(tài)，作為該單元被預(yù)測的可能最大發(fā)震強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 誘發(fā)地震概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果

從統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析計(jì)算結(jié)果可見，水庫蓄水發(fā)生M0的概率為0.471~0.807，發(fā)生M4的概率為0.169~0.435，即存在水庫誘發(fā)微震可能。

2.3 灰色聚類法預(yù)測

灰色聚類法是將收集到的樣本按統(tǒng)計(jì)方法取其權(quán)，再將被預(yù)測對象按實(shí)際指標(biāo)的值在白化權(quán)函數(shù)上找出所對應(yīng)的權(quán)，根據(jù)找出權(quán)的大小判斷所屬類別。將水庫地震震級作為聚類的類別，假設(shè)ML表示L種地震類型(L=1，2，3，…，m)。誘震因素作為聚類指標(biāo)，設(shè)xi為第i種預(yù)測指標(biāo)(i=1，2，3，…，n)。被預(yù)測水庫（或同一庫段不同聚類指標(biāo)的組合）為聚類對象，Yk為第K個被預(yù)測對象（K=1，2，3，…，s）。

設(shè)Zk（dij）為第k個被預(yù)測水庫對于xij的樣本，則fLi（Zk（dij））為Zk（dij）對應(yīng)第L種水庫地震的白化函數(shù)的權(quán)，有：

式中：YL(xi)——第L種水庫地震類別第i個指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)；

YL(xij)——第L種水庫地震類別第i個指標(biāo)中第j個分指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)。

當(dāng)L*=m時，被預(yù)測的水庫地震就屬于第m種水庫地震類別。

將水庫誘發(fā)地震分為五類，即M1、M2、M3、M4、M0。根據(jù)誘震因素與震級的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，得出預(yù)測水庫灰色聚類的白化函數(shù)權(quán)，再分類求出其對應(yīng)的預(yù)測向量值（表2），取最大值為預(yù)測該水庫可能誘發(fā)地震的強(qiáng)度。從表2可知，水庫壩址上游0~6km段可能發(fā)生M4的概率最大，即可能發(fā)生水庫誘發(fā)微震；壩址上游6km以遠(yuǎn)段可能發(fā)生M0的概率最大，即不會發(fā)生水庫誘發(fā)地震。

表2 灰色聚類分析計(jì)算結(jié)果

3 玉龍樞紐水庫誘發(fā)地震綜合預(yù)測評價

3.1 水庫誘發(fā)地震預(yù)測結(jié)果分析

通過地震地質(zhì)類比分析、概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和灰色聚類法預(yù)測結(jié)果可以看出，三種方法預(yù)測結(jié)果差別不大，為發(fā)生微震或不發(fā)震。因此，預(yù)測水庫蓄水可能誘發(fā)微震。

3.2 最大可能震級和發(fā)震地點(diǎn)評價

根據(jù)以上資料分析，判斷水庫蓄水后可能誘發(fā)微震，最大震級為3級。微震的發(fā)生可能與邊坡卸荷有關(guān)，地點(diǎn)具有一定的隨機(jī)性。

3.3 衰減規(guī)律分析

一般認(rèn)為，由于水庫誘發(fā)地震的震源較淺，震中烈度往往較高，而隨距離的衰減則比天然地震為快。根據(jù)一些研究者對水庫誘發(fā)地震的震級與震中烈度的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)小于4級的水庫地震，其震中烈度確實(shí)有偏高的現(xiàn)象。有時只有1~2級地震，當(dāng)?shù)匾延姓鸶校瑯诱鸺壍奶烊坏卣?，人們是感覺不到的。然而，即使在小于4級的范圍內(nèi)，烈度的偏高與震級之間也不是呈線性增長的關(guān)系。反之，隨著震級的升高，烈度偏高的程度逐漸減小，至今還沒有見到4級以下水庫地震的震中烈度超過Ⅵ度的情況。而水庫地震震級大于4.0級時，一般已屬構(gòu)造型水庫地震，其震中烈度與天然構(gòu)造地震大體相同，并沒有明顯偏高的現(xiàn)象。

近年來，地震部門對新疆地區(qū)地震衰減關(guān)系取得了較多的研究成果，建立了地震烈度衰減關(guān)系，提出了中國西部烈度衰減公式如下：

根據(jù)上述公式計(jì)算，當(dāng)水庫可能誘發(fā)3.0級地震時，對壩址區(qū)的影響烈度不會超過Ⅵ度，低于本區(qū)的地震基本烈度Ⅷ度。

3.4 水庫地震對工程及環(huán)境影響評價

首先，水庫誘發(fā)地震的烈度不會超過壩址的基本烈度，不會對水工建筑物產(chǎn)生不利影響，其次，水庫區(qū)為無人區(qū)，無其它基礎(chǔ)設(shè)施，誘發(fā)地震對水庫周邊環(huán)境不會造成大的影響。

4 結(jié)語

根據(jù)玉龍喀什水利樞紐水庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，通過采用地震地質(zhì)類比定性分析法、概率統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和灰色聚類分析法，水庫存在誘發(fā)微震的可能，最大震級預(yù)測為3級，對壩址區(qū)的影響烈度不會超過Ⅵ度，低于場地基本烈度，對工程及環(huán)境影響小。