新疆克孜爾水庫(kù)活斷層上筑壩實(shí)例分析與對(duì)策研究

夏新利 翟世龍 陶茂松

(新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆庫(kù)車 842000)

1 引言

克孜爾水庫(kù)位于地震多發(fā)區(qū)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是在活動(dòng)斷層上筑壩國(guó)內(nèi)尚屬首例。我國(guó)著名地質(zhì)專家、原國(guó)家地質(zhì)部部長(zhǎng)李四光先生，對(duì)克孜爾水庫(kù)的工程建設(shè)非常關(guān)心，曾在1968年12月聽(tīng)取了關(guān)于克孜爾水庫(kù)工程地震地質(zhì)情況的匯報(bào)后指出:?可以在復(fù)雜地震地質(zhì)條件下建壩，目前選定的壩址是適宜的，壩高以不超過(guò)F2斷層面的出露高程為宜;?水庫(kù)地區(qū)的基本烈度為8度，場(chǎng)地烈度主壩定為8.5度，副壩定為8度;?必須要有一系列措施跟上去，包括水工結(jié)構(gòu)措施，長(zhǎng)期觀測(cè)與科研工作，水庫(kù)運(yùn)用措施等方面。

克孜爾水庫(kù)于1960—1984年前后經(jīng)過(guò)4次大的地質(zhì)勘察，隨著對(duì)F2斷層活動(dòng)性調(diào)查的進(jìn)一步深入，最終選擇了存在一定抗震危險(xiǎn)性的上壩址。選擇時(shí)主要考慮了以下因素:?從庫(kù)區(qū)地形及對(duì)全流域水量進(jìn)行控制出發(fā)，選克孜爾水庫(kù)和駱駝脖子水庫(kù)均能達(dá)到目的;?從地質(zhì)構(gòu)造與地震條件出發(fā)，選擇駱駝脖子水庫(kù)要優(yōu)于克孜爾水庫(kù)，但從文物條件分析，駱駝脖子水庫(kù)可形成庫(kù)容較小，只有7000萬(wàn)～8000萬(wàn)m3，對(duì)于渭干河多年平均年徑流量26億m3來(lái)說(shuō)，起不到控制流域洪水的目的，要達(dá)到克孜爾水庫(kù)同樣的庫(kù)容，則會(huì)淹沒(méi)部分克孜爾千佛洞，對(duì)國(guó)家級(jí)文物造成破壞，因而，最終選擇了具有高地震危險(xiǎn)性場(chǎng)地條件的克孜爾水庫(kù)壩址。

2 區(qū)域及近場(chǎng)區(qū)地震構(gòu)造

克孜爾水庫(kù)位于庫(kù)車、拜城坳陷與卻勒塔格隆起帶的接壤處，拜城山字形構(gòu)造前弧東翼內(nèi)側(cè)，屬南天山地震帶中段。該區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，歷史上曾發(fā)生多次7級(jí)和6級(jí)地震。場(chǎng)地位于庫(kù)車坳陷南部的卻勒塔格新生代弧形褶皺隆起帶上［2］(見(jiàn)圖1)。區(qū)域內(nèi)有晚更新世以來(lái)活動(dòng)斷裂12條(見(jiàn)下頁(yè)表1)，發(fā)育在庫(kù)車拗陷及其周圍地區(qū)(見(jiàn)圖2)。近場(chǎng)區(qū)主要地震構(gòu)造包括克孜爾斷裂、卻勒塔格斷裂和喀桑托開(kāi)斷裂［4-6］。

圖1 庫(kù)車坳陷地質(zhì)構(gòu)造

圖2 區(qū)域地震構(gòu)造

表1 區(qū)域主要活動(dòng)斷裂統(tǒng)計(jì)

3 F2斷層活動(dòng)特征及其對(duì)克孜爾水庫(kù)建壩可行性論證要點(diǎn)分析

克孜爾水庫(kù)是我國(guó)在已探明活斷層上建成的第一座大型水庫(kù)，F(xiàn)2斷層活動(dòng)規(guī)律對(duì)克孜爾水庫(kù)的安全性有著重要影響，自克孜爾水庫(kù)立項(xiàng)論證起，F(xiàn)2活斷層的研究便成為各階段工作的重要組成部分，成為水庫(kù)建設(shè)和管理人員不可回避的核心任務(wù)［7］。F2斷層的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及跨活斷層的副壩右壩肩的壩工設(shè)計(jì)，是該水庫(kù)最大的工程地質(zhì)問(wèn)題和設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。及時(shí)掌握F2斷層活動(dòng)帶的變化規(guī)律，是水庫(kù)合理運(yùn)行和科學(xué)管理的基本前提。

3.1 F2斷層與克孜爾水庫(kù)

克孜爾活斷層(F2)橫穿庫(kù)區(qū)及副壩(見(jiàn)圖3、圖4)，是一條全新世活動(dòng)逆斷層，在水庫(kù)副壩右壩肩處有3個(gè)分支面，出露高程1131.50～1153.70m，在庫(kù)壩區(qū)該段長(zhǎng)約10km。在F2與F1兩條斷層之間有迭瓦斷層帶，地層局部近直立或倒轉(zhuǎn)，層間滑動(dòng)明顯。在南北向壓應(yīng)力作用下，F(xiàn)2斷層結(jié)構(gòu)面上分解出垂直結(jié)構(gòu)面的擠壓應(yīng)力和平行結(jié)構(gòu)面的反扭水平應(yīng)力，表現(xiàn)為跨斷層基線逐漸縮短，水準(zhǔn)測(cè)量中上盤上升、下盤下降，斷層兩盤相對(duì)左旋扭錯(cuò)。

圖3 克孜爾水庫(kù)壩區(qū)地質(zhì)剖面

圖4 克孜爾水庫(kù)大壩與F1、F2斷層位置關(guān)系

3.2 跨F2斷層長(zhǎng)系列觀測(cè)資料分析

為準(zhǔn)確了解和掌握天山南緣秋立塔克褶皺山系中次生的F2斷層活動(dòng)特征，驗(yàn)證野外地質(zhì)工作的論斷，指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)李四光先生的建議，1971年設(shè)立第一形變站，坐落在副壩二道壩后(向東)50m處的溝坳中，建土木結(jié)構(gòu)觀測(cè)房，南北向布置跨F2斷層［3-4］。自1972年起，開(kāi)始進(jìn)行跨斷層室內(nèi)短水準(zhǔn)與基線觀測(cè)，迄今已積累長(zhǎng)達(dá)42年的水準(zhǔn)和35年的基線觀測(cè)數(shù)據(jù)，為最終在活斷層上建壩提供了寶貴的實(shí)證資料。跨斷層長(zhǎng)系列觀測(cè)資料按月均值點(diǎn)繪成時(shí)間過(guò)程線(見(jiàn)圖5、圖6)，反映了F2斷層的垂直和水平應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，對(duì)長(zhǎng)系列觀測(cè)資料綜合分析可以看出:

圖5 水準(zhǔn)觀測(cè)月均值

圖6 基線觀測(cè)月均值

a.F2斷層的活動(dòng)是緩慢的基本勻速的蠕動(dòng)。其垂直活動(dòng)自1972年1月—2011年6月累計(jì)量為14.90mm，1979年6月—2011年6月水平活動(dòng)累計(jì)縮短量為15.80mm，活動(dòng)速率中等，工程有效使用期內(nèi)，活動(dòng)總量不大，對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行不致造成較大影響。

b.觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)序過(guò)程線，包括水準(zhǔn)和基線均有一個(gè)明顯的年周期變化，在總體蠕動(dòng)趨勢(shì)的情況上，顯示出清楚的年變周期。年變周期可能是年內(nèi)溫度變化所引起的熱變形現(xiàn)象。

c.1990年水庫(kù)截流、1991年初期蓄水后，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序過(guò)程線發(fā)生轉(zhuǎn)折，速率也有變化。1997年后，才逐漸恢復(fù)正常，這是修建水庫(kù)這一工程活動(dòng)及水庫(kù)蓄水引起的，說(shuō)明F2斷層上的地應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。

d.由于水庫(kù)施工、蓄水等工程活動(dòng)，致使庫(kù)壩區(qū)應(yīng)力場(chǎng)和水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。這種改變一方面對(duì)F2斷層活動(dòng)性產(chǎn)生影響，另一方面致使測(cè)站附近上下盤地傾速率發(fā)生變化，并直接反映到了長(zhǎng)系列觀測(cè)數(shù)據(jù)中，致使變形時(shí)程曲線形態(tài)發(fā)生明顯的變化［8］。

3.3 F2斷層活動(dòng)方式(運(yùn)動(dòng)特性)的判定

依據(jù)以下理由可以判斷，F(xiàn)2斷層的活動(dòng)方式(運(yùn)動(dòng)特性)以蠕變?yōu)橹鳌?/p>

a.庫(kù)區(qū)及周圍小區(qū)域(方圓20km)內(nèi)，自1900年以來(lái)，地震活動(dòng)震級(jí)為Ms＜5.60級(jí)水平，為地震活動(dòng)相對(duì)平靜、穩(wěn)定地區(qū)。

b.F2斷層所切穿的地層均為成巖作用較差的第三系泥巖、沙巖。據(jù)室內(nèi)模擬試驗(yàn)和野外原位試驗(yàn)，斷層泥的摩擦角 φ=11.5°～19°、黏聚力 c=100～250kPa。新鮮泥巖、沙巖的抗剪強(qiáng)度分別為φ=34°、c=500kPa;φ=35°、c=580kPa。其抗壓強(qiáng)度在 9～24MPa之間，巖體強(qiáng)度低、塑性大，不具備積累較強(qiáng)地應(yīng)力的地質(zhì)條件。

c.F2斷層帶是以塑性的撓曲變形為主，斷裂變形居次要地位，其分段以不同的變形方式釋放能量，一次釋放的能量不可能很大。

d.依據(jù)斷層下盤卵礫石長(zhǎng)軸順力的牽引方向排列，說(shuō)明卵礫石有時(shí)間改變自身的位置，由此推斷:斷層活動(dòng)緩慢。

e.跨斷層長(zhǎng)系列觀測(cè)資料表明:F2斷層確實(shí)在發(fā)生蠕動(dòng)變形。

f.在水庫(kù)施工過(guò)程中及水庫(kù)蓄水后，F(xiàn)2斷層變形的時(shí)序曲線形態(tài)明顯改變，說(shuō)明F2斷層應(yīng)力狀態(tài)處于極限平衡狀態(tài)，不可能積累大的構(gòu)造應(yīng)力。

g.F2活動(dòng)斷層早期斷層面上斷層泥的熱釋溫溫度為172.10℃，表明斷層早期破裂時(shí)摩擦溫度較高，具有快速粘滑破裂特征;而最新錯(cuò)動(dòng)的斷層泥熱釋溫溫度僅為63.70℃，說(shuō)明斷層最新活動(dòng)時(shí)摩擦溫度不高，以蠕滑活動(dòng)為主。

3.4 在工程運(yùn)行期內(nèi)F2斷層活動(dòng)量的預(yù)測(cè)

跨活斷層工程設(shè)計(jì)一個(gè)很關(guān)鍵的量，就是斷層在工程使用壽命期內(nèi)，其最大的活動(dòng)量有多大，是突變量還是緩慢變形量。

前面已經(jīng)論證F2斷層的蠕動(dòng)變形方式，庫(kù)壩區(qū)F2斷層的主活動(dòng)期在全新世初，現(xiàn)在僅是上次活動(dòng)的延續(xù)，有變?nèi)醯内厔?shì)［9］。由此，可以推測(cè) F2斷層未來(lái)10～200年內(nèi)，仍會(huì)按目前的蠕動(dòng)變形速度活動(dòng);未來(lái)100～200年的累計(jì)垂直活動(dòng)量約為30.70～61.40mm(已有近40年觀測(cè)資料證實(shí)了該推測(cè))。表2所列為不同震級(jí)地震發(fā)生幾率及伴隨地殼變形量。

表2 不同震級(jí)地震發(fā)生幾率及伴隨地殼變形量

考慮一種非常不利的情況，F(xiàn)2斷層在蠕變過(guò)程中，其端部、或其他部位由于斷層的活動(dòng)受到阻礙積累了能量，因而產(chǎn)生黏滑活動(dòng)。根據(jù)F2斷層的規(guī)模，并與天山南麓其他地震斷裂類比，其一次黏滑錯(cuò)動(dòng)量應(yīng)在1m以內(nèi)。

3.5 F2斷層對(duì)克孜爾水庫(kù)建壩可行性論證的要點(diǎn)

克孜爾水庫(kù)是渭干河流域規(guī)劃中理想的控制工程。1966年進(jìn)行該工程的初步設(shè)計(jì)勘測(cè)時(shí)，明確指出，F(xiàn)2斷層至今還在活動(dòng)，這是克孜爾水庫(kù)能否修建的關(guān)鍵問(wèn)題。論證的要點(diǎn)如下:

a.壩址位于拜城山字型構(gòu)造前弧東翼(或卻勒塔格弧形構(gòu)造東翼)內(nèi)側(cè)，不是地應(yīng)力集中的地方。1900年至今，庫(kù)壩區(qū)及方圓20km范圍內(nèi)，地震活動(dòng)的震級(jí)為Ms＜5.6，說(shuō)明庫(kù)區(qū)及近鄰區(qū)是一個(gè)地震活動(dòng)相對(duì)平靜的地區(qū)。地震基本烈度Ⅷ度。

b.放棄F2斷層通過(guò)高壩段的下壩址，選擇F2斷層通過(guò)副壩右壩肩的上壩址，使F2斷層對(duì)建筑物影響最小。

c.建庫(kù)前長(zhǎng)期跨斷層觀測(cè)資料證明，F(xiàn)2斷層的活動(dòng)方式為蠕變，活動(dòng)速率中等，預(yù)計(jì)工程有效使用期內(nèi)，活動(dòng)總量不大。

d.當(dāng)今土石壩設(shè)計(jì)，可以采取一定措施適應(yīng)F2斷層的蠕動(dòng)變形。

通過(guò)對(duì)F2斷層的活動(dòng)性質(zhì)、活動(dòng)量進(jìn)行分析，認(rèn)為:依據(jù)庫(kù)壩區(qū)所處的區(qū)域構(gòu)造部位及當(dāng)今壩工設(shè)計(jì)水平，可以建壩。

4 抗震工程措施

大壩的工程抗震措施符合抗震設(shè)防要求，具體體現(xiàn)在壩型選擇、壩體結(jié)構(gòu)以及將混凝土建筑物全部布設(shè)在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的副壩段等抗震處理方式上。

4.1 克孜爾水庫(kù)大壩采用的抗震工程措施

a.選擇了能適應(yīng)地震變形的壩型。采用當(dāng)?shù)夭牧希x擇了黏土心墻砂礫石壩，壩的剖面設(shè)計(jì)為自愈剖面。采用較緩的壩坡和較寬的壩頂。

b.采用較大的壩頂超高，壩頂超高與壩高比值為0.12，超過(guò)8～9度地震區(qū)國(guó)際上一般取值范圍0.042～0.076。

c.采用較寬的心墻。心墻底部寬度達(dá)到最大壩高的0.90倍。

d.盡可能挖除壩基中的低含黏量的粉細(xì)砂層等軟弱地層，對(duì)不能挖除的粉細(xì)砂層采用強(qiáng)夯處理，避免產(chǎn)生地基液化的可能;心墻建基在第三紀(jì)砂巖、泥巖互層上，基巖面上設(shè)0.50m的混凝土墊層，基巖用鋪蓋式固結(jié)灌漿加固。

e.針對(duì)壩址區(qū)內(nèi)方山等可能因地震引起大體積塌岸和滑坡，并進(jìn)而可能引起的涌浪，做了專門處理;對(duì)位于主副壩連接部的方山以及主壩右壩肩傾倒體作為壩體的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

f.砂礫石料上游與下游壩殼的浸潤(rùn)線以下部位，壓實(shí)后的相對(duì)緊密度Dr分別采用0.85、0.80，經(jīng)施工質(zhì)量檢查實(shí)際達(dá)到的Dr為0.98～0.80，平均0.87，干容重分別達(dá)到2.37～2.23 t/m3和2.28t/m3。

g.依據(jù)地形，大壩軸線布置采用了向上游彎曲的壩軸線。

h.壩頂與最大地震涌浪爬高間的超高值符合0.50～1.50m的要求。

i.對(duì)壩頂、壩與岸坡或與混凝土剛性建筑物的連接部位均有所加強(qiáng)，在防滲體上、下游面均設(shè)置了厚反濾層和過(guò)濾層，反濾層厚度為3m。

4.2 克孜爾水庫(kù)大壩采用的抗斷設(shè)計(jì)措施

a.根據(jù)主壩區(qū)比副壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜的工程地質(zhì)特點(diǎn)，主壩區(qū)只布置了對(duì)地基變形適應(yīng)性強(qiáng)的攔河土壩，而溢洪道、泄洪涵洞、電站引水系統(tǒng)等剛性建筑物均布置在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的副壩區(qū)。

b.在F2斷層通過(guò)壩段，心墻采用了上下游坡各為1∶1的厚心墻砂礫石壩壩型，壩坡也被適當(dāng)放緩，上游為1∶3，下游為1∶2.5;在防滲體上、下游面均設(shè)置了厚反濾層和過(guò)濾層，過(guò)濾層厚度為2m，反濾層厚度為3m;黏土貼坡和上、下游反濾層、過(guò)濾層分別沿方山邊緣延伸，保護(hù)滲流出口，黏土貼坡、反濾層以及過(guò)渡層厚度的確定均考慮了F2斷層發(fā)生大量值錯(cuò)動(dòng)時(shí)，不致造成錯(cuò)斷破壞。

c.在F2斷層通過(guò)壩段，心墻主要采用高塑性黏土填筑，以適應(yīng)F2斷層的錯(cuò)動(dòng)變形。

d.由于F2活動(dòng)斷層帶存在發(fā)生大量值集中錯(cuò)動(dòng)的可能，心墻與基巖的接觸面如設(shè)剛性的混凝土墊層將不能適應(yīng)這種錯(cuò)動(dòng)，故在斷層帶噴瀝青層作為心墻底部柔性的墊層。瀝青墊層可起到防止心墻受基巖裂隙中滲流集中沖刷的作用。

e.沿F2斷層走向，在副壩下游又設(shè)置了二道副壩，一端與副壩相接，另一端與方山相接，作為F2斷層的第二道防線，副壩與二道副壩之間填砂礫料壓實(shí)［10］。主要考慮F2活斷層錯(cuò)動(dòng)變形時(shí)，防滲體開(kāi)裂，因二道壩與副壩之間填充的砂礫為無(wú)黏性土，不致產(chǎn)生張開(kāi)裂縫，水流在回填的砂礫石中以滲流的形式出現(xiàn)，平均滲透比降僅為0.05(i=14/270)，具有較好的滲透穩(wěn)定性，有效防止產(chǎn)生集中滲漏通道，避免潰壩發(fā)生，為大壩應(yīng)急搶險(xiǎn)爭(zhēng)取時(shí)間。

5 問(wèn)題與討論

克孜爾水庫(kù)大壩已安全運(yùn)行20年，并經(jīng)歷了Ms5.70近場(chǎng)區(qū)地震和Ms4.80地震群及兩次百年一遇洪水的考驗(yàn)，但地震、地質(zhì)結(jié)構(gòu)判斷及抗震措施的采用是否得當(dāng)，仍需進(jìn)一步的時(shí)間考驗(yàn)和驗(yàn)證。克孜爾水庫(kù)在建壩前后，建立了比較多樣的觀測(cè)手段，并積累了大量可貴資料，但仍需進(jìn)一步總結(jié)完善，特別是針對(duì)F2斷層目前的短視距測(cè)量，應(yīng)增設(shè)一條長(zhǎng)測(cè)線跨過(guò)F1和F2斷層，以觀測(cè)背斜帶北緣的地殼縮短與垂直變形情況。克孜爾水庫(kù)的建設(shè)實(shí)屬不得已而為之，但隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在這樣特殊地震地質(zhì)條件下建壩的可能性仍然存在，建議應(yīng)認(rèn)真加以總結(jié)。■

［1］ 水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院．新疆渭干河克孜爾水庫(kù)設(shè)計(jì)報(bào)告［R］．1995．

［2］ 柏美祥，向志勇，胡軍，等．卻勒塔格活動(dòng)斷裂帶的某些特征［J］．內(nèi)陸地震，2000，14(3)．

［3］ 鄧起東，馮先岳，張培震，等．天山活動(dòng)構(gòu)造［M］．北京:地震出版社，2000．

［4］ 趙瑞斌，楊主恩，周偉新，等．天山南北兩側(cè)山前坳陷帶中新生代構(gòu)造特征與地震［J］．地震地質(zhì)，2000，22(3)．

［5］ 彭敦復(fù)．新疆水利水電工程活斷層處理的工程實(shí)踐［M］．烏魯木齊:新疆人民出版社，2005．

［6］ 水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘查設(shè)計(jì)研究院．新疆渭干河克孜爾水庫(kù)右壩肩防滲工程地質(zhì)勘查報(bào)告［R］．2004．

［7］ 水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘查設(shè)計(jì)研究院．新疆克孜爾水庫(kù)大壩安全鑒定——大壩抗震復(fù)核報(bào)告(水工部分)［R］．2001．

［8］ 新疆防御自然災(zāi)害研究所．克孜爾水庫(kù)地震危險(xiǎn)性分析及對(duì)策［Z］．1999．

［9］ 李斌，夏新利，等．新疆克孜爾水庫(kù)F2活動(dòng)斷層活動(dòng)特征分析［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009．

［10］ 克孜爾水庫(kù)——一座建造在活動(dòng)斷層上的大壩編委會(huì)．克孜爾水庫(kù)——一座建造在活動(dòng)斷層上的大壩［M］．烏魯木齊:新疆科學(xué)技術(shù)出版社，2011．