玉龍水利樞紐水庫誘發地震的危險性分析

姬永尚

（新疆水利水電勘測設計研究院，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，是玉龍喀什河山區河段的控制性水利樞紐工程。水庫設計最大壩高233.5m，正常蓄水位2170.0m，庫容5.28×108m3，電站裝機容量200MW，屬大（2）型Ⅱ等工程[1]。水庫位于高震區，且具有壩高、水深、回水長等特點，進行水庫誘發地震的可能性預測研究，對工程建設十分重要。

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

1 玉龍樞紐水庫區地質環境條件

水庫誘發地震有其特定的地質環境條件，搞清楚這些特殊的地質環境條件是評價擬建水庫誘發地震的可能性和危害性的關鍵。

水庫區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“W”形曲折展布；遠壩10km庫段總體呈NE向，平面上似連續“S”形展布[1]。

水庫區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，巖體節理裂隙不發育，巖體完整，透水性弱，基巖裂隙水貧乏[1]。庫區第四系覆蓋層主要堆積在現代河床及兩岸坡腳，厚度小于20m[1]。

水庫區為單斜構造，巖層較穩定，無區域性斷裂通過，主要發育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，斷層帶內充填密實，膠結好，導水能力差。距離庫區最近的區域性活動斷裂為柯崗斷裂，位于水庫東南側約14km處，為晚更新世以來活動斷裂[1]。

水庫區巖體水文地質條件較單一，現代河流為最低侵蝕基準面，兩岸基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙及斷層帶內，沿裂隙網絡運移，無統一水面，主要受冰雪融水及大氣降水補給，向玉龍喀什河排泄。庫盤巖體斷層及節理裂隙等透水結構面不發育，巖體完整性好，透水性弱，基巖裂隙水貧乏[1]。

工程區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，區域內有記載的破壞性地震對場地的最大影響烈度為Ⅵ度，因此，工程區區域構造穩定性屬于基本穩定區[1]。

2 玉龍樞紐水庫誘發地震危險性評價

采用地震地質類比分析法、概率統計檢驗法和灰色聚類分析法分別對水庫誘發地震的危險性進行預測和評價。

2.1 地震地質類比分析法

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，不存在巖溶現象。水庫岸坡穩定情況較好，無大規模滑坡體分布。

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

區域性活動斷裂——鐵克里克斷裂（F2）距水庫壩址31km以遠，不存在水力聯系；距庫尾14km的區域性活動斷裂——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系，且發震的可能點距庫邊大于10km，因此，水庫蓄水后，該斷裂不存在誘發中等強度以上構造型水庫地震的可能性，但存在誘發弱—微震的可能性。

近場區地震以中、小地震活動為主要特征，地震不活躍，進場外圍地震較活躍，多分布在南部高山區及東南部的山前盆地邊緣附近，距離場地約30~40km，地震活動與構造有一定的相關性，大多發生在活動構造附近地區。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，水庫區不存在明顯有利于誘發水庫地震的環境條件，水庫蓄水不具備誘發中等強度以上水庫地震的條件，但存在誘發弱—微震的可能性。

2.2 概率統計檢驗法

應用貝葉斯公式建立的評價水庫誘發地震的概率統計模型可表達為：

式中：P（Mi|A）——所需評價的水庫誘發地震的概率；

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

A——各誘震因子及其相應的狀態；

P（Mi）——各不同震級地震類別的先驗概率；

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）——水庫誘發地震的全概率，由下式計算：

根據玉龍喀什水利樞紐壩高、庫段地層巖性、地質構造、地震背景、水文地質條件等因素，確定各誘震因子的狀態。

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構造應力（S）：斷裂性質為逆斷層，說明處于逆斷層環境，即S1。

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

④巖石類型（G）：庫區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）：工程區地震活動以中、小震為主，地震危險性主要受外圍強震活動波及影響，對工程區最大影響烈度為Ⅷ度，未來地震活動性參數以強烈水平估計，即E1。

⑥水文地質結構面發育情況（FD）：次級規模斷層（f59、f60和f61），為壓扭性逆斷層，斷層帶寬2~3m，帶內主要為灰綠色的千糜巖及少量糜棱巖，充填密實，膠結好，導水性差，導水深度不會超過2000m，即FD2。

⑦水文地質結構面與庫水接觸關系（FC）：次級規模斷層（f59、f60和f61）在水庫內通過，與庫水直接接觸，即FC1。

⑧巖溶發育程度（SK）：庫區不存在巖溶問題，取消此誘震因子。

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

根據統計檢驗模型的數學表達，代入不同誘震狀態的條件概率和先驗概率，對該庫段水庫誘發地震因子組合進行統計檢驗。計算各單元所屬預測目標對應的五個狀態的概率，取其中概率預測最大值對應的預測狀態，作為該單元被預測的可能最大發震強度。統計檢驗結果見表1。

表1 誘發地震概率統計計算結果

從統計檢驗分析計算結果可見，水庫蓄水發生M0的概率為0.471~0.807，發生M4的概率為0.169~0.435，即存在水庫誘發微震可能。

2.3 灰色聚類法預測

灰色聚類法是將收集到的樣本按統計方法取其權，再將被預測對象按實際指標的值在白化權函數上找出所對應的權，根據找出權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ML表示L種地震類型(L=1，2，3，…，m)。誘震因素作為聚類指標，設xi為第i種預測指標(i=1，2，3，…，n)。被預測水庫（或同一庫段不同聚類指標的組合）為聚類對象，Yk為第K個被預測對象（K=1，2，3，…，s）。

設Zk（dij）為第k個被預測水庫對于xij的樣本，則fLi（Zk（dij））為Zk（dij）對應第L種水庫地震的白化函數的權，有：

式中：YL(xi)——第L種水庫地震類別第i個指標的統計數；

YL(xij)——第L種水庫地震類別第i個指標中第j個分指標的統計數。

當L*=m時，被預測的水庫地震就屬于第m種水庫地震類別。

將水庫誘發地震分為五類，即M1、M2、M3、M4、M0。根據誘震因素與震級的統計關系，得出預測水庫灰色聚類的白化函數權，再分類求出其對應的預測向量值（表2），取最大值為預測該水庫可能誘發地震的強度。從表2可知，水庫壩址上游0~6km段可能發生M4的概率最大，即可能發生水庫誘發微震；壩址上游6km以遠段可能發生M0的概率最大，即不會發生水庫誘發地震。

表2 灰色聚類分析計算結果

3 玉龍樞紐水庫誘發地震綜合預測評價

3.1 水庫誘發地震預測結果分析

通過地震地質類比分析、概率統計檢驗法和灰色聚類法預測結果可以看出，三種方法預測結果差別不大，為發生微震或不發震。因此，預測水庫蓄水可能誘發微震。

3.2 最大可能震級和發震地點評價

根據以上資料分析，判斷水庫蓄水后可能誘發微震，最大震級為3級。微震的發生可能與邊坡卸荷有關，地點具有一定的隨機性。

3.3 衰減規律分析

一般認為，由于水庫誘發地震的震源較淺，震中烈度往往較高，而隨距離的衰減則比天然地震為快。根據一些研究者對水庫誘發地震的震級與震中烈度的關系進行統計分析，發現小于4級的水庫地震，其震中烈度確實有偏高的現象。有時只有1~2級地震，當地已有震感，而同樣震級的天然地震，人們是感覺不到的。然而，即使在小于4級的范圍內，烈度的偏高與震級之間也不是呈線性增長的關系。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，一般已屬構造型水庫地震，其震中烈度與天然構造地震大體相同，并沒有明顯偏高的現象。

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

根據上述公式計算，當水庫可能誘發3.0級地震時，對壩址區的影響烈度不會超過Ⅵ度，低于本區的地震基本烈度Ⅷ度。

3.4 水庫地震對工程及環境影響評價

首先，水庫誘發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生不利影響，其次，水庫區為無人區，無其它基礎設施，誘發地震對水庫周邊環境不會造成大的影響。

4 結語

根據玉龍喀什水利樞紐水庫區地質環境條件，通過采用地震地質類比定性分析法、概率統計檢驗法和灰色聚類分析法，水庫存在誘發微震的可能，最大震級預測為3級，對壩址區的影響烈度不會超過Ⅵ度，低于場地基本烈度，對工程及環境影響小。