第六章 水库诱发地震

第六章水库诱发地震的工程地质分析
4．水库诱发地震的诱发机制
4.1水库蓄水的基本效应
（1）水的物理化学效应
①软化、泥化--天然河谷下断裂一般含水，这种效应通常不起作用；
②石膏软化膨胀—诱因，但充塞导水裂隙而隔水；
③应力腐蚀--增加水份缩短破坏时间、固定压力加速裂隙扩展，蓄水后水压增大，水可进入裂隙→应力腐蚀；
（2）水库的荷载效应
在岩体中产生附加应力，恶化断裂的应力条件。

①影响深度与荷载作用面积有关—大型水库；
②荷载效应与岩体结构有关—陡倾软弱结构面；
（3）空隙水压力效应
τ=（σn-P W）tgφ+C
只有在地壳岩体天然应力场中的最大、最小主应力差相当大的情况下，水库的荷载效应和空隙水压力效应才能起到有效的诱发作用。

4.2水库地震的诱震机制
设定：水库无限延伸，则：
①水体荷载在岩体中的垂直附加应力：⊿σ
=γh
V
=(μ/1-μ)γh=0.43γh
水平附加应力：⊿σ
h
=γh
②水位升高所产生的空隙水压力：⊿P
w
(1)潜在正断型应力状态
①水库的荷载效应：
与垂向最大主应力迭加，则
a.由于水库荷载σ
V
σ1→σ1/=σ1+⊿σV =σ1+γh
b.侧压力效应使水平向最小主应力增值仅为
σ3→σ3/=σ3+⊿σh =σ3+（μ/1-μ）γh=σ3+0.43γh 莫尔圆增大并稍向右移，稳定条件有所恶化；
②空隙水压力效应：
σ1/→σ1//=σ1/-⊿P w
+γh-γh
=σ
1
=σ
1
σ3/→σ3//=σ3/-⊿P w
=σ
+0.43γh-γh
3
=σ
-0.57γh
3
空隙水压力同时减小最大、最小主应力，莫尔圆左移接近强度包络线。

显然，荷载与空隙水压力效应最终导致震源岩体稳定状况强烈恶化。

(2)潜在走滑型应力状态
①水库的荷载效应：
σ1→σ1/=σ1+⊿σh =σ1+0.43γh
σ3→σ3/=σ3+⊿σh =σ3+0.43γh
莫尔圆大小不变地右移远离强度包络线，稳定性有所改善。

②空隙水压力效应：
σ1/→σ1//=σ1/-⊿P w
=σ
+0.43γh-γh
1
- 0.57γh
=σ
1
σ3/→σ3//=σ3/-⊿P w
+0.43γh-γh
=σ
3
=σ
-0.57γh
3
荷载效应使莫尔圆离开强度包络线的距离小于空隙水压力效应使之接近包络线的距离，最终稳定性状况明显恶化。

(3)潜在逆断型应力状态
①水库的荷载效应：
σ1→σ1/=σ1+0.43γh
σ3→σ3/=σ3+γh
荷载效应使莫尔圆缩小右移远离强度包络线，稳定性大为改善。

②空隙水压力效应：
σ1/→σ1//=σ1/-⊿P w
+0.43γh-γh
=σ
1
=σ
- 0.57γh
1
σ3/→σ3//=σ3/-⊿P w
=σ
+γh-γh
3
=σ
3
莫尔圆因荷载效应使之离开包络线的距离大致等于空隙水压力效应使之接近包络线的距离，而且荷载效应使莫尔圆小于初始莫尔圆，所以最终稳定性状况有所改善。

注意：
荷载效应对潜在走滑型和潜在逆断型应力状态起到提高稳定性的作用；
空隙水压力效应对所有的应力状态都起到降低稳定性的作用。

4.3水库范围有限、水位变化时，荷载及空隙水压力效应的变化
（1）无限水库
库水位上升，荷载即刻增高，空隙水压力逐渐增高（滞后效应）；
（2）有限水库
水库荷载应力随远离加载中心而迅速减小，空隙水压力减小速度明显低于荷
载应力的减小。

注意：
①由于空隙水压力效应对所有的应力状态都起到降低稳定性的作用；
如果空隙水压力超过荷载应力，必然莫尔园接近包络线。

即有可能使处于潜在逆断型应力场中的水库也诱发地震活动。

②荷载--瞬时效应，孔隙水压力—滞后效应。

水位突变→两种应力改变；
水位急剧下降，对于潜在走滑型及逆断型水库极为不利（起到稳定作用的荷载效应消失，而起到降低稳定作用的空隙水压力仍在一段时间内保持较高值。

）。

4.5产生水库诱发地震的地质条件
（1）地壳岩体的应力-应变积累条件
地壳岩体的应力—应变性状与应变速率的关系（据伊藤等，1976）
①岩体应变速率较高的天然地震区：
较强的天然地震活动区，地壳岩体内的应力主要是通过周期性的天然地震活动而释放，水库的效应就显得微不足道了。

水库产生的应力变化相对于天然应力的变化是非常小的；
水库的诱发作用较弱，一般只诱发低震级的地震活动。

②岩体应变速率较低的稳定地块：
地壳岩体的应变速率远低于岩体的临界应变速率，致使库区地壳岩体内不能积累起足够的地应力；
水库效应不足以改变地壳岩体的应力-应变状况，因而也就不会具备产生诱发地震的条件，产生水库诱发地震的可能性极低。

川西北构造活动区地质构造发育格架图
③岩体应变速率中等或较高的地区：
天然地震区的外围，特别是岩体储能条件较好、应力集中程度较高的地区。

地壳岩体具有稍低于临界应变速率的中等应变速率，从而使岩体内长期保持有较高的、但又稍低于岩体破裂强度的地应力水平。

地壳岩体的应力-应变积累接近临界状态；
有利于水库诱发地震（较强）的产生。

（2）地壳岩体天然应力状态类型：
①潜在正断型应力状态：
有利于水库诱发地震的发生，但此类地区较少；
②潜在走滑型应力状态：
多数水库诱发地震发生在此类地区；
③潜在逆断型应力状态：
发生水库诱发地震的可能性很小；
特殊条件、特殊部位—空隙水压力效应>荷载效应；
（3）区域地质条件
能够形成较高应力积累的地质条件--介质不均、应力分布不均。

①区域范围内构造新活动迹象明显、地热高异常：
明显的构造活动是水库地震的必要条件--活断层、温泉、Q火山活动……；
②库区有良好的应力集中条件：
岩体不均质；局部能量积累较高；
③近期能量释放不强烈：
岩体强度高，近期无应力释放—震级较高的水库地震；
岩体强度低或较破碎，不能积累高应变能—低震级活动；
（4）有利的水文地质条件
有利于库水向地下深处或外围地区渗流及传导水压的水文地质结构，是水库诱发地震产生的另一必要条件。

①原始水位低，水库水位抬升高；
②库盆岩体透水性好--有利于库水向地壳深部渗入；
③库盆岩体有一定的封闭条件—形成和保持较高的空水压力。

3.6水库诱发地震的预测评价
预测水库诱发地震的产生地点，主震强度及其发生时间是一个难度很大的问题。

对于这类问题，通常可以从以下几方面考虑：
(1)水库诱发地震是水库的某些作用(荷载及空隙水压力效应等)叠加于天然应力场之上，使原已积累起来的弹性应变能，较早地释放而引起地震的。

通过对已有震例的分析，可将产生强烈水库诱发地震的条件概括为：
①区内有明显的新构造活动迹象，地热流高，但历史地震不强烈。

②地壳岩体的三向应力状态为潜在正断型或潜在走滑型。

③地壳岩体的岩性、结构比较强固，但有较好的透水导水性能。

(2)如果一个水库是修建在一个弱活动断层的局部压应力集中区（压缩区）或局部张应力集中区（拉张区）的部位，同时又具备库水向地下深处或外围地区渗流和传导水压的有利条件。

一般来说，水库蓄水后都会有水库诱发地震发生。

(3)作为预测的参考依据有：
①水库诱发地震的主震强度一般不会超过或不会较多地超过该水库所在的较大区域或地震带的历史地震水平；
黄河龙羊峡水电站区域地震-构造图
②国内外已有水库地震的最大强度为6.5级；
③处于弱活动断层压缩区或拉张区的水库，诱发地震的主震强度与坝高或库容存在如下基本关系：
a.处于局部压缩区部位的水库，如果它分布在活动性较强的华北断块和青藏断块及其边缘区域内，其可能的主震震级为：
Ms/=2.38+0.0437H
b.对于分布在华南断块内的水库，其可能的主震震级为：
Ms/=2.38+0.0437H
c.处于局部拉张区部位的水库，其可能的震级为：
Ms/=2.4146e0.0041V
式中H、V分别为坝高和库容。

(4)水库地震主震发生时间的预测是一个更为困难的问题。

研究表明，可作为预测参考的经验有下列几点：
①构造型水库诱发地震大多为前震—主震—余震型，在主震发生之前，前震的活动多具有地点由分散到集中，频度由缓慢增大到快速增长的特点；
②最大的诱发地震通常都发生在地震的月频次显著增大的地震活动高潮期内；
③如果在水库蓄水过程中，曾于最高水位时发生过较大震级地震，而后来在几次最高水位期间并没有发生大于该次的地震，且频度也有所下降；或者是地震频度、震级大小与库水位的相关性已越来越弱；再或者是走滑型地震显著减少，倾滑型已居优势时，均可认为主震已经发生。

乌江渡水库震中区水位与地震相关曲线。