猴子岩水电站水库诱发地震预测

王金生，李清和

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

猴子岩水电站水库诱发地震预测

王金生，李清和

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内的大渡河干流上，正常蓄水位为1 842.0 m，水库总库容7.06亿m3，装机容量170万kW。本文从岩性、构造、地震活动背景定性分析水库诱发地震的可能性，然后根据地质环境类比法定性估算水库诱发地震最大震级，再进行水库诱发地震的概率预测。经研究猴子岩水库蓄水后存在发生小于或等于4级的地震的可能，震中烈度低于Ⅶ度。

猴子岩水电站；水库诱发地震；概率预测

1 概 述

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内的大渡河干流上，坝址控制流域面积54 036 km2，占全流域面积的69.8%，多年平均流量774 m3／s。正常蓄水位为1 842.00 m，水库总库容7.06亿m3，装机容量170万kW，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.50 m，目前为世界第二高面板堆石坝。

大渡河猴子岩水电站构造上位于鲜水河地震带和龙门山地震带的接壤部位，区域内共记载到Ms≥4.7（公元1216年～2004年）的破坏性地震88次，其中7.0～7.9级地震9次；6.0～6.9级地震17次；5.0～5.9级地震46次；4.7～4.9级地震16次［1～6］。此外，记录到2.0≤Ms≤4.6级现代小震（公元1216年～2004年）1 592次。说明场址周围地震活动水平比较高。猴子岩水电站50年超越概率10%水准时基岩场地水平峰值加速度为141 gal，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

据资料统计，我国已建坝高超过100 m的水库49座，发震的有10座。库容大于20亿m3水库37座，有9座发震。世界上发生震级Ms＞5.0级的水库地震基本是坝高大于100 m，库容大于20亿m3的水库。在我国同时满足坝高大于100 m、库容大于20亿m3的水库共有20个，发震的有7个［7～9］。猴子岩水电站坝高232 m，库容7.06亿m3，从统计资料分析，水库诱发地震的可能性较小，考虑到猴子岩电站地震地质条件复杂，仍有必要进行了水库诱发地震分析预测。

2 库区诱震环境影响因素

库区属中高山深切河谷地貌。库区内山顶海拔一般为3 000 m以上，库区右岸分水岭最高峰海拔为5 482 m，左岸为5 734 m，库区河床高程为1 693～1 835 m。库段河谷狭窄，基岩裸露，谷坡陡峻，为狭窄的“V”形谷，属典型的高山峡谷河道型水库，库长约42 km。

库区自下游磨子沟至上游丹巴四道沟口的岩层依次有泥盆系中下统捧达组（D1－2pd）浅变质钙质、泥质、白云质碳酸盐岩和泥、砂质岩不等厚韵律互层的地层，中上统河心组（D2－3h）白云岩及泥质碳酸盐岩夹少量泥、砂质岩，中下统的危关组（D1－2w）二云（石英）片岩，志留系的通化组（St）片岩－石英岩，奥陶系大河边组（Od）中－粗粒晶大理岩、条纹－条带状大理岩、白云质大理岩、结晶灰岩，震旦系水晶组（Z2s）白云质大理岩夹灰黑色二云石英片岩，蜈蚣口组（Z2w）二云片岩、二云石英片岩，木座组（Z1mz）白云母石英片岩－白云母石英浅粒岩、变粒岩及变质火山角砾岩，元古界的花岗岩（Ptro）。总体可分为变质碎屑岩段及花岗岩段，后者位于库区中上段，能储存高应变能并易发生脆性破裂。

库区位于川滇SN向构造带北端，库区内的主要构造形迹以近SN、NNW、NW、NE、NNE向的褶皱和断裂为主。区内主要弧形断层有：贝母山断裂、跃坝－贵强湾断裂等，南北向构造的红锋断裂。贝母山弧形冲断层：在库区中部斜穿大渡河，距离坝址最近距离约4 km，为金汤弧形断裂系西翼最主要的一条断裂，走向NNW，倾向NNE，倾角陡，断裂破碎带宽约几十米，断裂晚更新世以来已不活动。跃坝－贵强湾断裂北西段起于丹巴开顶以西的大渡河右岸，向南东方向延伸经溪火沟附近斜穿大渡河，再沿大渡河左岸向南东方向延伸到跃坝，为逆断层。红锋断裂：走向近SN，波状弯曲，断面倾向W或NE，倾角70°，两盘岩块破碎糜棱岩化，沿走向切割康定杂岩体和泥盆系为逆冲断裂。该断裂位于水库右岸距坝址最近约2 km，位于库首及库中，与大渡河近平行展布。库区断裂晚更新世以来均不具备活动性。

利用库区周围的地震震源机制解和原地应力测量资料来推测库区的应力场情况，最大主应力方向为NW、NWW方向。根据枢纽区地应力测试结果，水平埋深250 m以里，最大主应力方向为N40°～70°W，倾角40°～50°，最大主应力达36.43 MPa；最大主应力方向与区域主要构造主压力方向较为接近。因此库区山体深部应力与枢纽区地应力应基本一致，均受区域构造应力场与地形自重应力场叠加控制。从水库区节理、裂隙测量统计结果来看，坝区主要为NWW、NW、NE等多组，优势方位为NE向，为NEE、NNW、NW向等多组，没有发育一致优势方向，说明浅部不同地点的节理、裂隙发育方向是受局部应力引起的，而不是受区域构造应力引起的。总的来说，库区山体浅部主要受局部自重应力场控制，深部主要受区域构造应力场控制。

猴子岩水电站地处鲜水河地震带和龙门山地震带的接壤部位。根据地震地质条件和历史地震分析，工程区内不具备强震发生的地震地质背景，历史及现今地震活动以弱震为主，其地震效应属工程区外围强震活动的波及区。据历史地震调查，库区地震活动频度较高，但地震活动的强度较弱，93%为3级以下地震。

库区河谷深切，谷坡陡峻，河谷的强烈下切导致谷坡向临空方向产生较强烈卸荷。岩体卸荷作用主要沿顺坡向中陡倾角裂隙进行，在裂隙密集部位卸荷明显，其卸荷强度一般随水平深度增加而减弱。卸荷带深度库底一般为40～60 m，正常蓄水位处卸荷带深度一般为80～100 m。

库区水文地质条件受岩性、结构、构造、地貌及植被等因素的控制，地下水类型以基岩裂隙水为主，其次为松散岩类孔隙水。水库区地下水化学成分以重碳酸钙镁型水、重碳酸硫酸钙镁型水为主。本区地下水的补给来源主要大气降水，地下水位高于河水位，地下水补给河水。猴子岩水电工程位于高山峡谷地区，两岸地下水位远高于水库蓄水位，水库蓄水后仍然为地下水补给库水，不存在横向渗漏问题。但在花岗岩区，由于水库蓄水后水位抬高，在岸边的有限范围内，花岗岩中的节理、裂隙有可能成为良好的透水通道。

综上所述，猴子岩水电站库区主要为“V”型峡谷，岩性主要为碎屑岩及花岗岩，其中花岗岩岩体较为完整，岩石坚硬，有利于存储弹性能。库区断裂以金汤弧形构造及南北向构造为主，多为逆冲型，断层带挤压紧密，晚更新以来均不具活动性。库区浅表部岩体卸荷，其水平深度一般不超过100 m，分析认为其导水深度不可能超500 m。库区岩体总体基本稳定，无大的基岩滑坡。库区地震活动频度较高，但地震活动的强度较弱，库区山体浅部主要受局部自重应力场控制，深部主要受区域构造应力场控制，最大主压应力方向为N40°～70°W。

3 水库诱震类型及诱震可能性分析

水库诱发地震可分为构造型、非构造型和混合型三大类，每一大类又可发震的具体原因和特点分为不同的亚型［19～20］（见表1）。

表1 水库诱发地震成因类型分类

常见的水库诱发地震有构造破裂增强型、岩溶塌陷型和地壳表层卸荷型［20～21］。由于猴子岩水电站库区无大规模碳酸盐岩分布，岩溶基本不发育，因此不存在岩溶塌陷型水库诱发地震。

构造型水库诱发地震的判别标志包括：

（1）库坝区有区域性和／或地区性大断裂通过；

（2）库坝区存在活动断裂和／或处于地热异常区；

（3）库坝区跨越和／或处于新生代盆地内；

（4）库坝区存在深水文地质结构面，并能与水库的水体沟通；

（5）库坝区的地震活动显著和／或现代构造应力场为正断层或走滑断层环境。

地壳表层卸荷型水库诱发地震的判别标志：

（1）库坝区有断层发育；

（2）库坝区岩体坚硬程度较高；

（3）库坝区有一定规模的卸荷应力带［20～21］。

根据前述猴子岩水电站水库诱震环境因素组合分析，构造型水库地震五条判别标志中，无1条符合，因此基本不存在诱发构造性地震的可能性。库坝区呈“V”字型，岸坡卸荷强烈，存在较大规模坚硬岩体（如花岗岩库段），且有断层发育，判断存在诱发地壳表层应力调整型水库地震的可能。

另外从地质角度对水库诱发地震进行分析：

（1）岩性与渗漏条件。猴子岩水库区与库水接触的岩性大部分为碎屑岩库段，水库蓄水后不至于发生水库诱发地震。在水库中上段有花岗岩出露，由于花岗岩在冷却过程中易产生节理、裂隙等张性结构面，在地壳抬升及河流下切过程中易产生卸荷裂隙等，因此水库蓄水后在该段易引起库水的渗透、卸荷裂隙充水诱发应力调整型（地壳表层卸荷亚型）地震。

（2）构造与渗漏条件。猴子岩水库区内的主要构造形迹以近SN、NW、NE向的褶皱和压性断裂为主，水库区没有大规模的活动断裂通过。库区范围内只有贝母山弧形冲断层和火地等几条规模较小的NE向断层穿过水库，其它断裂都不与库水接触。断裂为压性或压扭性，由于岩性不利于水的渗漏，蓄水后库水沿断层向深处渗透有限。因此，蓄水后由于库水的渗透引起断裂活动而发生地震的可能性很小。

从水库区节理、裂隙测量结果来看，节理多属重力作用下卸荷裂隙为主，受地形控制。节理发育没有统一的优势方向，说明地表浅层不同地点的节理、裂隙发育方向是受局部应力引起的，而不是受区域构造应力引起的。但断层、节理、裂隙发育规模有限，岩性又是不利于库水的渗透，因此畜水后发生地震的可能性很小。

（3）库区地震活动背景和应力场。猴子岩水库区（101°30′～102°20′、31°40′～32°10′）范围内，1970年至今共发生地震18次。地震震级均小于4.0级，最大地震震中距坝址最近5 km，本库区地震活动是非常微弱的。区域基本处于以北西西—南东东向水平主压应力与北北东—南南西向水平主张应力为主的现代构造应力场中，库区应力场最大主应力方向在NW～NWW方向，与地下厂房主应力一致。

因此从地质角度定性分析猴子岩库坝区水库诱发地震可能性较小。

4 水库诱发地震极限震级预测方法及预测

预测水库诱发地震强度常用方法包括：

（1）类比法。包括工程类比、地震地质类比［20］。工程常用的是根据不同库段相应的地质环境类型进行比较，结合水库特征等因素综合考虑，从而定性地评估各区段诱发地震的最大可能强度。一般根据夏其发、汪雍熙等编制的水库诱发地震地质环境类型表进行定性评估。

（2）经验公式法。通常借用震级与破裂长度相关公式［20］，也有根据水库规模综合影响与震级相关公式进行估计。后者已不常用，因为水库3要素（坝高、库容、水库面积）并不是水库诱发地震的决定因素［20］。

（3）统计预测方法。包括概率统计检验法、综合模糊评判决法、模式识别法等。其中概率统计检验法应用最多，其基于贝叶斯概率公式，计算简单，结论较可靠。

下面对猴子岩电站水库诱发地震最大震级进行预测。

首先根据库区地震地质特征将猴子岩水库分为库首段、水库中段和库尾段。库首段从坝址至乌龟石段为碳酸岩及片岩库段，岩溶不发育，岩体较坚硬，部分软硬相间；水库中段为乌龟石至格宗库段，为花岗岩库段；格宗至库尾段为碎屑岩库段。

先用地质环境类比法，据夏其发、汪雍熙等编制的水库诱发地震地质环境类型表定性评估水库诱发地震最大震级。库首段为裂隙层状岩体亚型，以微震为主。水库中段为花岗岩库段，属裂隙块状岩体亚型，水库诱发地震为微震或弱震。库尾段亦为裂隙层状岩体亚型，以微震为主。

再进行概率统计法进行定量预测。

水库诱发地震（RIS）是多种因素综合作用的结果［10～15］。目前尚难找出与那些因素或那种因素存在必然的联系，有些因素的确定性也不够，因此用概率统计中的贝叶斯方法进行研究。研究知道库深、库容、应力状态、断裂活动性、岩性介质、地震活动背景等六种因素与水库地震关系密切，作为统计因素，其中在岩性介质中，为提高精度，把碳酸岩，花岗岩、玄武岩，分别从沉积岩，火成岩中分出来。按诱震的震级划分成4类，Ⅰ类是Ms＞5.0级、Ⅱ类为5.0≥Ms＞4.0、Ⅲ类为4.0≥Ms＞3.0、Ⅳ类为3.0≥Ms［16～19］。

综合考虑六种诱震因素的发震概率则公式为：

式中的M和D、V、S、F、R、B分别表示RIS事件震级和库深、库容、区域应力状态、断裂活动性、诱震区岩性和地震活动背景六种因素，每种因素的状态范围列在表2中。P（Mi）＝Ni／N，Ni为发生i类地震次数，N为发生地震的总数。研究证明D、V、S、F、R和B等六种因素状态是相互独立的。

根据已发震和未发震的水库条件，结合要预测水库的具体条件可计算出不同震级的发震概率，本项工作利用286座深大水库的资料，其中发震的水库有79座。计算出多因素条件下不同震级的发震概率。

按表2中的各因素状态，猴子岩电站水库库容6.62亿m3，库容因素取V3，库首段正常蓄水位1 842 m，坝前库深149 m，取D1，坝址至乌龟石附近约22 km，岩性主要为泥盆系生物灰岩、变质灰岩、志留系白云岩、千枚岩，岩性因素取R6；库中段乌龟石至格宗段岩性为花岗岩，岩性因素取R2，库深因素取D2；库尾段库深因素取D3，岩性主要为片岩－石英岩，岩性因素取R6。综合考虑全库区的应力状态取S1，断层晚第四纪均不活动，取F2，地震活动背景取B2。

把这三个库段的各诱震因素状态分别代入（1）式，即可计算出三个库段多因素诱发不同震级地震的概率。

通过对猴子岩水库诱发地震可能性分析，以及水库诱发地震的概率预测，结果认为，猴子岩水库库首段从坝址至乌龟石段为碳酸岩库段，岩溶不发育，蓄水后存在发生小于3级地震的可能；库中段乌龟石至格宗段为花岗岩库段，蓄水后存在发生小于或等于4级应力调整型地震的可能；库尾段格宗至库尾段为碎屑岩库段，蓄水后存在发生小于2级地震的可能。

水库诱发地震预测见图1。

猴子岩水库属于大型水库，蓄水后存在因应力调整发生小于或等于4级的地震的可能，但震级较小，震中烈度小于Ⅶ度，低于工程场地的地震基本烈度值，对水工建筑物不会造成破坏性影响。

5 小 结

猴子岩水电站库区主要为“V”型峡谷，岩性主要为碎屑岩及花岗岩，库区无大的大规模的活动断裂通过，库区地震活动微弱。其岩性不利于水的渗透，同时无深部水文地质结构面，经判别库区不可能产生构造性水库诱发地震。根据地质环境类比及概率统计方法预测，猴子岩水库蓄水后存在发生小于或等于4级的地震的可能，震中烈度低于Ⅶ度，对水工建筑物不会造成破坏性影响。

表2 水库诱震因素状态

图1 猴子岩水电站水库诱发地震预测

由于目前水库诱发地震预测还处在摸索阶段，所谓定量预测还只能是半定量甚至是定性的估算［20］，技施阶段建议加强天然本底构造地震监测，同时做好蓄水后水库诱发地震台网监测，以便根据监测结果及时调整水库诱发地震预测结果，指导库坝区抗震设计及防治工作。

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P315.728

B

1003－9805（2015）02－0089－05

2014－12－22

王金生（1967－），男，湖北蕲春人，高级工程师，从事水电站地质勘察工作。