金沙江虎跳峽河段高壩工程地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境分析

金沙江虎跳峽河段高壩工程地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境分析

1虎跳峽高壩建設(shè)方案國(guó)家批準(zhǔn)的江龍峽谷引水改造方案為“一庫(kù)八庫(kù)”。主管水庫(kù)位于云南省香格里拉縣和麗江縣，具有巨大的開發(fā)價(jià)值，如發(fā)電、防洪和供水。龍頭水庫(kù)比選壩址達(dá)8個(gè)之多,均為高壩,可以分為虎跳峽高壩建設(shè)方案和替代虎跳峽高壩建設(shè)方案。其中,虎跳峽高壩建設(shè)方案的比選壩址有下峽口、上峽口、龍?bào)?、石鼓、紅巖共5個(gè);替代虎跳峽高壩建設(shè)方案的比選壩址有上江、塔城、其宗共3個(gè)(圖1)?；⑻鴯{河段位于青藏高原東南側(cè),具有十分復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境,是地震活動(dòng)頻繁地區(qū)。該地區(qū)興建高壩,構(gòu)造穩(wěn)定性是關(guān)乎工程安全、經(jīng)濟(jì)合理最為重要的因素之一,在某種程度上影響到高壩建設(shè)的可行性。尤其是汶川“5.12”地震發(fā)生后,水壩工程的抗震安全越來越受到人們的重視。因此,開展復(fù)雜構(gòu)造環(huán)境條件下高壩建設(shè)可行性研究具有十分重要的意義,也是該河段水電開發(fā)過程中的重大技術(shù)課題。本文依據(jù)近期大量的野外地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地震地質(zhì)資料等,分析了該河段區(qū)域活動(dòng)性斷裂特征,從工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性方面討論了復(fù)雜構(gòu)造環(huán)境條件下高壩建設(shè)的可行性,為該河段水電開發(fā)方案論證提供技術(shù)依據(jù)。2該段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性2.1斷裂體系及地質(zhì)條件虎跳峽河段在大地一級(jí)構(gòu)造單元上處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西北側(cè)、松潘-甘孜褶皺系的西南隅。在二級(jí)構(gòu)造單元上,河段跨越了中甸-義墩優(yōu)地槽褶皺帶和鹽源-麗江臺(tái)緣坳陷2個(gè)單元。河段內(nèi)發(fā)育的大型褶皺主要有:哈巴-玉龍復(fù)背斜、碩多崗復(fù)向斜、石鼓復(fù)背斜、隴巴復(fù)背斜等,軸向近北向,長(zhǎng)度40～150km。斷裂發(fā)育,規(guī)模巨大,長(zhǎng)度50～200km,寬度30～110m。鄰近或穿越河谷的較大斷裂主要有:金沙江斷裂(F9)、金沙江東支斷裂(F10)、中甸-龍?bào)?喬后斷裂(F16)、小中甸-大具斷裂(F15)、大具-麗江斷裂(F17)、德欽-中甸斷裂(F14)、長(zhǎng)松坪-文明斷裂(F13)等。虎跳峽河段處于金沙江中游,河谷山峰高程4000～4500m,金沙江河谷谷底高程1610～1950m。河段內(nèi)山脈走向和水系與區(qū)域構(gòu)造線相近,地層主要為古生界至新生界,厚度及巖性變化大,西部及金沙江斷裂帶伴有多期巖漿巖侵入,大部分河段巖層走向與河谷斜交或平行?；⑻鴯{大峽谷地帶和其宗上游河谷呈峽谷形態(tài),谷坡陡峭,河床狹窄,水流湍急;龍?bào)?其宗河段的河谷比較開闊,河床寬度一般500～800m。金沙江河床覆蓋層厚度40～250m,大峽谷地帶相對(duì)較淺,龍?bào)醇捌湟陨虾佣胃采w層深厚。河段谷坡零星發(fā)育滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)體。2.2斷裂帶強(qiáng)度及最近距離經(jīng)調(diào)查,虎跳峽河段自西向東發(fā)育的活動(dòng)性斷裂主要有:維西-喬后斷裂(F7)、中甸-龍?bào)?喬后斷裂(F16)、小中甸-大具斷裂(F15)、德欽-中甸斷裂(F14)、大具-麗江斷裂(F17)、小金河-麗江斷裂(F18)等。這些活動(dòng)性斷裂對(duì)地震活動(dòng)有明顯的控制作用,多數(shù)發(fā)生過Ms≥6級(jí)的地震。上述活動(dòng)性斷裂的基本特征如下:(1)維西-喬后斷裂(F7),長(zhǎng)度約150km,走向NNW,斷裂帶物質(zhì)經(jīng)熱釋光測(cè)齡,距今(2.09±0.17)×104a。據(jù)史料記載,1948年6月27日在馬登附近,該斷裂帶曾發(fā)生6.25級(jí)地震。(2)德欽-中甸斷裂(F14),長(zhǎng)度約220km,走向310°～330°,斷裂帶物質(zhì)經(jīng)熱釋光測(cè)齡,距今(2.17±0.19)×104a。據(jù)史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級(jí)地震,如1961年6月27日在中甸附近發(fā)生6級(jí)地震,1966年在中甸東南發(fā)生6.4級(jí)地震等。(3)小中甸-大具斷裂(F15),長(zhǎng)度約110km,走向310°～340°,晚更新世以來斷裂活動(dòng)明顯,地貌上形成斷裂谷和槽地,控制小中甸、大具盆地邊界及老狼等幾個(gè)小盆地的發(fā)育。據(jù)史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級(jí)地震,如1933年6月7日在小中甸以東發(fā)生6.3級(jí)地震。(4)中甸-龍?bào)?喬后斷裂(F16),長(zhǎng)度約210km,走向NNW～NNE,晚第四紀(jì)以來斷裂活動(dòng)明顯。據(jù)史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級(jí)地震,如1961年發(fā)生6級(jí)地震,1688年發(fā)生6.25級(jí)地震和1751年發(fā)生6.75級(jí)地震等。(5)大具-麗江斷裂(F17),長(zhǎng)度約50km,走向近SN,斷裂帶物質(zhì)經(jīng)熱釋光測(cè)齡,距今(9.03±0.69)×104a。據(jù)史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級(jí)地震,如1996年2月3日麗江7.0級(jí)大地震。(6)小金河-麗江斷裂(F18),長(zhǎng)度約170km,走向NE,該斷裂帶是一條中強(qiáng)地震活動(dòng)帶,歷史上曾多次發(fā)生5.0～5.9級(jí)地震,如1976年和1998年在寧蒗東北先后發(fā)生6.4級(jí)和6級(jí)地震,1951年劍川發(fā)生6.2級(jí)地震等。上述活動(dòng)性斷裂與河段內(nèi)各比選壩址的最近距離見表1。可見,下峽口、上峽口、龍?bào)?個(gè)壩址緊鄰活動(dòng)性斷裂(F15、F16、F17),最近距離1～3km;石鼓和紅巖壩址距離活動(dòng)性斷裂最近距離10～12km;上江、塔城、其宗3個(gè)壩址距離活動(dòng)性斷裂最近距離20km。因此,虎跳峽河段內(nèi)活動(dòng)性斷裂對(duì)下峽口、上峽口、龍?bào)?個(gè)壩址影響最大;其他5個(gè)壩址遠(yuǎn)離活動(dòng)斷裂,壩址所處的地塊相對(duì)穩(wěn)定。2.3地震特征(1)段內(nèi)地震活動(dòng)水平及危險(xiǎn)性地震頻度虎跳峽河段各比選壩址皆位于鮮水河-滇東地震帶內(nèi)。河段內(nèi)最早記錄到的地震是1474年發(fā)生在云南省鶴慶縣的5.5級(jí)地震。到2007年,河段內(nèi)記錄到的破壞性地震共128次,其中有2次7.0～7.9級(jí)地震;20次6.0～6.9級(jí)地震;81次5.0～5.9級(jí)地震;25次4.7～4.9級(jí)地震。可見,河段內(nèi)地震活動(dòng)水平和破壞性地震頻度均很高。盡管如此,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),河段地震活動(dòng)的空間分布極不均勻,強(qiáng)震主要集中在河段中南部的中甸-麗江-劍川-洱源地段和永勝-賓川地段,該地段是川滇菱形塊體的西部邊界(中段),是西邊界地震活動(dòng)最為活躍的地區(qū)。(2)歷史地震對(duì)下峽口址的影響虎跳峽河段歷史地震對(duì)各壩址的最大影響烈度見表2。由表2可見,歷史地震對(duì)下峽口壩址的最大影響烈度達(dá)到Ⅸ度;上峽口壩址Ⅷ度;龍?bào)?、石鼓、紅巖、其宗壩址Ⅶ度;上江、塔城壩址Ⅵ度。2.4場(chǎng)地構(gòu)造穩(wěn)定性分析根據(jù)歷史地震最大影響烈度、區(qū)域活動(dòng)性斷裂距壩址的距離、近場(chǎng)區(qū)地震活動(dòng)水平等資料,對(duì)虎跳峽河段各比選壩址場(chǎng)地構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。由表3可知,下峽口、上峽口、龍?bào)磯沃穮^(qū)域穩(wěn)定條件屬于穩(wěn)定性差區(qū);石鼓、紅巖壩址屬于穩(wěn)定性較差區(qū);上江、塔城、其宗壩址屬于穩(wěn)定性好區(qū)。3各比選址壩型金沙江虎跳峽河段龍頭水庫(kù)大壩壩高達(dá)250～330m級(jí)水平,具世界前沿水平。依據(jù)河段地形地質(zhì)條件和天然建筑材料的分布、種類、質(zhì)量、儲(chǔ)量等條件,各比選壩址擬采用的壩型分別為:下峽口、上峽口壩址主要為拱壩;龍?bào)醇捌渖嫌胃鲏沃分饕獮樾膲Χ咽瘔?。在?qiáng)震區(qū)或強(qiáng)地震影響區(qū)建設(shè)高壩是否可行,一直是學(xué)術(shù)及工程界關(guān)注的問題。結(jié)合壩型并對(duì)比已建同級(jí)別高壩構(gòu)造環(huán)境,討論高壩建設(shè)的可行性。3.1基礎(chǔ)建設(shè)方面對(duì)拱壩施工設(shè)計(jì)的啟示虎跳峽上峽口壩址為高拱壩建設(shè)方案的代表性壩址之一。壩址河谷狹窄,谷坡呈“V”字型,壩基基巖為大理巖、石英巖、玄武巖變質(zhì)的片巖等,巖質(zhì)堅(jiān)硬,初擬布置混凝土雙曲拱壩,壩高276m。國(guó)內(nèi)外已建、在建和擬建較為典型的高拱壩的構(gòu)造環(huán)境見表4。由表4可見,該工程在壩高方面比已建成的小灣水電站低16m,比在建的錦屏一級(jí)水電站低29m;與在建的溪洛渡水電站、已建成的格魯吉亞Inguri水電站的規(guī)?；鞠喈?dāng),僅筑壩技術(shù)上可以充分參考上述工程的經(jīng)驗(yàn)。在區(qū)域穩(wěn)定性條件上,上峽口壩址區(qū)域穩(wěn)定條件差,小中甸-大縣活動(dòng)斷裂(F15)距離壩址僅3km,歷史地震對(duì)壩址的最大影響烈度達(dá)到Ⅷ度,工程場(chǎng)地為強(qiáng)地震區(qū)。在高烈度區(qū)建設(shè)高拱壩必須做好壩體自身的抗震安全設(shè)計(jì),同時(shí),也需要對(duì)兩岸山體邊坡加固做好抗震安全設(shè)計(jì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外高拱壩經(jīng)歷較強(qiáng)地震的主要有:沙牌拱壩,壩高132m,大壩距汶川8級(jí)大地震震中30km,壩體完好無損,經(jīng)受住了強(qiáng)烈地震的考驗(yàn);臺(tái)灣德基拱壩,壩高181m,經(jīng)歷了1999年臺(tái)灣7.8級(jí)大地震,壩體和壩座基本無損,僅出現(xiàn)壩基滲漏量明顯增大和右壩肩護(hù)坡巖體開裂;美國(guó)Pocoima拱壩,壩高113m,遭受了1971年6.6級(jí)和1994年6.8級(jí)2次強(qiáng)震的影響,壩體產(chǎn)生了局部損傷;羅馬尼亞Vid·Arges拱壩,壩高167m,經(jīng)受了1977年7級(jí)強(qiáng)地震等。綜上所述,拱壩遭受的主要震害為壩坡巖體變形、壩基滲漏、壩體局部損傷等。雖然如此,由于該壩址工程場(chǎng)地為強(qiáng)震區(qū),高拱壩建設(shè)存在較大的地震安全風(fēng)險(xiǎn),需加強(qiáng)這一領(lǐng)域的研究工作。3.2心墻堆石壩壩體地震風(fēng)險(xiǎn)分析龍?bào)醇捌渖嫌胃鲏沃泛庸榷鄬掗?河床覆蓋層深厚,厚度100～250m,工程區(qū)各類天然建筑材料豐富,適宜布置心墻堆石壩,壩高250～330m。國(guó)內(nèi)外已建、在建和擬建的壩高大于200m的心墻堆石壩工程特性見表5。由表5可見,目前國(guó)內(nèi)在建的堆石壩最大壩高314m,為雙江口水電站;國(guó)外建成的堆石壩最大壩高300m,為塔吉克斯坦Hypek水電站。虎跳峽河段高土石壩和這些大壩相比,規(guī)模相當(dāng),而且這些工程的設(shè)防地震烈度均較高,因此可充分參考這些水電站的筑壩技術(shù),選用適宜的抗震工程措施。國(guó)內(nèi)外心墻堆石壩經(jīng)歷較強(qiáng)地震的主要有:碧口心墻堆石壩,壩高101.8m,汶川8級(jí)大地震未對(duì)其造成嚴(yán)重?fù)p害,壩體主要出現(xiàn)了輕微的水平位移和壩基沉降變形;日本Takami心墻堆石壩,壩高120m,2003年北海道8.1級(jí)強(qiáng)烈地震造成大壩壩頂開裂,長(zhǎng)度160m,寬度5cm,但深度小于1m,對(duì)心墻沒有形成危害;墨西哥EiInfiemillo心墻堆石壩,壩高150m,1979年7.6級(jí)和1989年8.1級(jí)地震對(duì)大壩造成永久變形,前一次造成壩頂水平位移0.044m、豎直位移0.128m,后一次造成壩頂水平位移0.025m、豎直位移0.049m。綜上所述,心墻堆石壩的主要震害為:震陷和水平永久變形、壩體和壩面淺層滑坡、壩基液化和反濾料液化、漫頂潰壩等。目前,尚未有超過200m高心墻堆石壩的工程震害實(shí)例報(bào)道,有待于經(jīng)歷強(qiáng)震的檢驗(yàn)。龍?bào)醇捌渖嫌胃鞅冗x壩址,從下游到上游依次比選的壩址分別為龍?bào)础⑹?、紅巖、上江、塔城、其宗等,這些壩址分別處在強(qiáng)震區(qū)或強(qiáng)震影響區(qū),各壩址建設(shè)高壩的可行性分析見表6。由表6可知,龍?bào)磯沃肪嚯x中甸-龍?bào)?喬后活動(dòng)性斷層(F16)僅1km,壩址所處的構(gòu)造地塊穩(wěn)定性差,工程抗震風(fēng)險(xiǎn)大,建設(shè)高土石壩的適宜性差。石鼓、紅巖壩址距離中甸-龍?bào)?喬后活動(dòng)性斷層(F16)最近距離分別為10,12km,近場(chǎng)區(qū)曾發(fā)生多次5～5.9級(jí)地震,壩址區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性均較差,建設(shè)高土石壩的適宜性較差。上江、塔城、其宗壩址距離活動(dòng)性斷層較遠(yuǎn),構(gòu)造穩(wěn)定性好,地震烈度較小,各壩址的抗震設(shè)防技術(shù)均未有超過國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平,抗震工程技術(shù)相對(duì)比較成熟,建設(shè)高土石壩的適宜性較好。綜上所述,虎跳峽河段8個(gè)比選壩址中,從工程抗震技術(shù)的難易程度方面分析,上江、塔城、其宗3個(gè)壩址由于地震烈度較低、距活動(dòng)性斷裂較遠(yuǎn),壩址所處地塊相對(duì)穩(wěn)定,因此壩址最優(yōu);其次為石鼓、紅巖壩址;下峽口、上峽口、龍?bào)?個(gè)壩址因?yàn)榈卣鹆叶容^高,距離活動(dòng)性斷裂較近,壩址所處地塊穩(wěn)定性差,工程抗震技術(shù)難度最大。4大壩震害時(shí)區(qū)域場(chǎng)地變化金沙江虎跳峽河段水電開發(fā)方案為“一庫(kù)八級(jí)”,主要比選虎跳峽高壩方案和替代虎跳峽高壩方案。其中,下峽口、上峽口、龍?bào)磯沃?距離活動(dòng)性斷裂近,近場(chǎng)區(qū)地震活動(dòng)較頻繁,區(qū)域穩(wěn)定性差;石鼓、紅巖壩址的地震烈度為Ⅶ