三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場三維數(shù)值模擬研究

1、，1 3，4，4，5CHEN Shu-jun1，YAO Yun-sheng1 3，ZENG Zuo-xun4，LIU Li-lin4，LI Xi-guang5第 24 卷增 2巖石力學與工程學報Vol.24 Supp.22005 年 11 月Nov.，2005Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場三維數(shù)值模擬研究，2，3 ，1(1. 430071；2. 武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430071；3. 地殼運動與地球觀測實驗室，湖北 武漢 430071；4. 430074；5. 530022)摘要：迄今為

2、止，長江三峽庫首區(qū)蓄水對上地殼構(gòu)造應力場影響的數(shù)值模擬研究中存在的最大問題是未考慮地形“峽谷效應”和庫水下滲導致“巖石弱化”的影響。利用高精度 DEM 圖和 135 m 水位蓄水同期重力異常觀測資料，首次建立包含地形單元、庫水下滲因素等復雜條件下的三峽庫首區(qū)上地殼三維數(shù)值模型。在 Marc 軟件平臺上，以優(yōu)選加載方案進行數(shù)值模擬，揭示 135 m 175 m 水位蓄水條件下庫首區(qū)上地殼構(gòu)造應力場的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)九灣溪、馬鹿池、官渡口、?？诘葦嗔褞冻謪^(qū)出現(xiàn)最大 3.55.0 MPa 的最大主應力降等有利于高角度正斷層失穩(wěn)的應力場變化，預測 175 m 水位蓄水影響將呈“繼承性”發(fā)展。首次提出“

3、二次誘發(fā)地震”、“水庫誘發(fā)地震潛在震源”、“疊加潛在震源”的思想，探討了蓄水對秭歸、巴東 2 個重點區(qū)域斷裂穩(wěn)定性、孕震環(huán)境及地震危險性的影響。關鍵詞：巖土力學；構(gòu)造應力場；孕震環(huán)境；三峽庫首區(qū)；數(shù)值模擬中圖分類號：TU 45文獻標識碼：A文章編號：10006915(2005)增 2561108STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF TECTONIC STRESS FIELDBEFORE AND AFTER RESERVOIR IMPOUNDING IN THE HEAD AREA OFTHE THREE GORGES，2，3，(1. Institute of Sei

4、smology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China；2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering，Wuhan 430071，China；3. Crustal Movement Laboratory，Wuhan 430071，China；4. China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；5. Earthquake Administration of Guangxi Autonomous Region，Nanning 530022，

5、China)Abstract：The main problem on simulation of tectonic stress field after reservoir impounding in the head area ofthe Three Gorges is the influence of“canyon effect” and “rock soften”. For the first time，taking the terrain，water load distribution，infiltration range and the fault units into accoun

6、t，the 3D numerical modeling of the uppercrust of the Head Area of the Three Gorges is established on the software platform of Marc to reflect the change oftectonic stress field under the load caseswater lever 175 m and 135 m. From the numerical simulation results，itis discovered that under water lev

7、el 135 m，the maximum principal stress descends(3.5-5.0 MPa) is connected withthe activities of high angle normal fault and these changes are more obvious under water level 175 m. The ideaof“secondary induced earthquake”，“potential induced seismic source in reservoir”and “superposition seismicsource”

8、are presented first. Moreover，the effects on the stability of area fault and the seismogenic environment in收稿日期：20050501；修回日期：20050720基金項目：科技部公益項目三峽工程蓄水后地震環(huán)境及災害預警研究資助項目(2004DIB3J131)(1965)，男，現(xiàn)為正高職高級工程師、博士研究生，主要從事減災與防護工程、地震工程、巖石力學等方面的研究工作。E-mail：。1庫段；同期重力監(jiān)測觀測到最大近 200 微伽(10m/s )的重力變化異常，這些數(shù)據(jù)成為庫水下滲的直接證據(jù)

9、1 2。針對 135 m 水位蓄水引起的這些變化的分 5612 巖石力學與工程學報2005 年Zhigui and Badong after impoundment are analyzed.Key words：rock and soil mechanics；tectonic stress field；seismogenic environment；the Head Area of theThree Gorges；numerical simulation1引言長江三峽 135 m 水位蓄水以來，誘發(fā)一系列微震群活動，引起庫首區(qū)重力場、形變場、滲流場和庫床荷載條件的持續(xù)變化；三峽蓄水這一人文活動

10、引起的變化，是庫首區(qū)孕震環(huán)境與水庫誘發(fā)地震研究不容忽視的影響因素。2003 年 5 月 19 日9 月，三峽庫首區(qū)共記錄到微震活動 2 216 次，地震活動明顯增強，震中明顯向庫心遷移；GPS 在近庫岸觀測到1046 mm 的垂直形變，主要形變區(qū)域出現(xiàn)在壩址至香溪及巴東82，析普遍認為蓄水可能引起庫首區(qū)上地殼構(gòu)造應力場調(diào)整，進而影響或擾動庫首區(qū)局部的孕震環(huán)境；當蓄水位至 175 m 后，所引起的變化則更加引人關注。雖然通常認為，庫水荷載引起的較小量級附加應力不至于成為斷層失穩(wěn)的主要力源，但在庫水下滲、孔隙水作用導致斷層滑動抗力下降的背景下，較低量級應力變化對本已接近失穩(wěn)或處于極限平衡狀態(tài)的區(qū)域

11、產(chǎn)生促滑、誘震作用，是完全可能的。因此，研究三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場的變化及其對孕震環(huán)境的影響具有重要意義。2模型的建立庫首區(qū)范圍及主要活動斷裂如圖 1 所示3。前人已注意到應用構(gòu)造應力場數(shù)值模擬的方法研究三峽蓄水誘發(fā)地震4存在的最大問題是未考慮地形和庫水下滲的影響。三峽水庫為峽谷形水庫，庫首區(qū)地勢陡峭，高差起伏達到近百米至數(shù)百米，構(gòu)造應力場的“峽谷效應”十分明顯，忽略地形影響而研究蓄水引起的應力場變化，顯然是不全面的。同時，由于可用于物性參數(shù)調(diào)整的蓄水同期重力異常觀測數(shù)據(jù)是新近的資料，因此前人的模型也是未考慮庫水下滲區(qū)物性參數(shù)的調(diào)整。首次利用庫首區(qū) 1250 000DEM 數(shù)字地圖，生成

12、地形單元(見圖 2)，在文3基礎上，加密庫床、斷1白堊 上三疊統(tǒng)上部蓋層構(gòu)造亞層 ；2震旦系 中三疊統(tǒng)下部蓋 層 構(gòu) 造 亞層 ；3 中 元 古 界上 部 基底 構(gòu) 造 亞 層 ；4下 元 古 界 下 基底構(gòu)造亞層 ；5亞寧期中酸性侵入巖 ；6活動斷層及編號 ；7震源機制解及編號 (黑區(qū)示壓縮區(qū) ，白區(qū)示拉張區(qū) )；8三峽大壩位置活動斷裂及編號； 九灣溪斷裂； 仙女山斷裂； 馬鹿池斷裂 ； 官 渡 口 斷 裂 ；周 家 山 牛 口斷 裂 ； 水 田 壩 斷裂 ；高橋斷裂 ； 天陽坪斷裂 ； 霧渡河斷裂 ； 新華斷裂 ；磨坪斷裂 ； 獅子口線性影像帶圖 1 庫首區(qū)范圍及地震地質(zhì)圖Fig.1 Ge

13、ological map of the researched areaFig.2圖 2 庫首區(qū) 1250 000 DEM 地圖及地形單元DEM map with scale 1250 000 and the meshing ofthe modeling of the researched area裂單元，建立考慮地形單元、斷裂單元(圖 3)、構(gòu)造層劃分的初始三維數(shù)值模擬模型(圖 4)；并首次利用重力監(jiān)測反映的庫水下滲范圍及強度調(diào)整蓄水工況下的物性參數(shù)，建立蓄水條件下的模型。坐標系以 1100000N，315635E 為原點，Y軸方向為 NE33，Z 軸垂直向上為正，Z = 0 處相當于海拔高程

14、 50 m；長 110 000 m，寬 85 000 m，厚度取自蓄水前水位往下至地殼深度 12 km 處。模型按物性又分為 2 個大層，分別為：第 1 層厚約 7 000 m，2 = 1 vp2 / 2(vp2 vs2 )/(gcm 3)考該區(qū)巖性分布與物性參數(shù)研究 ，確定庫首區(qū)不根據(jù)庫首區(qū)試驗獲得的巖石力學參數(shù) ，并參第 24 卷增 2陳蜀俊等. 三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場三維數(shù)值模擬研究 5613 庫首區(qū)斷裂空間單元(斷裂名對應圖 1)Units of the modeling divided by the faults圖 3Fig.3注 ：左側(cè) 30 個色條為單元介質(zhì)圖例；第一個符號

15、表層號 ，其中 d表有地形單元的第 1 層、層號順延后的 1 則表第 2 層，為錯開相近色塊，其后順序倒置 ；第二個符號 ，f 表斷裂、c 表層位 ；第三個數(shù)代表巖石狀態(tài)類別 ；第四及其后符號 ，f 表花崗巖、 sha 表砂巖、hui 表灰?guī)r圖 4 三峽庫首區(qū)上地殼三維數(shù)值模擬模型圖Fig.4 3D numerical modeling of the head area of the ThreeGorges由花崗巖、灰?guī)r、砂巖等 3 種巖石組成；第 2 層厚約 5 000 m，主要為花崗巖。采用三維線性彈性模型，斷裂單元物性按弱介質(zhì)考慮；除約束部位外，每個節(jié)點有 3 個自由度；有限元網(wǎng)格劃分以

16、滿足計算精度要求，使模型能夠真實反映水體荷載與近庫岸區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)；計算單元數(shù)為 19 262 個。3物性參數(shù)設定(1) 初始物性參數(shù)56同巖石斷層物質(zhì)不同狀況下的物性參數(shù)見表 1。根據(jù)前人給出的庫首區(qū)各構(gòu)造層速度結(jié)構(gòu)和如下關系式，可確定深部巖體介質(zhì)的彈性模量 E 和泊松比 ：表 1Table 1庫首區(qū)主要巖石類型巖石力學參數(shù)表5Mechanics parameters of main rocks inresearched area5巖性統(tǒng)計狀態(tài)彈性模量/GPa泊松比密度極限單軸 飽和抗抗壓強度 拉強度/MPa /MPa砂巖天然狀況飽水狀況3.63.02.632.660.220.2435.

17、4630.0058.249.5砂巖+構(gòu) 天然狀況造角礫巖 飽水狀況天然狀況灰?guī)r飽水狀況灰?guī)r+構(gòu) 天然狀況造角礫巖 飽水狀況10.709.1030.6026.0021.2218.000.240.270.200.230.230.262.572.592.682.692.662.6733.328.3112.895.965.8562.21.85.04.24.33.6天然狀況2.693545 0.180.211513257花崗巖飽水狀況3038 0.20.232.7095110 4.36.05100.252.5648723.2花崗巖+ 天然狀況構(gòu)造角礫巖飽水狀況 4.38.52.570.2640602.6

18、2E = 3 vs2 /(vp2 vs2 )vs2 (1)式中： vp 和 vs 分別為構(gòu)造層介質(zhì)的縱波和橫波速度， 為介質(zhì)密度。(2) 135，175 m 水位水體荷載與物性參數(shù)根據(jù) 135，175 m 水位下庫首區(qū)的水體分布，合理布置 2 個蓄水工況下的水體荷載；再進行庫水下滲區(qū)物性參數(shù)調(diào)整。關于滲流，目前還沒有較好地解決用二維水流模擬斜坡斷塊中地下水水流的邊界問題7，三維滲流場更趨復雜；而三峽部分水位觀測井的觀測成果存在誤導8。就現(xiàn)有資料，重力異常既是庫水下滲的直接證據(jù)，也是確定庫水滲透影響范圍與物性參數(shù)調(diào)整的現(xiàn)實依據(jù)。根據(jù)文9，首先確定 135 m 水位庫水下滲的影響范圍是：以巴東至秭

19、歸北(沿長江)為軸線，半徑 6 000 m、圓心位于軸線以北 1 km 的半圓柱體內(nèi)的區(qū)域(即北岸取至 5 km、南岸取至 7km)；根據(jù)滲透范圍、程度與水頭差的關系，近似估計 175 m 水位庫水下滲的影響范圍是：以巴東至秭歸北(沿長江)為軸線，半徑 7.2 km、圓心位于軸線以北 1.2 km 的水平半圓柱體內(nèi)的區(qū)域(即北岸取至 6 km、南岸取至 8.4 km)。這 2 個區(qū)域再各以 1/2半徑劃分為“近庫岸區(qū)”和“次近庫岸區(qū)”。參考三峽庫區(qū)巖石天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)的實測參數(shù)(表 1)3 5614 巖石力學與工程學報2005 年進行 2 個蓄水工況下的模擬時，在初始模型參數(shù)基礎上，將各自“

20、近庫岸區(qū)”、“次近庫岸區(qū)”的彈性模量分別調(diào)低 1/4 和 1/5；泊松比按表 1 調(diào)整。近似估計換算為：模型第 1 層容重在 135 m 水位時增加 2%，在 175 m 水位時增加 3%，也作相應調(diào)整。三峽庫區(qū)不同狀況下的巖石力學參數(shù)及其換算是復雜的10，11；以上調(diào)整雖不盡完善，但利用了最新的庫水下滲范圍及強度資料調(diào)整蓄水后模型的物性參數(shù)，顯然是一個進步。4約束條件與加載方案(1) 約束條件由于三峽庫首區(qū)新構(gòu)造運動的水平運動總體是向華南方向運動的，因此，首先對 X = 0 的側(cè)面作 X向約束。三峽區(qū)域構(gòu)造應力場存在一定的分區(qū)性，現(xiàn)代地殼運動也呈不均勻特征；而黃陵背現(xiàn)今地殼形變偏弱、垂直形變

21、零值線從其上通過；其格局，似與黃陵背斜的“砥柱”作用有一定關系。因此，對黃陵背斜核部(范圍半徑為 15 km，中心點在霧渡河西側(cè) 30 km，)作 X 向和 Y 向約束。此外，在 Z = 12 000 m 處(即模型底部)，作 Z向約束；頂面及模型其他側(cè)面，則為自由面。(2) 加載方案圖 1 展示的震源機制解表明，三峽地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應力場呈現(xiàn)負責性和分區(qū)性，主壓應力軸從NNE 至 NEE 方向變化。文12認為構(gòu)造應力場主壓應力方向為 NE 向；文4認為，應該是 SN 向的壓應力和 E，W 兩側(cè)剪的聯(lián)合作用。綜合現(xiàn)有觀點，可以歸納為 3 種力源作用機制，即：NE 方向擠壓，NWW 向拉張，以及

22、NE 方擠壓、NWW 向拉張 3 種方案。根據(jù)文12關于庫首區(qū)最大主應力 1 取 790MPa，最小主應力 3 取 546 MPa 的研究結(jié)果，對 3種方案進行模擬比對后，確定 NE57擠壓和 NW327拉張作為加載方案。研究結(jié)果表明，該方案模擬結(jié)果與地質(zhì)、形變、地震、原地應力測量等資料具有較好一致性13。5蓄水前后最大主應力的模擬結(jié)果(1) 135 m 水位蓄水模擬模型表達圖 5 給出 135 m 水位蓄水工況下包含復雜荷載條件的模擬模型，圖 5 中清晰表達了邊界條件、庫水下滲及水體荷載分布。注 ：大圖框左側(cè)色條為各種加載、荷載力值圖例 ，模型中沿長江的垂向箭線為水體荷載 ，側(cè)面箭線為加載力

23、值 ，單位 MPa；圖框上方為正北 ，Y 軸方向 NE33圖 5Fig.5135 m 水位下包含水體荷載、庫水下滲的模型圖Modeling under the load casewater level 135 m，taking water load distribution and infiltration rangeinto account(2) 135 m 水位相對于蓄水前的變化考慮到研究重點是上地殼表層應力場的變化，本文僅介紹第 3 層頂面(Z =1 500 m)處最大主應力的模擬結(jié)果。對比蓄水前以及 135 m 水位蓄水后(圖 6)最大主應力模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：斷裂區(qū)同一深度最大主應力值比蓄

24、水前減小，低值范圍擴大；部分斷裂兩端出現(xiàn)應力集中，尤以牛口斷裂北端最為明顯。在馬鹿池與官渡口斷裂挾持區(qū)、?？跀嗔芽玳L江段東側(cè)、圖 6135m 水位下最大主應力模擬結(jié)果圖(單位：Pa)Fig.6Maximum principal stress under the load case waterlevel 135 m (unit：Pa)4長度/103m1100102030405060708090100第 24 卷增 2陳蜀俊等. 三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場三維數(shù)值模擬研究 5615 秭歸地理中心、九灣溪雁列區(qū)，共出現(xiàn) 4 個最大主應力降的異常區(qū)；最大主應力降為 3.5 MPa，出現(xiàn)在牛口，其他為

25、 0.53.0 MPa。上述斷裂多為高角度正斷層，模擬結(jié)果反映出的構(gòu)造應力場變化表明，蓄水對斷裂穩(wěn)定性造成明顯影響。在所建立模型的長江北岸，對九灣溪斷作 Z 向剖面(圖 7，剖面線為圖 6 的線段 a-a)。如圖 7 所示，九灣溪斷裂帶北段內(nèi)部最大主應力相對低的區(qū)域，有往下和往兩側(cè)拓展的趨勢，也即最大主應力往下和往兩側(cè)在減小、最小主應力(張應力)往下和往兩側(cè)在增加，影響深度達 8 km。圖 7Fig.7135 m 水位蓄水后下九灣溪斷裂帶最大主應力模擬結(jié)果剖面圖(單位：Pa)Section of maximum principal stress in Juiwanxi faultzone un

26、der the load casewater level 135 m(unit：Pa)對馬鹿池斷裂帶，按 X1 = 8 130 m，Y1 = 40 700 m；X2 = 39 150，Y2 = 40 700 m；X3 = 39 150，Y3 =14 400 m；X4 = 8 130 m，Y4 = 14 400 m，Z = 1 500 m，作局部詳圖(圖 6 中 B 所示)，發(fā)現(xiàn)馬鹿池斷裂兩端應力集中區(qū)域擴大；而位于北側(cè)的官渡口斷裂東端應力集中區(qū)域擴大、西端應力集中區(qū)域縮小；?？跀嗔驯倍藨兴絼t顯著提高(圖 8，9)。(3) 175 m 水位相對于 135 m 水位的變化175 m 水位蓄

27、水后相對于 135 m 水位蓄水時，出現(xiàn)了較前一種情況更為復雜的變化(圖 10)。一方面，?？跀嗔芽玳L江段東側(cè)、秭歸地理中心、九灣溪雁列 3 個最大主應力下降區(qū)進一步發(fā)展、拓寬，最大應力降增長了 1.6 MPa，而馬鹿池與官渡口斷裂挾持區(qū)的最大主應力值不但沒有進一步降低，相反出現(xiàn)了輕微回升(0.05)；另一方面，馬鹿池斷裂東北端、牛口斷裂東北側(cè)、九灣溪斷裂北端、仙女山斷裂西段，出現(xiàn)了近似共軛形態(tài)的最大主應力增長區(qū)，圖 8蓄水前馬鹿池斷裂帶內(nèi)部(平面)最大主應力模擬結(jié)果圖(單位：Pa)Fig.8 Maximum principal stress inside Maluci fault zone(

28、plane) before impounding (unit：Pa)圖 9Fig.9135 m 水位蓄水后馬鹿池斷裂帶內(nèi)部(平面)最大主應力模擬結(jié)果圖(單位：Pa)Maximum principal stress inside Maluci fault zone (plane)under the load casewater level 135 m (unit：Pa)Fig.10Difference between the maximum principal stressunder water level 135 m and 175 m (unit：Pa)9.01056.01053.01051

29、.01055.01040.05.01041.01053.01056.01059.01051.21061.31061.6106長度 /103 m175 m 水位與 135 m 水位最大主應力差值(單位：Pa)霧渡河興山高橋周坪三斗坪?？诎蜄|秭歸80706050403020100圖 105第 24 卷增 2陳蜀俊等. 三峽庫首區(qū)蓄水前后構(gòu)造應力場三維數(shù)值模擬研究 5617 此對斷裂區(qū)應力狀態(tài)調(diào)整、變化的地震動力學意義應予高度重視。由于兩期蓄水對構(gòu)造應力場影響的“繼承性”，將有利于近庫岸及過江活動斷裂失穩(wěn)趨勢與地震潛勢的發(fā)展，總體上反映出秭歸、巴東等既有地震危險區(qū)的危險趨勢有所增長。(4) 基于斷層

30、相互作用與同震觸發(fā)理論分析認為，蓄水誘發(fā)的“一次地震”，可能對相鄰斷裂或震源構(gòu)成觸震作用而產(chǎn)生“二次誘發(fā)地震”；在175 m 水位蓄水后應力變化水平進一步提高，尤其需要注意此類地震。(5) 對于預測震級上限可能達到 4.56 級且超過本次地震的水庫地震潛勢區(qū)，不能忽略其對地震危險性分析所作的貢獻。突破既有潛在震源技術框架，采用“水庫誘發(fā)地震潛在源”和“疊加潛在源”這一思想，使庫區(qū)的地震危險性分析包含水庫誘發(fā)地震的影響，是今后的努力方向。致謝本文承蒙導師馬 瑾院士指導、審閱，謹致謝意！參考文獻(References)：1陳蜀俊，姚運生，曾佐勛. 三峽水庫蓄水對庫首區(qū)孕震環(huán)境及潛在震源影響研究J.

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