第四章 区域稳定性问题 第1节、基本概念 第2节、活断层的工程地质研究 第3节、地震的工程地质研究 第4节、水库地震

第1节 基本概念 指工程建设区内，在内、外力（以内动力为主）的综合作用下，现今地壳及其表层的相对稳定程度。分析工作的重点是： 第1节 基本概念 指工程建设区内，在内、外力（以内动力为主）的综合作用下，现今地壳及其表层的相对稳定程度。分析工作的重点是： 1．研究区内大地构造特征； 2．研究区域所受构造应力场的历史； 3．研究新生代以来，继承性活动的区域性大断裂的空间分布规律和活动特征； 4．研究表征地壳活动程度的地震指标； 5．探讨地震效应和地震动力学问题，评价场地地震危险性。

第2节 活断层的工程地质研究 一、活断层的定义 第2节 活断层的工程地质研究 一、活断层的定义 活断层active fault或称活动断裂，是指现今仍在活动，在人类历史记载时期或近代地质时期曾有过活动，不久的将来还可能从新活动的断层。后一种情况也可称潜在活断层。

目前，活断层的时间界限不很明确，有代表性的观点有： 1．艾伦将活断层限定为10万年或1万年来有过活动的断层； 2．华莱士将时间限定为1万年或晚第四纪以来； 3．松田时彦将时间限定为第四纪或晚第四纪以来； 4．邓起东把晚第三纪活动过的断层也包括在活断层中； 5．美国核管理委员会则将3.5万年作为时间界限。

1973年提出能动断层这一术语代替活断层。美国核管理委员会和国际原子能委员会规定，具有下列一个或几个特征的断层，即可认为是能懂得： （1）在过去3.5万年内，在地表或近地表处至少发生过一次运动，或在过去50万年内发生过重复性质的活动； （2）有足够精确的仪器测定的记录证明大地震活动与断层有直接关系； （3）与由(1）和(2）的特征确定的能动断层油构造联系，当已知能动断层运动时，它会预期伴随活动。 在一定义已经在我国核安全局、国家地震局有关规定中采用。 6．我国《水利水电工程地质勘察规范》（99年），根据第四纪构造运动的研究，应力场的变迁和地质年龄的测定，把晚更新世（距今10~15万年）以来活动过的断层定义为活断层。 7．美国垦务局在1976年勘察设计规范中，提出以晚更新世早期（10万年）以来活动过的断层定为活断层。

二、活断层的鉴定标志 1.地质标志 2.地貌标志 活断层可从地质、地貌、水文地质、地球物理、地边性测量等方面的标志进行判别。 （1）第四纪地层，特别是晚更新世以来的地层产生断裂错动、变形、褶曲，砾石层中的砾石受剪断或压碎； （2）断层构造带松散、未胶结，构造岩成分新鲜； （3）沿断层带第四纪火山锥或熔岩作线状排列； 2.地貌标志 (1)两大地貌单元长距离直线相接； (2)夷平面解体； (3)深切的直线型河谷或沉陷谷地，断层陡坎，断层三角面新鲜；

3.水文地质标志: 4.历史地震标志 (4)同级阶地的高程在断层两侧发生突然变化，有时可相差 数十米； (4)同级阶地的高程在断层两侧发生突然变化，有时可相差 数十米； (5)陡坎山山前经常分布有大规模的崩塌或滑坡； (6)山脊、山谷被错开，这是平移断层的标志； (7)水系作规律变迁。 3.水文地质标志: (1)地下水位在断层两侧有明显的变化; (2)．沿断层带温泉、地热异常带呈带状分布； (3)．水化学成分异常； 4.历史地震标志 (1)．沿断层带历史上有发生地震的记录，震中呈有规律的带状分布；

(2)．沿断层带有发生地震断层的历史记录 (3)．水化学成分异常；

5.其它标志 研究活断层常采用测年方法: (1)．根据大地测量所取得的地变形资料，表明断层有明显的 位移或蠕动，可用地变形速率表示。位移大于0.1毫米每年的 即为活断层； (2)．地球物理场分布和变化异常 (3)．断层错动，往往拌有小地震； 地震断层的特点和活动机制-----对活断层的研究有特殊意义。 活断层判别-------密切结合现场工程地质勘察，采用综合分析的方法。 研究活断层常采用测年方法: (1）r射线法 (2）热释光法（TL法）； (3）14C测定法。 其他方法

三、活断层的工程地质研究 1．活断层的类型 2．活断层的长度与错距 活断层的基本特征包括： （1）走向滑动断层主要是沿断层面两侧相对的水平运动，相对的垂直升降很小； （2）逆断层在上冲时，上盘往往拌以多个分支或次级断层的错动，断层线往往是波状起伏弯曲的，断层带宽。逆断层如重新活动，确切的位置难以确定和预测，错动的不位往往也不固定。 （3）张性活断层的变形和分支断层错动，主要集中于下降盘； 2．活断层的长度与错距 在活断层区修建大坝和核电站等重要建筑物时，需要活断层最大错距的资料；在地震预报、水库诱发地震和场地危险性评价时，也需要了解地震震级与地表断裂长度和错距的关系

3．活断层错动幅度的测量和平均错动速率的计算 错动幅度是指断层自某一时期以来的总错动量；平均错动（或蠕滑）速率是断层单位时间内错动的距离。 测量活断层水平错距用得最多的方法是调查错断水系；阶地、夷平面、古海岸线和古海蚀洞是测量断层垂直断距最常用的地貌标志。 4．地震重复间隔和逼近时间计算（活动周期） 断层活动和沿断层发生的地震是有节律的，有时活动，有时平静，表现出某种周期性。 活断层有突然错动和缓慢蠕动两种基本方式；蠕动可分为强震前后蠕动和平时蠕动两种。 5．断层活动度和危险度的评定 日本活断层研究会根据活断层长期平均滑动速率，将活断层分为四级；

考虑长期平均滑动速率、同时还考虑地震重复间隔的综合定量指标 断层的危险度是指活断层未来实际发生破坏性地震的危险水平或程度

第3节 地震的工程地质研究 一、地震基本概念 earthquake 1．地震的类型 第3节 地震的工程地质研究 一、地震基本概念 earthquake 1．地震的类型 （1）自然地震（构造地震tectonic earthquake 断层地震fault earthquake） （2）火山地震volcanic earthquake （3）陷落地震collapse earthquake （4）人工诱发地震 induced earthquake (men-made earthquake) 水库诱发地震； 深井注水诱发地震； 核爆炸和地下爆破诱发的地震 地下流体资源开采诱发的地震； 矿山开采、排水诱发的地震

2．地震要素 震源seismic focus、 震中episentre、 等震线isoseismal line、 烈度区等。 根据震源的深度 分为浅源地震shallow-focus earthquake（60公里）、 中源地震intermediate-focus earthquake（60~300公里） 深源地震deep-focus earthquake（大于300公里）

3．地震波seismic wave 4．地震形成机制 (1）体波body wave 纵波longitudinal wave P wave； 横波transverse wave S wave (2）面波surface wave 瑞利波 Rayleigh wave； 勒夫波Love wave 4．地震形成机制 地震地面运动可由加速度acceleration、速度和位移幅度来表示。 (1）地震地面运动强度：表示某一给定地点发生地震地面运动量的大小。(用峰值加速度和峰值速度表示) (2)频谱特征：地震动不是简单的谐和振动，而是振幅和频率都在变化的振动，可看作随机振动或无规律振动。

二、地震震级erathquake magnitude (magnitude of earthquake) 地震震级表示地震规模的大小，是由地震释放出来的能量大小决定的。 1．地震震级的确定 （1）浅源地震震级的确定： 震中距为100公里处采用公式4-5确定震级； 震中小于1000公里（近震）采用公式4-6确定近震体波震级； 震中大于1000公里（远震）采用公式4-7确定远震面波震级；

（2）深源地震震级的确定： 因面波太微弱或几乎测不到面波，只能先计算出体波震级，再用公式4-8换算出面波震级； 如震级已知，可利用公式4-6、-7计算任意震中距的工程场地的 最大地面运动位移振幅 （3）如果能够查清地震断层参数，长度和相对位移，可用经验公式4-10~4-17确定震级。

三、地震烈度 2．地震震级与释放能量 1．基本烈度（区域烈度）： 地震震级与释放能量的关系可用公式4-18 确定。 从公式中可以看出，每增加一级地震，能量释放增加约30倍。 三、地震烈度 earthquake intensity 地震裂度是指某地区的地面和各种建筑物、构筑物遭受一次地震时，影响和破坏程度。 1．基本烈度（区域烈度）： 今 后一定时期内，一个地区在一般场地条件下，可能遇到的最大烈度。 是根据百年以上的历史地震资料，用数理统计法整理出的较大区域或地区的烈度。 一般由国家或省、地区的地震部门给出。

2．场地烈度： 3．设防烈度（设计烈度或计算烈度）： 指一个地区或场区，根据其场区地质条件（岩性、地形地貌、 地质构造、地下水、自然地质现象等）的不同，参照该地区的基本 烈度而加以修正的烈度。一般由地质部门或勘察单位，结合当地条 件给出。场地烈度有时可以等同基本烈度。 3．设防烈度（设计烈度或计算烈度）： 根据基本烈度或场地烈度，结合建筑物的重要性及结构物的特点，将基本烈度或场地烈度加以调整、修正，在设计中采用的烈度。 一般由设计部门给出。

我国《水工建筑物抗震设计规范（1987）》规定： 1)水工建筑物抗震设计一般采用基本烈度作为设计烈度； 2）对于一级挡水建筑物，应根据其重要性和遭受震害的危险性，可按基本烈度提高一读。但应按规定报请有关部门批准。 3）对于次要建筑物（如，仓库或辅助建筑物），设防烈度可以降低一度。但基本烈度为Ⅶ度时不降。 根据我国经验，一般在Ⅵ度以上，Ⅸ以下的基本烈度区设防，而在Ⅵ以下，Ⅸ以上的基本烈度区不设防。

四、地基的地震效应 1.场地地质因素对烈度的影响 (1)．岩土层类型及性质的影响 a.地基刚度的不同对建筑场地的烈度具有明显的影响 b.土层的厚度对震害也有明显影响 (2)．地形条件的影响 在孤立突出的山丘、山梁、山脊、河谷边岸或悬崖陡壁边缘部位，都表现为震害加大，烈度增高，而低洼沟谷则震害减小。 (3)．地下水的影响 地下水影响了岩土层的物理力学性质，也影响地震波的传播。饱水的粉细砂地层，地震时容易发生液化现象，地表喷水冒砂，地基强度丧失。 特别饱水的软粘土强度明显降低。 a地下水埋深为0~1米时，土层的地震烈度增值为0.5~1度； b地下水埋深4米时，土层的地震烈度增值为0.25~0.5度； c.地下水埋深大于10米时，土层的地震烈度不受影响；

2.地震对建筑物的影响 （4）．断层带的影响 建筑场地有较大的断层时，对地震烈度的影响是复杂的。（这一问题有待于深入研究） 断层的隔震效应（减震效应或屏蔽效应）则已经被肯定。 2.地震对建筑物的影响 （1）．地震力seismic force 地震波传播时施加于建筑物的惯性力。由于地震波的垂直加速度分量较水平的小，仅为其1/2~1/3，且建筑物的竖向安全储备一般较大，所以设计时，在一般情况下只考虑水平地震力。（水平地震系数也称地震系数） （2）．振动周期与振动时间的影响 a 振动周期vibration period：建筑物地基受地震波冲击而振动，同时也引起建筑物的振动。当地基土的卓越周期与建筑物的自振周期相等或相近时，两者便发生共振resonance，从而使振动作用力、振幅和时间大大增加，导致建筑物的严重破坏。

3．地面破坏与斜坡破坏效应 地基土的卓越周期；取决于地基土的性质，松软地基周期长，坚硬地基周期短。（可用仪器测定或经验公式计算） 建筑物的自振周期 own vibration period； 取决于建筑物所用的材料、尺寸、高度及结构类型。柔性建筑物周期长，刚性建筑物周期短。（可用仪器测定或经验公式计算） 据统计：1、2层结构物约为0.2秒；4、5层结构物约为0.4秒；11、12层可达1秒。建筑物越高自振周期也越长。 （2）振动时间vibration time； 地振动持续的时间越长，建筑物的破坏也越严重。土质越软弱、土层越厚，振动的历时也越长。软土场地可比坚硬场地历时长几秒~十几秒。 3．地面破坏与斜坡破坏效应 (1）地面破坏效应： 是指地震形成地裂缝以及沿破裂面可能产生较小的相对错动，但不是发震断层或活断层。

5．水工建筑物的地震效应 (2）斜坡破坏效应：是指在地震作用下边坡失稳,发生崩塌collapse、 滑坡slide等现象。 4．地基失效foundation effect； 地震时，软弱地基土的物理力学性质会发生变化，使地基丧失承载能力或出现残余变形，发生砂土地基液化、软土地基震陷、导致建筑物突然下沉、倾斜，土石坝则发生溃决、滑坡，这就是地基失效。 5．水工建筑物的地震效应 一些认识： (1)如果抗震设计合理，用现代技术建成的土石坝可以在烈度 5度以上地区不发生严重破坏. (2)碾压式土坝抗震性强，在强震区内不宜采用水力冲填坝 (3)钢筋混凝土坝的震害实例较少 (4)土石坝最普遍的震害是裂缝和变形

五、地震导致的区域性砂土液化 定义： 液化liquefaction 饱和砂土在振动荷载或地震作用下，土颗粒间因孔隙水压力的 增加和有效应力的减小，导致丧失其抗剪强度，由固态而变为 接近流体状态。 喷水冒砂 土体中剩余孔隙水压力区 的管涌所导致的水和砂的喷出。

1.液化的影响因素 宏观液化 地震导致的区域性砂土液化是指宏观液化。 宏观液化的唯一鉴定标志就是该场地是否发生了喷水冒砂或 液化变形。不论喷水冒砂或液化变形严重，人们都可以肯定该土 层发生了液化，和就是宏观液化 1）只有宏观液化才是实际有效进行判别的客观标准； 2）只有产生了喷水冒砂或液化变形的液化， 才有明显的工程意义。 1.液化的影响因素 (1)．地震因素 a.产生液化的烈度阀值为Ⅺ度。当地震小于5级时，从中国的地震文献中没有发现喷水冒砂纪录。震级5级时震中烈度为Ⅺ度，据此估计，砂土液化的最低烈度是Ⅺ度。

(2)．地质地貌因素 b.液化最大震中距可由4-24、4-25确定。 a.土层液化的临界深度。 天然平坦场地且无深基础的情况，在15米的深度内考虑地震液化危害。《岩土工程勘察规范》（94）； b.最大地下水位埋深 地下水位埋深小于3米（甚至小于1米），喷冒严重； 地下水位埋深3~4米时，发生液化的现象就很少； 地下水位埋深大于5米时，液化几乎不发生。

(3)．土层因素 c. 地貌条件 发生液化的场所，多是全新世海相和河相沉积平原。 饱和的砾、粗砂、中砂，特别是粉、细砂和少粘性的粉土，在一定条件下均可以产生液化。 a.可液化土的平均粒径为0.02~1.0毫米之间； b.粘粒含量，在烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ时，分别不大于10%、13%、16%。 c.不均均系数不大于10。 d.相对密度不大于0.75； e.塑性指数不大于10。

2.液化势的判别法则 3.液化土的现场判别方法 (1)．对于天然土层构成的平坦场地上的砂土和粉土液化问题，可采用宏观判别法则； (2)．倾斜场地或人工填筑土体的液化势以微观判别方法为主。 3.液化土的现场判别方法 (1)．标准贯入判别法 《建筑抗震设计规范》（89）规定：4-26、4-27公式； 《水运工程水工建筑物抗震设计规范》（89）规定：4-29式。

六、软土地基震陷 七、地面脉动卓越周期的测试 八、工程场地的地震危险性评价 (2)．静力触探试验判别法（公式4-30、4-31） (3)．等效均匀循环剪力法（席德法）（公式4-32） 六、软土地基震陷 七、地面脉动卓越周期的测试 八、工程场地的地震危险性评价 1.地震危险性评价的确定性方法 2.地震危险性评价的概率性方法

第4节 水库地震 一、概述 水库诱发地震reservior induced seismicity-----水库地震，是指水库蓄水后，改变了库区的水文地质条件和天然应力厂，使库区及其邻近地带的地震活动性明显增强的现象。 二、水库地震的特征 与一般构造地震相比，水库地震主要有以下特征： 1．震中分布在水库的边缘或库底，特别是大坝附近的峡谷区，常密集在特定范围内，一般不超过库周外10公里，空间上重复率较高； 2．蓄水初期，地震活动与库水位变化相关性密切； 3．震级有限，多为微震、弱震，少数为强震。一般震级小，但震中烈度大，破坏性强。

三、诱发水库地震的工程地质条件engineering geological conditions 4．震型上常为前震foreshock—主震main shock—余震aftershock型（少数为群震型），与天然地震相比，余震衰减率缓慢的多；(地震序列seismic sequence) 5．具有较高的地面峰值加速度，，但持续时间短； 6．标示大小地震比例关系，即频率与震级关系的b值较高。 三、诱发水库地震的工程地质条件engineering geological conditions 1．岩性characters of rock 以碳酸盐岩地区水库诱震率较高，但震级则以火山岩特别是花岗岩地区较高。 2．地质构造geologic structure 水库地震大多出现在活动性大地构造环境中，尤其以新生代 断陷盆地、第三纪以来的断陷谷地及其边缘为多。

3．地应力natural stress 大多数的发震构造的力学性质是剪切破裂，已有断裂能否产生新的剪切破裂，取决于区域最大主应力与断裂走向的夹角。因此，查明现代地壳活动的应力场是十分重要的； 4．水文地质条件hydrogeological conditions 库区周围隔水层的分布，可形成大致封闭的水文地质条件，有利于保持较大的水头压力，使库水得以向深部渗入，增加构造裂隙及断层中的孔隙水压力pore water pressure，降低岩体的抗剪强度shear strengh，因而 容易诱发水库地震 5．历史地震 6．坝高dam 和库容 高坝诱发水库地震的机率大，高坝与诱震强度有明显的正相关。

四、水库地震的成因 1．水库荷载成因说 2．地质构造成因说 其依据是： 1）水库蓄水前，库区没有或很少有地震历史，蓄水后库底库区边缘地带地震活动频繁，集中或局限于库区周围； 2）地震的频度和强度随着库水位的升降而增减； 3）地壳变形的精密水准网复测成果和理论计算结果相符； 4）库水位的猛涨，意味着水体自重对库底和边坡急剧的迭加和挤压，导致岩层破裂而产生一系列小地震。 2．地质构造成因说 其依据是： 1）震中并未集中在库水最深的部位； 2）震中分布的走向和库区周围的断层走向一致；

3．岩溶塌陷与气爆成因说 3）震源浅，这与地壳上部的地震多数是断层错动引起是一致的； 4）大量震源机制解的成果说明，水库地震的震源力学机制基本上是构造地震； 5）库水和地下水只有沿着断层、节理、裂隙活动时，才能产生孔隙水压力。 3．岩溶塌陷与气爆成因说 浅部岩溶洞穴在水库荷载的作用下，顶板塌陷而引起浅源地震； 深部岩溶和古岩溶，可能有残留古岩溶水，水库荷载和渗透可引起古岩溶束缚水发生气爆而产生地震。

五、水库地震工程地质研究的基本内容 区域地质及地应力环境的研究， 历史地震研究， 测定岩体的初始应力， 研究水文地质条件， 特别要查明最新构造体系和区域最大主应力作用方向：有无断陷盆地尤其是被活断层围限的断陷盆地；库坝区及邻区有无深断裂；库坝区断裂构造空间组合特征及其活动性。 历史地震研究， 判明活断层及区域性孕震构造及发震断裂。 测定岩体的初始应力， 研究地应力随深度的变化规律及断层带的抗剪强度。 研究水文地质条件， 包括岩体和断裂带的透水性。地下水位和孔隙水压力对岩体强度的影响。

可行性研究阶段 水库诱发地震潜在危险性预测应包括可能诱发地震的地段及各地段可能发生的最大震级和烈度。可能发震地段可根据库区的地质环境、地应力状态、孕震断裂、附近岩体的导水性和发震机理判定。地震强度可根据发震断裂的长度、已有震例的类比或参照区域地震活动水平进行估计。 初步设计阶段 水库诱发地震预测：除前述内容外，还应预测水库诱发地震的类型、潜在震源区及其震级上限。当可行性研究勘察认为可能发生水库诱发地震时，应设置临时台站或地震台网，监测地震活动。 如蓄水后发现地震频繁，应增设流动台站