区域地壳稳定性评价与减轻灾害措施

Answer 1

区域地壳稳定性评价研究的理论基础,就是李四光教授“安全岛”理论的不断扩展和延伸,即在不稳定区域或构造活动区寻找相对稳定地块,进行工程安全建设,对地质灾害进行合理安全设防,以达到安全合理、节约建设、减灾防灾的目标。近50年来,我国地质力学工作者刘国昌、谷德振、陈庆宣、胡海涛等人,均为区域地壳稳定性评价研究和分支学科的建立做出了重大贡献。

(一)区域地壳稳定性评价研究

中国地质环境复杂,活动构造较多,各种内动力地质灾害比较严重。总体看来,中国区域地壳稳定性相对较差。为了对全国区域地壳稳定性评价和分区获得定量化认识,更好地服务于经济建设和减灾防灾,下面将在现今活动的主要构造体系与各种内动力地质灾害分布规律和中国内动力地质灾害分区研究的基础上(图3-3),结合构造现今活动性划分待评区,选定6个评价指标,分配权重如下:①表层地壳结构与岩土力学性质,权重17%;②深部地壳结构构造,权重13%;③地块升降与地壳现今活动速率,权重10%;④断裂及其活动性,权重20%;⑤现今地应力与能量集中程度,权重15%;⑥主要内动力地质灾害(表3-1)的破坏程度综合划分为4个等级,权重25%。

依此建立各待评区总体质量矩阵,进行模糊数学计算评判。按照规范对区域地壳稳定性划分相对稳定等级为:相对稳定、相对较稳定、相对较不稳定和相对不稳定四个档次。计算结果结合不同构造分区特征,编制中国区域地壳稳定性概略分区图(图3-4)。其主要特征如下:

图3-4 中国区域地壳稳定性分区略图

(1)全国区域地壳稳定性评价划分71个待评区,经计算结果确定:相对稳定区31个,相对较稳定区22个,相对较不稳定区15个,相对不稳定区3个。

(2)通过全国稳定性概略分区的六项指标内容的确定及其权重分配情况,可以看出:全国是以构造稳定性评价为主,配合岩体、土体介质条件;根据现今地壳运动状况,结合A近活动和地质时期的发展演化,进行地壳活动性评价和判定。为了判定区域稳定程度,在分析地壳活动性与地应力场的同时,又全面落实到各种内动力地质灾害方面,并使之获得较高的权重。

(3)分区中对我国内动力地质灾害进行了多方面的分析,以地震灾害为主,对1990年国家地震局《中国地震烈度区划图》进行了分析。同时,考虑了地下坑道变形、煤瓦斯突出、冲击地压、钻孔套损、地下热害等,加强了地下稳定性变化的评判;对现今地壳形变可能导致灾害的发生,现今断层位移活动,构造地裂缝等灾害,也进行了分析评判。因此,在全国分区中划分出:与煤瓦斯突出、冲击地压、地下热害、坑道变形、钻孔套损等地下灾害有关的区、带,诸如松花江相对较稳定带 、辽沈相对较不稳定段 、太行山相对较稳定带 、华蓥山相对较不稳定带 、罗霄山相对较不稳定带 ，以及祁连山相对较不稳定带 等。这些地带都启发我们应该考虑地下深处与地表附近的区域地壳稳定性存在着变化,在地下工程建设或地下矿产开发前,应该充分重视区域地壳稳定性随着深度的变化规律状况,否则容易造成意外重大灾害损失与人员伤亡^{[22-37,54-70]}。

(二)区域地壳稳定性评价研究在减灾中的应用

区域地壳稳定性评价研究,主要根据李四光教授的“安全岛”理论及其倡导的岩石力学与构造应力场研究方法,在考虑各种类型地质灾害的基础上,全面考虑内外动力地质作用、岩体和土体介质条件、人类活动,以及与工程建筑物的相互综合作用和影响等因素,综合评价研究现今地壳及其表层相对稳定程度,实现减灾、防灾和安全建筑服务的目标[1～01]。

1.城市规划建设中的减灾与防灾

现以西安市城建规划为例进行讨论。西安市区发育着多种严重的地质灾害,而以地裂缝、地震、地面沉降、沙土液化等为主,其中地裂缝灾害最为严重,经常成带摧毁大批建筑物,甚至引起在城市建设规划中是否需要搬迁的疑虑问题。经区域地壳稳定性评价研究,确认市区属于相对不稳定区,为此进行稳定性小区划研究(属区域地壳稳定性大比例尺评价范畴),目的为了合理开发利用土地,合理部署城建规划,保证安全建设。市区稳定性小区划研究,首先在重点研究地裂缝成因机制、时空分布、活动规律及其发展演化的基础上,结合地震动峰值加速度、地面沉降速率、断裂活动性、古河道沙土液化特性以及人工堆积土等诸因素,采用数学地质方法评判。并按照不同稳定程度划分为:相对不稳定区(又分为A、B、C三个等级)、相对较不稳定区、相对次较不稳定区和相对次较稳定区,共计175个单元(区段)。结合合理开发利用土地的原则,编制城市规划布局建议图(图3-5),小区划综合评价将土地分为4大类7个亚类:

Ⅰ类:可供高层建筑用地,按地震基本烈度Ⅶ度设防。

Ⅱ类:可供高层建筑及重要工程建设用地,按Ⅷ度设防。

Ⅲ类:分为2个亚类。

Ⅲ₁类:可供重要工作建设用地,按Ⅷ度设防,将增加工程投资;

Ⅲ₂类:可供一般建筑用地,应尽量避让隐伏地裂缝。

Ⅳ类:分为3个亚类。

Ⅳ₁类:可建一般建筑,必须避让地裂缝;

Ⅳ₂类:宜作绿化地带、游乐场、平房居民用地;

Ⅳ₃类:地裂缝现今活动地带,不宜建筑地段。

图3-5 西安市城建规划建议示意图(据陕西地矿局)

稳定性小区划研究结果:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1类,三者共占全市区总面积的65%;Ⅰ-Ⅳ1类者共占80%以上;仅有不到20%的土地不宜作为重要建筑用地。由此可以基本上满足了城建安全建设用地的需要,为减灾、防灾和合理开发利用土地提出了具体建议^[17-34]。

2.工程建设中的减灾与防灾

以深圳市城市供水输水隧道工程选线为例进行讨论。深圳市和香港为解决城市人口的生活用水以及工业用水,实施东水西调,开挖50km长的隧道输水工程。由于隧道计划穿过莲花山活动断裂带的北支——深圳主干断裂带,在长约20km的地段要穿过十几条区域性主干断裂。水利设计部门要求进行构造稳定性评价,提供主要断裂在50年内最大的位移量和4处深埋隧道地点的地应力状态,为输水隧道的选线方案提供依据。其主要目的是防止隧道工程变形与活动断层灾害、预测岩爆发生的可能性及优选工程设计方案。

作者根据李四光教授现今构造应力场的思路,在区域构造体系研究的基础上,开展7个孔位的地应力实测,配合区域岩石力学的多种实测数据,以及其他多方面的研究成果等,进行平面及三维构造应力场模拟实验,使二者实验结果互相校正核实,编制输水隧道的现今地应力状态分布变化图(图3-6)。并利用市区布设的断层位移测量站1985～1991年的活动断层位移趋势数据,定量计算了输水隧道穿越主干断裂位置的断层位移量级。为输水隧道工程的选线和减灾、防灾提供了具体数据^[1-10]。

左上角镶图的东端与下图的西端相连接;中间的图为一、二级主要断裂现今位移量级变化及其内部应力状态平面图;下图为三维构造应力状态与岩石力学性质分区示意图。

图3-6 深圳市东水西调输水管线附近现今构造应力场综合分析图

经区域地壳构造稳定性评价,输水工程的西段和北段主要属于相对稳定及相对较稳定区段;中段和东段主要属于相对较不稳定区段,其中包括部分相对不稳定地点。主要结论如下:

(1)相对不稳定地点主要由于岩石力学性质的不稳定所致,如断层构造岩及地应力处于拉张状态等。

(2)输水管线经过处,断层现今最大位移速率属中等量级,活动速率<1mm/a,50年累计位移量小于20mm或小于40mm。断层内部位移速率中等,属低最大剪切应力、低应变能量级,少数地点安全度偏低。

(3)4处深埋隧道地点,最大水平剪切应力小于1MPa,三维最大剪切应力小于2.5MPa,隧道轴向与最大水平主压应力轴向交角主要为20°～30°和40°～50°,少数为70°～80°。现今地应力状态分布变化表明,输水隧道总体为较安全状态。

(4)经地震基本烈度复合分析计算,表明输水隧道大部分位于地震基本烈度Ⅶ度峰值加速度区内,少数在Ⅵ度区。

3.其他方面应用

区域地壳稳定性稳定性评价研究,除了在上述城市规划建设和工程选线、选址(包括核电站、大型水电站选址等)以外,还可以在更多的方面发挥作用,为各种建设事业、矿产的寻找、扩产开发中的增产和减产以及采矿中减灾和防灾等也都能发挥作用[1725]-。

(1)区域地壳稳定性与石油天然气的运移集中和分散

石油天然气包括煤层气与其他气态和液态矿产,都是在运移过程中,在某些适合储存的地质构造部位集中成矿,成矿部位必定是区域地壳处于相对稳定状态,如果某构造应力场发生重大改变,例如在其附近发生强烈大地震,则部分油气资源就可能发生再次迁移到合适的相对稳定性更好地段聚集。例如在1975年海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震前后期间,华北广大地区包括渤海周围的油田,石油产量都骤然发生急剧变化,总产量出现大起大落。海城地震前一年(1974年),石油产量明显增加;1975年产量达到高峰值,其中兴5井增产23倍,震后恢复正常。1976年唐山大震前半年,石油再次增产约18倍,采取人工放喷减压才使异常中断。这时一些非生产井甚至出现突发喷油自溢现象。与此相反,有些生产油井则突然产量大减,个别油井甚至采不出油来,表明原来储存集中的油气发生迁移了。由此可见地壳稳定性状态与液态气态资源运移、聚集和分散具有密切联系,对开采过程中的稳产高产也具有重要影响^[50]。

甚至塑性较强的煤炭,在一定条件下也可以发生塑性流动迁移。例如湘西一带经常开采的“煤脉”,便是填充在裂隙中的煤。煤脉一般厚几至几十厘米,长几十至几百米不等,显然,它们是受到地应力作用,发生塑性流动迁移,聚集成为煤脉。其中部分煤炭在受力迁移过程中,已经石墨化、沥青化。

从上述实例可以看出,区域地壳稳定性研究,对部分矿产的运移、集中和分散(造成灾害)均有重要作用和影响。

(2)区域地壳稳定性评价研究与矿产开发中的减灾与防灾

目前我国矿山开发设计中,尽管已经开始重视区域地壳稳定性评价研究,但在有些方面尚未得到落实。目前我国许多矿山灾害包括矿震、煤瓦斯突出、岩爆、坑道变形、采油钻孔套损、矿井热害等等,多数在建矿初期没有进行区域地壳稳定性评价研究,没有对矿区灾害进行预测评价,以致矿山设计和开发后,发现地质灾害时,由于缺少减灾抗灾的必要能力和条件,不得不重新补做这些工作。例如对地下热害估计不足,坑道断面过小,不能满足大量通风散热的要求。又如对矿震强度估计不足,坑道加固和生产设施安装对抗震设防措施不够,导致破坏停产;甘肃金川镍矿,曾因坑道变形灾害,长期不能正常生产;天津大港的港西油田在5号断层附近,上盘套损油井达30口以上,占两盘总井数的64.7%,而位于下盘的油井则较少损坏。查其原因,是在不合理采油的情况下,使原来不活动的5号断层附近,人为诱发活动,导致大批穿过断层面的采油井孔均发生套损破坏。我国各处油田生产井套损灾害严重,截至1988年,大庆油田套损井达1400口以上;吉林扶余油田至1989年套损井占总数的39.1%;天津大港的港西油田,至1989年统计套损井占井孔总数的40.5%,造成重大损失。如果充分考虑区域地壳稳定性变化规律,钻井在采油中采取使地块呈现均匀平衡的动态,较好地保持局部地块的相对稳定,定能大大减轻相关的灾害损失,甚至可以防止灾害的发生、发展和恶化的趋势,保证采矿的稳定高产,同时会降低开采成本^[17-30]。