诱发地震的工程地质分析Word格式.docx
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地震工程地质研究重大工程附近的地震活动规律及其对建筑物的影响,选择较稳定的地段,以及在地震区的建筑如何采取抗震措施等工程地质工作。
是评价工程建筑地基区域稳定性的一个重要方面。
由于地震影响十分广泛,也是十分具有破坏力,人类早期也开始对其进行研究,其中工程地质学对地震的研究,着重于研究地震波对建筑物的破坏作用,不同的工程地质条件场地的地震效应、地震小区划、地震区建筑地的选择已经抗震措施的工程地质论证等问题,为地震区的城市和各类工程的规划、设计提供依据。
为了确保人们日常的正常生活,深入并解决地震工程地质问题的是非常有必要的,所以我们要研究地震的发生原因、地震分类、地震的分布、地震所带来的危害等。
第二章地震分类及特征
第一节地震的分类
地震分为天然地震和人工地震两大类,按其发生原因,可分为构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震。
第二节诱发地震的成因及特征
人类活动诱发的地震具有多种成因机制,其强度和破坏性有所不同,有必要通过成因分类加以区别。
一、内动力地质因素诱发型
1.断裂活化型
在人类活动的影响下,停止活动或活动性微弱的断层又加强,形变和能量积累率加大,产生新的断裂活动而诱发地震,也有人称之为构造型诱发地震。
水库蓄水、深井注水和抽液活动所诱发的地震多属此种类型。
2.热能型
这种类型主要出现于现代火山或高地热能地区,与地壳含热区或热异常区热应力较咼有关。
这类诱发地震的储能体主要在地热能影响下变形,积累能量。
当地表水库或
人工注水向深部热能区渗入时,水吸热增温而体积膨胀;
特别是在深部岩体裂隙处于低压和高温条件下,渗入到裂隙中的水温提高到较低的临界温度以上时,产
生汽化并导致裂隙压力增大和热迁移引起热弹性应力集中。
当应力和应变能的积
累超过岩体破裂的极限强度时,将导致断块岩体破裂或断裂错动而产生地震活动。
震源体较小,震级较低,震源深度由深变浅,震中可以呈带状、点状或环状分布。
3.化学潜能型(岩矿相变型)
当地下存在某些特殊矿物组成的地层,如硬石膏、硅石层或其它硅酸盐矿物组成的地层时,在水化学作用下,岩矿相变,体积膨胀,结果使其上覆地层产生横向拉伸、破裂而诱发地震。
阿尔及利亚乌德福达水库地震可能属于此类型。
二、外动力地质因素诱发型
主要有:
采矿诱发型、岩溶塌陷气爆型、滑坡崩塌型、易溶盐溶解塌陷型、冻裂型。
1.采矿诱发型
由于地下矿硐或采空区围堰变形、脆性破裂、顶板岩层冒落、塌陷等岩石碎裂作用,引起岩体应力和应变能的集中释放,并产生弹性波传播所形成的地震现象,简称矿震。
特点:
(1)震中分布范围小,局限于采空区内;
(2)震源浅,<
300m震级小(Ms<
4;
烈度高,可达8度;
(3)有主震和群震两类。
(4)矿震震相波形简单,周期较长,面波清晰,衰减快;
(5)地震时,伴随声响和空气冲击波,对地下巷道造成严重破坏,震中附近地表可能出现裂缝和沉陷区。
2.岩溶塌陷气爆型
在碳酸盐类分布地区,由于大型岩溶洞穴的自然塌陷或因暴雨或水库蓄水造成岩溶管道冲水,洞穴中封闭的空气压缩而产生围堰爆裂,可导致中等强度地震。
产生此类地震的地质环境有以下特点:
(1)岩溶发育,具备明显的岩溶洞穴和管道连通系统;
(2)具有厚度大而质纯的块状灰岩,可产生脆性破坏;
(3)岩溶系统顶、底部有产状平缓的相对隔水层,限制岩溶水向深部渗漏;
(4)区域断裂不具活动性,但控制岩溶系统及暗河发育;
(5)有天然岩溶塌陷历史。
此类地震活动特征:
(1)水库或地表水及地下水位急剧变化季节易发震;
(2)震级低,震源浅,震中烈度偏高,震感强;
(3)多属单发性地震,无明显前震,有零星小震;
(4)地震常原地重复发生,没有明显迁移,影响范围较小。
3.滑坡崩塌型
是由于斜坡岩体变形阶段所积蓄的应变能在掩体稳定平衡状态受到破坏的一瞬间,突然释放所引起的。
大型滑坡或山崩均伴有一定程度的地震效应。
此类地震的特征:
震级小,影响范围小,危害性小。
4.易溶盐溶解塌陷型
由于地下某些易溶盐类受到人工注水或水库渗入水的溶解作用导致地下空穴塌陷型地震。
常见于岩盐采区。
5.冻裂型
在寒冷地区修建水库,由于库岸岩体浅部裂隙充水,冷冻膨胀,岩体破裂而导致地震。
三、综合因素诱发型
在一定地质条件下,诱发地震可以由内、外动力地质因素综合引起,或以某一类因素为主导,所产生的地震又构成另一类因素产生地震的必要条件,由此产生连锁反应。
分析认为,内动力地质因素诱发的地震震级高、破坏性大;
外动力地质因素诱发的地震震级低、破坏性较小。
第三章地震的强度和危害
第一节地震的强度
地震震级是衡量地震本身大小的尺度,由地震释放出来的能量大小来衡量的。
一次地震释放的能量越多,地震级别就越大。
在理论上,震级是无限大的,但是实际上是有限的。
因为地壳中的岩体的强度的有极限,它不可能积累超过这种极限的弹性应变力。
按人们对地震的感知及其破坏能力程度,可以划分为:
微
震(2级以下)、有感地震(2-4级)、破坏地震(5级以上)和强烈地震(7级以上)。
有记录以来,历史上最大的地震是发生在I960年5月22日19时11
分南美洲的智利,根据美国地质调查所,里氏规模竟达9.5。
地震的烈度是衡量地震所引起的地面震动强烈程度的尺度。
影响烈度的因素
有震级、震源深度、距震源的远近、地面状况和地层构造等。
一般情况下仅就烈度和震源、震级间的关系来说,震级越大震源越浅、烈度也越大。
下表为1980
年由国家地震局工程力学研究所修订的中国地震烈度表。
烈度
在地面上人
的感觉
房屋震害程度
其他震害现象
水平向地面运动
震害现象
平均震害指数
峰值加速
度m/s2
峰值速
度m/s
I
无感
n
室内个别静止中人有感觉
川
室内少数静止中人有感觉
门、窗轻微作响
悬挂物微动
IV
室内多数人、室外少数人
门、窗作响
悬挂物明显摆动,器皿作
有感觉,少数人梦中惊醒
响
V
室内普遍、室外多数人有感觉,多数人梦中惊醒
门窗、屋顶、屋架颤动作响,灰土掉洛,抹灰出现微细烈缝,有檐瓦掉落,个别屋顶烟囱掉砖
不稳定器物摇动或翻倒
0.31
(0.22—
0.44)
0.03
(0.02—
0.04)
切
多数人站立不稳,少数人惊逃户外
损坏-墙体出现裂缝,檐瓦掉落,少数屋顶烟囱裂缝、掉落
0—0.10
河岸和松软土出现裂缝,饱和砂层出现喷砂冒水;
有的独立砖烟囱轻度裂缝
0.63
(0.45—
0.89)
0.06(0.05—
0.09)
VD
大多数人惊逃户外,骑自行车的人有感觉,行驶中的汽车驾乘人员有感觉
轻度破坏-局部破坏,开裂,小修或不需要修理可继续使用
0.11—
0.30
河岸出现坍方;
饱和砂层常见喷砂冒水,松软土地上地裂缝较多;
大多数独立砖烟囱中等破坏
1.25(0.90—
1.77)
0.13
(0.10—
0.18)
Vffl
多数人摇晃颠簸,行走困难
中等破坏一结构破坏,需要修复才能使用
0.31—
0.50
干硬土上亦出现裂缝;
大多数独立砖烟囱严重破坏;
树稍折断;
房屋破坏导致人畜伤亡
2.50(1.78—
3.53)
0.25
(0.19—
0.35)
IX
行动的人摔倒
严重破坏-结构严重破坏,局部倒塌,修复困
0.51—
0.70
干硬土上出现地方有裂缝;
基岩可能出现裂缝、错
5.00
(3.54—
7.07)
(0.36—
0.71)
难
动;
滑坡坍方常见;
独立砖烟囱倒塌
X
骑自行车的人会摔倒,处不稳状态的人会摔离原地,有抛起感
大多数倒塌
0.71—
0.90
山崩和地震断裂出现;
基岩上拱桥破坏;
大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁
10.00(7.08—
4.14)
1.00(0.72—
1.41)
普遍倒塌
0.91—
1.00
地震断裂延续很长;
大量山崩滑坡
地面剧烈变化,山河改观
注:
表中的数量词:
“个别”为10%^下;
“少数”为10%-50%“多数”为50%—70%“大多数”为70%-90%“普遍”为90%以上。
第二节地震的危害
一、地震灾害
强烈的地震,会引起地面强烈的振动,直接和间接地对社会及自然造成破坏。
直接破坏如:
由于地面强烈震动引起的地面断裂、变形、冒水、喷沙和建筑物损坏、倒塌以及对人畜造成的伤亡和财产损失等等。
这种由地震引起的破坏,统称为地震灾害。
间接破坏如:
由于强烈的地震使山体崩塌,造成滑坡和泥石流;
水坝河堤决口造成水灾;
震后造成瘟疫流行;
引燃易燃易爆物造成火灾、爆炸;
由于破坏管道造成毒气泄漏;
细菌和放射性物质的扩散对人畜生命造成威胁等,统
称为地震次生灾害。
可以说地震所带来的灾害,不仅仅对人类、动植物有着巨大的破坏力,就连环境也受到严重的威胁。
二、对人类和其他生物的危害
对于人类社会,如果地震发生在人口集中的地区,不仅仅财产蒙受巨大损失,
死伤也是不可免的。
地震引起人体的损伤和死亡的重要原因有建筑物的坍塌、煤
气泄漏、触电、溺水和火灾。
其中最多的致伤致死原因是建筑物坍塌。
此外,地震的震动和恐怖心理,会使原患有心脏病、高血压等病的人病情加重、复发或猝死。
地震时还会引起火灾及水患:
强烈地震发生后,随着房屋的倒塌,电网被拉断,煤气、油库、石油及天然气挂鲜活易燃易爆危险品被破坏并遭遇明火而引起火灾。
如果地震发生在沿海,能激起巨大的海浪,造成海啸,发生在水库附近时,则易造成坝堤震裂,出现意外的险情。
尤其是水库,如果决口,必将造成相当大的损失。
这些灾害会直接或间接的导致生物伤亡,所以不论是人类还是其他生物,都会受到不同程度的损失。
三、地震引发的环境危害
由于地震的巨大破坏力,对环境都会引发各种环境危害。
如:
1.危险化学品泄漏。
危险化学品种类:
地震发生后,生产、使用、运输、储
存、销售危险化学品的企事业单位设施可能会发生危险化学品泄漏,对人(包括
生物)、设备、环境造成伤害和侵害。
危险化学品包括爆炸品、压缩气体和液化气体、易燃液体、易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品、氧化剂和有机过氧化物、有毒品和腐蚀品等八大类。
危险化学品泄漏易发地点:
农药企业、化工企业、天然气净化厂、油品化学品车站(码头)、油气管道、油罐、加油站、液化气站、冷冻仓库、实验室、化学品销售企业等。
危险化学品次生事件危害:
地震发生后造成危险化学品泄漏,可能引发火灾、爆炸、有毒有害物质在大气中逸散和水体中扩散,造成土壤、河流、湖泊、水库、地下水和大气污染,对人的伤害途径有吸入中毒、接触(含空气、水源和皮肤接触)中毒和误食中毒。
2.放射源失控。
放射源发射出来的射线具有一定的能量,它可以破坏细胞组织,从而对生物造成伤害。
当人受到大量射线照射时,可能会产生诸如头昏乏力,食欲减退,恶心,呕吐等症状,严重时会导致机体损伤,甚至可能导致死亡。
3.污染治理设施停运。
因地震损毁或电力中断导致污水处理厂、尾矿库和固体废物处置设施停运,使污水直排,尾矿渣、固体废物和医疗废物不能得到处理,将造成土壤、江河、湖泊、水库的污染,危害人群健康。
4.灾后废物清理。
遇难者尸体与动物尸体腐烂,医疗废水、医疗废物、消毒剂、生活污水和生活垃圾等灾后污染物若处置不当,将对水、大气环境质量,特别是水源地构成严重威胁。
这些都严重威胁到人类和动植物的生存,甚至会影响到生态系统的运行,面临着诸多问题,如果不能有效控制,后果不堪设想。
第四章水库诱发地震
第一节水库诱发地震的特点
水库诱发地震不同类型虽各有其特性,但它们还是有很多共性。
这主要是这类地震的产生空间和地震活动随时间的变化与水库所在空间和水库水位或荷载随时间的变化密切相关,表示介质品质的地震序列有其固有特点和震源机制解得出的应力场与同一地区产生天然地震的应力场基本相同。
一、地震活动与水库的空间联系
1震中密集于库坝附近
通常主要是密集分布于水库边岸几km到十几km范围之内。
或是密集于水库最大水深处及其附近,或是位于水库主体两侧的峡谷区。
库区及附近有断裂,则精确定位的震中往往沿断裂分布。
有的水库诱发地震初期距水库较远而随后逐渐向水库集中。
2震源极浅、震源体小
水库诱发地震主要发生在库水或水库荷载影响范围之内,所以震源深度很浅。
一般多在地表之下10km之内,以4-7km范围内为最多,且有初期浅随后逐步加深的趋势。
例如我国新丰江水库诱发地震1962年至1965年5月震源深度分布有如图10-8所示JCP226。
由于震源浅,所以面波强烈,震中烈度一般较天然地震高,零点几级就有感,3级就可以造成破坏。
我国天然地震震级与震中烈度之间,有如下的关系式
M=0.581o+1.5
其中:
M为震级;
I。
为震中烈度。
由于震源极浅,水库诱发地震往往伴有地声。
我国有地声的水库诱发地震有新丰江、丹江口、南冲、佛子岭等。
国外报导有地声者有蒙太纳、格朗格瓦尔、科列马斯塔、康特拉、福达溪坝等。
由于震源浅且震源体小,所以地震的影响范围小,等震线衰减迅速,其影响范围多属局部性的。
二、诱发地震活动与库水位及水荷载随时间变化的相关性
这种相关性已被广泛用以判别地震活动是否属水库诱发地震。
一般是水库蓄
水几个月之后微地震活动即有明显的增强,随后地震频度也随水位或库容而明显变化,但地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后。
水位的急剧上升与急剧下降,特别是急剧下降,往往有较强地震产生。
三、水库诱发地震序列的特点
既然水库诱发地震有水的活动和水库荷载参与,这一特点必然在地震序列中有所反映。
根据多个水库诱发地震序列的研究,它们的特点如下:
(1)震型
内生成因水库地震序列以前震一一余震型为主,前震及余震序列明显,偶尔
见震群型;
外生成因水库诱发地震或其它人工诱发地震场属单发式主震型或多发式震群型,且序列短。
天然构造地震序列往往属于主震一一余震型,其前震极微弱,因而与人类活
动诱发地震序列有明显区别。
(2)水库诱发地震与震级的关系
a.地震频度与震级关系式:
logN=a-bM
b值受震源深度、震源体介质均一性和应力条件控制,变化范围在0.5~1.5
之间。
天然地震b值较低,表明震源介质强度高,以脆性破坏为主,震源深。
水库地震b值高,前震b值一般略高于余震b值,且多数大于等于1,表明震源介质强度较低,且由于水作用,介质强度进一步降低所致。
b.主震与最大余震的震级关系
主震发生后,余震最大震级M1与主震震级M0有一定关系。
据统计,对于浅源大震M0-M1=1.2由于M0-M1这一震级差值与地震区应力状态和介质的不均一性有关,水库荷载的增加改变了外应力的分布,水的作用又降低了发震岩体的强度,因此水库地震序列中M0-M1小于1,M1/M0近于1。
根据所有研究过的水库诱发地震的震源机制,指出以下值得注意的三点:
(1)由震源机制解得出的应力场,与天然地震应力场或根据当地地质特征判定的应力场相同。
(2)水库诱发地震震源机制以走向滑动型和倾滑正断型两种为主,且前者多于后者。
属于逆冲型机制者极少,苏联努列克水库南侧的诱发地震为逆冲断层型的少数实例。
据新丰江水库诱发地震余震的震源力学研究,该处水库诱发地震震源机制以沿北北西向断裂的走向滑动为主,而后期则以北北西向断裂带上的正断型倾向滑动为主,表明区域构造应力经主震释放之后,库水荷重在诱发中占了主导地位。
(3)随水库地震序列的发展,震源机制解可能由走滑型向倾滑型机制变化。
当走滑型机制减少,倾滑型机制占优势时,则表明区域构造应力已经释放,库水荷载诱发因素中占主导地位,地震活动已进入后期。
如新丰江水库地震前期以沿NNW向断裂的走滑为主,而后期则以同一断裂带上的倾滑正断为主,证明了这一
点。
第二节水库诱发地震的诱发机制
水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明,但已有震例已经以充分资料证明,这类地震不是由于水库荷载直接造成的,而是水库的某种作用间接诱发的。
亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上,使水库蓄水前由于自然作用
积累起来的应变能较早地以地震的方式释放出来。
这方面的证据最主要的有以下两点:
(1)根据水库诱发地震震源机制解得出的应力场与该区天然地震应力场或根据近期活动构造所得出的区域应力场完全一致.说明产生地震的应力场并非是由
于水库荷载产生的,而是近期构造活动天然形成的。
(2)震源区由于水库荷载而产生的应力增量一般是很小的,单独不足以使岩体破坏或使岩体中已有断裂面的两侧产生相互错动。
一、水库蓄水对库底岩体的各种效应
概括说来,水库蓄水以后对库底岩体可以产生以下三个方面的效应。
1水的物理化学效应
这种效应使岩体断裂面及其充填物软化和泥化,从而降低了它的抗剪强度。
只有当水
库蓄水前库底岩体是干的才会出现这种效应,而天然情况下河谷下的断裂面上一般是含水的,可见这类效应并非是经常都起作用的。
2水库的荷载效应
水库对库底岩石的荷载效应是最易理解的,并可根据水深计算其压强。
这个
荷载会在岩体内造成附加应力,从而恶化断裂面的应力条件。
3空隙水压力效应
丹佛废液处理并诱发地震是空隙水压力效应的极好实例。
在这里没有荷载效应,而只是因水的注入使裂隙中的空隙水压力增加了120X105Pa,
相应地降低了作用在裂隙面上的有效正应力,从而按下式降低抗剪强度:
T=C十(CTn一'
Pw)tgU
式中:
T为抗剪强度;
C为内聚力;
Tn为正应力;
Pw为空隙水压力,U为内摩擦角。
二、各种天然应力状态下的诱发机制
既然水库蓄水仅能起诱发作用,那么要产生水库诱发地震必须是岩体之内预先存在着最大最小应力差相当大的天然应力场。
在水库的荷载效应和空隙水压力效应联合作用下使岩体内产生错动而诱发地震。
假定水库水体为无限延伸的,现
在让我们分别讨论各种天然应力状态下诱发地震活动的情况。
天然地应力状态有潜在正断型、潜在走滑型和潜在逆冲型三种情况。
水库荷载应力的主要分量是垂直的(TV),与此同时在水平方向由于侧压力效应使水平应力亦有所增加,其增量为TH=(卩/(1-卩))TV,如波松比卩取
0.3,则tH=0.43tv。
显然,上述三种应力状态下荷载效应所造成的后果是不同的。
如图10—16所示,正断型时由于tv与垂直方向的最大主应力迭加,侧压力效应使水平的最小主应力增值仅为0.43tv,莫尔圆加大并稍向右移,结果是更接近于包络线,即稳定条件有所恶化。
潜在走向滑动型tv迭加于垂直的中间主应力之上,莫尔圆大小没有变化,但水平的最大、最小主应力同时都增加了0.43tv,致使莫尔圆右移,使稳定
状况稍有改善。
潜在逆冲型则由于Tv与垂向的最小主应力迭加,而水平的最大主应力的增量仅为0.43tv,结果是莫尔圆减小并右移,稳定状况大为改善。
总之荷载效应仅使潜在正断型的稳定状况有所恶化,而使走向滑动型与逆断型两者在不同程度上有所改善。
空隙水压力效应同时使最大最小主应力减小一
个空隙水压力增值。
令其值近似等于丫h(丫为水的容重,h为水库水深),则其值近似等于(Tv。
其结果是在三种应力状态下都使莫尔圆大为左移,亦即大大接近于包络线,即使震源岩体稳定性恶化。
三、水库范围有限且水位变动时水库荷载效应及空隙水压力效应的变化根据土力学原理,有限延伸的水库所不同于无限延伸水库的是荷载造成的附加应力随远离加荷中轴而迅速减小。
图6-33图解表示了无限延伸水库(a)及有限延伸水库(b)的荷载应力及空隙水压力的不同。
无限延伸水库荷载应力无空间上的变化,表示荷载应力和空隙水压力的线都是水平的。
水位上升立即使荷载应力增高如图中L线所示。
由于空隙水压力的升高需要有一个渗入时间,所以水位升高后空防水压力是逐步升高。
第三节水库诱发地震的地质背景
一、大地构造条件
(1)板块俯冲、碰撞带届于潜在逆冲型的应
力状态,产生诱发地震的可能性很小。
例如环太平洋地震带除美国西海岸一带及新西兰的一大部分外均属于板块俯冲带,在这带内水库诱发地震的震例极少。
⑵转换断层及大的平移断层,诸如美国加州圣安德烈斯断层、新西兰阿尔卑斯断层、土耳其安纳托利亚断层等的附近地带,由于属潜在走向滑动型应力状态,有产生诱发地震的可能性。
(3)潜在正断型应力场产生水库诱发地震的可能性最大,但在大陆上属于此种应力状态者限于东非裂谷型地堑带或其它大断陷盆地,典型震例为卡里巴。
除了应力状态的类型而外,水库诱发地震还需要有相当高的天然地应力和一定的应变速率条件。
这也可从大地构造条件反映出来。
(a)在应变积累速度很高的天然地震区,水库诱导所产生的应力变化,相
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