金沙江虎跳峽河段高壩工程地質構造環(huán)境分析

1虎跳峽高壩建設方案國家批準的江龍峽谷引水改造方案為“一庫八庫”。主管水庫位于云南省香格里拉縣和麗江縣，具有巨大的開發(fā)價值，如發(fā)電、防洪和供水。龍頭水庫比選壩址達8個之多,均為高壩,可以分為虎跳峽高壩建設方案和替代虎跳峽高壩建設方案。其中,虎跳峽高壩建設方案的比選壩址有下峽口、上峽口、龍蟠、石鼓、紅巖共5個;替代虎跳峽高壩建設方案的比選壩址有上江、塔城、其宗共3個(圖1)。虎跳峽河段位于青藏高原東南側,具有十分復雜的區(qū)域構造環(huán)境,是地震活動頻繁地區(qū)。該地區(qū)興建高壩,構造穩(wěn)定性是關乎工程安全、經濟合理最為重要的因素之一,在某種程度上影響到高壩建設的可行性。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,開展復雜構造環(huán)境條件下高壩建設可行性研究具有十分重要的意義,也是該河段水電開發(fā)過程中的重大技術課題。本文依據近期大量的野外地質調查、區(qū)域地震地質資料等,分析了該河段區(qū)域活動性斷裂特征,從工程區(qū)域構造穩(wěn)定性方面討論了復雜構造環(huán)境條件下高壩建設的可行性,為該河段水電開發(fā)方案論證提供技術依據。2該段的結構穩(wěn)定性2.1斷裂體系及地質條件虎跳峽河段在大地一級構造單元上處于揚子準地臺的西北側、松潘-甘孜褶皺系的西南隅。在二級構造單元上,河段跨越了中甸-義墩優(yōu)地槽褶皺帶和鹽源-麗江臺緣坳陷2個單元。河段內發(fā)育的大型褶皺主要有:哈巴-玉龍復背斜、碩多崗復向斜、石鼓復背斜、隴巴復背斜等,軸向近北向,長度40～150km。斷裂發(fā)育,規(guī)模巨大,長度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-龍蟠-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。河段內山脈走向和水系與區(qū)域構造線相近,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。虎跳峽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;龍蟠-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,大峽谷地帶相對較淺,龍蟠及其以上河段覆蓋層深厚。河段谷坡零星發(fā)育滑坡、崩塌、泥石流等不良地質體。2.2斷裂帶強度及最近距離經調查,虎跳峽河段自西向東發(fā)育的活動性斷裂主要有:維西-喬后斷裂(F7)、中甸-龍蟠-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。這些活動性斷裂對地震活動有明顯的控制作用,多數發(fā)生過Ms≥6級的地震。上述活動性斷裂的基本特征如下:(1)維西-喬后斷裂(F7),長度約150km,走向NNW,斷裂帶物質經熱釋光測齡,距今(2.09±0.17)×104a。據史料記載,1948年6月27日在馬登附近,該斷裂帶曾發(fā)生6.25級地震。(2)德欽-中甸斷裂(F14),長度約220km,走向310°～330°,斷裂帶物質經熱釋光測齡,距今(2.17±0.19)×104a。據史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級地震,如1961年6月27日在中甸附近發(fā)生6級地震,1966年在中甸東南發(fā)生6.4級地震等。(3)小中甸-大具斷裂(F15),長度約110km,走向310°～340°,晚更新世以來斷裂活動明顯,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小盆地的發(fā)育。據史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級地震,如1933年6月7日在小中甸以東發(fā)生6.3級地震。(4)中甸-龍蟠-喬后斷裂(F16),長度約210km,走向NNW～NNE,晚第四紀以來斷裂活動明顯。據史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級地震,如1961年發(fā)生6級地震,1688年發(fā)生6.25級地震和1751年發(fā)生6.75級地震等。(5)大具-麗江斷裂(F17),長度約50km,走向近SN,斷裂帶物質經熱釋光測齡,距今(9.03±0.69)×104a。據史料記載,該斷裂帶多次發(fā)生Ms≥6級地震,如1996年2月3日麗江7.0級大地震。(6)小金河-麗江斷裂(F18),長度約170km,走向NE,該斷裂帶是一條中強地震活動帶,歷史上曾多次發(fā)生5.0～5.9級地震,如1976年和1998年在寧蒗東北先后發(fā)生6.4級和6級地震,1951年劍川發(fā)生6.2級地震等。上述活動性斷裂與河段內各比選壩址的最近距離見表1。可見,下峽口、上峽口、龍蟠3個壩址緊鄰活動性斷裂(F15、F16、F17),最近距離1～3km;石鼓和紅巖壩址距離活動性斷裂最近距離10～12km;上江、塔城、其宗3個壩址距離活動性斷裂最近距離20km。因此,虎跳峽河段內活動性斷裂對下峽口、上峽口、龍蟠3個壩址影響最大;其他5個壩址遠離活動斷裂,壩址所處的地塊相對穩(wěn)定。2.3地震特征(1)段內地震活動水平及危險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。河段內最早記錄到的地震是1474年發(fā)生在云南省鶴慶縣的5.5級地震。到2007年,河段內記錄到的破壞性地震共128次,其中有2次7.0～7.9級地震;20次6.0～6.9級地震;81次5.0～5.9級地震;25次4.7～4.9級地震。可見,河段內地震活動水平和破壞性地震頻度均很高。盡管如此,進一步分析發(fā)現(xiàn),河段地震活動的空間分布極不均勻,強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),是西邊界地震活動最為活躍的地區(qū)。(2)歷史地震對下峽口址的影響虎跳峽河段歷史地震對各壩址的最大影響烈度見表2。由表2可見,歷史地震對下峽口壩址的最大影響烈度達到Ⅸ度;上峽口壩址Ⅷ度;龍蟠、石鼓、紅巖、其宗壩址Ⅶ度;上江、塔城壩址Ⅵ度。2.4場地構造穩(wěn)定性分析根據歷史地震最大影響烈度、區(qū)域活動性斷裂距壩址的距離、近場區(qū)地震活動水平等資料,對虎跳峽河段各比選壩址場地構造穩(wěn)定性進行分析,結果見表3。由表3可知,下峽口、上峽口、龍蟠壩址區(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大壩壩高達250～330m級水平,具世界前沿水平。依據河段地形地質條件和天然建筑材料的分布、種類、質量、儲量等條件,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;龍蟠及其上游各壩址主要為心墻堆石壩。在強震區(qū)或強地震影響區(qū)建設高壩是否可行,一直是學術及工程界關注的問題。結合壩型并對比已建同級別高壩構造環(huán)境,討論高壩建設的可行性。3.1基礎建設方面對拱壩施工設計的啟示虎跳峽上峽口壩址為高拱壩建設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、玄武巖變質的片巖等,巖質堅硬,初擬布置混凝土雙曲拱壩,壩高276m。國內外已建、在建和擬建較為典型的高拱壩的構造環(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)模基本相當,僅筑壩技術上可以充分參考上述工程的經驗。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-大縣活動斷裂(F15)距離壩址僅3km,歷史地震對壩址的最大影響烈度達到Ⅷ度,工程場地為強地震區(qū)。在高烈度區(qū)建設高拱壩必須做好壩體自身的抗震安全設計,同時,也需要對兩岸山體邊坡加固做好抗震安全設計。進一步分析發(fā)現(xiàn),國內外高拱壩經歷較強地震的主要有:沙牌拱壩,壩高132m,大壩距汶川8級大地震震中30km,壩體完好無損,經受住了強烈地震的考驗;臺灣德基拱壩,壩高181m,經歷了1999年臺灣7.8級大地震,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坡巖體開裂;美國Pocoima拱壩,壩高113m,遭受了1971年6.6級和1994年6.8級2次強震的影響,壩體產生了局部損傷;羅馬尼亞Vid·Arges拱壩,壩高167m,經受了1977年7級強地震等。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,由于該壩址工程場地為強震區(qū),高拱壩建設存在較大的地震安全風險,需加強這一領域的研究工作。3.2心墻堆石壩壩體地震風險分析龍蟠及其上游各壩址河谷多寬闊,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。國內外已建、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,目前國內在建的堆石壩最大壩高314m,為雙江口水電站;國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,而且這些工程的設防地震烈度均較高,因此可充分參考這些水電站的筑壩技術,選用適宜的抗震工程措施。國內外心墻堆石壩經歷較強地震的主要有:碧口心墻堆石壩,壩高101.8m,汶川8級大地震未對其造成嚴重損害,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級強烈地震造成大壩壩頂開裂,長度160m,寬度5cm,但深度小于1m,對心墻沒有形成危害;墨西哥EiInfiemillo心墻堆石壩,壩高150m,1979年7.6級和1989年8.1級地震對大壩造成永久變形,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例報道,有待于經歷強震的檢驗。龍蟠及其上游各比選壩址,從下游到上游依次比選的壩址分別為龍蟠、石鼓、紅巖、上江、塔城、其宗等,這些壩址分別處在強震區(qū)或強震影響區(qū),各壩址建設高壩的可行性分析見表6。由表6可知,龍蟠壩址距離中甸-龍蟠-喬后活動性斷層(F16)僅1km,壩址所處的構造地塊穩(wěn)定性差,工程抗震風險大,建設高土石壩的適宜性差。石鼓、紅巖壩址距離中甸-龍蟠-喬后活動性斷層(F16)最近距離分別為10,12km,近場區(qū)曾發(fā)生多次5～5.9級地震,壩址區(qū)域構造穩(wěn)定性均較差,建設高土石壩的適宜性較差。上江、塔城、其宗壩址距離活動性斷層較遠,構造穩(wěn)定性好,地震烈度較小,各壩址的抗震設防技術均未有超過國內外技術水平,抗震工程技術相對比較成熟,建設高土石壩的適宜性較好。綜上所述,虎跳峽河段8個比選壩址中,從工程抗震技術的難易程度方面分析,上江、塔城、其宗3個壩址由于地震烈度較低、距活動性斷裂較遠,壩址所處地塊相對穩(wěn)定,因此壩址最優(yōu);其次為石鼓、紅巖壩址;下峽口、上峽口、龍蟠3個壩址因為地震烈度較高,距離活動性斷裂較近,壩址所處地塊穩(wěn)定性差,工程抗震技術難度最大。4大壩震害時區(qū)域場地變化金沙江虎跳峽河段水電開發(fā)方案為“一庫八級”,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、龍蟠壩址,距離活動性斷裂近,近場區(qū)地震活動較頻繁,區(qū)域穩(wěn)定性差;石鼓、紅巖壩址的地震烈度為Ⅶ