工程地質(zhì)分析原理課件

地面沉降問(wèn)題的工程地質(zhì)分析工程地質(zhì)分析原理國(guó)名

地點(diǎn)沉降面積（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）發(fā)生沉降的主要時(shí)間備注州或省市具體地點(diǎn)

日本東京江東及城北工業(yè)區(qū)29019.54.231892－1968開發(fā)地下水大阪16.32.81925－1968九州

佐賀縣白石平原88201954－1965尼崎3.1

美國(guó)加州聖克拉拉流域600213.901915－1967聖華金流域900046.08.551935－1968洛斯貝諾斯－開脫爾曼市2330404.88

－1955邱拉裏華茲科＞303.961926－1954長(zhǎng)灘市威明頓油田327191926－1968開採(cǎi)石油內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯50011935－1963抽取地下水亞利桑那州鳳凰城31031952－1970德克薩斯州休斯頓－加爾維斯頓100001－21943－1969路易斯安那州巴吞魯日5000.31934－1965墨西哥墨西哥城7560427.51890－1957義大利波河三角洲80030＞0.251953－1960開採(cǎi)石油

中國(guó)上海天津臺(tái)灣市區(qū)及郊區(qū)臺(tái)北盆地730010.121.622.6671.761.701921－19871959－19831963－抽取地下水表8－18.l基本概念及研究意義主要危害

(1).沿海地區(qū)沉降使地面低於海面，受海水侵襲；

(2)一些港口城市，由於碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設(shè)施的能力;(3)橋墩下沉，橋樑淨(jìng)空減小，影響水上交通.(4)在一些地面沉降強(qiáng)烈的地區(qū)，伴隨地面垂直沉陷而發(fā)生的較大水平位移，往往會(huì)對(duì)許多地面和地下構(gòu)築物造成巨大危害;(5)在地面沉降區(qū)還有一些較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，如深井管上升、井臺(tái)破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致於造成大的危害，但也會(huì)給市政建設(shè)的各方面帶來(lái)一定影響。天津市地面沉降西安市地面沉降8.2

地面沉降的形成機(jī)制8.2.1

承壓水位降低所引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)變及土層的壓密位於末固結(jié)或半固結(jié)疏鬆沉積層地區(qū)內(nèi)的大城市，因?yàn)闈撍嘴段廴就_發(fā)深層的承壓水作為工業(yè)及生活用水的水源?！诳紫冻袎汉畬又校榧车叵滤鸬某袎核坏慕档?，必然要使含水層本身和其上、下相對(duì)含水層中的孔隙水壓力隨之而減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，土中由複蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的。由水承擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓密，故又稱為中性壓力，而由土骨架承擔(dān)的部分則能直接造成土層的壓密，故稱為有效應(yīng)力；二者之和等於總應(yīng)力。假定抽水過(guò)程中土層內(nèi)的總應(yīng)力不變，那麼孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力的等量增大，結(jié)果就會(huì)引起土層成比例的固結(jié)。由於區(qū)域性地面沉降範(fàn)圍較廣闊，壓縮層厚度與沉降範(fàn)圍相比較，又相對(duì)較小，因此無(wú)論從理論或?qū)嶋H應(yīng)用上，即可以把這類由於抽水引起的地面沉降問(wèn)題按一維固結(jié)問(wèn)題處理。以三層結(jié)構(gòu)條件下單層抽水的情況為例，對(duì)抽水過(guò)程中土層中應(yīng)力的轉(zhuǎn)變及土層的固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行具體分析。

由於透水性能的顯著差異，上述孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力相應(yīng)增大的過(guò)程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)是截然不同的。在砂層中這一過(guò)程基本上可志著固結(jié)進(jìn)展程度的應(yīng)力轉(zhuǎn)換線逐漸地向最終邊界線壩推進(jìn)[如圖8—5(b)]，而達(dá)到AB線(與降低後的承壓水位相平按的孔隙水壓力線)所需的時(shí)間，正如模型試驗(yàn)(圖8—6)所表明的，拄往需要幾個(gè)月、幾年甚至幾十年(取決於土層厚度和透水性)。這樣，在承壓水位降低後，直到應(yīng)力轉(zhuǎn)變過(guò)程(也就是固結(jié)過(guò)程)最終完成之前的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間裏，粘土層中始終不同程度地存在有高於和新的承壓水位相平衡的孔隙水壓力，這部分孔陷水壓力通常被稱為剽餘孔隙水壓力或超孔隙水壓力。土層內(nèi)現(xiàn)有的剽餘孔隙水壓力的大小，是衡量該土層在現(xiàn)存的應(yīng)力條件下可能最終產(chǎn)生的固結(jié)、壓密的強(qiáng)烈程度的重要標(biāo)誌，通?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)測(cè)加以查明。以上通過(guò)一種較簡(jiǎn)單的三層結(jié)構(gòu)、單層抽水模式，的機(jī)制。其他多層結(jié)構(gòu)(甚至多層抽水)類型的沉降，制仍然是相同的，所以就不再一一地進(jìn)行討論了。

8.2.2土層的性質(zhì)及其變化與地面沉降的關(guān)係8.2.2.1土層的固結(jié)狀態(tài)與地面沉降的關(guān)係討論了承壓水位下降引起地面沉降儘管情況要複雜得多。如前所述，在土的固結(jié)、壓密過(guò)程中起作用的只是有效應(yīng)力，也就是說(shuō)，土的固結(jié)、壓密程度主要取決於曾經(jīng)作用於土體上的有效應(yīng)力的大小。通常將曾經(jīng)作用於土層中的最大有效應(yīng)力稱為該土層的予固結(jié)應(yīng)力(或先期固結(jié)應(yīng)力)，它相當(dāng)於壓縮曲線上開始的近水準(zhǔn)段終點(diǎn)處的壓力值(如圖8—7)，故可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以測(cè)定。如果抽水前土層不同深度處的固結(jié)程度都與土中現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相適應(yīng)，那麼這種土層就稱為正常固結(jié)的土層，此時(shí)該土層內(nèi)的天然孔隙水壓力線(即靜水壓力線)與預(yù)因結(jié)應(yīng)力線相重合。這裏所謂的預(yù)固結(jié)應(yīng)力線，是指在不同深度上，從總應(yīng)力線向左方截取該深度土的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點(diǎn)的連續(xù)。倘若當(dāng)前土層內(nèi)不同深度處的固結(jié)程度不與現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相適應(yīng)，在相同的條件下，超固結(jié)土層的壓密星將小於正常固結(jié)土層，同理，欠固結(jié)土層的壓密量則將大於正常固結(jié)土層。8.2.2.3砂層與粘土層的壓密在地面沉降中的相對(duì)重要性

在較低的有效應(yīng)力增長(zhǎng)條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升過(guò)程中，砂層的膨脹回彈則有決定意義。

8.3地面沉降的產(chǎn)生條件從前面的討論中可以看出，地面沉降的產(chǎn)生需要一定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變(由水所承擔(dān)的那部分應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到土顆粒上)條件。從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來(lái)看，疏鬆的多層含水體系；共中承壓含水層的水量豐富，適於長(zhǎng)期開採(cǎi)；開採(cǎi)層的影響範(fàn)圍內(nèi)，特別是它的頂、底板，有厚層的正常固結(jié)甚或欠固結(jié)的可壓縮性粘性土層等，對(duì)於地面沉降的產(chǎn)生是特別有利。從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件來(lái)看，承壓水位大幅度波動(dòng)式的趨勢(shì)性降低，則是造成範(fàn)圍不斷擴(kuò)大的、累進(jìn)性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。8.4

地面沉降的研究、預(yù)測(cè)及防治8.4.1場(chǎng)面沉烽的工程地質(zhì)研究為了掌握地面沉降的規(guī)律和特點(diǎn)，合理擬定控制地面沉降的措施，研究工作必須包括下述內(nèi)容：

(1)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；

(2)地面水準(zhǔn)點(diǎn)的定期測(cè)量，(3)地下水開採(cǎi)量統(tǒng)計(jì)及地下水位的長(zhǎng)期觀測(cè)；

(4)粘性土層孔隙水壓力的觀測(cè)；

(5)土層性質(zhì)的測(cè)試；

(6)各土層實(shí)際沉降量的監(jiān)測(cè)及土性參數(shù)的反算。其中前三項(xiàng)工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進(jìn)行。8.4.1.1

粘性土層孔隙水壓力的觀測(cè)為研究抽、灌水作用下，土層不同深度處孔隙水壓力的消關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)有計(jì)畫地開展現(xiàn)場(chǎng)孔陽(yáng)水壓力觀測(cè)工作。，除常規(guī)上工試驗(yàn)外，還需進(jìn)行以下一些專門性質(zhì)的試驗(yàn)研究工作：為此，需在不同地區(qū)酌粘性土層內(nèi)埋沒(méi)孔隙水壓力觀測(cè)孔，觀測(cè)在夏軍用水期一般每5天一次，其他季節(jié)每10天一次。8.4.1.2

土層性質(zhì)的測(cè)試研究從地面沉降角度研究土層的性質(zhì)8.4.1.3

各土層實(shí)際沉降量的監(jiān)測(cè)及土性參數(shù)的反算8.4.2

地面沉降的預(yù)測(cè)及防治8.4.2.1

防治地面沉降的原則和方法工程地質(zhì)分析原理第二章地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)2.1基本概念及研究定義2.1.1巖體應(yīng)力的一些基本概念地殼巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動(dòng)的，主要是在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用下，有時(shí)也在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。人類從事工程活動(dòng)，在巖體天然應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，因挖除部分巖體或增加結(jié)構(gòu)面而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。

按成因，可對(duì)構(gòu)成巖體應(yīng)力的各組分作如下分類：巖體應(yīng)力：天然應(yīng)力和初始應(yīng)力（virginalstress）

自重應(yīng)力（gravitationalstress）

構(gòu)造應(yīng)力（tectonicstress）活動(dòng)的（activetectonicstress）剩餘的（residualtectonicstress）

變異及殘餘應(yīng)力（alteredandresidualstress）

感生應(yīng)力（inducedstress）

⑴.自重應(yīng)力：在重力場(chǎng)作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。在地表近水準(zhǔn)的情況下，重力場(chǎng)在巖體內(nèi)的某一任意類形成相當(dāng)於上覆巖層重量的垂直正應(yīng)力σv。σv=γh（r為巖石的容重；h為該點(diǎn)的埋深；σv相當(dāng)於該點(diǎn)三向應(yīng)力中的最大主應(yīng)力。）由於泊松效應(yīng)（即側(cè)向膨脹）造成水準(zhǔn)正應(yīng)力σh，相當(dāng)於三向應(yīng)力中的最小應(yīng)力：

（μ為巖體的泊松比，N。稱為巖體的側(cè)壓力係數(shù)。）

對(duì)於大多數(shù)堅(jiān)硬巖體：μ為0.2～0.3，即N。為0.25～0.43。對(duì)於半堅(jiān)硬巖體:N。大於0.43；而且當(dāng)上覆荷載大，下伏巖體呈塑流時(shí)，μ接近0.5，N。近於1，也就是說(shuō)該點(diǎn)近於靜水準(zhǔn)應(yīng)力狀態(tài)。⑵構(gòu)造應(yīng)力巖石圈運(yùn)動(dòng)在巖體內(nèi)形成的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力又可稱為活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力和剩餘構(gòu)造應(yīng)力?；顒?dòng)構(gòu)造應(yīng)力，即狹義的地應(yīng)力，是地殼內(nèi)現(xiàn)在正在積累的能夠?qū)е聨r石變形和破裂的應(yīng)力。剩餘的構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力。⑶變異及殘餘應(yīng)力變異應(yīng)力：巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)是巖體的物理狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或賦存條件的變化引起的，通常只具有局部意義，可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。殘餘應(yīng)力：承載巖體遭受卸荷或部分卸荷時(shí)，巖體中某些組分的膨脹回彈趨勢(shì)部分地受到其他組分的約束，於是就在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成殘餘的拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，此即殘餘應(yīng)力。2.1.2巖體天然應(yīng)力狀態(tài)類型目前有三種觀點(diǎn)：⑴由瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆於1905-1912年提出的，他以巖體具有蠕變的性能為依據(jù)，認(rèn)為地殼巖體任一類的應(yīng)力都是各向相等的，均等於上覆巖層的自重，即：σx=σy=σv=rh⑵垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)基於彈性理論提出的，認(rèn)為巖體內(nèi)的應(yīng)力主要是重力場(chǎng)作用下形成的自重應(yīng)力。⑶水準(zhǔn)應(yīng)力為主的觀點(diǎn)近年來(lái)，大量的震源機(jī)制資料和應(yīng)力實(shí)測(cè)資料清楚地揭示出地殼巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)存在著不同的類型，其中包括以下三種典型情況：①.中間主應(yīng)力近於垂直，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3近於水準(zhǔn)，我國(guó)的大多數(shù)地區(qū)如邢臺(tái)、新豐江、丹江口以及西南南北向構(gòu)造均屬這種類型。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，如果發(fā)生破壞（或再活動(dòng)）是沿走向與最大主壓應(yīng)力成約30°～40°左右交角的陡立面產(chǎn)生走向滑動(dòng)性的斷裂活動(dòng)，此類三向應(yīng)力狀態(tài)稱為潛在走向滑動(dòng)型。

②.最小主應(yīng)力軸σ3近於垂直，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力軸近於水準(zhǔn)。喜媽拉雅的前緣地區(qū)屬於這種類型。在此種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞，是逆斷型的，即沿走向與最大主應(yīng)力垂直的剖面X裂面產(chǎn)生逆斷活動(dòng)，故可稱為潛在逆斷型。③應(yīng)力場(chǎng)中的最大主應(yīng)力軸σ1垂直，其餘兩主應(yīng)力水準(zhǔn)分佈。在地處大洋中脊軸部地帶的冰島地區(qū)測(cè)得的三向應(yīng)力狀態(tài)就是這種類型。此應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞（或再活動(dòng)），是沿走向與最小主應(yīng)力軸相垂直的面，發(fā)生正斷性質(zhì)的活動(dòng)，故可稱為潛在正斷型。上述為三種典型情況，大多數(shù)地區(qū)接近其中某一種，有些地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)屬主應(yīng)力軸傾斜的過(guò)度類型?？傊罅繉?shí)測(cè)資料表明，世界上大多數(shù)地區(qū)巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)是以水準(zhǔn)應(yīng)力為主。

2.1.3研究意義地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)與人類的工程活動(dòng)關(guān)係極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對(duì)各類建築物的設(shè)計(jì)和施工造成直接的影響。實(shí)踐表明，在高應(yīng)力區(qū)，地表、地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開挖工作，往往能在巖體內(nèi)引起一系列與卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，其結(jié)果是不僅會(huì)惡化地基或邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，而且作用的本身有時(shí)也會(huì)對(duì)建築物造成直接的危害。地殼開挖導(dǎo)致的巖體變形和破壞主要有以下幾種類型：⑴基坑底部的隆起、爆裂和沿已有結(jié)構(gòu)面的逆沖錯(cuò)動(dòng)。

⑵邊牆向臨空方向的水準(zhǔn)位移和沿已有的近水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)。⑶邊牆或邊坡巖體的傾斜。地下開挖產(chǎn)生的巖體變形和破壞也有不同的類型：⑴拱頂裂縫掉塊； ⑵邊牆內(nèi)鼓張裂；⑶底鼓及中心線偏移； ⑷施工導(dǎo)坑縮徑。此外，修建高壩、大型水庫(kù)和深大的地下硐室等，常能在更大範(fàn)圍內(nèi)天然應(yīng)力的平衡，引起一系列諸如斷層復(fù)活、水庫(kù)地震以及大型巖爆等嚴(yán)重危害建築物和人民生命財(cái)產(chǎn)的工程地質(zhì)作用。對(duì)於天然巖體應(yīng)力狀態(tài)的研究，是工程地質(zhì)工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2.2影響巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的主要因素及其作用2.2.1地區(qū)地質(zhì)條件及巖體所經(jīng)歷的地質(zhì)歷史對(duì)巖天然狀態(tài)的影響

⑴巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特徵對(duì)天然巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。a：巖體的巖性及結(jié)構(gòu)特徵決定著巖體的容重（γ）和泊松比（μ）等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的大小，從而影響自重應(yīng)力場(chǎng)特徵（σv=γh）。b：在統(tǒng)一區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)應(yīng)力分佈的特徵主要取決於巖性、結(jié)構(gòu)特徵及其非均一性。c:巖體的巖性和結(jié)構(gòu)特徵決定著巖體的強(qiáng)度及其蠕變特徵，因而決定了巖體承受及傳遞應(yīng)力的能力。

⑵構(gòu)造作用及其演變歷史對(duì)巖體天然應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。統(tǒng)計(jì)表明活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)世界上大部分地區(qū)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)起著決定性的作用，而剩餘構(gòu)造應(yīng)力作用僅局限於一些地區(qū)。

⑶區(qū)域卸荷作用對(duì)地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)形成的影響。區(qū)域性的地表剝蝕卸荷作用在增大某些巖體內(nèi)的水準(zhǔn)應(yīng)力方面有著重要的作用。對(duì)於侵入體，當(dāng)巖體侵入時(shí)，由於巖體呈熔融狀態(tài)侵入地下一定深處，其中的應(yīng)力呈靜水應(yīng)力式分佈。如下圖所示：AB為原始地面，則巖體內(nèi)任一深度h0+h處的P點(diǎn)的應(yīng)力為：

σh=σv=γ(h0+h)此後，巖體經(jīng)剝蝕而出露地表。隨著巖體剝蝕卸荷，巖體內(nèi)的應(yīng)力隨之而變化，但垂直應(yīng)力σv與水準(zhǔn)應(yīng)力σh的變化幅度不同。假定剝蝕厚度為h0，則上述P點(diǎn)處的σv和σh

分別變?yōu)椋?/p>

σv=γ(h0+h)-γh0=γhσh=γ(h0+h)-μ/(1-μ)×γh0=γh-((1-2μ)/(1-μ))×γh0(a)

可見(jiàn)地表卸荷在增大侵入巖體內(nèi)水準(zhǔn)應(yīng)力方面起了重要作用。但卸荷作用在巖體內(nèi)造成的高水準(zhǔn)應(yīng)力不具方向性，即σx=σy，所以與構(gòu)造作用造成的各向不等的高水準(zhǔn)應(yīng)力區(qū)區(qū)別明顯。

2.2.2

巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分佈及應(yīng)力集中作用

巖體內(nèi)自由臨空面附近的應(yīng)力重分佈及應(yīng)力集中作用是促使巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)複雜化的另一個(gè)重要因素。巖體內(nèi)的自由臨空麵包括地表的和地下的兩類，前者主要是地表水流的切割造成的；而後者則與各種成因的地下洞穴的形成有關(guān)。河谷下切所引起的應(yīng)力變化有以下幾條規(guī)律：⑴主應(yīng)力方向在河谷臨空面附近發(fā)生明顯的變化：最大主應(yīng)力與臨空面近於平行，而最小主應(yīng)力則與之近於垂直。⑵最大主應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，至臨空面達(dá)到最大值，而最小主應(yīng)力則恰好相反，即由內(nèi)向外逐漸減少，至臨空面處變?yōu)榱?，有時(shí)甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。與此相聯(lián)系，剪應(yīng)力在臨空面附近，特別是在下部坡腳處，顯著增大。

錦屏河谷下切後最大主應(yīng)力分佈錦屏河谷下切後剪應(yīng)力分佈圖⑶通常將最大主應(yīng)力（或剪應(yīng)力）在臨空面附近增大（或減少）的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，而將變化後的主應(yīng)力與初始應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中係數(shù)。臨空面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象通常在坡腳處及河谷底部表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈，可達(dá)原始應(yīng)力場(chǎng)中水準(zhǔn)應(yīng)力的三倍。

因此，在高應(yīng)力區(qū)，河谷臨空面附近的應(yīng)力集中，往往使周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力（特別是坡腳和穀底）超過(guò)其強(qiáng)度，使巖體發(fā)生破裂變形，生成各類表生結(jié)構(gòu)面。而表層巖體內(nèi)的應(yīng)力又因釋放而降低，圍繞河谷臨空面形成一個(gè)應(yīng)力降低帶，高應(yīng)力集中區(qū)則向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

值得一提的是，垂直於最大主應(yīng)力的河谷段，臨空面附近的應(yīng)力集中程度要比平行於最大主應(yīng)力的河谷段高得多。

模型Ⅰ表示的是兩長(zhǎng)一短的彈簧被同時(shí)固定在兩端的夾具之間。這樣A、B兩類彈簧因發(fā)生了彈性變形而處?kù)恫煌氖芰顟B(tài)。但是A類彈簧受到的是壓縮變形，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；而B彈簧則因處?kù)兑龔垹顟B(tài)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。體系內(nèi)上述兩類應(yīng)力的總和彼此相等，故而整個(gè)體系在外荷載為零的情況下處?kù)秲?nèi)力平衡狀態(tài)。2.2.3巖體切割面附近的殘餘應(yīng)力效應(yīng)非均質(zhì)的承載巖體，卸荷後，天然巖體內(nèi)形成自我平衡的殘餘應(yīng)力體系，可用圖Ⅰ及圖Ⅱ所示的力學(xué)模型來(lái)表示。模型I然而，天然巖體大多是一種粘-彈性介質(zhì)，更符合於Ⅱ圖所示的沃依特流變模型。與模型Ⅰ不同的是，以阻尼器（粘滯性約束元件）代替彈性約束元件B彈簧。因粘滯元件具有流變性，故隨著時(shí)間的推移，其內(nèi)部的拉應(yīng)力將不斷降低，從而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)力體系的鬆弛。所以，從整體來(lái)看，這類殘餘應(yīng)力體系始終處?kù)秲?nèi)力緩慢降低的動(dòng)平衡之中。

力學(xué)模型II在自我平衡的殘餘應(yīng)力體系中，起主導(dǎo)作用的是約束元件，正是由於它的存在，殘餘應(yīng)力的形成才成為可能?！凹s束元件”一旦喪失其約束能力（例如當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)），束縛於體系內(nèi)的殘餘應(yīng)變能就會(huì)突然而猛烈地以膨脹回彈和生成垂直於卸荷方向的引張裂面的方式釋放出來(lái)，對(duì)以該巖體為地基或環(huán)境的結(jié)構(gòu)物發(fā)生影響或危害。2.3我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分佈及隨時(shí)間變化的規(guī)律2.3.1地應(yīng)力場(chǎng)的空間分佈及其與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)係2.3.1.1我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分佈特點(diǎn)（1）各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性各地的σ1方向均與由各該點(diǎn)向我國(guó)的察隅和巴基斯坦的伊斯蘭堡聯(lián)線所構(gòu)成的夾角等分線方向相吻合或相近似，僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。（2）三向應(yīng)力狀態(tài)及其所決定的現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)類型呈有規(guī)律的空間分佈：①潛在逆斷型應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分佈於喜馬拉雅山前緣一帶，其主要特點(diǎn)是兩個(gè)水準(zhǔn)主應(yīng)力均大於垂直主應(yīng)力。（σ3垂直，σ1和σ2水準(zhǔn)）②潛在走滑型應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分佈於我國(guó)中西部廣大地區(qū)，其主要特點(diǎn)是只有一個(gè)水準(zhǔn)主應(yīng)力大於垂直主應(yīng)力，具中等擠壓區(qū)的特徵。。（σ2垂直，σ1和σ3水準(zhǔn)）③潛在正斷型和張剪性走滑應(yīng)力狀態(tài)區(qū)主要分佈於我國(guó)的東部和東北部，其主要特點(diǎn)是：區(qū)內(nèi)新生代以來(lái)正斷層與地塹或斷陷盆地十分發(fā)育，發(fā)育方向NE、NEE，推積厚度數(shù)千米；區(qū)內(nèi)KZ堆積具雙層結(jié)構(gòu)(圖2-20)，E充填斷陷盆地，N-Q掩埋了E時(shí)期的地塹和地壘，形成了現(xiàn)代的低平的平原地形，橫向差異?。粎^(qū)內(nèi)地震由兩個(gè)方向斷裂引起，即NNE向斷裂的右旋兼張性活動(dòng)和NNW向斷裂的左旋兼張性活動(dòng)。

衛(wèi)星影象及天然地震的震源機(jī)制資料還揭示，在西藏高原內(nèi)腹，還存在著一個(gè)局部潛在正斷型應(yīng)力分佈區(qū)(圖2—19)。該區(qū)內(nèi)廣泛地發(fā)育著可能是新生代形成的近南北向的正斷層和地塹式的斷陷谷地。該區(qū)天然地震的震源機(jī)制也大多屬正斷層，且主拉應(yīng)力軸為近東西(圖2—21)。2.3.1.2地應(yīng)力場(chǎng)的形成與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)係我國(guó)大部分地區(qū)最大主應(yīng)力方向和量值的上述變化規(guī)律，完全是由印度板塊與歐亞板塊的碰撞、擠壓所導(dǎo)致的。一般認(rèn)為，白堊紀(jì)末印度板塊從西南向北北東方向推移，並在始新世中期末，即大約距今3800萬(wàn)年前與歐亞板塊相碰撞（對(duì)接）。此後印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進(jìn)，這樣一種巨大而持續(xù)的板塊間的相互作用是控制我國(guó)西部地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的決定性因素；在同一時(shí)期，東部太平洋板塊和菲律賓海板塊則分別從北東東和南東方向向歐亞大陸之下俯衝，從而分別對(duì)我國(guó)華北和華南地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成產(chǎn)生重大影響；並認(rèn)為華北地區(qū)目前處?kù)短窖蟀鍓K俯衝帶的內(nèi)側(cè)，大洋扳塊俯衝引起地幔內(nèi)高溫、低波速的熔融或半熔融物質(zhì)上湧並擠入地殼，使地殼受拉而變簿，表面發(fā)生裂谷型斷裂作用，這樣形成的北西一南東向拉張和太平洋板塊於上地幔深處對(duì)歐亞板塊所造成的南西西向的擠壓相結(jié)合，就決定了華北地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)和最新構(gòu)造活動(dòng)的特徵。2.3.2斷裂帶附近的局部構(gòu)造應(yīng)力集中作用

⑴一般規(guī)律對(duì)於一個(gè)三向受力的巖體，那些與最大主應(yīng)力成30°～40°左右交角的斷裂，特別是這類方向的雁行式或斷續(xù)直線式排列的斷裂組，應(yīng)力集中程度最高。特別是在斷裂端點(diǎn)、首尾錯(cuò)列段、局部拐點(diǎn)、分枝點(diǎn)或與其它斷裂的交匯點(diǎn)，總之一切能對(duì)繼續(xù)活動(dòng)起阻礙作用的地方，都是應(yīng)力高度集中的部位，所以這些地方常成為強(qiáng)震發(fā)生的特殊部位。

⑵局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育與活斷層的關(guān)係活斷層或活動(dòng)斷塊的特定部位，往往形成很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中地區(qū)。(對(duì)照?qǐng)D2-23講解)2.3.3地應(yīng)力隨時(shí)間變化與地殼巖應(yīng)變速率的關(guān)係

⑴地殼巖體的應(yīng)力-應(yīng)變性狀與應(yīng)變速率間的關(guān)係。伊藤、熊穀等人的研究表明：巖體的應(yīng)變速率是決定粘彈性介質(zhì)力學(xué)性狀的主要因素。當(dāng)應(yīng)變速率C小於某臨界值C0時(shí)(對(duì)於實(shí)驗(yàn)的花崗巖C0=10-13—10-14/S)，巖體在受力初期隨應(yīng)變的增大而發(fā)生應(yīng)力積累，但當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，應(yīng)力就不再增大，而變形則不斷增大，即進(jìn)入粘性流動(dòng)階段，但不發(fā)生破壞。但當(dāng)C大於C0時(shí)，則巖體的性狀近於彈性，即隨著應(yīng)變的發(fā)展，巖體內(nèi)的應(yīng)力不斷增大，最終導(dǎo)致突然的破壞。

在統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造力的作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)變速率和沿?cái)嗔褞У膽?yīng)變速率通常是不同的，一般是前者小於後者。在天然條件下就可能出現(xiàn)三種不同的組合情況。

①當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR大於臨界應(yīng)變速率C0時(shí)（此時(shí)CF必然大於C0），地殼巖體整個(gè)處?kù)稄椥誀顟B(tài)，隨著變形的發(fā)展，巖體內(nèi)部及沿?cái)嗔褞У膽?yīng)力不斷增高，達(dá)到一定程度發(fā)生破壞。破壞即可沿已有的斷裂發(fā)生，也可在巖體內(nèi)部發(fā)生，歷史上巖石圈遭受強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。據(jù)計(jì)算，在30km深度C=10ˉ13/s的應(yīng)變速率，大體相當(dāng)於地表隆起速度為5cm/a。

(2)當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力的作用使巖體的應(yīng)變速率CR介於C0和某一臨界值Ca(相當(dāng)於使巖體內(nèi)方向有利的斷裂帶的CF=C0時(shí)（此時(shí)CR

<C0）的巖體應(yīng)變速率，見(jiàn)圖2—28(a))之間，即C0>CR>Ca。(如圖2—28(a)中的②區(qū))時(shí)，則巖體本身的力學(xué)性狀與斷裂帶不同：巖體本身，因其應(yīng)變速率CR<C0，故隨應(yīng)變、應(yīng)力的發(fā)展很快進(jìn)入粘性變形階段，沿最大受力方向產(chǎn)生粘性的壓縮變形，垂直於最大主應(yīng)力方向則產(chǎn)生伸長(zhǎng)和隆起，而不發(fā)生破壞；方向有利的斷裂帶內(nèi)，因其應(yīng)變速率CF>C0，而具彈性性狀，應(yīng)力隨形變的發(fā)展不斷增高，最終發(fā)生破裂，導(dǎo)致再活動(dòng)，引起地震。日本列島地區(qū)地形變和斷裂新活動(dòng)性的發(fā)展就是在這樣的背景條件下發(fā)生的。這也是所有構(gòu)造新活動(dòng)區(qū)所具有的共同特徵。一些地震活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)的地表隆升速度的資料表明，地殼隆升速率大於或等於2mm/a的可能屬於這類地區(qū)。（3）區(qū)域構(gòu)造力的作用微弱，致使巖體的應(yīng)變速率CR<Ca。在這樣的條件下，由於巖體本身及斷裂帶的應(yīng)變速率均低於臨界應(yīng)變速率C0(如圖2—28(a)中的③區(qū))

，故這類地區(qū)的特點(diǎn)應(yīng)是以地殼隆升或沉降為標(biāo)誌的地形變微弱，無(wú)活斷層發(fā)育，故代表著現(xiàn)代構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的情況。2.4地殼表層巖體應(yīng)力狀態(tài)的複雜性2.4.1地殼表層巖體應(yīng)力分佈的規(guī)律2.4.1.1垂直應(yīng)力的分佈世界各地實(shí)測(cè)應(yīng)力資料的統(tǒng)計(jì)表明，不同地區(qū)地殼表層巖體垂直應(yīng)力隨深度的分佈，通常有如下關(guān)係：σv=A+γh（γ大體相當(dāng)於巖體的平均容重，A為常數(shù)）我國(guó)地殼表層巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨深度的分佈也大體上與國(guó)外統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致。表2-3我國(guó)σv/γh比值統(tǒng)計(jì)資料σv

/γh<0.80.8-1.2>1.2所占百分比13.717.360從統(tǒng)計(jì)關(guān)係可以看出：地表表層巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力成分主要由上覆巖層自重所引起，即隨深度而線性增大，且其增長(zhǎng)率相當(dāng)於巖體的平均容重；大多數(shù)地區(qū)，在遭受區(qū)域性剝蝕的過(guò)程中，由於垂向卸荷不徹底而保存一部分剩餘自重應(yīng)力，公式中常數(shù)項(xiàng)的存在就表明了這一點(diǎn)。2.4.1.2水準(zhǔn)應(yīng)力的分佈及應(yīng)力狀態(tài)的類型 從已有的實(shí)測(cè)資料分析，有如下規(guī)律： 水準(zhǔn)應(yīng)力分量的各向異性，即σh2/σh1不等於1，其比值介於0.5-0.75之間。平均水準(zhǔn)應(yīng)力的分佈及應(yīng)力狀態(tài)的的類型：平均水準(zhǔn)應(yīng)力隨深度而增大，並可區(qū)分三種情況：a.σh<σv沉積物沉積後未受構(gòu)造擾動(dòng)或僅受輕微構(gòu)造作用或明顯遭受側(cè)向卸荷影響的巖體具有這種應(yīng)力狀態(tài)。（σ1垂直,重力場(chǎng)）；b.σh=σv近期未受構(gòu)造擠壓的深部塑性變形區(qū)或某些具有高塑性的沉積巖層，N=1，靜水應(yīng)力分佈；c.σh>σv分佈較為普遍，σ1、σ3水準(zhǔn)或垂直，N>1或<1。（

σ2垂直，水準(zhǔn)應(yīng)力場(chǎng)）2.4.1.3局部地帶的應(yīng)力異常分佈在斷層及一些剪切帶附近垂直應(yīng)力及水準(zhǔn)應(yīng)力隨深度的分佈明顯高於同深度的其他地帶，正是這種異常往往導(dǎo)致誘發(fā)地震的產(chǎn)生。2.4.1.4淺部與深部應(yīng)力狀態(tài)的差異已有的資料表明，近地表的淺部和較深部的應(yīng)力狀態(tài)有時(shí)明顯不同。導(dǎo)致這種差異的原因有：a.地表切割所引起的側(cè)向卸荷和河谷臨空面附近的應(yīng)力重分佈作用往往會(huì)使地表附近巖體的應(yīng)力在量值和方向上變化很大，從而導(dǎo)致深淺部的不同；b.各應(yīng)力分量隨深度的變化梯度不同，從而導(dǎo)致深淺部應(yīng)力狀態(tài)的差異.2.4.2地表高應(yīng)力區(qū)及其地質(zhì)地貌標(biāo)誌研究表明，高應(yīng)力區(qū)在地表地質(zhì)地貌上有明顯的表現(xiàn)。因此，通過(guò)地質(zhì)地貌研究可以揭示是否高應(yīng)力區(qū)的存在。2.4.2.1天然條件下高水準(zhǔn)應(yīng)力釋放有關(guān)的淺表生時(shí)效變形現(xiàn)象

（1）隱爆 最早發(fā)現(xiàn)於美國(guó)南安大略省，其表現(xiàn)為近地表出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的隆褶或類似低角度逆斷層的斷隆，一般高度較小，而延伸長(zhǎng)度較大。最早稱之為隆爆（POP-UP）現(xiàn)象。其發(fā)育特徵有：a.發(fā)育在強(qiáng)度和厚度都不太大的近水準(zhǔn)層狀巖層中；b.隆爆軸與實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力基本垂直C.絕大多數(shù)隆爆都是該區(qū)大陸冰川消退不久的產(chǎn)物。分析認(rèn)為這種現(xiàn)象乃是該區(qū)地表巖體中的一種與高水準(zhǔn)應(yīng)力釋放有關(guān)的表生時(shí)效變形現(xiàn)象。導(dǎo)致這種高水準(zhǔn)應(yīng)力則是由構(gòu)造應(yīng)力及大陸冰川加載後的卸荷作用共同導(dǎo)致的。（2）蓆狀裂隙在出露於地表的侵入巖體中，廣泛見(jiàn)於一種近地表平行分佈的區(qū)域性裂隙發(fā)育，通常上部較密，向下逐漸變稀疏，即蓆狀裂隙。這是區(qū)域性卸荷剝蝕的結(jié)果。（解釋：初始為深部靜水應(yīng)力狀態(tài)，隨著侵蝕，垂直應(yīng)力減少，應(yīng)力差逐漸增大，當(dāng)超過(guò)巖體極限事，形成水準(zhǔn)破裂。（3）穀下水平卸荷裂隙及穀坡內(nèi)水準(zhǔn)剪切蠕動(dòng)變形帶 大量的勘察資料表明，在高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)的較開闊的河谷經(jīng)常有一系列開口良好，透水性很強(qiáng)的卸荷裂隙，特別是當(dāng)最大主應(yīng)力與河段走向垂直時(shí)，這種卸荷裂隙尤為發(fā)育。它們多沿已有的層面或斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)育而成。因此，這種裂隙最易產(chǎn)生於近水準(zhǔn)產(chǎn)出的沉積巖分佈區(qū)或緩傾角裂隙發(fā)育的巖漿巖分佈區(qū)。發(fā)育在穀坡內(nèi)的水準(zhǔn)剪切蠕動(dòng)變形帶是高地應(yīng)力區(qū)常見(jiàn)的；另一種應(yīng)力釋放類型產(chǎn)生時(shí)效變形現(xiàn)象是河谷形成的不同階段，由差異回彈導(dǎo)致的沿坡角附近已有平緩結(jié)構(gòu)面發(fā)生的減速型剪切蠕動(dòng)變形的產(chǎn)物。（4）應(yīng)力釋放型的深大拉張變形帶一些地段的穀坡後緣發(fā)育有深大的拉裂縫及拉張斷陷帶。這類拉張變形帶以其規(guī)模大，延伸方向穩(wěn)定和發(fā)育面深區(qū)別於通常的卸荷裂隙。2.4.2.2與鑽進(jìn)有關(guān)的巖體應(yīng)力釋放及伴生現(xiàn)象（1）巖心餅化現(xiàn)象

鑽進(jìn)過(guò)程中巖心裂成餅狀的現(xiàn)象是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖體力學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有幾個(gè)方面的共性：a.所有的餅狀巖心在形態(tài)上均有其共同特徵：巖餅的厚度與巖心的直徑有一定的關(guān)係，一般約為直徑的1/4到1/5，所以不同的鑽孔，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；所有巖餅的表面均為新鮮破裂面，而且邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見(jiàn)有順槽，或沿一個(gè)方向的擦痕與之正常的拉裂坎。b.餅狀巖心是鑽進(jìn)過(guò)程中差異卸荷回彈的產(chǎn)物，破裂主要發(fā)生在一定高度的巖心根部，是由拉張和複合機(jī)制導(dǎo)致的。c.餅狀巖心的產(chǎn)生需具備特定的巖體力學(xué)條件：彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在30MPa以上。(2)鑽孔崩落現(xiàn)象：研究發(fā)現(xiàn)，一些鑽孔的孔徑不是園的，而呈橢圓型，長(zhǎng)短軸之差可達(dá)3-18cm。觀察表明，這種孔徑的增大是由於孔壁局部破損崩落所致，即鑽孔崩落。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：破裂首先出現(xiàn)於孔壁應(yīng)力集中程度最高的部位；破壞域側(cè)向角的大小主要受巖石的強(qiáng)度參數(shù)及水準(zhǔn)應(yīng)力的控制。2.4.2.3與開挖卸荷及應(yīng)力釋放相聯(lián)系的巖體變形破壞現(xiàn)象及研究意義開挖往往引起巖體內(nèi)一系列卸荷回彈和應(yīng)力釋放相關(guān)聯(lián)的變形破壞現(xiàn)象：采場(chǎng)及基坑底部的隆爆；邊坡及邊牆向臨空方向的水準(zhǔn)位移和沿已有的近水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)；邊坡、邊牆巖體的傾倒；地下硐室、巷道的變形與破壞等這些變形和破壞不僅會(huì)惡化建築物場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，有時(shí)還會(huì)對(duì)建築物造成直接危險(xiǎn)。在各個(gè)方向的開挖中，垂直於最大主應(yīng)力的地表、地下開挖，引起的變形和破壞最為強(qiáng)烈。

2.5巖體應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)研究

鑒於天然應(yīng)力狀態(tài)複雜性，為了從定性、定量?jī)蓚€(gè)方面闡明一個(gè)地區(qū)天然應(yīng)力狀態(tài)的總體特徵，一般採(cǎi)用下述途徑：以地質(zhì)、地貌方法研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)基本特徵；在此基礎(chǔ)上，選擇一些有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定；以這些實(shí)測(cè)應(yīng)力資料和已掌握的應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育分佈規(guī)律，對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，並根據(jù)反演分析結(jié)果建立區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的定量化模型。2.5.1構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的演化歷史和現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的基本特徵的地質(zhì)地貌研究（1）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化歷史研究通過(guò)地質(zhì)力學(xué)方法通過(guò)斷層錯(cuò)動(dòng)機(jī)制解的赤平投影解釋（2）現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)基本特徵研究研究方法：斷層錯(cuò)動(dòng)機(jī)制解地質(zhì)地貌方法新斷裂網(wǎng)路地質(zhì)地貌分析法地震震源機(jī)制解所謂新斷裂是指最新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成與發(fā)展的斷裂。在一定區(qū)域內(nèi)，不同性質(zhì)的新斷裂往往構(gòu)成一定形式的網(wǎng)路。構(gòu)成新斷裂網(wǎng)路的成分包括一對(duì)共軛的剪切面，一組壓性結(jié)構(gòu)面和一組張裂面，其中後二者一般發(fā)育較差。共軛剪列面大多數(shù)表現(xiàn)為兩組區(qū)域性剪裂隙，該裂隙陡傾且彼此近於正交。奧地利學(xué)者認(rèn)為這類區(qū)域性剪裂隙是在蠕動(dòng)條件下沿最大剪應(yīng)力跡線形成的。這一對(duì)共軛剪裂面常常是新斷裂網(wǎng)路中的基本成分，且其銳角等分線就是區(qū)域最大主應(yīng)力方位。2.5.1.3區(qū)域巖體應(yīng)力積累和程度的研究（1）歷史上各時(shí)期及當(dāng)代地殼隆升的速度和高度：通過(guò)層狀地貌進(jìn)行詳細(xì)研究（剖面測(cè)量和測(cè)年），求出抬升速率和幅度；在此基礎(chǔ)上，以地殼巖體應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)，結(jié)合歷史時(shí)期的斷裂活動(dòng)情況，總體上判明當(dāng)前區(qū)內(nèi)巖體應(yīng)力積累和程度。（2）區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中條件和應(yīng)力集中區(qū)的分佈：取決於巖性和構(gòu)造部位；（3）可以作為高應(yīng)力區(qū)標(biāo)誌的地質(zhì)、地貌現(xiàn)象的發(fā)育歷史和分佈：如河谷強(qiáng)烈的卸荷回彈、巖餅、基坑、平硐中的巖爆和其他強(qiáng)烈變形現(xiàn)象。2.5.2巖體應(yīng)力測(cè)量目前巖體應(yīng)力測(cè)量的方法很多，分類也不盡一致，但歸納起來(lái)可分為直接測(cè)試法和間接測(cè)試法兩類：巖體應(yīng)力測(cè)試方法直接測(cè)試法間接測(cè)試法應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力解除法水力壓裂法（水壓致裂法）鑽孔崩落法定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)法凱塞爾效應(yīng)測(cè)試法2.5.2.1應(yīng)力恢復(fù)法（stress-recoverymethod)

當(dāng)巖體應(yīng)力被解除後，通過(guò)施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，以求得巖體應(yīng)力解除時(shí)的應(yīng)力值。其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)決定巖體的應(yīng)力時(shí)，不需測(cè)定巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)係2.5.2.2應(yīng)力解除法（stress-reliefmethod)：在擬測(cè)點(diǎn)附近的一個(gè)小巖石單元周圍切割出的一個(gè)“槽子”，使得這一小部分巖體不再承受旁側(cè)巖體傳來(lái)的應(yīng)力。從刻槽前裝置好的儀器測(cè)出由於這種應(yīng)力解除而引起的應(yīng)變。並根據(jù)有關(guān)巖石已知的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係換算出解除前巖體內(nèi)的應(yīng)力。以其精度高、測(cè)值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用於巖土工程設(shè)計(jì)、礦產(chǎn)開採(cǎi)、地震研究等方面。壓磁全應(yīng)力解除法實(shí)現(xiàn)了單孔測(cè)量三維地應(yīng)力，它克服了一般應(yīng)力解除測(cè)量法對(duì)巖石條件要求高、野外測(cè)量工序複雜、工期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)垂直孔深0～100米的三維地應(yīng)力測(cè)量。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確測(cè)得三維主應(yīng)力的大小和方向，以及可以在狹窄的坑道內(nèi)完成測(cè)量。圖3-28應(yīng)力解除法佈置圖1.刻痕；2.電阻片的佈置圖3-29鑽孔內(nèi)應(yīng)力解除法2.5.2.3水壓致裂法(hydraulicfracturingmethod)通過(guò)鑽孔向地下某深度處的測(cè)點(diǎn)段壓液，用高壓將孔壁壓裂，然後根據(jù)破壞壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位，計(jì)算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小和方向。該法能有效地利用已有鑽孔進(jìn)行深部地應(yīng)力測(cè)試，且具有操作簡(jiǎn)便、無(wú)須知道巖體力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用於水電工程設(shè)計(jì)、鐵路、公路的隧道選線、場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、核廢料處理以及地學(xué)研究等領(lǐng)域。應(yīng)用該測(cè)試方法，可以得到垂直於鑽孔平面的最大和最小應(yīng)力的大小和方向。對(duì)於垂直鑽孔，由不同深度的測(cè)試數(shù)據(jù)，可得到最大和最小水準(zhǔn)主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律。對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上的交匯鑽孔進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)附近的三維應(yīng)力狀態(tài)。2.5.2.4鑽孔測(cè)量崩落測(cè)量法：

研究表明鑽孔崩落現(xiàn)象是由孔壁應(yīng)力集中部位的局部破壞引起的，且崩落的長(zhǎng)軸垂直區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)最大主應(yīng)力方向，而崩落域側(cè)向角（θb

）及破壞應(yīng)力比（σH/σh）的大小則主要與巖石的性質(zhì)及水準(zhǔn)最小主應(yīng)力有關(guān)。由此可以求出該區(qū)水準(zhǔn)最大、最小主應(yīng)力的方向及大小。步驟如下：(1)詳細(xì)測(cè)量區(qū)內(nèi)的鑽孔崩落現(xiàn)象，並根據(jù)崩落域的長(zhǎng)軸展布確定該區(qū)水準(zhǔn)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

(2)按照實(shí)際的巖體條件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，求得θb

—σh直線關(guān)係(圖2—50)，並根據(jù)實(shí)測(cè)的σb求出區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)最小主應(yīng)力(σh

)的量值。

(3)根據(jù)σh及實(shí)測(cè)的C0，利用圖2—51即可得出區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)最大主應(yīng)力(σH)的大小。2.5.2.5定向巖心非彈性應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量法：

1．基本原理實(shí)測(cè)結(jié)果表明，巖石應(yīng)變恢復(fù)的性狀(圖2—52)有如下主要特徵：(1)巖石的總應(yīng)變恢復(fù)量(ε)是由彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε′)和非彈性應(yīng)變恢復(fù)(ε″)兩部分所組成，且整個(gè)應(yīng)變恢復(fù)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，約達(dá)30餘小時(shí)。(2)在未發(fā)生非線性蠕變的條件下主應(yīng)變恢復(fù)(無(wú)論是彈性的或是非彈性的)的軸向與主應(yīng)力方向一致，即：ε1、ε′2、ε″3、與σl的方向一致，而ε3、ε′3、ε″3與σ3的方向一致，且ε1=ε′1+ε″1

ε3=ε′3+ε″3

(3)如果發(fā)生非線性蠕變，則最大彈性應(yīng)變恢復(fù)軸與最大非彈性應(yīng)變恢復(fù)軸的方向?qū)⑹遣煌?。此時(shí)，彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所反映的是較新的應(yīng)力環(huán)境，而非彈性應(yīng)變恢復(fù)的軸向所代表的則是較老的應(yīng)力環(huán)境。但實(shí)測(cè)資料表明，出現(xiàn)非線性蠕變的情況是很少的。(4)在整個(gè)應(yīng)變恢復(fù)過(guò)程中，主應(yīng)變比(無(wú)論是彈性或是非彈性的)與主應(yīng)力比始終保持相等。2．測(cè)量的方法及步驟(1)從鑽孔中取定向巖心。(2)在巖心內(nèi)選三個(gè)不同方向的面，且在每個(gè)面上的三個(gè)不同方向上進(jìn)行應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量(所得結(jié)果顯然是非彈性的)，然後根據(jù)測(cè)量資料計(jì)算三個(gè)主應(yīng)變的方向及比值。如果有一個(gè)主應(yīng)力是垂直的，且其大小等於上覆層的重量，則只在水平面內(nèi)的三個(gè)不同方向上進(jìn)行應(yīng)變恢復(fù)測(cè)量，求得兩個(gè)水準(zhǔn)主應(yīng)變的方向及比值即可。(3)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意使巖心密封，以避免溫度及濕度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.5.2.6凱塞爾（Kaiser）效應(yīng)測(cè)量法

1.基本原理1950年，德國(guó)學(xué)者J.Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料，只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到並超過(guò)材料所受過(guò)的最大先期應(yīng)力時(shí)才會(huì)開始有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是著名的凱塞爾效應(yīng)。1963年，Goodman通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)巖石也具有凱塞爾效應(yīng)，從而為應(yīng)用這一技術(shù)測(cè)定巖體應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。70年代末期以來(lái)，日，美、中學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題開展了廣泛的理論及實(shí)驗(yàn)研究，先後解決了凱塞爾效應(yīng)方向獨(dú)立性、三維地應(yīng)力測(cè)量及試驗(yàn)過(guò)程中雜訊的排除等問(wèn)題，使凱塞爾效應(yīng)在地應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域已基本具有實(shí)用性。

為了深入理解凱塞爾效應(yīng)及其在地應(yīng)力測(cè)量方面的應(yīng)用，首先需對(duì)下述基本問(wèn)題作簡(jiǎn)要的討論。(1)巖石凱塞爾效應(yīng)的微觀機(jī)理研究表明，巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象實(shí)際上是來(lái)源於其內(nèi)部顯微缺陷的受力擴(kuò)展，而巖石的每一次受力，都會(huì)使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷載大小及方向相適應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)，再次加載時(shí)，如果荷載小於先期荷載，則先期形成的缺陷不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步破裂，因此也就幾乎沒(méi)有聲發(fā)射出現(xiàn)，—·旦荷載達(dá)到並超過(guò)先期荷載，，已有的裂紋即將進(jìn)一步擴(kuò)展，聲發(fā)射隨之開始大量持續(xù)出現(xiàn)，這就是凱塞爾效應(yīng)的基本機(jī)理。

(2)巖石凱塞爾效應(yīng)對(duì)地應(yīng)力的記憶功能已有的研究認(rèn)為，通過(guò)凱塞爾效應(yīng)所測(cè)得的是巖體在地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)所遭受過(guò)的最大應(yīng)力。如果確是這樣，實(shí)際上就無(wú)法利用凱塞爾效應(yīng)來(lái)解決現(xiàn)今地應(yīng)力的測(cè)量問(wèn)題，因?yàn)樵谠馐苓^(guò)構(gòu)造變動(dòng)，且有斷裂發(fā)育的地區(qū)，任何一部分巖體當(dāng)時(shí)都遭受過(guò)很大的，甚至是接近其破裂強(qiáng)度的應(yīng)力。但是，一系列實(shí)測(cè)資料表明，利用凱塞爾效應(yīng)測(cè)得的巖體應(yīng)力遠(yuǎn)小於該巖體的破裂強(qiáng)度，而與用套鑽法測(cè)得的現(xiàn)今巖體應(yīng)力十分接近(表2—10)o對(duì)於為什麼出現(xiàn)這種矛盾現(xiàn)象，以往的研究也未能加以闡明。通過(guò)對(duì)已有實(shí)測(cè)資料的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)凱塞爾效應(yīng)實(shí)際上只能記憶挽近時(shí)期的應(yīng)力；而不能記憶古構(gòu)造力。之所以如此，看來(lái)這裏有一個(gè)顯微破裂的癒合問(wèn)題。隨著環(huán)境的改變，巖石會(huì)發(fā)生重結(jié)晶或新晶體生長(zhǎng)的作用，使那些古老的顯微破裂焊接癒合，從而也就使其喪失對(duì)古構(gòu)造應(yīng)力的記憶能力。

相反，挽近時(shí)期巖體的受力過(guò)程是在該巖體己處?kù)兜乇砀浇某?，低圍壓條件下發(fā)生的，此時(shí)所產(chǎn)生的顯微破裂系統(tǒng)，由於形成後所經(jīng)歷的時(shí)間很短，且始終處?kù)冻睾偷蛧鷫簵l件下，所以不會(huì)發(fā)生癒合。因此，當(dāng)採(cǎi)樣並對(duì)巖石試件加載、且應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)挽近時(shí)期巖體所遭受的應(yīng)力量級(jí)時(shí)，這類顯微破裂即將進(jìn)一步擴(kuò)展，從而引起聲發(fā)射的急劇增加，這也就是巖石凱塞爾效應(yīng)只能記憶挽近時(shí)期巖體所遭受過(guò)的應(yīng)力的道理所在。此外，值得指出的是，近些年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，挽近時(shí)期遭受過(guò)方向和量值不同的多期應(yīng)力作用的巖石，在其再次受力過(guò)程中可能出現(xiàn)多個(gè)聲發(fā)射頻數(shù)急驟增高點(diǎn)(圖2—53)，分別對(duì)應(yīng)不同的先期應(yīng)力，這種現(xiàn)象可稱為多期凱塞爾效應(yīng)。巖石多期凱塞爾效應(yīng)的產(chǎn)生，是因?yàn)閷?duì)於不同的主應(yīng)力組合，巖石內(nèi)部最易發(fā)生進(jìn)一步破裂的缺陷方位不同，因而遭受過(guò)不同方向主應(yīng)力組合作用的巖石，在其內(nèi)部將產(chǎn)生多個(gè)與各次受力相對(duì)應(yīng)的顯微破裂系統(tǒng)。當(dāng)對(duì)這類巖石試件進(jìn)行加壓試驗(yàn)並記錄其聲發(fā)射現(xiàn)象時(shí)，隨著壓力的逐漸增大，每當(dāng)外荷載引起的應(yīng)力達(dá)到與某一期應(yīng)力相等的量級(jí)時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的顯微破裂就開始擴(kuò)展，聲發(fā)射的累計(jì)頻數(shù)也就隨之出現(xiàn)一次突增，這就是多期凱塞爾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制。(3)測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用通過(guò)上述討論不難看出，與其它的應(yīng)力測(cè)量方法不同，凱塞爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果所揭示的，並不是現(xiàn)存應(yīng)力，而是巖體於挽近期所遭受過(guò)的最大應(yīng)力。如果在此期間巖體曾遭受過(guò)不同應(yīng)力場(chǎng)的作用，則通過(guò)多期凱塞爾效應(yīng)，還可揭示出巖體挽近期的受力歷史及每一期主應(yīng)力的方向及其最大值。由凱塞爾效應(yīng)所揭示的最新應(yīng)力場(chǎng)，在方向上必定與現(xiàn)存應(yīng)力場(chǎng)相一致，而在量值方面則可能出現(xiàn)等於或大於現(xiàn)存應(yīng)力的兩種情況。導(dǎo)致出現(xiàn)後一種情況2·5·3區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的物理及數(shù)值模擬研究。近些年來(lái)，由於物理模擬，電算以及有限元方法的迅速發(fā)展，已有可能對(duì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所建立起的區(qū)域應(yīng)力—形變場(chǎng)發(fā)育的基本模式，進(jìn)行進(jìn)一步物理和數(shù)值模擬研究。通過(guò)這種研究，不僅可以根據(jù)區(qū)內(nèi)一些點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)資料反演現(xiàn)今區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)，建立其現(xiàn)狀的定量化模型，取得不同地段在應(yīng)力—形變強(qiáng)度和發(fā)震能力方面的定量關(guān)係，而且可以通過(guò)改變外力或邊界條件的系統(tǒng)分析，深入研究區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的形成演化機(jī)制和規(guī)律，為定量評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。2.5.3.1模型的建立

通過(guò)對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演變史及現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)基本特徵的地質(zhì)、地貌研究和部分地點(diǎn)巖體應(yīng)力的實(shí)測(cè)，應(yīng)對(duì)區(qū)域構(gòu)造格架及區(qū)域應(yīng)力—形變場(chǎng)發(fā)育的基本特徵有了一個(gè)總體認(rèn)識(shí)。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化（概化），建立一個(gè)符合實(shí)際的地質(zhì)—力學(xué)模型，是保證模擬研究成功的關(guān)鍵。具體說(shuō)來(lái)，模型的建立就是要正確確定模型的下述特徵，(1)模型的範(fàn)圍、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分的力學(xué)參數(shù)，(2)模型的邊界條件及可能的外力作用方式，(3)地區(qū)的總體應(yīng)力—形變圖象和部分地點(diǎn)的主應(yīng)力方向及大小。2.5.3.2機(jī)制模擬研究

為考察模型建立的正確性和進(jìn)—步研究作用的基本機(jī)制，比較有效的方法是進(jìn)行相似材料模擬研究。方法的要點(diǎn)是，按抽象出的模式用相似材料製成模型，並於其表面畫上方格網(wǎng)，然後放入專門設(shè)計(jì)的裝置中施加外力進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，在外力不斷增大，變形累進(jìn)發(fā)展過(guò)程中仔細(xì)觀察模型中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，並以間斷拍照的方式記錄變形發(fā)展的全過(guò)程。

第六章水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)的工程地質(zhì)分析

工程地質(zhì)分析原理6·1基本概念及研究意義在一定條件下，人類的工程活動(dòng)可以誘發(fā)地震，諸如修建水庫(kù)，城市或油田的抽水或注水，礦山坑道的崩塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能引起當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)異常的地震活動(dòng)，這類地震活動(dòng)統(tǒng)稱為誘發(fā)地震（inducedearthquake）。其形成一方面依賴於該區(qū)的地質(zhì)條件、地應(yīng)力狀態(tài)和有待釋放的應(yīng)變能積累程度等因素；另一方面也與工程行為是否改變了一定範(fàn)圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)密切相關(guān)。

一般說(shuō)來(lái)誘發(fā)地震的震級(jí)比較小，震源深度比較淺，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活的影響範(fàn)圍也比較小。但是水庫(kù)誘發(fā)地震則曾經(jīng)多次造成破壞性後果，更有甚者，水庫(kù)誘發(fā)地震還經(jīng)常威脅著水庫(kù)大壩的安全，甚至可能釀成遠(yuǎn)比地震直接破壞更為嚴(yán)重的次生地質(zhì)災(zāi)害，因此對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震發(fā)生的可能性應(yīng)予以高度重視。水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)發(fā)現(xiàn)於本世紀(jì)30年代。最早發(fā)現(xiàn)於希臘的馬拉松水庫(kù)．伴隨該水庫(kù)蓄水、1931年庫(kù)區(qū)就產(chǎn)生了頻繁的地震活動(dòng)。此後，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分水庫(kù)蓄水過(guò)程中伴隨有水庫(kù)誘發(fā)地震現(xiàn)象。60年代以來(lái)出現(xiàn)了一些新的情況：一方面是幾個(gè)大水庫(kù)相繼產(chǎn)生了6級(jí)以上的強(qiáng)烈地震，造成大壩、附近建築物的破壞和人員的死傷；另一方面是發(fā)現(xiàn)了深井注水(美國(guó))可以誘發(fā)地震，為水庫(kù)誘發(fā)地震的形成機(jī)制提供了有價(jià)值的資料。於是這方面的研究重新活躍起來(lái)。6.2水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)性變化的幾種典型情況自1975年第一屆國(guó)際誘發(fā)地震會(huì)議以來(lái)，經(jīng)過(guò)研究的與水庫(kù)蓄水有關(guān)的地震活動(dòng)性變化的事例迅速增多。其中有的是活動(dòng)性(頻度、強(qiáng)度)增加，這類事例公認(rèn)的約有百餘例；活動(dòng)性減弱的事例也有4例，絕大多數(shù)水庫(kù)蓄水後地震活動(dòng)性沒(méi)有變化。下麵分別介紹各種典型情況，而以水庫(kù)活動(dòng)性增強(qiáng)為著重點(diǎn)。6.2.1蓄水後地震活動(dòng)性增強(qiáng)6.2.1.1卡裏巴—科列馬斯塔型地震活動(dòng)性的主要變化主要發(fā)生在1963年6月水庫(kù)蓄水位超出正常高水位之後，尤以1963年8月庫(kù)水位超出正常高水位2.9m之後為最強(qiáng)烈，此時(shí)水頭增值僅為2％，以此作為地震活動(dòng)性強(qiáng)烈變化的誘因是缺乏說(shuō)服力的?？墒窃谡８咚桓浇?，水位波動(dòng)幾米庫(kù)容變化卻很大，顯然庫(kù)底巖石所承受的水庫(kù)附加荷載以及附加荷載的影響深度都隨之產(chǎn)生較大變化，水庫(kù)底部承受附加應(yīng)力超出一定值的巖石的體積也會(huì)產(chǎn)生很大變化。美國(guó)胡佛壩（米德湖）希臘科列瑪斯塔壩尚比亞卡裏巴壩壩型及壩高（m)重力拱壩，222心牆堆石壩，165雙曲拱壩，127庫(kù)容（億m3）36747.51604開始蓄水及滿庫(kù)時(shí)間1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8地震活動(dòng)特征第一次地震時(shí)間1936.91965.81961.7地震次數(shù)（起止時(shí)間）6000次（1936－1945）10000次（1936－1971）M≥2.0的前震740次，餘震2580次（1966－1968）M≥2.0，1397次(1959.6－1968.12）主震震級(jí)（時(shí)間）5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23）較大地震震級(jí)（時(shí)間）4.1（42.8.11）；4.4（42.9.9）；5.0（66.3.8）；5.0（66.4.3）；5.5（66.5.4）；5.5（66.6.11）；4.5（66.12.12）5.6（63.9.23）；5.8（63.9.23）；5.5（63.9.24）；6.0（63.9.25）；5.3（63.10.5）；5.8（63.11.8）；4.2（66.4.5）；5.5（67.4.20）

地震活動(dòng)與水庫(kù)蓄水的時(shí)空相關(guān)性及其它特徵

水庫(kù)水升高到100m以上時(shí)發(fā)生地震，隨水位進(jìn)一步增高地震活動(dòng)加強(qiáng)，庫(kù)水達(dá)到正常高水位並繼續(xù)上升時(shí)發(fā)生主震，95％以上的地震發(fā)生在距水庫(kù)32km之內(nèi)，震中沿?cái)鄬臃謥?/p>

充水開始後六個(gè)月水深僅120m即發(fā)生6.3級(jí)主震。1967－1972僅有宏觀記錄，地震活動(dòng)頻率與水位高度正相關(guān)。地震活動(dòng)限於水庫(kù)區(qū)小範(fàn)圍內(nèi)

地震活動(dòng)與庫(kù)水位的變化對(duì)應(yīng)關(guān)係不明顯，但與庫(kù)底巖石中附加剪應(yīng)力超過(guò)1巴的巖石體積Vτ正相關(guān)。確切定位的159次地震大多數(shù)位於水庫(kù)範(fàn)圍內(nèi)，且絕大部分位於壩附近庫(kù)水最深的盆地中表6－1水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)重要實(shí)例印度科因納壩中國(guó)新豐江壩中國(guó)丹江口壩塔吉克斯坦努列克壩塊石混凝土重力壩，103單支墩大頭壩，105寬縫重力壩，97土石壩，305m27.08115160.51051962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m）；1981（305m）1963年地震頻率明顯增高1959.10，廣州臺(tái)記錄到來(lái)自庫(kù)區(qū)方向的2－4級(jí)地震三次；

1960.7的4.3級(jí)地震才引起重視1968.3（Ms≥2）1971較集中的出現(xiàn)於水庫(kù)西南10－15km1972.10水庫(kù)主體之下出現(xiàn)地震M≥1.0，25000次（1963－1971）M≥3.0，450次（1963－1970）M≥4.0，35次（1969－1974）ML≥0.4，297035次（1961.9－1977.12）其中ML≥1.0，12862次Ms≥0.6，33761次（1960.10.13－1987.12.11）Ms≥1.0，13643次Ms≥0.5約110次Ms≥2.053次（1968.3－1977.4）1800次（1971－1979）1.4＜M＜4.66.5（1967.12.10）6.1（1962.3.19）4.7（1973.11.29）4.6（1972.11）5.8（67.12.11）；5.4（67.12.12.06）；5.9（67.12.12.15）；5.5（67.12.13.05）；5.6（67.12.13）；5.4（67.12.24）；5.0（68.3.8）；5.4（68.10.29）；5.1（73.10.17）4.9（62.4.5）；5.1（62.7.29）；4.3（63.12.6）；5.3（64.9.23）；4.5（72.12.18）；4.5（73.12）；4.3（75.7.25）；4.7（77.5.12）；4.3（75.7.25）；4.3（81.5.4）；4.6（87.9.15）4.2（73.11.29）；4.6（73.11.30）4.2（1971.12）4.6（1972.11）4.3（1972.11）4.1（1975.3）4.1（1975.12）4.1（1976.9）

地震頻率與水位高度正相關(guān)，但地震活動(dòng)性明顯的滯後於高水位，一般3－6個(gè)月。震中集中分佈於以壩為中心的25km為半徑的範(fàn)圍內(nèi)，且以10km為半徑的範(fàn)圍內(nèi)最為密集

水庫(kù)蓄水之後地震活動(dòng)的頻率和強(qiáng)度立即有明顯提高，在1970年以前，地震頻率特別是強(qiáng)度與水位高度正相關(guān)，但比水位高峰時(shí)間滯後2－4個(gè)月，70年後相關(guān)性減弱。地震主震分佈於水庫(kù)主體中軸線兩端，以大壩附近峽谷區(qū)最密集，呈N30°W的密集帶和N70°E的密集帶，主震震中的兩帶交匯處，距大壩1.1km

庫(kù)水深達(dá)50米後（1969.12）開始有明顯地震活動(dòng)，地震頻率和強(qiáng)度與水位間有明顯的同步變化，頻率峰值滯後於水位峰值約3個(gè)月，庫(kù)容急增至最大之後1.5個(gè)月發(fā)生了較強(qiáng)震動(dòng)。地震活動(dòng)集中於丹庫(kù)主體南北兩端的灰?guī)r峽谷區(qū)，庫(kù)區(qū)週邊本世紀(jì)內(nèi)曾有6級(jí)地震，蓄水後地震活動(dòng)向庫(kù)區(qū)集中

蓄水後地震活動(dòng)超過(guò)蓄水前年平均發(fā)生率的四倍，最強(qiáng)的兩次暴雨與1972年和1976年水位分別達(dá)到105m和205m相伴。所有大地震和多數(shù)地震活動(dòng)都由水庫(kù)充水速率下降所引發(fā)，地震活動(dòng)性對(duì)充水速率降低反映迅速，滯後一般1－4日。

1970年前地震分散地發(fā)生於庫(kù)周附近，1972年後向水庫(kù)主體集中，隨庫(kù)區(qū)水位增高上游充水，地震震中也向上遊轉(zhuǎn)移圖6－3水庫(kù)誘發(fā)地震的兩類震源機(jī)制6.2.1.2科因納—新豐江型

1．科因納水庫(kù)誘發(fā)地震科因納水庫(kù)誘發(fā)地震之所以具有典型意義，就在於它是迄今為止最強(qiáng)的水庫(kù)誘發(fā)地震(0.5級(jí)，地震序列中大於5.0級(jí)的達(dá)15次)，而又是產(chǎn)生在構(gòu)造跡象最不明顯、巖層產(chǎn)狀基本水準(zhǔn)、近200a附近沒(méi)有明顯地層活動(dòng)的印度地盾德幹高原之上。庫(kù)、壩區(qū)均位於厚達(dá)1500m、產(chǎn)狀水準(zhǔn)、自古至始新世噴發(fā)的玄武巖層之上，由緻密塊狀玄武巖與凝灰?guī)r及氣孔狀玄武巖互層，凝灰?guī)r中夾有紅色粘土，滲透性不良(圖6-7)。6.3水庫(kù)誘發(fā)地震的共同特點(diǎn)

從以上典型實(shí)例描述可知，水庫(kù)誘發(fā)地震不同類型雖各有其特性，但概括起來(lái)它們卻有很多共性。這主要是這類地層的產(chǎn)生空間和地震活動(dòng)隨時(shí)間的變化與水庫(kù)所在空間和水庫(kù)水位或荷載隨時(shí)間的變化密切相關(guān)，表示介質(zhì)品質(zhì)的地震序列有其固有特點(diǎn)和震源機(jī)制解得出的應(yīng)力場(chǎng)與同一地區(qū)產(chǎn)生天然地震的應(yīng)力場(chǎng)基本相同。

6.3·1地震活動(dòng)與水庫(kù)的空間聯(lián)繫

6.3.1.1震中密集於庫(kù)壩附近通常主要是密集分佈於水庫(kù)邊岸幾km到十幾km範(fàn)圍之內(nèi)?；蚴敲芗端畮?kù)最大水深處及其附近(卡裏巴、科因納)，或是位於水庫(kù)主體兩側(cè)的峽谷區(qū)(新豐江見(jiàn)圖6-12，丹江口如圖6-25)。如庫(kù)區(qū)及附近有斷裂，則精確定位的震中往往沿?cái)嗔逊謥选Ｓ械乃畮?kù)誘發(fā)地層初期距水庫(kù)較遠(yuǎn)而隨後逐漸向水庫(kù)集中(丹江口、蘇聯(lián)的努列克)。圖6-25丹江口水庫(kù)附近震中分佈圖（1969－1975年）1、2、3、4－蓄水前天然地震，圓圈大小表示震級(jí)；5－蓄水後誘發(fā)地震；6－水庫(kù)邊界6.3.1.2震源極淺、震源體小水庫(kù)誘發(fā)地震主要發(fā)生在庫(kù)水或水庫(kù)荷載影響範(fàn)圍之內(nèi)，所以震源深度很淺。一般多在地表之下10km之內(nèi)，以4-7km範(fàn)圍內(nèi)為最多，且有初期淺隨後逐步加深的趨勢(shì)。例如我國(guó)新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震1962年至1965年5月震源深度分佈有如圖6-26所示。由於震源淺，所以面波強(qiáng)烈，震中烈度一般較天然地層高，零點(diǎn)幾級(jí)就有感，3級(jí)就可以造成破壞。我國(guó)天然地震震級(jí)與震中烈度之間，有如下的關(guān)係式M＝0.58I0+1.5其中：M為震級(jí)；I0為震中烈度。由於震源極淺，水庫(kù)誘發(fā)地震往往伴有地聲。我國(guó)有地聲的水庫(kù)誘發(fā)地震有新豐江、丹江口、南沖、佛子嶺。國(guó)外報(bào)導(dǎo)有地聲者有蒙太納、格朗格瓦爾、科列馬斯塔、康特拉、福達(dá)溪壩等等。由於震源淺且震源體小，所以地震的影響範(fàn)圍小，等震線衰減迅速．其影響範(fàn)圍多屬局部性的。

6.3.2誘發(fā)地震活動(dòng)與庫(kù)水位及水荷載隨時(shí)間變化的相關(guān)性這種相關(guān)性已被廣泛用以判別地震活動(dòng)是否屬水庫(kù)誘發(fā)地震。一般是水庫(kù)蓄水幾個(gè)月之後為微地震活動(dòng)即有明顯的增強(qiáng)，隨後地震頻度也隨水位或庫(kù)容而明顯變化，但地震活動(dòng)峰值在時(shí)間上均較水位或庫(kù)容峰值有所滯後。我國(guó)幾個(gè)水庫(kù)誘發(fā)地震蓄水開始與微震活動(dòng)加強(qiáng)有如表6-3所示的關(guān)係。水庫(kù)名稱震級(jí)（Ms）震源深實(shí)際震中烈度計(jì)算震中烈度造成的破壞丹江4.79ⅦⅥ-損壞房間1904間，倒?fàn)?05處前進(jìn)3.03ⅤⅢ-有掉瓦現(xiàn)象南沖2.86ⅤⅡ+掉瓦，個(gè)別房屋裂縫表6-2我國(guó)某些水庫(kù)誘發(fā)地震震中烈度比較水庫(kù)名稱蓄水時(shí)間地震活動(dòng)加強(qiáng)時(shí)間間隔時(shí)間新豐江丹江口前進(jìn)南沖柘林佛子嶺1959.101967.111970.51967.71972.11954.61959.111970.1①1971.101967.81972.101954.1212417196①1970.1是根據(jù)三峽站記錄地Ma≥1.2的地震。較小地震因庫(kù)區(qū)無(wú)臺(tái)未能測(cè)得，此值不可靠據(jù)另一種資料最早為1968.3.則間距為4月。表6－3

水位的急劇上升與急劇下降，特別是急劇下降，往往有較強(qiáng)地震產(chǎn)生。例如丹江口的4.7級(jí)地震即產(chǎn)生在水位急劇上升後的急劇下降期，新豐江水庫(kù)1977年的4.7級(jí)震也產(chǎn)生在水位急劇下降期(見(jiàn)圖6一11)。6.3.3水庫(kù)誘發(fā)地震序列的特點(diǎn)既然水庫(kù)誘發(fā)地震有水的活動(dòng)和水庫(kù)荷載參與，這一特點(diǎn)必然在地震序列中有所反映。根據(jù)多個(gè)水庫(kù)誘發(fā)地震序列的研究，它們的特點(diǎn)如下：

(1)水庫(kù)誘發(fā)地震以前震極豐富為特點(diǎn)，屬於前震餘震型(茂木2型)，而相同地區(qū)的天然地震往往屆主震餘震型(茂木1型)(圖6—27)。以新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震為例，從蓄水到主震發(fā)生的39個(gè)月內(nèi)，共記錄到從＞o．4的前震81719次。過(guò)去認(rèn)為天然的大地震都是突然發(fā)生的屬主震餘震型，近來(lái)以高倍率地震儀測(cè)知，大地震都是有前震的，只是前震小而少，因而常被忽略。與水庫(kù)誘發(fā)地震相比，天然地震前震小而少就很突出了。茂木2型地震序列表明介質(zhì)不均勻，被斷裂切割為多個(gè)塊體，且應(yīng)力分佈也是不均勻的，這是由於水庫(kù)蓄水使巖體弱化所致。

(2)水庫(kù)誘發(fā)地震餘震活動(dòng)以低速度衰減，例如我國(guó)新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震，1960年10月18日新豐江水庫(kù)設(shè)立第一個(gè)地層臺(tái)開始至1987年12月31日止，已記錄到從＞0.6級(jí)地震337461次，活動(dòng)時(shí)間持續(xù)至今，整個(gè)活動(dòng)期已30餘年，科因納水庫(kù)地震活動(dòng)迄今仍未停止。

主震t天後，餘震次數(shù)n（t）可以下式表示：

n（t）=n1t-p（6－2）其中n1為常數(shù)，p表示衰減速度。所有天然地震p＞1.3，而水庫(kù)誘發(fā)地震則總是小於1.3且一般情況下小於l。例如我國(guó)新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震p＝0.9；又如我國(guó)丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)的p值為1.1，相同地區(qū)的天然地震少值高達(dá)1.92。

(3)頻度震級(jí)關(guān)係式中b值高和最大餘震與主震震級(jí)比值高，主震震級(jí)不高，已有實(shí)例小於或等於6.5。

天然地震的前震，其額度與震級(jí)關(guān)係式(1gN=a-bM)中b值都低，一般為0.3一0.5，表明介質(zhì)為高強(qiáng)度．以脆性破壞方式發(fā)震。同一個(gè)地震序列的餘震則有所不同，b值總是較前層b值為高，表明主震後介質(zhì)因破裂而強(qiáng)度降低，破壞方式為粘滑。水庫(kù)誘發(fā)地震與天然地震不同的是前震、餘震b值極其相近，且一般都大幹1，大大高於同區(qū)的天然地震的b值(表6-4)。所以整個(gè)水庫(kù)誘發(fā)地震序列近似於“餘震”的系列，其b值表明介質(zhì)強(qiáng)度甚至比天然地震

餘震者還低，可以認(rèn)為是庫(kù)水的作用使介質(zhì)的強(qiáng)度進(jìn)一步降低所致，表6-4中最大餘震Ms與主震Mm之比值近於1，Mm-Ma＜1均表明介質(zhì)的不均質(zhì)和強(qiáng)度低的特點(diǎn)。介質(zhì)強(qiáng)度甚至比天然地震餘震者還低。應(yīng)該指出，在天然地震為高b值的地區(qū)，水庫(kù)誘發(fā)地震卻可出現(xiàn)低b值。例如美國(guó)加州天然地層序列b值高達(dá)0.8—1.02，而可能用於水庫(kù)誘發(fā)地震的奧洛維爾1975.8.1的5.7級(jí)地震序列部b值僅為0.55；安德遜水庫(kù)的地震間隙處1973.8.3發(fā)生的4．7級(jí)地層序列b值也較該處天然地層序列b值低40％。6.3.4水庫(kù)誘發(fā)地震的震源機(jī)制解根據(jù)所有研究過(guò)的水庫(kù)誘發(fā)地震的震源機(jī)制服應(yīng)指出以下值得注意的兩點(diǎn)：

(1)由震源機(jī)制解得出的應(yīng)力場(chǎng)，與天然地震應(yīng)力場(chǎng)或根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特徵判定的應(yīng)力場(chǎng)相同。

(2)水庫(kù)誘發(fā)地震震源機(jī)制主要為走向滑動(dòng)型和正斷型兩種，且前者多於後者。屬於逆沖型機(jī)制者極共少見(jiàn)，蘇聯(lián)努列克水庫(kù)南側(cè)的誘發(fā)地層為逆沖斷層型的少數(shù)實(shí)例之。

據(jù)新豐江水庫(kù)誘發(fā)地層餘震的震源力學(xué)研究，該處水庫(kù)誘發(fā)地層震源機(jī)制以沿北北西向斷裂的走向滑動(dòng)為主，而後期則以北北西向斷裂帶上的正斷型傾向滑動(dòng)為主，表明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力經(jīng)主震釋放之後，庫(kù)水荷重在誘發(fā)中占了主導(dǎo)地位。6．4水庫(kù)誘發(fā)地震的誘發(fā)機(jī)制水庫(kù)誘發(fā)地震的確切誘因現(xiàn)在尚未完全查明，但已有震例已經(jīng)以充分資料證明，這類地震不是由於水庫(kù)荷載直接造成的．而是水庫(kù)的某種作用間接誘發(fā)的(indirectlyinduced)。亦即水庫(kù)的某種作用迭加於已有的天然應(yīng)力場(chǎng)之上，使水庫(kù)蓄水前由於自然作用積累起來(lái)的應(yīng)變能較早地以地震的方式釋放出來(lái)。這方面的證據(jù)最主要的有以下兩點(diǎn)：

(1)根據(jù)水庫(kù)誘發(fā)地震震源機(jī)制解得出的應(yīng)力場(chǎng)與該區(qū)天然地震應(yīng)力場(chǎng)或根據(jù)近期活動(dòng)構(gòu)造所得出的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)完全一致．說(shuō)明產(chǎn)生地震的應(yīng)力場(chǎng)並非是由於水庫(kù)荷載產(chǎn)生的，而是近期構(gòu)造活動(dòng)天然形成的。

(2)震源區(qū)由於水庫(kù)荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力增量一般是很小的，單獨(dú)不足以使巖體破壞或使巖體中已有斷裂面的兩側(cè)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)。

6．4．2水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)底巖體的各種效應(yīng)概括說(shuō)來(lái)，水庫(kù)蓄水以後對(duì)庫(kù)底巖體可以產(chǎn)生以下三