从岩石水力学观点探讨水库诱发地震机理.pdf

'四川建筑科学研究第38卷第3期l50SichuanBuildingScience2012年6月从岩石水力学观点探讨水库诱发地震机理谢向东，李彦强，秦丽，汪轩(1．湖北文理学院建筑工程学院，湖北襄樊441053；2．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010；3．中国建筑第七工程局有限公司总承包公司，河南郑州450004)摘要：zg库诱发地震机理的研究目前还停留在定性的层面上，没有进行系统的理论推导和计算。本文从岩石水力学观点出发推导了水体荷载、孔隙水压力和水岩物理化学作用诱发地震的数学模型，并以丹江口水库为例进行了计算，得出了一些很有价值的规律，为水库诱发地震机理研究提供了理论指导。关键词：水库诱发地震机理；水体荷载；孔隙水压力；水岩物理化学作用中图分类号：TU375．4文献标识码：A文章编号：1008—1933(2012)03—150—04Mechanismofreservoirinducedearthquakeoriginatingfromtheviewpointofrock．hydraulicsXIEXiangdong，LIYanqiang，QINLi，WANGXuan。(1．SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，HubeiUniversityofArtsandScience，Xiangfan441053，China；2．TheYangtzeRiverSurveyPlanningandDesignInstituteCo．，Ltd．，Wuhan430010，China；3．GeneralContractingCompanyofChinaConstructionSeventhEngineeringDivisionCrop．Ltd．，Zhengzhou450004，China)Abstract：StudyonthemechanismofreservoirinducedearthquakehasjuststayedatthcqualitativelevelSOfarwithoutsystematictheoreticalderivationandcalculation．Inthepaper，themathematicalmodelsofinducedearthquake，whichayeluredbywaterload，porehydraulic—pressure，physicalandchemicaleffectsofwaterandroch，werededucedandhavebeenverifieatedwiththeDanjiangkOUReservoir．Somevaluableridesweredrawnthroughcalculating，whichprovidestheoreticalguidanceforthemechanismresearchofreservoirinducedearthquake．Keywords：mechanismofreservoirinducedeaahquake；waterload；porehydraulic—pressure；physicalandchemicalefectsofwaterandroch的物理化学作用等，都是产生地震的重要因素。所0引言以到目前为止，国内外学者对水库诱发地震机理的水库不是造成诱发地震的力源，可是，在一定条研究也都集中在这几个方面，而且只是停留在定性件下，水库蓄水确实能够改变库区的地震活动。当层面上，没有进行系统的理论推导和计算。所以本然，有许多因素控制了诱发地震是否发生以及在何文从岩石水力学的观点出发推导库水的各种作用诱处发生。其中有的因素来自水库系统之外，如库区发地震的数学模型，并进行定量的计算。的构造地质条件、水文地质特征、构造应力积累程度1水库诱发地震机理的数学模型和断裂的分布等。再有，一旦确实发生了诱发地震，地壳对水库响应的反馈因素也将对诱发地震的发展按照水库蓄水和地震活动性的时间差可以把水起作用⋯。虽然外部条件和反馈因素在决定诱发库诱发地震分为快速响应型和滞后响应型，快速响地震的发生和发展方面起了不可忽视的作用，但是，应型主要是由水体荷载引起，滞后响应型是水体荷水库地震的诱发作用却首先来自水库蓄水，诸如水载、孔隙水压力以及水岩物理化学作用的综合作用库荷载的作用，孑L隙水压力效应和库水对库基岩石引起J。本文分别按照这两种类型进行讨论。1．1快速响应型收稿日期：2011—10-08一部分水库开始蓄水后很快就发生了地震，且作者简介：谢向东(1975一)，男，河南南阳人，博士，讲师，主要从事工程力学计算研究。这些地震与库水荷载密切相关。这一类地震称为快E—mail：xiangdongxie@163．conl速响应型水库诱发地震。快速响应型水库地震的活 2012N0．3谢向东，等：从岩石水力学观点探讨水库诱发地震机理151动性取决于库底岩体的构造：正断型、走滑型、逆断+，，+v(5)型引。下面，分别以三种断裂构造进行讨论。将(5)式代人(3)式并整理得：sin~b<0，实际1．1．1正断型上内摩擦角是不可能小于零的，所以，库水荷载不会取库基下深度为z处的点A为研究对象，其上引起走滑型断裂的滑动。库水深为日，库水容重为7(图1)，则由库水荷载1．1．3逆断型引起的附加垂向应力和侧向应力分别为：叠加水体荷载后，岩体第一、三主应力分别为：v壶w，crhv()+s，+v(6)设蓄水前A点第一、三主应力为，，，则蓄水将(6)式代人(3)式并整理得：后叠加库水荷载后为：>÷(1+sin(~)-+，s+v(2)由该式子可以看出，当内摩擦角为零的时候，泊松比也要大于0．5才能引起逆断型构造的滑动，这对于浅层岩体也是不可能的，所以，库水荷载不可能引起逆断型断裂构造的滑动。1．2滞后响应型滞后响应型水库诱发地震往往发生在水库蓄水图1水库诱发地震模型图2叠加库水荷载后的状态相当长一段时间后，甚至发生于水库经历了多次周Fig．1ThemodelofFig．2Theconditionwith期涨落变化之后。水库蓄水后随着库水的渗透，岩reservoirinducedsuperimposedloadofearthquakethereservoirwatre体裂隙中孔隙水压力增大，相应降低了作用在裂隙面上的有效正应力，同时水岩物理化学效应使岩体由图2可以看出：叠加库水荷载后的应力圆半断裂面及充填物软化和泥化，这些因素导致断裂构径大于0"1A时，A点岩体趋于更不安全状态，即造抗剪强度的降低，从而诱发地震【4J。华>+下面分三种情况讨论。1．2．1正断型f、2一21，×in+(3)分析过A点(图1)与，成角的平面上所受正应力、剪应力以及抗剪强度在蓄水前后的变化：将(2)式代人(3)式并整理得：蓄水前：O"n：华+cos2d<÷(1一sin+)(4)1一3．(4)式即为在水体荷载作用下岩体趋于更不稳．『n——sm2oL定状态所需的条件，具体见表1。抗=C+tg表1水体荷载作用下正断型构造趋于蓄水后：不稳定的条件A点的附加垂向应力和侧向应力仍为(1)式所Table1UnstableconditiOIlSofnormalfaultstructure示。underwaterload孔隙水压力：尘!：：：竺：：P=(H+z)(7)三：兰!：!：兰：兰Q：!则A点第一、三主应力以及斜截面上应力为：，，1or1+一P由(4)式和表l可以看出，对于正断型构造，库，『3+p8水荷载能不能使岩体趋于不稳定与此处的附加应力一(水体荷载引起)大小无关，只取决于岩体的内摩擦1七o31一o3角和泊松比。岩体的内摩擦角越大，泊松比越小，库——一十———COSZ~水荷载引起正断型构造滑动的可能性越大。=O"n—p+芝二+芝二×1．1．2走滑型叠加水体荷载后，岩体第一、三主应力分别为：cos2(9) 152l~Jnl建筑科学研究第38卷丁Ⅳ=sin2●n^L‘or一华cr"l+)+T2：(华O-ttl-)+o*在切点=，n，=，，抗代人式(14)与(15)联n+而vsi以合方程组得一元二次方程：由式(1)，(7)可知：(1+tg咖)(r，n)+[2c”tg”一(+，3)]，n+P>>一+c：0(16)所以由(9)式可以看出：由于最终莫尔圆与最终强度包络线相切，方程(16)，『n<有唯一解，即：由<0．5，<90。可知：2(1in2>0=一)⋯“n蔫)所以由(1o)式可以看出：将式(1)，(8)代人式(17)并整理得：／r，『n>丁，，L，『n：{27rZ(1一)(l+3—2Zy一2Ctg+”)+、0m，、l¨、2又因为：[3—4,rrZ2(1一)]T}／{47rZ抗=C+tr"．tg~b(1一)(1+tg2~b”)}(18)其中，C”和”分别为经水岩效应后介质的粘聚力将式(1)代人式(9)并使之与式(18)相等得：和内摩擦角，由水岩效应知识和式(11)可知：月_正={27rZ(1一)[1+3—20-+2(Zy一C”