金沙江虎跳峡河段高坝工程地质构造环境分析

金沙江虎跳峡河段高坝工程地质构造环境分析

1虎跳峡高坝建设方案国家批准的江龙峡谷引水改造方案为“一库八库”。主管水库位于云南省香格里拉县和丽江县，具有巨大的开发价值，如发电、防洪和供水。龙头水库比选坝址达8个之多,均为高坝,可以分为虎跳峡高坝建设方案和替代虎跳峡高坝建设方案。其中,虎跳峡高坝建设方案的比选坝址有下峡口、上峡口、龙蟠、石鼓、红岩共5个;替代虎跳峡高坝建设方案的比选坝址有上江、塔城、其宗共3个(图1)。虎跳峡河段位于青藏高原东南侧,具有十分复杂的区域构造环境,是地震活动频繁地区。该地区兴建高坝,构造稳定性是关乎工程安全、经济合理最为重要的因素之一,在某种程度上影响到高坝建设的可行性。尤其是汶川“5.12”地震发生后,水坝工程的抗震安全越来越受到人们的重视。因此,开展复杂构造环境条件下高坝建设可行性研究具有十分重要的意义,也是该河段水电开发过程中的重大技术课题。本文依据近期大量的野外地质调查、区域地震地质资料等,分析了该河段区域活动性断裂特征,从工程区域构造稳定性方面讨论了复杂构造环境条件下高坝建设的可行性,为该河段水电开发方案论证提供技术依据。2该段的结构稳定性2.1断裂体系及地质条件虎跳峡河段在大地一级构造单元上处于扬子准地台的西北侧、松潘-甘孜褶皱系的西南隅。在二级构造单元上,河段跨越了中甸-义墩优地槽褶皱带和盐源-丽江台缘坳陷2个单元。河段内发育的大型褶皱主要有:哈巴-玉龙复背斜、硕多岗复向斜、石鼓复背斜、陇巴复背斜等,轴向近北向,长度40～150km。断裂发育,规模巨大,长度50～200km,宽度30～110m。邻近或穿越河谷的较大断裂主要有:金沙江断裂(F9)、金沙江东支断裂(F10)、中甸-龙蟠-乔后断裂(F16)、小中甸-大具断裂(F15)、大具-丽江断裂(F17)、德钦-中甸断裂(F14)、长松坪-文明断裂(F13)等。虎跳峡河段处于金沙江中游,河谷山峰高程4000～4500m,金沙江河谷谷底高程1610～1950m。河段内山脉走向和水系与区域构造线相近,地层主要为古生界至新生界,厚度及岩性变化大,西部及金沙江断裂带伴有多期岩浆岩侵入,大部分河段岩层走向与河谷斜交或平行。虎跳峡大峡谷地带和其宗上游河谷呈峡谷形态,谷坡陡峭,河床狭窄,水流湍急;龙蟠-其宗河段的河谷比较开阔,河床宽度一般500～800m。金沙江河床覆盖层厚度40～250m,大峡谷地带相对较浅,龙蟠及其以上河段覆盖层深厚。河段谷坡零星发育滑坡、崩塌、泥石流等不良地质体。2.2断裂带强度及最近距离经调查,虎跳峡河段自西向东发育的活动性断裂主要有:维西-乔后断裂(F7)、中甸-龙蟠-乔后断裂(F16)、小中甸-大具断裂(F15)、德钦-中甸断裂(F14)、大具-丽江断裂(F17)、小金河-丽江断裂(F18)等。这些活动性断裂对地震活动有明显的控制作用,多数发生过Ms≥6级的地震。上述活动性断裂的基本特征如下:(1)维西-乔后断裂(F7),长度约150km,走向NNW,断裂带物质经热释光测龄,距今(2.09±0.17)×104a。据史料记载,1948年6月27日在马登附近,该断裂带曾发生6.25级地震。(2)德钦-中甸断裂(F14),长度约220km,走向310°～330°,断裂带物质经热释光测龄,距今(2.17±0.19)×104a。据史料记载,该断裂带多次发生Ms≥6级地震,如1961年6月27日在中甸附近发生6级地震,1966年在中甸东南发生6.4级地震等。(3)小中甸-大具断裂(F15),长度约110km,走向310°～340°,晚更新世以来断裂活动明显,地貌上形成断裂谷和槽地,控制小中甸、大具盆地边界及老狼等几个小盆地的发育。据史料记载,该断裂带多次发生Ms≥6级地震,如1933年6月7日在小中甸以东发生6.3级地震。(4)中甸-龙蟠-乔后断裂(F16),长度约210km,走向NNW～NNE,晚第四纪以来断裂活动明显。据史料记载,该断裂带多次发生Ms≥6级地震,如1961年发生6级地震,1688年发生6.25级地震和1751年发生6.75级地震等。(5)大具-丽江断裂(F17),长度约50km,走向近SN,断裂带物质经热释光测龄,距今(9.03±0.69)×104a。据史料记载,该断裂带多次发生Ms≥6级地震,如1996年2月3日丽江7.0级大地震。(6)小金河-丽江断裂(F18),长度约170km,走向NE,该断裂带是一条中强地震活动带,历史上曾多次发生5.0～5.9级地震,如1976年和1998年在宁蒗东北先后发生6.4级和6级地震,1951年剑川发生6.2级地震等。上述活动性断裂与河段内各比选坝址的最近距离见表1。可见,下峡口、上峡口、龙蟠3个坝址紧邻活动性断裂(F15、F16、F17),最近距离1～3km;石鼓和红岩坝址距离活动性断裂最近距离10～12km;上江、塔城、其宗3个坝址距离活动性断裂最近距离20km。因此,虎跳峡河段内活动性断裂对下峡口、上峡口、龙蟠3个坝址影响最大;其他5个坝址远离活动断裂,坝址所处的地块相对稳定。2.3地震特征(1)段内地震活动水平及危险性地震频度虎跳峡河段各比选坝址皆位于鲜水河-滇东地震带内。河段内最早记录到的地震是1474年发生在云南省鹤庆县的5.5级地震。到2007年,河段内记录到的破坏性地震共128次,其中有2次7.0～7.9级地震;20次6.0～6.9级地震;81次5.0～5.9级地震;25次4.7～4.9级地震。可见,河段内地震活动水平和破坏性地震频度均很高。尽管如此,进一步分析发现,河段地震活动的空间分布极不均匀,强震主要集中在河段中南部的中甸-丽江-剑川-洱源地段和永胜-宾川地段,该地段是川滇菱形块体的西部边界(中段),是西边界地震活动最为活跃的地区。(2)历史地震对下峡口址的影响虎跳峡河段历史地震对各坝址的最大影响烈度见表2。由表2可见,历史地震对下峡口坝址的最大影响烈度达到Ⅸ度;上峡口坝址Ⅷ度;龙蟠、石鼓、红岩、其宗坝址Ⅶ度;上江、塔城坝址Ⅵ度。2.4场地构造稳定性分析根据历史地震最大影响烈度、区域活动性断裂距坝址的距离、近场区地震活动水平等资料,对虎跳峡河段各比选坝址场地构造稳定性进行分析,结果见表3。由表3可知,下峡口、上峡口、龙蟠坝址区域稳定条件属于稳定性差区;石鼓、红岩坝址属于稳定性较差区;上江、塔城、其宗坝址属于稳定性好区。3各比选址坝型金沙江虎跳峡河段龙头水库大坝坝高达250～330m级水平,具世界前沿水平。依据河段地形地质条件和天然建筑材料的分布、种类、质量、储量等条件,各比选坝址拟采用的坝型分别为:下峡口、上峡口坝址主要为拱坝;龙蟠及其上游各坝址主要为心墙堆石坝。在强震区或强地震影响区建设高坝是否可行,一直是学术及工程界关注的问题。结合坝型并对比已建同级别高坝构造环境,讨论高坝建设的可行性。3.1基础建设方面对拱坝施工设计的启示虎跳峡上峡口坝址为高拱坝建设方案的代表性坝址之一。坝址河谷狭窄,谷坡呈“V”字型,坝基基岩为大理岩、石英岩、玄武岩变质的片岩等,岩质坚硬,初拟布置混凝土双曲拱坝,坝高276m。国内外已建、在建和拟建较为典型的高拱坝的构造环境见表4。由表4可见,该工程在坝高方面比已建成的小湾水电站低16m,比在建的锦屏一级水电站低29m;与在建的溪洛渡水电站、已建成的格鲁吉亚Inguri水电站的规模基本相当,仅筑坝技术上可以充分参考上述工程的经验。在区域稳定性条件上,上峡口坝址区域稳定条件差,小中甸-大县活动断裂(F15)距离坝址仅3km,历史地震对坝址的最大影响烈度达到Ⅷ度,工程场地为强地震区。在高烈度区建设高拱坝必须做好坝体自身的抗震安全设计,同时,也需要对两岸山体边坡加固做好抗震安全设计。进一步分析发现,国内外高拱坝经历较强地震的主要有:沙牌拱坝,坝高132m,大坝距汶川8级大地震震中30km,坝体完好无损,经受住了强烈地震的考验;台湾德基拱坝,坝高181m,经历了1999年台湾7.8级大地震,坝体和坝座基本无损,仅出现坝基渗漏量明显增大和右坝肩护坡岩体开裂;美国Pocoima拱坝,坝高113m,遭受了1971年6.6级和1994年6.8级2次强震的影响,坝体产生了局部损伤;罗马尼亚Vid·Arges拱坝,坝高167m,经受了1977年7级强地震等。综上所述,拱坝遭受的主要震害为坝坡岩体变形、坝基渗漏、坝体局部损伤等。虽然如此,由于该坝址工程场地为强震区,高拱坝建设存在较大的地震安全风险,需加强这一领域的研究工作。3.2心墙堆石坝坝体地震风险分析龙蟠及其上游各坝址河谷多宽阔,河床覆盖层深厚,厚度100～250m,工程区各类天然建筑材料丰富,适宜布置心墙堆石坝,坝高250～330m。国内外已建、在建和拟建的坝高大于200m的心墙堆石坝工程特性见表5。由表5可见,目前国内在建的堆石坝最大坝高314m,为双江口水电站;国外建成的堆石坝最大坝高300m,为塔吉克斯坦Hypek水电站。虎跳峡河段高土石坝和这些大坝相比,规模相当,而且这些工程的设防地震烈度均较高,因此可充分参考这些水电站的筑坝技术,选用适宜的抗震工程措施。国内外心墙堆石坝经历较强地震的主要有:碧口心墙堆石坝,坝高101.8m,汶川8级大地震未对其造成严重损害,坝体主要出现了轻微的水平位移和坝基沉降变形;日本Takami心墙堆石坝,坝高120m,2003年北海道8.1级强烈地震造成大坝坝顶开裂,长度160m,宽度5cm,但深度小于1m,对心墙没有形成危害;墨西哥EiInfiemillo心墙堆石坝,坝高150m,1979年7.6级和1989年8.1级地震对大坝造成永久变形,前一次造成坝顶水平位移0.044m、竖直位移0.128m,后一次造成坝顶水平位移0.025m、竖直位移0.049m。综上所述,心墙堆石坝的主要震害为:震陷和水平永久变形、坝体和坝面浅层滑坡、坝基液化和反滤料液化、漫顶溃坝等。目前,尚未有超过200m高心墙堆石坝的工程震害实例报道,有待于经历强震的检验。龙蟠及其上游各比选坝址,从下游到上游依次比选的坝址分别为龙蟠、石鼓、红岩、上江、塔城、其宗等,这些坝址分别处在强震区或强震影响区,各坝址建设高坝的可行性分析见表6。由表6可知,龙蟠坝址距离中甸-龙蟠-乔后活动性断层(F16)仅1km,坝址所处的构造地块稳定性差,工程抗震风险大,建设高土石坝的适宜性差。石鼓、红岩坝址距离中甸-龙蟠-乔后活动性断层(F16)最近距离分别为10,12km,近场区曾发生多次5～5.9级地震,坝址区域构造稳定性均较差,建设高土石坝的适宜性较差。上江、塔城、其宗坝址距离活动性断层较远,构造稳定性好,地震烈度较小,各坝址的抗震设防技术均未有超过国内外技术水平,抗震工程技术相对比较成熟,建设高土石坝的适宜性较好。综上所述,虎跳峡河段8个比选坝址中,从工程抗震技术的难易程度方面分析,上江、塔城、其宗3个坝址由于地震烈度较低、距活动性断裂较远,坝址所处地块相对稳定,因此坝址最优;其次为石鼓、红岩坝址;下峡口、上峡口、龙蟠3个坝址因为地震烈度较高,距离活动性断裂较近,坝址所处地块稳定性差,工程抗震技术难度最大。4大坝震害时区域场地变化金沙江虎跳峡河段水电开发方案为“一库八级”,主要比选虎跳峡高坝方案和替代虎跳峡高坝方案。其中,下峡口、上峡口、龙蟠坝址,距离活动性断裂近,近场区地震活动较频繁,区域稳定性差;石鼓、红岩坝址的地震烈度为Ⅶ