6水库诱发地震活动的工程地质分析2012.ppt

6.4.1.2水库的荷载效应 水库对库底岩石的荷裁效应是最易理解的，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。 6.4.1.3 空隙水压力效应 丹佛废液处理井的诱发地震是空隙水 压力效应的极好实例。在这里没有荷裁效应，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 τ＝C十(σn一pw)tgψ (6-3） 式中： τ为抗剪强度；c为内聚力； σn为正应 力；pw为空隙水压力， ψ为内内摩擦角。 6.4.2 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(σv)，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σH＝(μ/(1- μ)) σv，如波松比μ取0.3，则 σH ＝0.43σv 。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6-32所示，正断型时由于σv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0.43 σv ，莫尔园加大并稍向左移，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σv迭加于垂直的中间主应力之上，莫尔因大小没有变化，但水平的最大、最小主应力同时都增加了0.43σv ，致使莫尔园右移，使稳定状况稍有改善。 潜在逆冲型则由于σv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0.43 σv ，结果是莫尔园减小并右移，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。 图6－32 假定无限延伸的水库位于有大间距裂隙的坚硬岩石介质之上，当区域应力场类型不同时，荷载效应和空隙水压力效应所引起的震源体稳定性的变化〔据斯诺（Snow），1976〕 中间表示三向应力状态（σ1、σ2、σ3的方位）；右侧表示可能的错断方式；左侧表示稳定性的变化，下角标V、H分别代表垂直与水平；a、b分别代表荷载和空隙水压力的影响 1－蓄水前的应力状态；2－叠加了荷载效应（瞬时的）的应力状态；3－叠加了荷载和空隙水压力效应后的应力状态（最终状态） 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γh(γ为水的容重，h为水库水深)，则其值近似等于σv 。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。 上述两种效应迭加后，震源岩体稳定性最终变化如下：潜在正断型强烈恶化，走向滑动型因为荷载效应使莫尔圆离开包络线的距离小于空隙水压力效应使之接近包络线的距离，故最终结果是有所恶化。 潜在逆冲型的莫尔圆因荷载效应使之离开包络线的距离大致等于空隙水压力效应使之接近包络线的距离，但是荷载效应使改变了的莫尔圆小于原始莫尔圆，所以最终稳定程度稍有改善。 已有的地应力测定结果的75％属水平应力大于垂直应力的情况，这也就是绝大多数水库蓄水后地震活动性没有明显变化的原因。甚至可以有天然应力状态下有地震活动，蓄水后地震活动反而减小的情况。 6.4.3 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，所以水位升高后空隙水压力是逐步升高。 图6-33 无限延伸水库（a）和有限延伸水库（b）的荷载应力（L）和空隙水压力的水平方向变化示意图 （据辛普森Simpson，1976） 空隙水压力用随渗入时间的增长（t1－tn）不断升高的线以（ptw1－ ptwn）表示；M1－Mn分别代表t1－tn时空隙水压力与荷载应力相等的点 由于荷载效应是瞬时效应，空隙水压力效应是滞后效应，所以水位变化特别是突变会改变这两种应力的比。持续高水位以后水位突然降落最应引起注意。长时期保持高水位将使空隙