三峡工程地质研究综述

三峡工程地质研究综述陈德基摘要:三峡工程地质勘察与研究长达半个多世纪，历经了众多的历史阶段，吸引了无数中外地学工作者的参与和关注。本人对三峡工程地质勘察的历史作了简要回顾，全面扼要地介绍了三峡工程建设中主要的地质问题的研究思路、方法和工作内容，并从这一特大型工程的地质勘察与研究中，总结出了几点基本经验，供从事大型水利水电工程勘察的同仁借鉴和思考。一、勘察工作历史回顾长江三峡地区，地处我国中部，交通比较方便，且地层出露齐全，对它所进行的现代地质学研究最早可追溯到19世纪末叶，较系统的地质调查则开始于上世纪20年代。上世纪40年代中期，原资源委员会全国水力发电工程总处和美国垦务局合作，曾作过扬子江三峡工程计划的勘测设计。这是三峡工程最早的专门性工程地质勘察工作。新中国成立后，三峡工程逐步开始了全面的综合性地质勘察研究，大体经历了以下几个重要时段。1952～1955年，长江水利委员会多次组织进行了宜昌——奉节河段查勘。除40年代已概略研究过的南津关——石牌河段外，又增选了黄陵背斜核部的结晶岩河段作为三峡工程建设的比选河段。1956～1960年，配合三峡工程的规划和初步设计要点，开展了基础地质研究和坝区、坝段比较的勘察，先后在南津关石灰岩坝区和美人沱结晶岩坝区选出了15个坝段进行比较。1959年初设要点报告通过后，即开始集中力量在选定的三斗坪坝址开展了早期初步设计阶段的地质勘察研究。受国家的委托，原地质部承担了这一时期主要的地质勘察与研究工作。1958～1961年，国家组织了全国规模的三峡科研工作，先后有30多个生产、科研和教学部门，数百名地学工作者，围绕三峡工程建设有关的地质问题，开展了多学科的专题研究。我国许多著名的地质学家、地理地貌学家、地震学家、工程地质及岩石力学专家，都直接指导和参加了这一阶段的研究工作。本阶段是三峡工程地质工作的一个重要时期，取得了大量的基本资料和成果。1961～1979年期间又在河谷较窄的河段上重新选择三峡工程的坝址。重点勘察研究了结晶岩河段中河谷较窄的太平溪坝址。这一时期，还重点加强了区域地震地质条件和地震活动性的研究，库区勘察工作的重点也转移到了库岸稳定性的研究上。1979年，经国家审查批准，选定了三斗坪坝址，从此，三峡工程的地质勘察进入了一个新的阶段。从1979年至1985年，围绕三斗坪坝址的设计优化和方案比较，以及相应的工程地质问题进行工程地质勘察、岩石力学试验及专题研究工作；为适应葛洲坝工程兴建后天然建筑材料场地情况的变化，选择了一批新料源和料场进行勘察研究；利用航天和航空遥感图像、区域重力、航磁测量、多年来的测震和断裂定点变形监测成果，扩大和深化了区域地壳稳定性和地震活动性的研究；系统地对库区干流段大型崩塌、滑坡进行了调查、稳定性分析及滑坡入江涌浪的模型试验和计算。1986年～1989，三峡工程重新论证期间，地质地震专题专家组以区域地壳稳定性、水库诱发地震危险性及库岸稳定性3个专题作为论证工作的重点。长江水利委员会与地矿部、中国科学院及有关高等院校，围绕论证专题，再次开展了科研大协作。在此期间，国家“七五”重点科技攻关计划中，也将三峡工程建设的重大科学技术问题列入项目进行研究。上述两个方面平行进行并互为补充的研究，从广度和深度上，都将三峡工程地质地震问题的研究水平大大推进了一步。1991～1992年，长江水利委员会根据论证的主要成果，先后完成了《长江三峡水利枢纽可行性研究专题报告》和《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》。1992年4月第七届全国人民代表大会第五次全体会议审议通过了兴建三峡工程的决议。1994年12月14日，三峡工程正式动工兴建，地质工作进入了紧张而繁杂的施工地质工作阶段。三峡工程开始后，为确保施工的顺利进行，在前期勘测工作的基础上，又有针对性地提出了10余项地质专题和勘测技术方法，列为施工专题进行研究，如大江河床断裂构造，坝区河床演变与深槽成因，主要断裂及大岩脉工程地质特性与处理措施，建基面岩体质量快速检测，永久船闸高边坡地质概化模型及变形趋势分析，高边坡变形影响因素分析，高边坡超前地质预报，三峡工程地质信息系统等；同时针对左厂1～5机组坝段缓倾角结构面和坝基深层抗滑稳定，升船机上闸首抗滑稳定问题，创造性地采用特殊勘探方法加以研究并取得了突破性进展。同时在近10年的施工期间，配合施工完成了大量的施工地质工作，仅施工地质简报一项，至2002年底，共编制简报689期，发送给设计、施工、监理等单位，总字数达250万字。上述专题研究，补充专项勘察及施工地质工作，为保证施工的顺利进行和工程运行的安全起到了重要作用。1955年至1960年，前苏联政府曾派遣了大批专家，参与长江流域规划和三峡工程早期的规划设计工作。70年代末我国实行改革开放政策以来，三峡工程的国际合作迅速扩大，先后有捷克、美国、瑞典、加拿大、意大利、日本、法国等国的专家、学者，参与三峡工程有关地质问题的技术合作、咨询与交流，对推进三峡工程地质地震问题的研究，起到了重要的作用。目前三峡主体工程的主要部分均已完建，并将于2003年实现第一批机组建成发电，主体工程的施工实践表明，前期勘察所作出的主要地质结论正确，具有很高的水平和预见性，得到众多方面的一致好评。二、主要地质问题研究的技术路线与方法三峡工程的地质研究，主要围绕工程建设关系密切的五个关键性地质问题进行。研究内容包括：区域地质、区域地貌、第四纪地质及新构造运动、地震及地震地质、深部地球物理、水库及坝址工程地质和水文地质、岩(土)体物理力学特性、矿产地质、环境地质、天然建筑材料等与工程建设有关的各类地学问题。采用了地面地质、遥感地质、深部地球物理勘探、钻探、硐井探、工程物探、专门性工程地质水文地质观测、测试与试验、岩(土)体物理力学性质试验研究、高精度形变测量、物理模拟、数值解析、先进的分析鉴定技术、专用地震监测台网等技术方法。(一)区域构造稳定性和地震活动性研究区域构造稳定性和地震活动性问题，除涉及地质学的众多领域外，还与地貌学、地震学、地球物理学、大地测量学等学科密切相关。这一课题的研究，既要以传统地质学的理论与方法(如地层学、岩石学、大地构造学、地史学等)为基础，又必须藉助于最新的地学理论和先进的技术(如遥感技术、现代地球物理勘察技术、测年技术、测震技术、高精度形变测量技术等)，才能取得认识上的突破。三峡工程经过几十年反复探索，对这一问题的研究取得了两条最基本的经验：一是尽可能采用多学科的综合手段，从多个侧面勾绘出一个地区构造稳定性和地震活动性的较清晰的面貌；其次，凡是可以用数据说明的研究对象，一定设法取得数据。三峡工程依靠后者，包括各壳层深度、厚度，莫霍面形态及埋深，主要断裂的切割深度,断裂形变速率，断裂最新活动年龄，地形变测量成果，河流阶地形成年代及高程，30余年的测震成果等，多方面地提供了有说服力的数据，并与宏观地质、地震研究所得出的结论相互支持、相互印证，才得以作出可信的结论。三峡工程区域构造稳定性和地震活动性研究的主要内容和方法有：1.区域地层、岩性、地质史和大地构造环境的研究充分利用不同时期的区测成果，补充进行了必要的中、小比例尺地质测绘；与之相适应，进行了广泛的基础地质研究，包括地层学、地史学、矿物岩石学、岩相学、大地构造学等的研究。2.深部地球物理场和地壳结构的研究包括大面积航空重力、磁力测量资料分析，坝址及库首段高精度航磁测量，地面重力测量，东西向(奉节——江陵)和南北向总长3260余公里的纵和非纵测线人工地震测深(其中纵测线1040km)等，以研究区内地壳结构(各壳层的深度、厚度、物质组成、界面特征、连续性等)、莫霍面特征、主要断裂切割深度、各地球物理异常带的性质、大地构造单元间的接触关系及重力场均衡状况等。3.区域及坝区断裂构造，特别是环绕坝区外围几条主要断裂的展布、规模、性质及活动性的研究对坝区及外围几条主要断裂的活动性进行专门性的研究，包括断裂带运动学、动力学、岩石学、年代学以及地质力学模型的实验室研究，各种比例尺的专门性地质测绘，多种卫星影像、黑白及彩红外航空摄影、侧视雷达扫描等遥感图像线性构造解译和实地核查，最新活动年龄测定，汞气体测定，微重力测量，垂直和水平位移定点测量，断裂两侧地貌(含微地貌)调查，断裂和微震活动关系的分析研究等。4.地貌及新构造运动性质的研究包括山区夷平面分级特征、形成年代及变形，西部鄂西山地与东部江汉平原过渡带特征与接触关系，中～新生代沉积盆地的形成及演变历史，河流阶地形成年代和位相对比，河床纵剖面特征研究，第四系堆积物变形的调查研究等。5.现代地壳运动性质的研究近坝库区总长800km的精密水准环线测量，应用GPS全球卫星定位系统进行大范围地形变监测等，以研究坝区及附近地区地形变特征、现代地壳运动的性质和强度。6.地震活动特征与规律的研究收集分析整理库坝区周围10余个县、市近2000年历史地震资料，结合1958年起在坝址及周围70km范围设立的地震监测台网所获得的大量资料和区域地震地质条件，研究本区地震活动的本底特征和时间、空间、强度规律，进行震型分析和震源物理模型研究。7.地震危险性分析和地震动参数研究正确圈定潜在震源，确定各区相应的地震活动性参数，进行地震危险性分析。计算不同超越概率条件下的地震烈度、基岩水平峰值加速度、相应的反应谱及合成地震动时程，作为建筑物抗震设计和模型实验的依据。通过上述工作，有关三峡工程库坝区的构造稳定性、地震活动性以及地震危险性分析都得出了明确可信的结论。(二)水库诱发地震问题研究水库诱发地震问题是一个世界范围内从理论到实践都还未能得到解决的课题。三峡工程从70年代起，就将水库诱发地震问题列为专题进行研究。开始阶段以震例分析和工程类比为主；进而逐项分析水库地震地质条件，然后综合进行分析研究，在此基础上进一步作出水库诱发地震发震地段和强度预测及危害性评价。根据三峡工程水库区各地段不同的地质条件，分析其可能产生何种类型的诱发地震，可能发震的地段，并采用多种方法(条件类比、数值解析等)进行最大可能震级的分析预测及地震动参数的计算。在水库诱发地震可能最大震级的分析上，考虑到三峡工程的规模和重要性，对于构造型水库诱发地震，采取外包的方法，将相应潜在震源区天然地震的震级上限(Mu)，作为该地段水库诱发地震的震级上限，评价其对工程建筑物可能的危害，这无疑一种保守的估计。由于采用了这样一种方法，国内外研究水库诱发地震的专家学者，很少有人对三峡工程水库诱发地震对工程建筑物的影响评价提出异议。三峡工程水库诱发地震问题的研究内容和方法有：(1)分析整理了全世界百余座水库诱发地震的震例，和三峡工程的诱震条件进行分析对比。(2)全面研究了水库区的岩性、地质构造和渗透条件，着重研究了坝址和库首区的水文地质条件和主要断裂的活动性。(3)在坝址区和库首的茅坪镇和秭归县城附近进行了深孔(孔深分别为300m、800m和500m)地应力、孔隙水压力、渗透率、节理裂隙和地温测量，得出了近坝地段地应力状态的宝贵资料。(4)利用小孔径台网对坝区，库首结晶岩分布区，九湾溪、仙女山断裂展布区等河段进行地震强化观测，确切掌握本区地震活动的本底情况。(5)用数值和物理模拟方法研究在库水作用下，库盆的应力场和应变场的变化，分析其对水库诱发地震的影响。(6)依据各库段岩性、地质构造、渗透条件、地应力状态、地震活动以及各种数值解析成果等，进行水库诱发地震可能性综合评价做出可能发震地段、发震类型及震级预测。(7)针对水库诱发地震的特点，研究极近场地震动参数，探讨如果库首段产生诱发地震时，坝址区可能的基岩峰值加速度和影响烈度值。为全面加强和提高工程的地震监测和水库诱发地震的预报能力，受中国三峡工程开发总公司的委托，在中国地震局主持下，于2001年10月建成了“长江三峡工程水库诱发地震监测系统”。该系统由数字遥测地震台网，地壳形变监测网，地下水动态监测形网和地震监测总站4大部分组成。数字遥测台网达到了当前国内领先水平。该系统的建成为三峡工程地震活动性及水库诱发地震的研究，提供了重要的条件。(三)库岸稳定性研究三峡工程库岸稳