黄河上游大型库区水库地震原因简析

黄河上游大型库区水库地震原因简析
摘要：水库地震是指在原来没有或很少地震的地方，由于水库蓄水引发的地震
称水库地震。

水库地震大都发生在地质构造相对活动区，且均与断陷盆地及近期
活动断层有关。

本文以青藏高原黄河源头某大型库区近期频发的水库地震为背景，简要分析其发生的原因，为水库地震原因分析提供参考意见。

关键词：水库、地质构造、水库地震
1 研究背景
某水电站电站位于青藏高原东部牧区，属于黄河上游地区，气候属半干旱大
陆性气候，最大坝高178m，总库容247亿m3，工程区海拔高程2460～2640m，平均缺氧27%。

该工程于1976年动工建设，1986年10月水库下闸蓄水，工程枢纽示意图见图1。

坝址峡谷窄深，深切150余米，岸顶地形平坦。

坝址区工程地质条件十分复杂，基岩为
花岗闪长岩，岩性坚硬，饱和抗压强度在100MPa以上，断裂发育并存在许多不利的断裂组合，以走向NNW、倾向NE的中陡倾角压扭性断裂和走向NE、倾角近于直立的张扭性断裂组成坝址结构骨架。

NWW组代表性断层为F73和F18，均以中倾角斜切左右坝肩岩体，NE向
断裂结构面主要有贯穿右岸坝肩岩体的F120和石英岩脉（A2），与河流呈锐角相交以及斜
穿河床坝基的F57。

F7是坝区最大的断裂构造，断裂带宽70～100m，由10条左右的断层组成，该断裂带优势面走向为NNW，与河道正交，倾角近与直立，地质力学属性为压扭性。

坝址岩体中的III、IV级硬性结构面以走向NNW和NW两组延伸稳定，长达数十米。

另外，走
向NE的节理裂隙倾角近于直立，其单条延伸长度8～20米不等，首尾斜接长达数十米，局
部形成密集带。

岩体风化以沿断层带形成带状或囊状风化为特征，谷坡中部的岩体强风化深度为10～
20m，弱风化下限为30～40m，在高程2500m以下逐渐变浅，河床以微风化为主。

坝址因河
谷深切，两岸谷坡强卸荷水平深度10～15m，局部达到30m；河床部位强卸荷铅直深度为
5～7m。

2 水库地震情况介绍
2019年7月27日8时至8月1日0时，黄河流域数字地震台网共监测到该库区周边发
生38次水库地震，其中在大坝右岸3~8km范围内共发生了33次，在大坝左岸2~3km范围
内发生了5次。

最大一次水库地震为2019年7月27日3时54分，在大坝左岸（北纬36.14度，东经100.95度）发生的ML2.1级地震，该地震距该水库大坝约3km；其余37次地震震
级在ML0.1~ML1.6之间。

地震发生后，监测单位非常重视，先后对27日4时25分至10时6分连续发生的7次水库地震按照公司相关规定发布了2019年第一期数字地震台网地震事件二级通报；同时对27
日3时54分至18时连续发生的25次水库地震发布了第二期通报。

同时立即对大坝安全监
测资料进行排查分析，对垂线、断层、多点位移计等重点项目监测数据进行了分析，各项目
测值稳定，未发现明显异常。

该水库于2019年6月19日开始泄水，泄水前（2019年1月至6月18日）共发生18次
水库地震，最大一次地震为2019年3月14日00:07:50在大坝右岸发生的ML2.1级地震，该
地震距该水库大坝约4km；其余17次地震震级在ML0.1~ML1.2之间。

2006年至2018年期间，每年发生的水库地震统计见表1。

从统计表中可以看出，各年发
生水库地震的震级不大于ML2.3；发生水库地震最多的年份是2016年，为99次，其余年份
地震次数均不超过35次；震源深度大多数在15km以内，少数几次地震震源深度达到20km；水库地震的震源与大坝的距离不超过45km。

3 水库地震频发的原因分析
水体荷载产生的压应力和剪切应力会破坏地壳应力平衡，引起断层错动，产生地震。

水
库地震一般是在水库蓄水达一定时间后发生，多分布在水库下游或水库区，有时在大坝附近，发生的趋势是最初地震小而少，以后逐渐增多，强度加大，出现大震，然后再逐渐减弱。

而
该水库主要工程地质问题为：
（1）两岸坝肩岩体的抗滑稳定问题。

左右岸坝肩分别由中倾角断层F73、F18及其它中、缓倾角结构面组合的底滑移面、陡倾断裂为侧向切割面所构成的岩体的抗滑稳定问题。

（2）两岸坝肩近坝岩体断层深部压剪集中变形问题。

（3）大坝下游泄洪消能区边坡不稳定岩体由Ⅰ号塌滑体、Ⅱ号不稳定体和古塌滑堆积体
组成，总体积300万m3，处在大坝泄水雨雾影响范围内。

不稳定岩体由三叠系变质砂岩夹
板岩组成，下伏印支期花岗岩，F306断层发育在变质岩中，为缓倾河床的软弱结构面，控制
边坡不稳定体的底滑面，较发育的NW组（含F7断层）和NE组陡倾裂隙分别构成侧向和后
缘拉裂面。

前人研究指出，水库诱发地震有两种重要的类型：快速响应型和滞后响应型。

快速响应
型水库诱发地震与水库水位变化密切相关，有的水库蓄水后，很快发生地震，即属快速响应型，快速响应型地震的成因之一是岩溶塌陷或气爆，多发生于溶洞发育的石灰岩库段，水库
荷载变化引发的地震也属快速响应范畴。

另一类型地震则要在开始蓄水相当长一段时间后才
发生，其滞后时间长短各不相同，一般为数月到数年不等，滞后响应型水库地震释放构造能，它的发生与库水沿断层渗透、断层面摩擦系数降低和岩石抗剪强度降低有关，因此，这一类
型地震的强度与水库水位的变化的关系不明显；构造型诱发地震的强度主要取决于发生地震
的构造贮能，与蓄水时间的长短无关。

破坏性大的水库诱发地震多为滞后型地震。

本工程水库地震大多为滞后响应型地震，与水库蓄水和泄水关系不大，虽然震级较小，
但发生次数表现出逐年增多的趋势，初步分析原因为水沿断层渗透、断层面摩擦系数降低和
岩石抗剪强度降低导致，水库地震与水库的作用有关，当然也与一定的构造和地层条件有关，而水的作用只是一种诱发因素；该工程坝址区地质条件十分复杂，断裂发育并存在许多不利
的断裂组合，这也是水库地震频发的原因之一。

4 结合案例分析
据统计，全世界已建水库约有11000多座，但已诱发水库地震的仅91座，其中诱发破坏性水库地震的更少，共18座。

近几年蓄水的高坝大库，4座中已有2座发生水库地震，比例
数达50%，而一般中小型水库诱发地震的为数极少。

坝高、库容大的水库在建坝前的工程地
质调查中，应研究水库诱发地震产生的可能性。

以下通过4个典型事例来分析：（1）广东河源新丰江水库，从1959年蓄水后，在水库区周围发生地震的频度慢慢增加，于1962年3月19日发生了一次ML6.4级地震，震源深度5km，展中在大坝附近1km处，震中强烈度达到了ML8级,到1972年为止，该区共记录了近26万次地震。

（2）埃及阿斯旺水库，坝高110m，库容165亿m3，1960年正式开工，1964年开始蓄水，1968年正式投入运行。

此地区在修建水库前历史上无地震记录，从1980年起出现小震、微震，于1981年11月在坝址西南60km库区发生了ML5.6级地震，于1982年同一地点又发生了ML5.0级和ML4.6级地震。

（3）印度科依纳水库位于印度孟买城以南230km的地方，大坝为粗石混凝土重力坝，
大坝高103m，库容量27.8亿m3，水库面积116km2，于1954年开工建造，1962年开始蓄水，1963年完工。

蓄水后至今发生了约450次地震，1967年12月11日，印度戈伊纳水库
发生地震，是迄今已知的水库地震中最大的一次，震级为ML6.5级，地震的震源就在水库大
坝附近离地面9~23km的地方，发生于比较稳定的德干高原地区内，主震的震中位置在大坝
南3km。

在地震发生之后，工程地质人员再对该地的地质情况进行调查，发现坚硬的玄武岩中有
许多中小断层，这些被认为是不活动的断层，在水库建造之后，又重新活动起来。

由于水库
坝高，相应的水压也大，大量库水大量渗入岩层，使岩石间的摩擦力大为减小，从而破坏了
岩石间的应力平衡，造成了断层的运动，从而引发地震。

印度科依纳水库地震的一个重要的
现象就是，只要一进入雨季，水库水位高涨，水压加大，水库地震就在这时发生。

（4）美国OROVILLE水库大坝高236m，水库库容43.65亿m3，水库所在地区很少有地
震活动，只是在水库大坝周围50km的范围内发生过一些轻微的地震，记录最强的一次地震
发生在1950年2月8日，地震震级为ML5.7级，震中在大坝北边50km处，当时没有产生大的破坏，也就没有引起人们特别的注意。

在1975年6月28日水库大坝的西南面发生了几次小的地震，随即增添了几台可移动的地震仪，7月份在这个地区监测到近二十次地震，8月1日清晨，水库大坝附近发生了震级为ML4.7级的地震，在8月1日中午稍后，发生了震级为ML5.7级的地震，震中距离大坝仅10km，最后确定地震烈度为VII度，大坝上的加速仪测得的最大水平加速度为0.15g。

所幸地震导致的损失并不严重，水库大坝的设施没有受到损害。

从以上几个案例来看：第一，发震时间与水库蓄水密切相关；第二，震中大多分布在水库及其附近，且相对密集在一定的范围之内；第三，震源深度一般很浅，多数在几公里范围内，使得水库地震的震中烈度一般均较同震级天然地震高；第四，震级多为弱震～微震，只有个别震级较高，其中新丰江水库是世界上第一个发生ML6.0级以上地震的水库；第五，发生水库地震可能性较大的多为高坝大型水库（如坝高超过100m，库容超过5亿m3），而中小型水库发生水库地震的可能性较小。

5 结论与建议
5.1 结论
对水库诱发地震成因机理的研究仍处于资料积累和理论探索阶段，初步研究认为水库周围的原始地壳应力不一定处于破坏的临界状态，水库蓄水或水位变化后使原来处于稳定状态的结构面失稳而引发地震。

从成因机理上分析，可能是水库蓄水后库水压入岩石缝隙，引起区域荷载重新调整导致岩石滑移而诱发地震。

本文中水库在5天内频发的38次水库地震，最高震级为ML2.1，该工程地质条件复杂，地处岩层断裂带，初步判断为为水沿断层渗透、断层面摩擦系数降低和岩石抗剪强度降低导致。

5.2 建议
目前对水库地震的成因机理认识还不是很明确，对水库诱发地震的危险性评价仍是水利工程安全性评价的重要部分，主要是对水库诱发地震的可能性、可能的发震库段和最大震级进行分析预测。

笔者提出以下建议：
（1）结合定性评价方法和概率评价两种方法对水库地震进行预测。

定性评价可根据库区的河谷地貌形态、地质构造、岩性条件、渗透条件和地震活动背景等因素，对库区分水库诱发地震可能性进行预判分类；根据水库地质条件类比、历史地震或诱发地震断层预算水库诱发地震的最大震级。

概率方法则是收集国内外水库诱地地震的震例，并随机选取一定数量未发生水库诱发地震的工程实例组成样本集，确定水库诱发地震的诱震因素。

（2）对水库发生的地震进行详细记录，对震级大小、震源深度、地震发生的频率进行分析，形成地震数据库，发现异常及时排查原因。

参考文献：
[1]毛玉平等，水库地震安全问题分析[A]，地震研究，2007
[2]隋明坤，谈水库地震的风险评估及有效预测[J]，工程建设与设计,2018(21):139-140+143.
[3]常廷改,胡晓，水库诱发地震研究进展[J]，水利学报,2018,49(09):1109-1122.。