活断层对工程建筑有何影响

4、活断层对工程建筑有何影响？
一、活断层的定义
活断层(active fault)是指目前正在活动着的断层，或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。

后一种情况也可称为潜在活断层(potentially active fault)。

美国将活断层叫做能动断层(capable fault)。

各国学者对目前正在活动着的断层，因有鉴别标志佐证而无争议。

但对潜在活断层的判定则有不同见解，主要是对“近期”一词的看法不同，即对活断层活动时间的上限有不同的标准。

有的将第四纪开始以来活动过的断层都叫活断层，有的将活断层的时间上限定在晚更新世，有的则限于最近35000年(以Cl4确定绝对年龄的可靠上限)之内，也有的认为只限于全新世之内。

时间差距竟达近200倍。

从工程使用的时间尺度和断层活动资料的准确性考虑，活动时间上限不宜过长。

一般工程的使用年限为数十年，一些重大的工程设施如高坝、核电站等使用年限在一二百年以内。

因此人们更为关心的是“不久的将来”(例如一二百年内)有无活动的可能性。

从工程勘察的角度出发，应给予潜在活断层以明确的含义。

美国原子能委员会(USNRC)1973年对能动断层做出了三条规定：①在35000年内有过一次或多次活动的断层；②与能动断层有联系的断层；③沿该断裂带仪器记录到小震活动和多次的历史地震事件，或该断裂发生过蠕动。

国际原子能机构(IAEA)在上述规定的基础上，又增加了两条规定：①在晚第四纪它们有过活动；②该断裂有地面破裂的证据。

日本的核电部门强调了“在最近可能发生活动”的含义。

在世界许多地区，对活断层的辨认和研究最初是从地震断层(earthquake fault)开始的。

如日本1891年浓尾地震，美国1905年旧金山地震，都产生了明显的地震地表断层，从而推动了对活断层的研究。

数十年来的研究表明，活断层一般是沿已有的断层长期活动或是老断层的复活(当然也有新形成的断层)；它的活动方式基本有两种，即以地震方式产生突然的滑动和连续缓慢的滑动。

同一条断层在不同时期和不同区段，其活动方式可交替出现。

活断层的活动强度一般以其长度和错动速率表征的。

世界上著名的活断层，如圣安德烈斯断层(美国)、安纳托里亚断层(土耳其)、博格多断层(蒙古)、郯庐断裂(中国)等，都长达数百公里以至上千公里，它们最新活动的标志极为清晰，现今均发生过8级左右的大地震，具有强烈的活动性。

而长度较小的活断层，其活动性则相对较弱。

活断层的错动速率是以某一时期内断层两盘相对位移的平均值来表示的，一般认为错动速率1mm／a以上的即为较强烈的活断层了。

伴随有地震活动的活断层，在地震活动时相对位移较大，而在非活动期则位移很小甚至无位移。

所以采用重复精密测量和密集的地震台网监测，可判定断层的活动性。

历史上或近期地质时期内曾经活动过的断层，可藉助于历史地震记录、古建筑的破坏和地质标志来判别它。

我国是一个文明古国，有3000年左右的地震历史记载，可以帮助我们判定活断层的存在以及间歇性活动断层的错动周期；但活断层的具体位置往往难以判定。

因断层活动遭致古建筑破坏的事例，不仅能确切地判定活断层的位置，而且可估算其错动速率。

宁夏石咀山市红果子沟，明代中、晚期(距今约400年)修建的一段东西向长城，有两处被错断，均呈右旋扭动，同时存在水平和垂直错动，其中水平错距达1.45m，垂直错距为0.9m。

这两处错断均为断层的蠕动所致，跨越长城的断层走向为N28o E。

由此估算其错动速率，水平和垂直方向各为3.63及2.25mm／a。

地质标志是判定断层活动性的主要依据。

详细地研究断层长期活动在最新沉积层或地貌上留下来的证据，既可判定该活断层的错动方式和规模，又可判定其错动的时间和周期。

二、活断层的类型
根据断层面位移的矢量方向与水平面的关系，可将活断层划分为倾滑断层与走滑断层。

倾滑断层又可分为逆断层和正断层；走滑断层也叫平移断层，又可分为左旋断层和右旋断层。

逆断层、正断层和平移断层，它们的构造应力状态、几何特征和运动特性不同，所以对工程场地的影响也各异。

逆断层的构造应力状态是近于水平，近于竖直。

断层面与水平面的夹角一般小于45o，且往往呈舒缓波状。

逆断层的上盘(上升盘)分支和次生断裂往往较为发育，岩性破碎，地表变形强烈(图1)。

这类断层的规模可很大，长达数千公里，且断层带很宽。

世界上许多大的地震都是伴随逆断层错动产生的，如日本岛弧一系列大的地震即是由太平洋板块向欧亚板块俯冲而产生；我国西部地区的喜马拉雅山、天山和祁连山等山前巨大的逆断层，频频发生地震。

这类逆断层有时地表变形范围很大，如1964年阿拉斯加地震时，2×105km2面积发生变形，最大垂直上升达12m。

正断层的构造应力状态是近于竖直，近于水平，断层面与水平面的夹角一般大于45o，且往往呈参差状，断层带也较宽。

正断层的上盘(下降盘)分支和次生断裂也往往较为发育，岩性破碎，地面变形强烈(图2)。

太平洋、大西洋和印度洋的中脊即为世界上规模最大的活动正断层。

大陆上著名的活动正断层有东非裂谷带、美国西部大盆地省、欧洲莱菌地堑、苏联贝加尔裂谷带等。

我国的活动正断层主要分布于东部地区，主要有汾渭地堑、银川地堑、太行山东缘断裂等。

上述地带的地壳均承受了水平张应力。

由正断层活动所产生的地震较之逆断层和平移断层要少得多，且地震震级相对也较小。

图1活动逆断层的应力状态图2活动正断层的应力状态
平移断层的构造应力状态是和均近于水平，断层面即为、之间的最大剪应力面，近于直立，断层线平直，而断层带极窄。

世界上最著名的活动平移断层有美国加州的圣安德列斯断层带、土耳其安纳托利亚断层带、新西兰阿尔卑斯断层带等。

在我国，此类活断层最多，它们主要分布于西南和西北地区，其规模巨大，如鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂、阿尔金断裂、阿尼玛卿断裂、喀依尔特-二台断裂、班公湖断裂等。

平移断层具有鲜明的地貌特征，尤其对水系的错断改造最为清楚，所以水工建筑物也往往受这类活断层的威胁。

实际资料表明，板块内部的大地震大多是伴随平移断层活动而产生的。

平移断层往往是大陆内部地块问的边界，直接显示出各地块间近期相互运动的状况。

上述三类活断层的位移矢量是单纯地倾滑或走滑，而实际上的位移矢量多是倾滑－走滑两种分量的合成。

因此断层也叫做左旋逆断层、右旋正断层等。

按断层的主次关系，又可将活断层分为主断层(main fault)、分支断层(branch fault)和次级断层(secondary fault)。

次级断层实际上仍属主断层的分支，对于逆断层和正断层来说它主要产生在上盘，而平移断层是很少有次级断层伴生的。

三、活断层的活动方式
活断层的活动方式基本有两种，一种是以地震方式产生间歇性地突然滑动，这种断层称地震断层或粘滑型断层(stick-slip fault)。

一种是沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动，这种断层称蠕变断层或蠕滑型断层(creeping fault)。

粘滑型活断层的围岩强度高，断裂带锁固能力强，能不断地积累应变能。

而当应力达到一定强度极限后产生突然滑动，迅速而强烈地释放应变能，造成地震。

所以沿这种断层
往往有周期性的地震活动。

蠕滑型活断层主要发育在围岩强度低，断裂带内含有软弱充填物，或孔隙水压、地温的高异常带内，断裂的锁固能力弱，不能积累较大的应变能，在受力过程中易于发生持续而缓慢地滑动。

断层活动一般无地震发生，有时可伴有小震。

近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后一段时间内在震源和震源外围的蠕滑问题。

1976年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌、井喷等，可能是与深部断裂的蠕动有关。

据唐山地震震中区地形变资料反演求得，在1969－1975年曾发生了走滑错距为104cm的无震蠕滑，走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm／a和1.4cm／a。

此外，有的地震刚发生时，地表上见不到断层位移，经过数日或一年后，地表才出现这次地震产生的位移。

这种断层后效蠕动位移现象，已由美国帕克菲尔德和博利戈山两次地震后的观测资料所证实。

说明地震时基岩中发生的断层位移，在其上覆盖层中是以塑性流动的形式而滞后到达地表面的。

四、活断层的继承性与反复性
研究资料表明，活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断层运动。

一些活动构造带的古地震震中，总是沿活动性断裂有规律地分布的，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤以走滑断层最为明显。

例如，新疆喀依尔特-二台活断裂在地质时期内长期活动，其右旋走滑运动幅度的最大值26km；上更新世早期形成的水系被错移的最大值2.5km。

根据大量古地震现象，不同期次断层错动不同层序沉积物的资料和C14年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上有3－5次古地震事件，各次地震位移累积叠加。

说明该断裂在相当长的地质历史时期内，在差不多同一构造应力条件下以同一机制沿着已经发生错动的断裂带继续活动，主要活动方式是粘滑。

现今的富蕴地震断裂带是它继承性活动和发展的产物，它的展布范围与该活动断层完全一致。

我国活断层的分布，主要继承了中生代和第三纪以来断裂构造的格架。

在现代地应力场的作用下，东部以正断层和走滑正断层为主，西部则以走滑和逆冲走滑断层为主。

五、活断层对工程建筑物的影响
活断层对工程建筑物的影响表现为两个方面。

一方面是由于活断层的地面错动直接损害跨越该
断层修建的建筑物；有些活断层错动时附近有
伴生的地面变形，则也会影响到邻近的建筑
物。

另一方面是伴有地震发生的活断层，强烈
的地震对较大范围内建筑物的损害。

从工程地
质观点出发，这两方面的问题均与工程的区域
稳定性或地壳稳定性密切相关。

长期蠕动和地震发生时突然滑动的活断
层，都可对建筑物造成直接损害。

上面提到的
宁夏石咀山附近长城被错断即为一例。

长达
1000余公里的圣安德列斯大断层是世界上最
活跃的活断层，特别是旧金山东南从霍利斯特
至帕克菲尔德约200km的区段内，激光测距
获得的断层蠕动速率是1－4cm／a，因而跨越
断层的公路、围墙等建筑物几年后就能发现较
大的错位。

我国唐山大地震时有一条长8km，
走向N30°E的地表断层，正好由市区通过，
最大水平错距3m，垂直断距0.7－1m。

该断
层穿过的道路、房屋、围墙等一切建筑物全被
错开(图2－1)。

活断层发震所产生的地震波，对附近大范围内的建筑物发生影响；尤其是那些累积很大弹性应变能的粘滑型断层，当其锁固段或端点一旦破裂时，应变能大量释放所发生的强烈地震，将会导致建筑物的严重损害。

所以在预测地震危险性时必须首先研究活断层。

六、案例分析
一九九九年九月二十一日凌晨一时四十七分，在我国台湾省中部南投县集集镇，发生了里氏7。

3级的强烈地震，地震地面最大加速度高达984伽，而本区抗震设计采用的地震地面最大加速度为230伽。

地震持续的时间长达40秒钟，而且地震是上下、水平同时发生。

地面垂直错位最大有10米。

本次大地震造成严重人员伤亡和财产损失，死亡2246人，受伤8735人，毁坏房屋17484栋，其中包括619栋学校及许多公共建筑，直接经济损失超过1000亿新台币。

大量的建筑如骨牌一般应声倒塌，充分暴露了台湾建筑行业在技术标准规范、设计、施工、使用和管理各方面的问题。

分析：台湾位于环太平洋地震带，全球变暖导致的海平面上升，使失去冰盖的大陆地壳均衡上升，增高海面的海洋地壳均衡下降，形成新一轮的地壳均衡运动。

在球面上，海洋地壳下降，将挤压大陆地壳收缩，陆海边缘是强烈的挤压带。

因此，台湾是地震学家多年来一直认为的地震高危险区，
活断层一般被理解为目前还在活动的断层，或者近期曾有过活动、不久的将来还可能重新活动的断层。

对“近期”的看法尚不统一，有的人认为
活断层一般被理解为目前还在活动的断层，或者近期曾有过活动、不久的将来还可能重新活动的断层。

对“近期”的看法尚不统一，有的人认为只限3.5万年，还有的限于10万年或50万年。

“不久的将来”一般是指重要建筑物如大坝、核电站等的使用年限（约100年）。

活断层有不同的分类。

按运动速率分为A、B、C、D不同级别；按运动性质分为粘滑的和蠕滑的；按发震与否分为发震的和非发震的；按几何形态（两盘相对运动方向）分为走滑（又分左旋和右旋）、倾滑（正断和逆断）和混合型等。

活断层对工程建筑物安全的威胁主要来自断层错动—突发错动（产生地震的粘滑）和缓慢错动（不产生地震的蠕滑）。

前者往往和地震相伴随，在我国大陆区震级为6.3－4以上的地震才能产生不同规模的地表破裂带和地表位移。

而蠕滑也可以产生地表位移和地面破裂，但其形成过程是一个缓慢的应变积放过程，其位移量也是一种缓慢的积累过程。

无论哪种方式的位移都会对工程建筑物造成威胁，因而对活断层进行工程地质研究和工程安全评价非常必要。

怎样知道一个地区有没有活断层，或者一条断层是不是活动断层呢？目前采用的主要方法是根据活断层的判别标志来进行判断。

地貌上的标志有，断层崖、三角面、洪积扇叠置、河流裂点等；河流、山脊或冲沟的水平位错；全新世以来的最新地层被错断现象，往往是活断层存在的证据；地表疏松土层若出现大面积有规律分布的地裂缝，且其总体延展方向又与基底断层的方向大体一致时，是基底活断层的有力证据；深断裂第四纪新活动（复活）所形成的第四系内断层；另外地震学方法也可以帮助我们进行判断，一是1≤M≤3级地震频繁发生，且震中线性分布良好，再是沿断层发生两个或更多个中强以上地震，都是活断层存在的证据。