南水北调西线一期工程区断层活动性及其对工程的影响分析

岩石力学与工程学报 23(8)：1370～1374

2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004

南水北调西线一期工程区断层活动性

*

及其对工程的影响分析

伍法权1 王2 国连杰1 张 辉2

(1中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029) (2水利部黄河水利委员会勘测设计规划研究院 郑州 450003)

摘要 基于对南水北调西线一期工程区活动断层及其工程效应和遥感解译的2次现场考察工作，提出如下初步认识：(1) 工程区NW向断层的活动方式以左旋走滑为主；近SN向的横向断层较为发育，并多为右旋运动。(2) 由于马尔康基底隆起和年保花岗岩体的遏制作用，断层的活动性表现出自NW向SE减弱的趋势。清水河北断层等区域性断层活动性及其对工程的影响为向区内减弱或趋于终止。(3) 断层活动性对工程的影响主要表现为断层及断层带的变形、断层活动构造应力场对深埋长隧洞的影响，以及对水库诱发地震的影响。 关键词 工程地质，南水北调西线工程，断层活动性，工程效应

分类号 TU 554 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)08-1370-05

FAULT ACTIVITY AND ITS EFFECT ON THE WEST LINE OF WATER

DIVERSION PROJECT FROM SOUTH TO NORTH OF CHINA

Wu Faquan1，Wang Xuechao2，Guo Lianjie1，Zhang Hui2

(1Institute of Geology and Geophysics，CAS， Beijing 100029 China) (2Investigation and Design Institute of YRWCC， Zhengzhou 450003 China)

Abstract Based on field investigations of fault activity in the project region of the first stage of the west line of Water Diversion Project from South to North of China，following viewpoints are presented. (1) The NW directional faults mainly twist laevogyrately，and the SN directional ones are well developed and twist dextrorsely. (2) Because of the confining of Maerkang floor boming and Nianbao granite，the activity of faults shows a weakening trend towards SE direction. The activity and its engineering effect of regional faults such as Qingshuihebei fault present a trend of weakening，or a tend to terminating. (3) The influences of fault activity on the project are mainly the influences of the deformation of faults and fault belt and tectonic stress field on the deep tunnels，and the influences of fault on the earthquake induced by reservoir.

Key words engineering geology，the west line of Water Diversion Project from South to North of China，fault activity，engineering effects

带，也是新构造活动相对活跃的地区。调水区具有

1 前 言

南水北调西线一期工程区位于青藏高原的东北缘，横跨巴颜喀拉山东段，是青藏高原地貌的陡变

2002年9月27日收到初稿，2002年12月21日收到修改稿。

复杂的地形地貌、岩性和区域构造背景。西线一期工程最突出的是工程地质问题，主要表现为断层的活动性和深埋长隧洞围岩变形与稳定性问题。

西线调水将分期实施，西线一期工程SW自雅

* 国家自然科学基金重大项目(90302011)和国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412700)资助课题。

作者 伍法权 简介：男，47岁，博士，1982年毕业于武汉地质学院水文地质工程地质系，现任研究员，主要从事工程地质与岩石力学方面的研究工作。E-mail：wufaquan@mail.igcas.ac.cn。

第23卷 第8期 伍法权等. 南水北调西线一期工程区断层活动性及其对工程的影响分析 • 1371 •

砻江支流达曲河阿安枢纽，再NE向至黄河支流贾曲河，引水线路全长260 km。工程规划由“5坝7洞1渠”组成。5座枢纽的坝高分别为115，108，104，123和63 m。7条引水隧洞共计长244km，占全长的93.8%，其中，最长的洞段为泥曲至杜柯河段，长达73 km；洞线一般埋深为300～600 m，最大埋深达1 100m。洞径由达曲入口的5 m，逐步扩展，到杜柯河—贾曲河段隧洞出口时达到9.58 m。1渠为贾曲至黄河段16 km明渠。

为了查明南水北调西线一期工程所涉及的深大断层的活动性及其对工程的可能影响，受水利部黄河水利委员会勘测设计规划研究院的委托[1]

，中国科学院地质与地球物理研究所会同中国地震局地质研究所和中国科学院遥感应用研究所，对南水北调西线一期工程区活动性断层及其工程效应和遥感解译开展2次现场勘察工作，获得一些初步认识。

2 区内地质构造总体特征

2.1 地球物理研究结果分析

根据四川省地壳厚度等值线图，在东经102°附近，地壳厚度出现凹向东的弧形梯度带，其东侧四川盆地地壳厚度一般为30～43 km，而其西侧青藏高原东缘则迅速增大到55～68 km，乃至70 km。四川盆地基底的凸起对青藏高原地区的地壳运动起到重要的导向和作用。西线工程沿线从甘孜到阿坝，地壳厚度出现起伏，这一方面反映了地壳厚度的局部变化，同时，也说明该区地壳运动过程中局部挤压增厚，另一些部位则可能有因沉陷而变薄的现象。事实上，甘孜和阿坝等地也正是现今具有一定的活动性的构造盆地；而色达、班玛、壤塘一带也正是构造挤压抬升较显著的区域。

2.2 断层系统的组合特征和区域断层东延问题

南水北调西线工程区大多数断层构造为NW～NWW向延伸(图1)，根据卫星影像特征分析和现场勘察验证，区内断层系统具有如下的分区组合特征： (1) 断层系统的组合特征

① 甘孜区——I区：以NW向的玉树—甘孜断层为区内控制性断层，形成不对称的甘孜盆地。玉树—甘孜断层呈强烈的左旋运动，伴随着盆地SW侧的抬升运动，使盆地相对下陷；盆地NE侧则发育一系列平行排列的NNE向的长大横向断层。

② 色达区——II区：该区SW侧以清水河北断层的南延部分和鲜水河断层的北延部分为边界；而

NE侧则大致以主峰断层的南延部分为边界。这种边界向马尔康隆起区已经变得相对较弱。该区为一个整体左旋扭动的区域，在地貌上表现为反“S”形纽结状水系。色达盆地为一不对称盆地，其NE侧的长大横向水系向干流汇合处呈现出强烈的左旋拖拽现象，反映了色达盆地两侧的左旋扭动特征。

黄黄 甘甘德德 河河久治久治 果洛山果洛山 贾贾曲曲阿阿坝坝 红原红原杜班玛杜班玛 麻麻 柯柯 尔尔 曲曲 雅雅色达河色达河 壤塘壤塘 砻马尔康马尔康砻阿安阿安工程线路 大大江江甘孜甘孜 渡渡炉炉霍霍 河河 图1 西线工程区主要活动断层分布图 Fig.1 Main active faults in west line project area

③ 壤塘及班玛区——IV区：受马尔康基底隆起和年保花岗岩体联合作用的，该区断层系统的左旋扭动运动强度向NE方向逐渐减弱，以至于班玛盆地实际上成为基本对称的背斜谷盆地。

④ 阿坝区——V区：年保花岗岩体作为“砥柱”对阿坝盆地区的构造活动起到一定的屏蔽作用，也使得岩体周边的褶皱和断层发生弯曲。阿坝盆地则呈现出微弱的倾斜升降运动，杜柯河显著地偏向盆地南侧并呈线状延伸，盆地北侧部分地势向北东缓慢抬高，盆地北侧横向沟谷呈NE向平行平直延伸。 (2) 几条区域性断层的东延问题

研究已经证明，玉树—甘孜断层、清水河北断层、主峰断层、桑日麻断层，以及甘德南断层等几条区域性断层在西北部都在一定程度上表现出活动性。但是，这些断层在向SE方向延伸至本区后，其活动性都有不同程度地减弱。玉树—甘孜断层延伸至区内甘孜盆地而终止；清水河北断层延伸至本区，消失于阿安附近；主峰断层延伸至区内演变为色达盆地SW侧的一系列平行排列的走向断层，未见活动性显著的证据；桑日麻断层向区内延伸，到上杜柯一带表现为顺河向断层，但最终也收敛于马尔康隆起体一带；甘德南断层实际上没有和阿坝盆地断层相连的证据和条件，其对区内并无显著影响。这些区域性大断层的活动性向区内减弱，一个主要

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原因是马尔康基底隆起和年保花岗岩体对区内构造活动的作用。

2.3 倾斜盆地与横向沟谷的工程地质意义

区内有两个值得重视的现象：一是倾斜盆地，一是广泛存在的长大横向沟谷。这两类现象有着相互差别又相互联系的地质背景。由图2可见，区内的甘孜盆地、色达盆地、阿坝盆地，以及果乐山西侧的盆地均为不对称的倾斜盆地。这些盆地大多表现出如下特征：以河流为界，盆地SW侧地形不规则，且地势高陡；而盆地NE侧则地势缓慢上升，且发育平行排列的长大平直沟谷。这在地质构造上可能反映了北东倾逆冲断层的存在，而河流NE侧盆地主体部分为断层上盘。

同时，在甘孜盆地NE侧、色达盆地NE侧及邻近抬升区、杜柯河两侧地区、阿坝盆地NE侧等区域大量发育横向沟谷。沟谷一般呈SN向或NNE向平行延伸，延伸方向多与盆地长轴或区域性构造线垂直；在左旋走滑扭动较强的地区，如色达地区横向沟谷表现出反“S”形扭动弯曲；长度为数公里到数十公里，且盆地NE侧沟谷延伸较长。

上述横向沟谷的发育应与基岩的断层构造有关。横向断层的成因可能有，(1) 与构造主压应力垂直方向上的引张作用导致的张性断层，也包括倾斜盆地上盘逆冲运动产生的伴生引张断层。(2) 与主构造线共轭的压扭性成因。但是，考虑到纯张应力引起的断层不应像区内横向沟谷那样大范围地平直延伸，且实测资料表明，区内存在纯张应力的可能性不大。由此可以推断，区内横向断层应为与构造线共轭的压剪性成因；只是可能最大水平主应力方向与横向断层走向的夹角略小于其与构造线的夹角，而使得横向断层带法向压力稍小，断层结构不至于像NW向断层那样紧密。

值得注意的是，无论是哪种成因，横向断层都可能具有相对破裂而法向压力较低的特点。这一方面构成了横向沟谷形成的构造地质和岩体结构条件；另一方面也会对未来引水线路深埋长隧洞的围岩稳定性与水文地质条件具有重要影响。而这正是西线工程需要引起高度重视的问题之一。

3 断层活动性对工程的影响初析

[2～4]

3.1 断层活动性对深埋长隧洞的影响

这种影响主要包括：断层及断层带变形的影响和断层活动构造应力场的影响。

(1) 断层及断层带变形的影响

大家知道，调水区断层近期活动的主要方式是左旋走滑兼有逆冲。对与断层较大角度斜交的隧洞，如轴向为近南北向的泥曲—杜柯河段、杜柯河—麻尔曲段的隧洞近NE向、杜柯河—麻尔曲段隧洞，将可能产生与断层活动强度相当的错动变形，并破坏隧洞的支护，导致隧洞工程失效。

区内断层的活动性由强至弱依次为：鲜水河断层及其旦都分支断层，阿坝盆地边缘断层，壤塘县杜柯河顺河向断层，班玛县境的两条断层；未来断层活动性对隧洞工程的影响程度与之相近。鲜水河断层的旦都分支涉及到引水工程的起始段，但该断层的性状、近期的活动性尚需进一步评价。 应当注意的是，在上杜柯一带，断层多由密集的挤压强烈的小断层束构成，带宽较大，岩体变形与变质较为强烈，岩质软弱，结构破碎。断层带摩擦镜面测年中最小的年龄数据达到1.19×104a，表明断层具有近期活动性。未来宽大的断层带变形将可能导致隧洞突出的地质灾害。

作为断层带变形的一个典型例子，考察了上杜柯金木达金矿巷道。金矿位于上杜柯顺河向断层的NNE盘影响带，矿体赋存于强烈挤压变质的云母石英片岩带内。岩体经风化变得十分软弱，在潮湿或饱水状态下甚至成为泥状。为了保证巷道围岩在开采期的暂时稳定性，金矿采用了圆木支撑，但由于围岩收敛变形强烈，坍塌严重，支护效果一般较差。引水隧洞不仅洞径较大，而且运行时间将远大于金矿开采时间，这种软弱围岩的大变形和长期流变问题将比金矿巷道突出得多。 (2) 断层活动构造应力场的影响

调水区主要以NEE向压应力为主，其对引水隧洞围岩稳定性在不同的部位有不同的影响：在达曲-泥曲段、麻尔曲—阿柯河及阿柯河—贾曲段，引水隧洞轴向为NEE，与主压应力方向小角度相交，对隧洞的稳定性影响不大；而在泥曲—杜柯河段的隧洞近NE向，特别是杜柯河—麻尔曲段洞向近南北，与主压应力方向交角较大，在洞室开挖过程及运行期间，可能在洞室围岩中引起较大应力集中，对洞室的变形与稳定性带来不利影响。

此外，隧洞埋深一般为300～600 m，局部达到

1 100 m，自重应力可能达到25 MPa以上。坚硬火成岩的岩爆，特别是软弱围岩以及宽大断层带的大变形和长期流变将是调水区深埋隧洞可能遇到的此类特征的工程地质问题，应引起足够的重视。 3.2 断层活动性对水库诱发地震的影响

断层活动性对引水工程各库区的工程效应将主

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要表现在对水库诱发地震的影响。这也是南水西线北调工程需要回答的一个重要问题。

西线工程一期调水区各枢纽坝高为63～123 m，不计水头损失，由水库蓄水引起的地下水压力增量0.6～1.2 MPa。在长须和莫坝乡140～235 m深度实测的最大水平主应力为10 MPa，最小水平主应力为6 MPa。可见，水库蓄水引起的断层带孔隙水压力增量与原岩压力相比为一小量，因此，水库蓄水对水库诱发地震的影响应是有限的。

另一方面，调水区的走向断层按两盘岩性的强度大致可排序为：各区的横向断层，鲜水河断层旦都分支断层，阿坝盆地边缘断层和班玛县的两条断层，以及壤塘县杜柯河顺河向断层。但是，除横向断层可能在不同部位遇到坚硬岩层外，这些断层大多数为沿软弱岩层形成的走向断层或顺层断层，壤塘县杜柯河顺河向断层等为宽大的软弱断层带，多以蠕滑为主，发生脆性破坏的可能性较小。此外，从地震活动性角度看，调水区地震活动性较强的区域依次为鲜水河断层带，阿坝盆地北端，壤塘县及班玛县。由此可见，断层岩性条件也是不利于引起水库诱发地震的。

但是，水库诱发地震是一个十分复杂、敏感的问题，仅凭现有资料还难以分析清楚。因此，进一步的研究是十分必要的。

3.3 引水线路沿线断层活动性影响问题分段分析

由于引水线路各段断层活动性的差异性，由此引起的工程地质问题也会有所不同。 (1) 阿安枢纽与达曲－泥曲隧洞

阿安枢纽位于达曲河干流，规划坝高115 m。坝区无较大规模断层通过，作为比选坝址的申达坝址位于阿安坝址下游，两者基本地质条件相近，属于局部性安全岛。

达曲－泥曲隧洞长13.6 km，横穿清水河断层南延部分与鲜水河断层旦都分支北延部分构成的纽结状地带。隧洞最大埋深800 m。该洞段轴向与区域最大主应力交角在30°左右，且与地层走向近于垂直，有利于洞室围岩的稳定。但是，该地带NNE向或SN向横向沟谷受区域性断层左旋运动的影响而扭曲成“反S形”，表明横向沟谷发育具有一定的构造基础。因此，该段隧洞可能受到2方面的作用：① NW向及NWW向断层的左旋扭动作用，这是区内最新的构造作用，对隧洞围岩变形与稳定不利。② “反S形” 横向沟谷(常为横向断层带)与隧洞交角较小，交切段相对较长，法向压力相对较低，岩体较松散，地下水可能较发育。

(2) 仁达枢纽与泥曲－上杜柯隧洞

仁达枢纽位于雅砻江支流泥曲河上，规划坝高108 m。坝区局部构造完整性较好，并无大型活动性断层通过；比选纪柯坝址位于仁达坝址下游，地质条件亦能满足建坝要求。

泥曲－上杜柯隧洞全长73 km，埋深100～ 1 000 m，轴向与区域最大主应力交角在30°左右，并与地层走向近于垂直，有利于洞室围岩的稳定。但是，泥曲－雅砻江与大渡河分水岭段受主峰断层南延部分的影响，在色达盆地SW侧发育一系列NW向压扭性断层，且具有一定的活动性，对隧洞围岩变形与稳定有一定的影响；而在色达盆地NE侧则发育一系列NNE向或SN向横向沟谷，其与洞线交角为30°～45°，应考虑横向断层对洞室围岩稳定性的影响。在壤塘断层之南，构筑隧洞应注意垂直于洞轴向的轻微剪切变形，而在壤塘断层北侧应注意顺洞轴向的张性断层带引起的一系列问题。

(3) 上杜柯枢纽与杜柯河－麻尔曲隧洞 上杜柯枢纽位于杜柯河金木达，规划坝高为104 m。坝址近区未发现活断层。

杜柯河－麻尔曲隧洞全长36.2 km，起始自金木达云母石英岩脉带，穿过阿斯玛牛场背斜谷地及亚尔堂断层到达亚尔堂坝前。隧洞埋深60～1 000 m。阿斯玛牛场背斜两侧横向沟谷均近SN向发育，与背斜轴向斜交，反映出背斜轴两侧相对左旋运动，而背斜轴部可能出现走向滑动断层带。亚尔堂断层新近活动则不甚显著。该段隧洞走向与地层走向以约60°夹角相交，对洞室围岩稳定有利。

(4) 亚尔堂枢纽与麻尔曲－克柯河隧洞 规划所选亚尔堂枢纽位于麻尔曲河亚尔堂乡上游为2～3 km，坝高123 m。在大坝的南侧1～2 km发育了亚尔堂断层，而在其北侧3～4 km则见麻尔曲断层。两断层均延伸数十公里，且切割或控制了第三纪盆地沉积，为第四纪活动断层。两断层向SE交汇于灯塔乡一带。

作为比选方案，还有亚尔堂下游的扎洛坝址和班前坝址。其中，班前坝址接近于2条区域性断层交汇部位。虽2条断层的最新活动时代尚未确定，但活动年代并不太老；且断层交汇部位构造相对复杂，岩体挤压强烈，需予重视。

麻尔曲－克柯河隧洞总长55.4 km，埋深200～800 km。该段隧洞轴向与区域最大主应力方向近于平行，且与岩层走向以约50°夹角大角度相交，有利于围岩稳定。但是值得注意的是，阿坝盆地南褶皱区地质构造和应力条件相对较为复杂，亦可能存

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在一定的工程地质问题，需要进一步研究。 (5) 克柯枢纽、克柯河－若果郎埋涵及若果郎渡槽

克柯枢纽规划建于克柯河近河口，坝高63 m。克柯河－若果郎山体段，由于线路埋深不大，采用埋涵方案。跨越若果郎河，用渡槽方案代替建坝。

上述3项工程相对集中于阿坝盆地西端的河流汇流处。河流的2条支流均属阿坝盆地周边断层带或断层影响带，而阿坝盆地在地质构造上还不能完全排除新近活动的可能性，盆地端点可能为构造相对复杂和敏感的部位。渡槽乃至埋涵等相对刚性的工程能否适应可能存在的构造活动性，还需进一步论证。

(6) 阿柯河－贾曲河隧洞

线路全长82.1 km，含2段隧洞，长度分别为15.5和50.4 km，隧洞埋深150～800 m。本段线路应当注意如下问题：① 阿坝盆地北侧虽然尚无有力证据说明其现今活动性，但由于差异升降地貌显现清晰，且存在支流沟谷扭曲现象，需要考虑出现NWW向断层走滑兼逆冲运动的可能性。② 从地貌现象看，长江流域与黄河流域分水岭地带构造活动性可能比南部弱，地壳应力场强度也可能比南部低，但毕竟存在若干NW向断层，不能排除断层左旋走滑运动对隧洞工程的影响。

4 结 论

由上述分析可以对南水北调西线一期工程区断层构造活动性及其对工程的影响形成如下初步认识：

(1) 南水北调西线一期调水工程区NW向断层的活动方式以左旋走滑为主，兼有逆冲运动；近SN向断层多以右旋运动为主。区内近SN向的横向断层较为发育，其走向与区域压扭性构造线方向近于垂直。这类断层在阿坝盆地、班玛县等地表现更为突出。根据构造力学分析推断，这类断层可能多为

低法向压力的扭性断层或张扭性断层。

(2) 由于马尔康基底隆起和年保花岗岩体的遏制作用，断层的活动性表现出自NW向SE减弱的趋势。清水河北断层、主峰断层、麻尔曲断层，以及甘德南断层等区域性活动断层向区内活动性减弱，或趋于终止。鲜水河断层虽活动性较强，但向NW延伸至引水线路区，即行终止，活动性趋于消失。玉树—甘孜断层为一区域性活动断层，但向SE延伸至区内甘孜一带已近终止，且距引水线路起点较远，影响并不突出。

(3) 断层对深埋长隧洞的影响主要包括：断层及断层带变形的影响和断层活动构造应力场的影响。断层及断层带变形的影响主要表现为与断层活动强度相当的左旋错动变形对隧洞支护体系的破坏作用；断层活动构造应力场的影响主要为区域主压应力方向与隧洞交角较大处的洞室围岩应力集中，以及由于隧洞埋深较大部位的围岩应力较高问题。

(4) 断层活动性对库区影响主要是水库诱发地震问题。由于岩体天然差应力不大，水库蓄水引起的孔隙水压力增量较小，且区内断层多为岩性软弱的走向蠕滑断层，不利于引起水库诱发地震。但由于水库诱发地震问题是一个复杂而敏感的问题，需要进行更深入地研究。

参 考 文 献

1

水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院. 南水北调西线工程规划阶段工程地质勘察报告[R]. 郑州：水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院，2001 2

国家地震局中国岩石圈动力学地图集编委会. 中国岩石圈动力学地图集[M]. 北京：中国地图出版社，19 3

赵阳升，马 宇，段康廉. 岩层裂缝分形分布相关规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(2)：219～222 4

王 成，邓安福. 岩体节理内压致裂解析研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(5)：0～3