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丹江口水库诱发地震应力场研究

作　者: 刘素梅
导　师: 彭少民；徐礼华
学　校: 武汉理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 水库诱发地震丹江口水库三维有限元模型应力场应变场震级
分类号: TV697.24
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

丹江口水利枢纽是综合开发汉江的大型水利工程，国家批准分二期开发。初期工程已经于1973年建成，蓄水后库区地震活动加强。二期工程为南水北调中线的源头工程，正在设计和筹建中。二期工程中，水库水位将提高17米，水位的提高可能诱发更大的水库地震。本文进行的丹江口水库诱发地震应力场的研究，是教育部《高等学校骨干教师资助计划》项目(编号为150096)的主要研究内容之一，旨在利用三维有限元模型，定量研究丹江口水库区蓄水前后应力场，提出大型水库诱发地震机制的一些见解，预测丹江口水库二期工程诱发地震的可能性、诱震空间和强度。为此，本文研究工作主要反映在： 1．搜集、整理了丹江口水库区的地质、水文和地球物理方面的资料。这对分析发现水库的地质和水文条件对于水库蓄水后是否引发水库地震有着重要的影响。丹库区水文地质条件复杂，在峡谷库段，碳酸盐类岩石裸露，岩溶裂隙水活动形成一系列落水洞、漏斗和溶洞。同时，峡谷区碳酸盐类岩石周围又有弱透水和微透水的岩层包围着，有利于库水向深部渗透，诱发地震。而汉库区水文地质条件简单，库区多由透水性微弱的岩石组成，库水向深部渗透困难，难以诱发地震。虽然丹库和汉库均有大的活动断裂穿过，但由于二者的地质和水文条件不尽相同，导致蓄水后的地震活动差别很大。所以，蓄水后的地震活动主要集中在丹库区，而汉库区反而变得更加稳定。 2．分析比较丹江口一期工程蓄水前后，地震活动的时间、空间以及强度变化和能量变化。分析发现，丹库在蓄水后地震活动加强，但汉库的地震活动在蓄水前后变化不大。蓄水位和地震有着明显的正相关性，震区由库尾移向库首，并在丹库的林茂山和宋湾形成了两个地震密集区。但是，研究表明，当水位达到一期工程最高水位，并诱发了4.7级地震后，蓄水位和地震的相关性逐渐消失，地震的活动性明显降低。根据能量统计，蓄水并没有改变库区的集能水平，只是促使应变能提前释放。所以水库诱发地震的最大震级不会高于历史最高水平。 3．以前的数学模拟大多是建立在平面模型的基础上，不能全面反映库区应力场和应变场的特征。本文则根据丹江口库区的地质构造建立了三维有限元模型，采用Drucker-Prager屈服准则模拟岩石特性，即考虑了静水压力对材料屈服强度的影响，又考虑了中间主应力的影响。模型分别采用三种边界条件反演库区的构造应力场、地应力场和水压应力场，这为定量地研究水库诱发地震创造了条件。 4．通过计算库区蓄水前后的应力场、应变场及水压应力场，发现断层的存在破坏了应力场和应变场分布的均匀性，断层附近是应力集中区。通过对水压应力场的分析发现，水体静载引起的应力场相对于大地应力场来说微不足道，它不可能直接诱发较大的水库地震。在水库诱发地震中，水体只起到触发作用，其诱发作用体现在几个方面：(1)改变库区断层的稳定性。计算发现丹江口水库蓄水后，穿过丹库的丹江断裂的两盘发生了相对滑动，而均郧断裂和公路断裂变得更加稳定；武汉理工大学硕士学位论文丹江口水库诱发地震应力场研究（2）在库岸形成拉应力区，使地壳浅层的原有节理、裂缝张开，为库水向下渗透创造了条件；（3）研究表明湿岩石的强度低于干岩石，水体对岩石起着软化的作用；（4）孔隙水压力的存在降低了断层面的有效正应力，从而降低了断层的强度。 5．通过对地应力场、应变场、应变能和水压应力场的研究，预测了丹江口水库二期＿工程的诱发地震的可能性和危险区。按照强度不同提出该水库二期工程的地震危且险区：一级危险区为浙川上集、陈店、卡房、黄庄、师岗：二级危险区为厚坡、九重、彭桥、仓房、田川。其中，后者诱发地震的可能性更大。 6．运用几种不同的方法对丹江口水库二期工程的可能震级进行了预测，预测结果为：丹江口水位提高后发震可能性很大，最大震级小于5级，震源在丹库和浙库库区，且以丹库的可能性为最大。在总结全文的基础上，本文提出了以后工作的一些建议和设想。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-12
  1．1 水库诱发地震分类和特点  9-10
  1．2 水库诱发地震研究的历史回顾和现状  10-11
  1．3 本文的研究工作  11-12
第2章丹江口水库地震地质条件  12-18
  2．1 库区地壳结构  12
  2．2 基底和盖层  12-13
  2．3 库区构造体系  13-18
第3章水文地质条件与水库诱发地震的相关性  18-23
  3．1 库区水文地质条件  18
  3．2 水文地质条件对水库诱发地震的影响  18-20
  3．3 水库诱发地震机制的探讨  20-21
  3．4 水库诱发地震的水文地质概念模型  21-23
第4章丹江口水库区蓄水前后地震活动特点  23-28
  4．1 蓄水前后地震活动频度特点  23-24
  4．2 蓄水前后地震强度对比  24-25
  4．3 蓄水前后地震空间对比  25-26
  4．4 本章小结  26-28
第5章丹江口库区构造应力场的数学模拟  28-43
  5．1 丹江口库区构造应力场的演变  28-29
  5．2 库区现代构造应力场的数学模拟  29-42
  5．3 本章小结  42-43
第6章水压应力场  43-54
  6．1 水压应力场计算与分析  43-51
  6．2 水体载荷的作用  51
  6．3 二期工程水库诱震可能性分析和地震危险区的确定  51-53
  6．4 本章小结  53-54
第7章诱发地震强度评估  54-59
  7．1 诱发地震强度评估理论简介  54-56
  7．2 丹江口水库诱发地震强度预测  56-57
  7．3 本章小结  57-59
第8章结论与展望  59-61
  8．1 本文的结论  59-60
  8．2 水库诱发地震研究的展望  60-61
参考文献  61-63
致谢  63

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