基于優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論區(qū)域穩(wěn)定性分析

于嘯

摘要：優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論最初被提出是在1979年，并且在兩年后正式的發(fā)表，被廣大地質(zhì)學(xué)家所推崇，所以發(fā)展和傳播速度非常快，對(duì)于研究地質(zhì)災(zāi)害有很大的幫助。優(yōu)勢(shì)面理論的主要觀點(diǎn)就是分析區(qū)域的穩(wěn)定性，根據(jù)分析優(yōu)勢(shì)面來(lái)確定區(qū)域的穩(wěn)定，這一觀點(diǎn)受到了很多地質(zhì)專(zhuān)家的認(rèn)可。本文首先簡(jiǎn)單介紹了優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的理論，根據(jù)分析優(yōu)勢(shì)面的方法，進(jìn)而對(duì)區(qū)域的穩(wěn)定性做了一個(gè)定性定量的研究。

關(guān)鍵詞：優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論；方法；區(qū)域穩(wěn)定性

一、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論簡(jiǎn)介

巖體結(jié)構(gòu)控制理論的提出者是谷振德（工作于中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所），他對(duì)于工程地質(zhì)方面有很深的研究，隨后其他人也開(kāi)始研究巖體結(jié)構(gòu)控制理論?；谶@個(gè)理論人們提出了優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分析觀點(diǎn)，這個(gè)觀點(diǎn)被大眾所認(rèn)可所以發(fā)展速度很快。根據(jù)巖體控制理論的觀點(diǎn)來(lái)看，巖體都不是一個(gè)整體，巖體本身就又許多的切割面，裂隙、劈理等這些都是巖石的結(jié)構(gòu)面，而優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面就是依照上訴結(jié)構(gòu)面來(lái)確定的，在上訴結(jié)構(gòu)面中找到?jīng)Q定巖石穩(wěn)定性的那個(gè)結(jié)構(gòu)面就是巖石的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。這個(gè)機(jī)構(gòu)面能夠?yàn)閹r石工程的穩(wěn)定性提供幫助，通過(guò)系統(tǒng)的分析，必須圍繞優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面來(lái)進(jìn)行研究，因?yàn)閮?yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面能夠決定巖石的穩(wěn)定性，進(jìn)而確定工程的穩(wěn)定性，特別是一些控制氣體和液體介質(zhì)的巖石結(jié)構(gòu)面，當(dāng)然，對(duì)于巖石結(jié)構(gòu)面的研究不能僅僅考慮三維空間，更要結(jié)合時(shí)間因素，利用時(shí)間的長(zhǎng)短和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況作為依據(jù)，例如巖石的活動(dòng)性和富水性等特征。判定結(jié)構(gòu)面是否為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的重要條件就是優(yōu)勢(shì)指標(biāo)，利用巖石的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，結(jié)合地質(zhì)條件分析，將定值論和非定值論相結(jié)合，這些觀點(diǎn)都是由羅國(guó)煜等人提出。優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論不僅僅是在理論研究階段，而且還應(yīng)用于很多的大型工程項(xiàng)目中，例如黃河黑山峽工程和寧波大橋等，在國(guó)內(nèi)外的工程項(xiàng)目中都排名前列，而且還應(yīng)用于潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋的巖石穩(wěn)定性研究中，為南京市巖石穩(wěn)定性研究都提供了重要的研究資料。優(yōu)勢(shì)面理論之所以被廣大地質(zhì)學(xué)家所認(rèn)可，主要在于他擁有扎實(shí)和系統(tǒng)的分析，而且研究的依據(jù)是優(yōu)勢(shì)指標(biāo)，它可以將巖石的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的形成原因和引起的破壞做出結(jié)論，通過(guò)力學(xué)模型進(jìn)行分析，最后的發(fā)展方向是量化。

二、區(qū)域穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)面分析理論與方法

區(qū)域穩(wěn)定性就是指巖石內(nèi)部的相互作用力而引起巖石的特征改變，尤其是地震和巖石斷裂等對(duì)于工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)穩(wěn)定性，以下就是對(duì)于區(qū)域穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)面的分析：

（一）優(yōu)勢(shì)斷裂控制區(qū)域穩(wěn)定性

社會(huì)上對(duì)與活動(dòng)斷裂的說(shuō)法都不同，所謂優(yōu)勢(shì)斷裂全稱(chēng)是優(yōu)勢(shì)活動(dòng)性斷裂，就是巖石的活動(dòng)性斷裂給工程的構(gòu)造所造成的斷裂，找出優(yōu)勢(shì)斷裂面的工具就是利用優(yōu)勢(shì)指標(biāo)，優(yōu)勢(shì)斷裂對(duì)與巖石所在的地域內(nèi)的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于時(shí)間的影響區(qū)域穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)面沒(méi)有特別的研究，主要是根據(jù)優(yōu)勢(shì)指標(biāo)來(lái)確定，部分的地質(zhì)專(zhuān)家肯定了區(qū)域穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)面的研究對(duì)于解決工程地基問(wèn)題有幫助。優(yōu)勢(shì)斷裂可以分為區(qū)域優(yōu)勢(shì)斷裂和場(chǎng)區(qū)優(yōu)勢(shì)斷裂：

1.區(qū)域優(yōu)勢(shì)斷裂

區(qū)域優(yōu)勢(shì)斷裂的表現(xiàn)形式是發(fā)震，從而對(duì)于工程區(qū)域的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，是需要對(duì)于工程區(qū)域內(nèi)的危險(xiǎn)性最大的裂縫進(jìn)行研究。斷裂的形式對(duì)于工程有很大的影響，斷裂的縫隙越大越深，對(duì)于工程的穩(wěn)定性影響越大，如果裂縫繼續(xù)發(fā)展會(huì)引發(fā)地震。張文佑對(duì)于區(qū)域斷裂的研究也促進(jìn)了優(yōu)勢(shì)斷裂理論的發(fā)展，例如他提出的蓋層斷裂和巖石斷裂等。

2.場(chǎng)區(qū)優(yōu)勢(shì)斷裂

場(chǎng)區(qū)優(yōu)勢(shì)斷裂的主要表現(xiàn)形式是錯(cuò)動(dòng)和蟠動(dòng)，對(duì)于工程區(qū)域的穩(wěn)定性也有重要的影響，是一種活動(dòng)性斷裂。排除時(shí)間對(duì)于巖石穩(wěn)定性的影響，場(chǎng)區(qū)優(yōu)勢(shì)斷裂主要是存在于一些寬度很大和強(qiáng)度不好的斷裂。通過(guò)研究王思敬等人提出的對(duì)于結(jié)構(gòu)面的分類(lèi)，可以把優(yōu)勢(shì)斷裂認(rèn)為級(jí)別是n級(jí)以下的結(jié)構(gòu)面。

（二）優(yōu)勢(shì)斷裂與優(yōu)勢(shì)指標(biāo)

影響區(qū)域穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)斷裂尺度即為優(yōu)勢(shì)指標(biāo)，是這個(gè)指標(biāo)能夠給工程地質(zhì)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，優(yōu)勢(shì)指標(biāo)的數(shù)值即為優(yōu)勢(shì)斷裂的程度，讓抽象的優(yōu)勢(shì)斷裂程度進(jìn)一步數(shù)據(jù)化。判定優(yōu)勢(shì)斷裂的優(yōu)勢(shì)指標(biāo)主要有時(shí)間、規(guī)模、距離、活動(dòng)周期和活動(dòng)史。

1.時(shí)間優(yōu)勢(shì)指標(biāo)

活動(dòng)性斷裂的評(píng)判是根據(jù)研究不同時(shí)間內(nèi)的巖石活動(dòng)性來(lái)確定的，可是這個(gè)結(jié)果不能對(duì)判定優(yōu)勢(shì)斷裂產(chǎn)生作用，這是因?yàn)樾碌幕顒?dòng)斷裂成為優(yōu)勢(shì)斷裂的可能性是最大的，所以說(shuō)優(yōu)勢(shì)斷裂被人們認(rèn)為最有時(shí)間的先進(jìn)性。為了確定那個(gè)是活動(dòng)性斷裂可以研究斷裂的產(chǎn)生時(shí)間和以往的地質(zhì)資料。

2.規(guī)模優(yōu)勢(shì)指標(biāo)

斷層規(guī)模優(yōu)勢(shì)指標(biāo)可以確定場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性，具體來(lái)講，它是根據(jù)斷層的深度、寬度等因素來(lái)確定，規(guī)模優(yōu)勢(shì)可以對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)活動(dòng)性作出一個(gè)預(yù)估。而具體的規(guī)模優(yōu)勢(shì)指標(biāo)是由“斷層長(zhǎng)度法”來(lái)決定的。

3.距離優(yōu)勢(shì)指標(biāo)

距離優(yōu)勢(shì)指標(biāo)可以確定地質(zhì)特征所影響的場(chǎng)區(qū)范圍，指標(biāo)的數(shù)值能夠?yàn)閳?chǎng)區(qū)的抗震設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。距震中越近那么斷裂對(duì)于工程的影響越大，所以?xún)?yōu)勢(shì)指標(biāo)的具體數(shù)值是有工程場(chǎng)地和震中之間的距離確定的，等震線(xiàn)圖可以為優(yōu)勢(shì)指標(biāo)的數(shù)值提供基礎(chǔ)。

4.活動(dòng)周期與活動(dòng)史優(yōu)勢(shì)指標(biāo)

巖石活動(dòng)周期也可以影響斷層的位移，通過(guò)研究以前的地震資料和當(dāng)時(shí)的地質(zhì)特征，可以將活斷層的活動(dòng)周期和地震產(chǎn)生聯(lián)系，將計(jì)算公式應(yīng)用于活斷層的活動(dòng)周期研究中，同時(shí)研究當(dāng)?shù)氐牡卣鹬芷诩纯纱_定該地區(qū)的斷層活動(dòng)周期。

（三）研究思路

為了確定工程場(chǎng)地的穩(wěn)定性，可以研究地區(qū)巖石的區(qū)域優(yōu)勢(shì)面，一般情況下，優(yōu)勢(shì)面穩(wěn)定的地區(qū)其地質(zhì)條件也較穩(wěn)定，適合作為工程場(chǎng)地。在對(duì)于一個(gè)地區(qū)做穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的時(shí)候不能只依據(jù)區(qū)域穩(wěn)定或者地基穩(wěn)定中的一項(xiàng)，而是要將兩個(gè)因素進(jìn)行有效的總結(jié)，具體來(lái)講就是，當(dāng)一個(gè)地區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性較好的情況下，要研究其地基穩(wěn)定性；反之，區(qū)域穩(wěn)定性不好的情況下要利用地基穩(wěn)定性的研究來(lái)找出改善地基條件，從而減少區(qū)域穩(wěn)定性對(duì)于工程的影響。

三、研究活動(dòng)性斷裂的特征優(yōu)勢(shì)

活動(dòng)性斷裂的特征優(yōu)勢(shì)對(duì)一個(gè)區(qū)域穩(wěn)定與否關(guān)系重大，研究的目的是找出優(yōu)勢(shì)斷裂。

（一）判斷斷裂的類(lèi)型

根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，斷裂的構(gòu)造類(lèi)型分為三類(lèi)，分別為老斷裂構(gòu)造，新斷裂構(gòu)造，活斷裂構(gòu)造，后者對(duì)于Q4的斷裂有一定影響，活動(dòng)性斷裂為新斷裂和活斷裂之和。結(jié)合該區(qū)域的演化規(guī)律以及斷裂走向、斷裂動(dòng)向、斷裂破碎帶等特點(diǎn)對(duì)老、活、新三種構(gòu)造層進(jìn)行分析可以判斷該斷裂為哪一種斷裂。

分析方法

1.地震地質(zhì)分析：區(qū)分活動(dòng)地貌和侵蝕地貌可以根據(jù)線(xiàn)形地貌和監(jiān)測(cè)微震位移，以及根據(jù)以往地震資料加以分析，其關(guān)鍵在于判定斷裂類(lèi)型，掌握其性質(zhì)、形變速率等。唐山地震后，由于古地震可以判斷地震空白區(qū)，并可以判斷斷裂的活動(dòng)周期以及強(qiáng)度大小，因此引起了高度重視。

2.遙感方法：該方法的發(fā)展主要?dú)w功于主衛(wèi)星影像以及計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的技術(shù)的改進(jìn)，其中的航片、衛(wèi)片具有了解活動(dòng)性斷裂的功能。

3.物理方法：其方法有地震人工探測(cè)、測(cè)量大地形變以及地應(yīng)力、大地人工探測(cè)等。

4.微觀方法：根據(jù)分析斷層中的無(wú)機(jī)c、熱釋光、石英的特征性形變等可以推測(cè)其首次活動(dòng)的年代、活動(dòng)的周期以及強(qiáng)度大小。而其斷層地區(qū)的地衣的生長(zhǎng)和侵蝕速率以及包裹斷層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)為斷層最終的活動(dòng)年代提供了依據(jù)。

5.考古方法：根據(jù)以往遺跡以及記載資料來(lái)分析構(gòu)造活動(dòng)在歷史時(shí)期的特征。

6.斷裂區(qū)域分布的規(guī)律：學(xué)者丁國(guó)瑜肖楠森和通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性斷裂的分布與經(jīng)緯度有關(guān)，東經(jīng)105東部和西部斷層類(lèi)型不同，但還未得出統(tǒng)一的結(jié)論，但是對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行研究對(duì)我們進(jìn)一步了解斷裂具有很大幫助。

（二）判斷是否為優(yōu)勢(shì)活動(dòng)性斷裂

我們判斷其斷裂是否為優(yōu)勢(shì)活動(dòng)性斷裂可以參考上述指標(biāo)并加以研究歸納，得出判斷依據(jù)，為確定斷裂閥值提供科學(xué)依據(jù)。

（三）分析其活動(dòng)類(lèi)型與組合模式

不同場(chǎng)地區(qū)域的受力以及優(yōu)勢(shì)面的組合類(lèi)型對(duì)斷裂活動(dòng)的影響不同，比如單個(gè)優(yōu)勢(shì)就可分為剪切型、正斷型和逆沖型，其中剪切型破壞力最大，其次正斷型，逆沖型最小。多個(gè)優(yōu)勢(shì)斷可以按平面和斷巖周邊巖體的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分類(lèi)。按前者分可分為交接型、按后者分為旋轉(zhuǎn)型、二盤(pán)平移錯(cuò)動(dòng)型、等。

四、定量評(píng)價(jià)區(qū)域穩(wěn)定工程地質(zhì)

對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工程，但其有一定的方法和原則：

（一）分析和評(píng)價(jià)的前提

由于火山的活動(dòng)、地震、地殼構(gòu)造等都對(duì)該區(qū)域穩(wěn)定與否有一定的影響，因此應(yīng)該參考這些影響因素對(duì)該區(qū)域穩(wěn)定進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，方法如下：

1.研究者劉國(guó)昌1983在進(jìn)行區(qū)域性穩(wěn)定的研究中，主要依據(jù)該區(qū)域的巖石特征、地址格局、兩側(cè)巖漿運(yùn)動(dòng)軌跡等來(lái)分析該區(qū)域各個(gè)深度的組成物質(zhì)、不同類(lèi)型的斷層斷裂深度和該區(qū)域組成地質(zhì)的演化進(jìn)程等。

2.區(qū)域性地質(zhì)穩(wěn)定在地質(zhì)研究中占有重要的地位，相關(guān)學(xué)者依靠發(fā)現(xiàn)的遙感技術(shù)、物理探測(cè)和化學(xué)探測(cè)等方法對(duì)區(qū)域地質(zhì)活動(dòng)性和地震活動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析研究。前者主要有兩個(gè)表現(xiàn)形式：新構(gòu)造活動(dòng)性、地震活動(dòng)性。后者主要運(yùn)用上述提到的從古至今的相關(guān)資料來(lái)進(jìn)行分析整理從而確定如何控制地震、控制地震的能量釋放等方面，并進(jìn)行發(fā)震預(yù)測(cè)和震級(jí)預(yù)計(jì)。

3.對(duì)區(qū)域構(gòu)造的應(yīng)力場(chǎng)的分析對(duì)于評(píng)價(jià)和分析區(qū)域穩(wěn)定影響重大。其變化特征和規(guī)律可以根據(jù)現(xiàn)有的提供的關(guān)于該區(qū)域的地貌特征、巖體形變、推測(cè)地震來(lái)源的機(jī)制以及室外測(cè)量實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，從而推測(cè)一段時(shí)間以?xún)?nèi)該區(qū)域不同位置的應(yīng)力堆積大小以及放心的不同，以及該區(qū)域應(yīng)力變化特征和規(guī)律等。

4.由于巖土體內(nèi)在地質(zhì)特性和外在地質(zhì)偏差對(duì)該區(qū)域穩(wěn)定的發(fā)展起著一定的牽絆作用，一般在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行巖土體測(cè)定時(shí)，要注重該區(qū)域的巖土體的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)和強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定等。

（二）區(qū)域穩(wěn)定地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

區(qū)域穩(wěn)定評(píng)價(jià)一般由以下幾個(gè)要素：

1.地質(zhì)構(gòu)造要素。該要素主要由斷裂帶深度、長(zhǎng)度以及交叉復(fù)合程度、地殼上升速度、斷層活動(dòng)周期、該區(qū)域松散程度等組成。

2.地震要素。該要素主要用于對(duì)將來(lái)的地震強(qiáng)度、以前和將來(lái)的地震等級(jí)、將來(lái)的地震周期以、將來(lái)的地震來(lái)源以及對(duì)將來(lái)的地震進(jìn)行震前控制等進(jìn)行分析研究。

3.地球物理場(chǎng)要素。該要素主要包括航空拍攝的照片影像、樣度帶的向上延伸程度、延伸長(zhǎng)度、重力等構(gòu)成。評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的工程地質(zhì)是有多種要素共同作用相互影響的。工程地質(zhì)的組成要素也是多種多樣，其中包括該區(qū)域巖石體的化學(xué)指標(biāo)、物理參數(shù)、動(dòng)力指標(biāo)、外在動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)展程度、內(nèi)在塊體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型等，多種要素之間共同聯(lián)系共同影響著調(diào)查分析結(jié)果，使得測(cè)量受到各方面的誤差影響，這對(duì)于分析區(qū)域穩(wěn)定和評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)了不可忽略的作用效果。為了對(duì)該地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行最準(zhǔn)確最科學(xué)的分析研究，需要對(duì)影響其的多種要素進(jìn)行選擇性使用和化二為一，使測(cè)量要素最優(yōu)化，不僅如此，還應(yīng)該合理選用定性指標(biāo)和定量測(cè)量，并使兩者可以進(jìn)行科學(xué)的轉(zhuǎn)化。除此之外，為了減少不必要的誤差，應(yīng)使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)測(cè)量不同區(qū)域的偏差進(jìn)行合理平穩(wěn)化和規(guī)律化，使測(cè)量結(jié)果趨向于誤差最小化，確保研究的規(guī)律化。

結(jié)束語(yǔ)：現(xiàn)如今社會(huì)快速發(fā)展，地質(zhì)工程開(kāi)發(fā)規(guī)模日漸增加，這在不知不覺(jué)中對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性和地震發(fā)生頻率造成了不可估量的重大影響。三峽電站、黃河核電站等大規(guī)模工程雖然造福了千千萬(wàn)萬(wàn)人民，但其對(duì)環(huán)境和巖土問(wèn)題帶來(lái)的后果也急需我們加以解決。根據(jù)目前對(duì)于斷裂區(qū)域穩(wěn)定性的研究成果、穩(wěn)定性區(qū)域之間的劃分和互補(bǔ)、如何尋找最穩(wěn)定的區(qū)域以及對(duì)該區(qū)域地震與否的研究，我們已經(jīng)初步提出了一系列研究方案，并初步形成了一套科學(xué)的系統(tǒng)，我們的努力大家都能看到，但我們不能滿(mǎn)足現(xiàn)狀，應(yīng)進(jìn)一步分析研究區(qū)域穩(wěn)定問(wèn)題和地勢(shì)環(huán)境預(yù)測(cè)，讓這一套系統(tǒng)更為完善，讓我們?yōu)轭A(yù)防未來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)一步而努力，而奮斗，一起保護(hù)我們美麗的地球。