桂西典型巖溶區(qū)巖溶震群活動震害防治初探

蒙榮國

(廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人類對資源的需求進一步加大，人類工程活動對自然環(huán)境的改造進一步加深，各種災(zāi)害逐步突顯。尤其近年來各種極端天氣的頻繁出現(xiàn)，于巖溶區(qū)頻發(fā)的小震群活動引起廣泛關(guān)注。

2010年6月，廣西凌云—鳳山一帶發(fā)生了3級震群(稱“6·28”震群)，該震群活動的發(fā)生引起當?shù)馗骷壵膹V泛關(guān)注。經(jīng)研究認為該震群為暴雨誘發(fā)的巖溶震群活動[1]。

巖溶震群活動是指在巖溶區(qū)這個特定巖溶環(huán)境水文地質(zhì)條件下發(fā)生的淺部地震活動，它可能是塌陷地震或氣爆地震，也可能是塌陷地震引發(fā)一系列氣爆地震，或氣爆地震引發(fā)一系列塌陷地震，或者因氣體擠壓溶洞頂板產(chǎn)生應(yīng)力釋放而產(chǎn)生局部小地震[1]。

巖溶震群活動國內(nèi)外研究主要以水庫誘發(fā)地震研究或巖溶塌陷研究居多。1988年范家參等[2]對水庫誘發(fā)地震氣爆成因進行了分析，1989年胡平等[3]將氣爆型水庫誘發(fā)地震分為塌陷型氣爆及外沖型氣爆，1990年康彥仁等[4]對中國南方巖溶塌陷的形成條件、影響因素、分布規(guī)律、形成過程、成因機制、塌陷區(qū)劃等進行系統(tǒng)地深入研究，1994年鄒成杰等[5]將巖溶區(qū)水庫地震分為巖溶塌陷地震和巖溶氣爆地震，近年來的同類研究成果很多，但多未將巖溶區(qū)地震和引發(fā)災(zāi)害一起研究。桂西典型巖溶區(qū)多為貧困山區(qū)，人口密度小，地震記錄少，類似研究工作更少。2010年“6·28”震群發(fā)生后，方引起廣泛關(guān)注。

1 巖溶震群活動特點

1.1 主要發(fā)育于巖溶強烈發(fā)育區(qū)

巖溶發(fā)育強度控制著巖溶震群活動的環(huán)境條件，地下巖溶洞穴上部巖土體失穩(wěn)下塌會產(chǎn)生地震活動。如廣西來賓市良江鎮(zhèn)吉利村發(fā)生大型巖溶塌陷，該區(qū)下伏石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中巖溶強烈發(fā)育，地下發(fā)育一條規(guī)模較大的地下河或巖溶地下水強徑流帶[6]，地下水活動強烈，給巖溶震群活動的發(fā)生提供優(yōu)越條件。

1.2 與強降雨具有較好的相關(guān)性

2010年6月27～30日廣西西北部出現(xiàn)大暴雨過程，鳳山縣至凌云縣一帶發(fā)生“6·28”震群活動，震群的發(fā)生時間與震區(qū)強降雨具有明顯的時空相關(guān)性，為暴雨誘發(fā)的巖溶震群活動。

1.3 頻度高震級低

“6·28”震群共記錄到3071次地震活動，絕大部分為2.0級以下地震，3.0～3.9級地震3次，最大3.2級，其中記錄到最高的單日震動次數(shù)達351次(2010年6月30日)，表現(xiàn)為頻度高，震級低的特征。

1.4 分布集中，震源淺

據(jù)地震部門提供數(shù)據(jù)，“6·28”震群約70%集中在廣西鳳山縣江洲鄉(xiāng)那林村一帶(東經(jīng)106°54′00″，北緯24°21′36″)，達2 083次，63%地震的震源深度小于1.6 km，震源淺[7]。

1.5 災(zāi)害大

“6·28”震群發(fā)生在廣西桂西北巖溶地區(qū)，河池市鳳山縣江洲鄉(xiāng)隴善村等7個自然屯震感強烈，地震共造成1 000多人受災(zāi)，百色、河池兩市直接經(jīng)濟損失1 500多萬元，轉(zhuǎn)移安置群眾3 500余人。

1.6 具有重現(xiàn)性

“6·28”震群發(fā)生后，廣西地震臺網(wǎng)中心分別于鳳山縣江洲鄉(xiāng)隴善村和鳳山縣平樂鄉(xiāng)大洞村各架設(shè)1個流動地震臺站。這2個流動地震臺從2011年9月至2012年11月共監(jiān)測到79次0級以上地震，與2010年“6·28”震群震中區(qū)基本一致。

2 巖溶震群活動震害特點

巖溶震群活動也和一般地震活動一樣對地表建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而巖溶震群活動因震級小，其危害主要次生地質(zhì)災(zāi)害的危害及巖溶地基對地表烈度的放大作用。

2.1 次生地質(zhì)災(zāi)害特點

巖溶震群活動主要發(fā)生于強巖溶發(fā)育區(qū)，地震活動引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、崩塌(危巖)、地面塌陷、地裂縫等。次生地質(zhì)災(zāi)害主要具有以下特點。

(1)突發(fā)性

巖溶震群活動所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往具有突發(fā)性的特點，次生地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的時間具有不可預(yù)見性，可能地震時發(fā)生，也可能震后發(fā)生，或震后一段時間內(nèi)因其它因素改變(如發(fā)生大的降雨)發(fā)生。因此，由于其突發(fā)生給次生地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防提出了更高的要求。

(2)隱蔽性

隱蔽性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的共性，由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的復(fù)雜性，常規(guī)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查往往很難查清所有地質(zhì)災(zāi)害隱患。如巖溶區(qū)的危巖調(diào)查，受植被、地形等因素影響，很難查清調(diào)查區(qū)危巖發(fā)育狀況[8]，有時調(diào)查認為很危險的塊體地震時并未下崩，而不危險的塊體卻有下崩現(xiàn)象，更有甚者存在未發(fā)現(xiàn)危巖塊體處發(fā)生崩塌現(xiàn)象。對于地質(zhì)災(zāi)害的隱蔽性要求地質(zhì)災(zāi)害工作者不僅要有豐富的經(jīng)驗，還應(yīng)敢于創(chuàng)新，充分運用現(xiàn)代技術(shù)手段對地質(zhì)災(zāi)害進行調(diào)查分析評價。

(3)連環(huán)性

次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的連環(huán)性是與巖溶震群活動的特點分不開的，往往是一種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生又引發(fā)另一種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，或同一類型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生引發(fā)別處發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。如危巖崩塌形成的震動引發(fā)巖溶地面塌陷，而地面塌陷發(fā)生后又有可能引發(fā)別處地面塌陷。

2.2 巖溶場地破壞烈度放大效應(yīng)分析

(1)巖溶地基不均一性

巖溶地基由于巖溶作用，往往地下土洞、溶槽(洞)發(fā)育，在地震作用下，地基巖(土)體發(fā)生差異變形，從而引起地表建(構(gòu))筑物的破壞，地震烈度加大。

(2)次生地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)性

由于巖溶地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的脆弱性，在漫長的地質(zhì)年代作用下，巖溶區(qū)表現(xiàn)為崩塌(危巖)、滑坡、巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，地震活動加速了各種地質(zhì)災(zāi)害的形成，從而表現(xiàn)為地震烈度的加大。

(3)地震活動疊加性

如前所述，巖溶震群活動往往為多個地震的疊加，氣爆地震可能引發(fā)塌陷地震，塌陷地震的發(fā)生又引發(fā)氣爆地震，各種地震活動所釋放能量的疊加加速各類地質(zhì)災(zāi)害的形成，從而表現(xiàn)出地表的加速破壞。

(4)建筑結(jié)構(gòu)無抗震設(shè)防設(shè)計

桂西巖溶區(qū)多半是貧困山區(qū)，所修建筑隨意性大，多沒有專業(yè)人員的指導(dǎo)，無抗震意識。地震發(fā)生后，表現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴重，人員傷亡大。

3 巖溶震群活動機理研究

巖溶震群活動主要表現(xiàn)為氣爆地震及塌陷地震，下面主要從氣爆地震及塌陷地震兩種類型進行分析。

3.1 氣爆地震機理分析

通過對“6·28”震群研究，巖溶氣爆地震發(fā)生取決于其環(huán)境條件及動力條件[1]，其中環(huán)境條件就是地下存在因地下水上漲而自動密閉的巖溶空腔，密閉空腔存在受堵塞通道與地表連通(圖1)；動力條件為地下水暴漲使地下巖溶空腔內(nèi)形成高壓氣體，巖溶空腔內(nèi)高壓氣體對上部巖土體產(chǎn)生破壞形成氣爆地震，最常見以外沖型為主。

圖1 氣爆地震模型圖Fig.1 Gas explosion seismic model diagram

3.1.1 氣爆地震力學(xué)模型分析

(1)模型概化

為研究方便，模型概化時作以下假設(shè)：

1)受堵塞通道是垂直的，且橫截面形狀為上下一致的圓形。

2)受堵塞通道充填物是均一的，且其力學(xué)性質(zhì)遠小于圍巖。

3)巖溶空腔是密閉的，且堵塞通道充填物不透氣。

4)巖溶空腔氣體不可燃。

根據(jù)以上假設(shè)，將氣爆地震模型概化見圖1。

(2)力學(xué)分析

堵塞體受到巖溶空腔中高壓氣體P(附加氣體壓力，即氣體壓力減去大氣壓力P0)的作用，堵塞體則依靠土體黏聚力(f)及自重(G)來阻止土體的變形。

堵塞通道半徑為a，厚度為H，當堵塞處極限平衡狀時，取地面以下深度z處，dz厚度土體作受力分析(圖2)，由垂向上平衡條件可以得到：

圖2 氣爆地震力學(xué)分析圖Fig.2 Gas explosion seismic mechanical analysis diagram

γsatπa2dz+2πacdz+2πaλσztanψdz=πa2dσz

(1)

式中：γsat——土體飽和重度/(kN·m-3)；

c——堵塞體與圍巖接觸面的內(nèi)聚力/kPa；

ψ——堵塞體與圍巖接觸面的內(nèi)摩擦角/(°)；

λ——靜止土壓力系數(shù)；

σz——附加應(yīng)力/kPa。

將邊界條件：z=0，σz=0；z=H，σz=P。代入式(1)得：

(2)

式(2)極限平衡狀態(tài)下推導(dǎo)出來的，這里將計算出的壓力值記為Pt，從而可得出：當壓縮氣體應(yīng)力大于Pt時，堵塞體被擊穿，氣體能量釋放，產(chǎn)生氣爆地震；當壓縮氣體應(yīng)力小于等于Pt時，堵塞體穩(wěn)定或處極限平衡狀態(tài)，不會產(chǎn)生氣爆地震。

將式(2)變換可得：

(3)

同上可得出：當堵塞體厚度小于Ht時，堵塞體被擊穿，氣體能量釋放，產(chǎn)生氣爆地震；當堵塞體厚度大于等于Ht時，堵塞體穩(wěn)定或處極限平衡狀態(tài)，不會產(chǎn)生氣爆地震。

3.1.2 氣爆地震能量分析

氣爆地震能量參照理想氣體作絕熱膨脹時所釋放的能量來計算[9]。算式如下：

(4)

式中：Ug——氣爆震能量/MJ；

P0——環(huán)境的絕對壓力/MPa；

P——氣體的絕對壓力/MPa；

V——氣體的體積/m3；

k——氣體的絕熱指數(shù)。

空氣氧氣氫氣及一氧化碳的絕熱指數(shù)k均近似為1.4，取1.4。環(huán)境絕對壓力P0取100 kPa(一個標準大氣壓)，代入式(3)得：

Ug=2.5PV(1-0.52(P)-0.285 7)

(5)

令Cg=2.5P(1-0.52(P)-0.285 7)則式(5)簡化為：

Ug=CgV

(6)

式中：Ug——爆炸能量/J；

Cg——爆炸能量系數(shù)/J·m-3；

V——氣體體積/m3。

常用壓力下氣體爆炸能量系數(shù)Cg(k=1.4時)見表1。

3.2 塌陷地震機理分析

塌陷地震主要因地下洞穴上覆巖(土)體因勢能減小產(chǎn)生能量釋放而形成地震，其形成過程非常復(fù)雜。如溶洞頂板危巖體，其破壞模式就可能有滑移式、傾倒式、墜落式等，難概化出一個統(tǒng)一的模型，因此，下面僅對塌陷地震能量作初步探討。

表1 空氣爆炸能量系數(shù)計算表Table 1 Calculation table of air explosion energy coefficient

塌陷地震能量釋放過程可參照能量守恒定理對其能量進行估算，則有：

Wg=ξmgh

(7)

式中：Wg——塌陷地震能量/MJ；

ξ——修正系數(shù)(取0.1～0.9，和塌落過程環(huán)境有關(guān))；

m——塌陷體的質(zhì)量/kg；

g——重力加速度，取10 m/s2；

h——塌陷體下落高度/m。

3.3 地震震級估算

地震震級與能量大小的關(guān)系見表2或參考文獻[10]。

表2 震級與能量對應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between magnitude and energy

注：J(焦耳)能量單位

lgE=4.8+1.5M

(8)

式中：E——地震能量/J；

M——地震震級。

4 巖溶震群活動震害防治對策初探

地震震害防治是世界難題，主要因為地震難預(yù)測。巖溶震群活動有其特殊性，它與巖溶環(huán)境水文地質(zhì)條件及強降雨具有很強的關(guān)聯(lián)性，討論震群活動的防治，可從減小地震發(fā)生概率出發(fā)，對巖溶震群活動災(zāi)害防治可分三個層次進行開展，即認知層次(采用科普宣傳、地震專項調(diào)查)、輔助治理(天氣預(yù)報、綠色發(fā)展)、工程治理(地下以水氣疏導(dǎo)為主，地上以增強建(構(gòu))筑物剛度及對次生地質(zhì)災(zāi)害防治為主)。

4.1 開展科普宣傳教育

防災(zāi)減災(zāi)關(guān)健是受災(zāi)主體的意識，受災(zāi)主體對災(zāi)害認識提高了，“要我防災(zāi)”就會變成“我要防災(zāi)”，從而使各項工作將更加順利開展，也可減少地震發(fā)生時造成的社會恐慌。

構(gòu)造地震防災(zāi)減災(zāi)知識已有一定程度的普及，而暴雨觸發(fā)巖溶震群活動幾乎尚未開展科普宣傳教育。應(yīng)充分利用廣播、電視、報刊雜志、網(wǎng)絡(luò)等媒體開展科普教育，其中包括巖溶區(qū)震群活動的控制因素、產(chǎn)生條件、形成機理、以及震群活動引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害的類型、規(guī)模特征和危害程度。普及地質(zhì)災(zāi)害防治知識，增強群眾的防災(zāi)、減災(zāi)意識和防災(zāi)能力。

4.2 開展巖溶區(qū)地震專項調(diào)查工作

開展巖溶區(qū)地震專項調(diào)查工作主要是查明巖溶區(qū)產(chǎn)生震群活動環(huán)境條件及動力條件，利用多因子評判方法對調(diào)查區(qū)產(chǎn)生巖溶震群活動易發(fā)程度進行分區(qū)，再根據(jù)分區(qū)結(jié)果分層次探討減緩巖溶震群活動震害的方案。

4.3 貫徹綠色發(fā)展理念，減少人類活動對環(huán)境的影響

從巖溶震群活動形成機制分析中可知，地質(zhì)作用是漫長及漸變的，地質(zhì)環(huán)境本身存在自身調(diào)節(jié)功能，巖溶震群活動的發(fā)生也是漫長及漸變的，而人類工程活動相對地質(zhì)作用本身是快速及突變的，往往在短時間內(nèi)將起著決定性作用，巖溶震群活動大規(guī)模發(fā)生主要為人類工程活動(如水土流失造成地下巖溶管道淤積和堵塞易形成氣爆地震，而大降深開采地下水易形成地面塌陷等)造成的，因此，加強水土保持工作，保護自然生態(tài)是人類活動優(yōu)先考慮的重要問題。

因此，進行工程建設(shè)時應(yīng)要考慮最大限度減少對地質(zhì)環(huán)境的影響，認真貫徹“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，減少因發(fā)展引發(fā)各類災(zāi)害地質(zhì)的發(fā)生。

4.4 加強災(zāi)害性天氣預(yù)報工作

強降雨給巖溶震群活動提供了動力條件，也是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害重要因素之一。因此對巖溶震群活動易發(fā)區(qū)加強災(zāi)害性天氣預(yù)報工作顯得尤為重要。目前地震預(yù)報及特大暴雨預(yù)報都是有待解決的難題，尤其局部地區(qū)強降雨預(yù)測預(yù)報難度更大，其結(jié)果也影響暴雨觸發(fā)巖溶震群活動的預(yù)報準確度，勢必影響次生地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報準確度。

在巖溶震群活動易發(fā)區(qū)應(yīng)加強氣象臺的建設(shè)工作，尤其是自動氣象臺觀測工作，保證這些地區(qū)降雨信息及時傳送氣象臺。應(yīng)加強持續(xù)干旱之后瞬時暴雨的災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警，即加強干旱特大干旱之后的暴雨特大暴雨的趨勢預(yù)報工作。這種預(yù)報的準確程度直接影響巖溶區(qū)震群活動預(yù)報的準確程度。

4.5 巖溶氣爆地震高易發(fā)區(qū)實施必要的工程措施

(1)對已發(fā)現(xiàn)的巖溶空腔施工通氣孔

密閉空腔為巖溶氣爆地震發(fā)生的必要條件，通過施工通氣孔，從而使原可密閉的地下巖溶空腔變成“漏氣”空腔，巖溶空腔內(nèi)難以形成高壓氣體，減少巖溶氣爆地震的發(fā)生。此種方法主要基于改變巖溶氣爆地震環(huán)境條件。

(2)對受淹洼地地下水進行疏導(dǎo)

洼地受淹說明地下水去路不暢，從而導(dǎo)致地下水上漲幅度及速率均大大增加。從減輕巖溶氣爆地震動力條件出發(fā)，若能對地下水去路進行疏導(dǎo)，使地下排水暢通，可以減小地下水上漲幅度及速率，從而減少巖溶氣爆地震的發(fā)生。

此種方法可以結(jié)合目前土地整治項目進行開展，提高資金的使用效益。

4.6 適當提高巖溶震群活動高易發(fā)區(qū)地面抗震設(shè)防

抗震設(shè)防國家已出臺相應(yīng)文件、規(guī)范等作了具體規(guī)定，對我國防災(zāi)減災(zāi)起到了很大的作用。巖溶震群活動是小流域及小范圍的，它往往具有頻度高、震級低、震源淺、烈度大等特點，國家規(guī)范難以完全覆蓋。因此，對于巖溶震群活動高易發(fā)區(qū)抗震設(shè)防進行一些補充規(guī)定是必要的。

(1)加強巖溶震群活動高易發(fā)區(qū)建筑管控

一般地震發(fā)生受損最為嚴重往往是一些違規(guī)建(構(gòu))筑物，該類建(構(gòu))筑物往往亂搭亂建，各種安全防范措施多不到位，包括從選扯到建筑結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)加強對此類建(構(gòu))筑物的管控，管理部門可在審批此類構(gòu)筑物時要求建設(shè)方加強建(構(gòu))筑物的整體結(jié)構(gòu)，如增加圈梁等措施，提高建(構(gòu))筑物的抗震能力。

(2)適當提高巖溶震群活動高易發(fā)區(qū)抗震設(shè)防

通過巖溶震群活動專項調(diào)查，確定巖溶震群活動高易發(fā)區(qū)可能發(fā)生地震的破壞烈度，若該烈度高于國家對該區(qū)的設(shè)防烈度，則適當提高設(shè)防烈度。

4.7 加強次生地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究

次生地質(zhì)災(zāi)害是地震災(zāi)害重要組成部分，尤其是小震級活動，次生地質(zhì)災(zāi)害的危害尤為突出。因此，加強次生地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究顯得更加重要。

加強次生地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究，首先詳細查明震區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，分析其成因機制，破壞模式及危害等；其次，分析地震活動條件下地質(zhì)災(zāi)害破壞后其可能的運動方向、距離及造成的危害等；第三，預(yù)測震區(qū)現(xiàn)存斜坡于震狀態(tài)下穩(wěn)定性，其可能產(chǎn)生的破壞模式及危害；第四，提出防災(zāi)減災(zāi)建議，重點理清防與治的層次關(guān)系。

5 結(jié)論與建議

(1)由于近年來極端天氣頻發(fā)，巖溶震群活動逐漸被廣泛關(guān)注，巖溶震群活動具有頻度高、震級低、災(zāi)害大等特點。

(2)巖溶震群活動主要表現(xiàn)為氣爆地震或塌陷地震，還包括因氣體擠壓溶洞頂板而產(chǎn)生應(yīng)力釋放的局部小地震。

(3)巖溶震群活動震害主要為次生地質(zhì)災(zāi)害及巖溶地基對地表烈度的放大作用。

(4)巖溶震群活動震害防治可從認知(采用科普宣傳、地震專項調(diào)查)、輔助治理(天氣預(yù)報、綠色發(fā)展)、工程治理(地下以水氣疏導(dǎo)為主，地上以增強建構(gòu)筑物剛度及對次生地質(zhì)災(zāi)害防治為主)三個層次進行探討。