目前，国内外工程界对高拱坝的关注点多集中在与工程建设相关的技术问题上，对蓄水期相关安全问题则关注较少。进入21世纪，我国一大批高拱坝相继建成并投入使用，如拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏一级等。它们主要位于我国的西南地区，该地区地质条件复杂，处于亚欧板块边缘地带，断层、裂隙和软弱破碎带发育，地应力复杂，地质活动活跃^[1-2]。这些不利因素都可能对蓄水后高拱坝的整体稳定和长期安全运行产生很大的影响。据统计，大坝事故主要发生在蓄水初期^[3]，绝大多数的溃坝事故发生在蓄水运行10年之内，在蓄水后第1年发生溃坝的概率最高^[4-7]。

我国已建成的高拱坝在蓄水过程中不同程度地出现了库岸变形现象，主要表现为库盘变形^[8-10]和谷幅变形^[11-13]。拱坝是高次超静定结构，对基础变形比较敏感，大多数拱坝事故均是由于基础或边坡问题造成的，如意大利的Vajont拱坝^[14]和瑞士的Zeuzier拱坝^[15-16]。我国的溪洛渡、锦屏一级坝体及山体在蓄水过程中也观测到库岸变形现象。除库岸变形外，高拱坝蓄水后库区及周边地区地震活动相比蓄水前也更为活跃。据不完全统计，国内外共有146座水库观测到水库诱发地震现象^[17]，我国目前震级最大的水库诱发地震是1962年新丰江水库的6.1级地震^[18-19]。水库诱发地震给拱坝的安全运行和人民群众的财产安全带来了严重威胁。因此，研究高拱坝蓄水后库岸边坡变形和水库诱发地震的机理及其之间的相关性对保证拱坝的长期安全运行和保障人民群众的生命财产安全至关重要。

国内外许多学者对边坡变形机制和水库诱发地震机理进行了研究，但科学界至今都未达成共识。刘有志^[11]认为施工过程中的基础开挖和库水荷载对岩体扰动共同触发岩体的蠕变变形，导致了谷幅收缩现象。杨杰等^[20]将李家峡拱坝左岸岩体呈现向山体外的横河向变形归因于水压力对裂隙和断层的作用。杨强、刘耀儒等^{[12, 21]}通过研究裂隙岩体从非饱和状态到饱和状态的受力过程，提出了裂隙岩体非饱和有效应力原理，认为有效应力的调整导致了边坡变形。水对地质环境的作用非常复杂，在水库诱发地震的研究中主要将其分为库水压力、库水渗透和物理化学3种作用^[22-23]。陈厚群等^[24]根据成因将水库诱发地震分为非构造型浅微地震和构造型水库地震两类。不同学者对边坡变形和水库诱发地震分别展开了详细的研究，但两者在规律和机理上存在的相关性不容忽视，对两者的相关性研究对高拱坝蓄水期的智能监测和安全预警具有十分重要的指导意义。

本文基于对溪洛渡拱坝蓄水期库岸边坡变形监测资料的分析，总结了库岸变形的基本规律。通过蓄水前后地震监测数据的对比分析，分析和总结了蓄水后地震与水位变化的关系以及地震的时空分布情况。同时对水库蓄水后库岸边坡变形和水库诱发地震两者之间的规律及机理相关性进行了探讨，指出了其触发机制的相似之处。

1 工程概况 1.1 溪洛渡工程简介

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江峡谷段，以发电为主，兼具防洪、拦沙和改善上游航运条件等综合效益的特大型水电站。溪洛渡双曲拱坝坝高285.5 m，是国内第三高拱坝，总装机1 386万kW，总库容126.7亿m³。

溪洛渡拱坝于2013年5月4日下闸蓄水，截止到2018年9月30日，共经历了4次完整的蓄水周期，2次非完整的蓄水周期。溪洛渡水库水位随时间变化过程曲线如图 1所示。将蓄水周期按照时间顺序排列分为6个蓄水周期。由于蓄水周期Ⅰ水位尚未达到正常蓄水位600 m高程，蓄水周期Ⅵ水位从549 m高程蓄水到正常蓄水位600 m高程，经历了完整的水位上升期，但是尚未经历水位下降期，故称之为两次非完整的蓄水周期。

1.2 监测布置

沿溪洛渡库区两岸共布置有18个监测库盘变形的仪器，其中左岸布置11个，右岸布置7个，布置高程为610 m，测点布置如图 2所示。溪洛渡坝区共有9条谷幅测线，上游4条测线，下游4条测线，坝顶灌浆平洞1条。坝区谷幅测线分布如图 3所示。

1.3 区域地质情况

溪洛渡拱坝所处的我国西南地区位于亚欧板块和印度洋板块交界处，受板块挤压作用，断裂带、断层发育，应力状况复杂。如图 4所示，将以溪洛渡拱坝为中心，向东西南北4个方向分别延伸100 km构成的区域称为“溪洛渡坝址区”。

溪洛渡拱坝坝址区东南面有北东走向的华莹山-莲峰断裂带，西面有南北走向的峨边-金阳断裂带，东南面有北西走向的马边-盐津断裂带，3条断裂带将溪洛渡坝址区分为4个区域，其中溪洛渡拱坝位于上述3个断裂带围成的三角地带南部^[25]。C区域地质构造不稳定，地质活动较强，地质条件复杂，发育有范围较大、活动水平较高的更新世和晚更新世活动断层^[26]，在水库蓄水以后存在水库诱发地震的风险。

2 库岸变形分析

库岸变形可分为垂直方向和水平方向上的变形。库盘变形是指由蓄水引发的库区岸坡垂直方向的变形。谷幅变形是指大坝所在山谷的谷坡表面在相同高程、相同位置上的水平距离的变化^[27]，属于山体水平方向的变形。

2.1 库盘变形

库盘监测数据以2012年12月的测量数据为基准，截止到2017年11月，共得到5年的库盘监测数据。图 5和图 6分别是左岸和右岸库盘沉降量与水位关系曲线，其中沉降量为正值表示库盘沉降，沉降量为负值表示库盘抬升。从图中可以看出，除KP08测点以外，左岸库盘在蓄水初期有过短暂的沉降，之后库盘缓慢抬升。2016年12月以后，库盘又开始缓慢沉降。右岸库盘在蓄水初期产生快速沉降，之后库盘沉降速度有所放缓，从2015年12月以后，库盘沉降量比较稳定。总体来看，库盘变形经历了从快速沉降到缓慢沉降，再到缓慢抬升或平稳的过程，具有快速响应和滞后响应的特征。这一特征体现了库岸变形与蓄水的影响不可忽略，也体现了蓄水过程中水对岩石的作用不断的发生变化。

2.2 谷幅变形

本文收集了溪洛渡拱坝从2013年5月4日下闸蓄水到2017年12月底的谷幅监测数据，谷幅随水位变化过程曲线如图 7所示。从图 7可以看出，在蓄水初期，各谷幅测线的谷幅收缩速度较快，之后谷幅收缩速度放缓，蓄水周期Ⅴ相比于蓄水周期Ⅰ的谷幅收缩速度减少超过90%，降幅非常明显且谷幅收缩有收敛趋势。截止到2017年12月底，谷幅收缩量最大的是VD03测线，最大谷幅收缩量为79.66 mm。目前来看，谷幅变形是不可逆的塑性变形，谷幅收缩速率经历了先快后慢的过程。截止到2017年底，虽然变形有收敛的趋势，但仍在缓慢的增长。

3 水库诱发地震分析 3.1 库区及周边区域地震统计分析

根据国家地震科学数据共享中心提供的中国地震台网统一地震目录^[28]，在溪洛渡拱坝下闸蓄水前的4年时间里，溪洛渡坝址区共发生ML≥2.0地震130起，日均0.084起地震，震源分布如图 8所示。自溪洛渡水电站2013年5月4日下闸蓄水至今(截止到2019年3月4日)，溪洛渡坝址区共发生ML≥2.0地震207起，日均0.097起地震，是蓄水前4年日均地震次数(排除9·7昭通市彝良县地震)的2.16倍，是蓄水前1年日均地震(排除9·7昭通市彝良县地震)的2.62倍，震源分布情况如图 9所示。蓄水后，溪洛渡周围100 km范围内的地震频率均有所增长，增长最显著的就是C区，尤其是溪洛渡拱坝上游库区。显然，这与蓄水期水位的上升是密不可分的。

3.2 近库区地震

溪洛渡拱坝位于C区内，其几何中心距离溪洛渡拱坝直线距离约19 km，区域内地形以高山为主，金沙江干流与峨边-金阳断裂带从C区内穿过，云南省昭通市永善县县城位于C区内，流经C区的金沙江由于大坝的阻挡形成了大面积的库区，将C区称为近库区。

如图 10所示，自溪洛渡水电站2013年5月4日下闸蓄水至今(截止到2019年3月4日)，溪洛渡库区附近范围内共发生ML≥2.0地震85起，日均0.04起地震。而溪洛渡蓄水前4年近库区未发生ML≥2.0地震。可以看出，受蓄水的扰动引起的近库区水文地质环境的改变，导致了水库诱发地震的产生。

图 11是自溪洛渡下闸蓄水以来近库区ML≥2.0地震与水位关系曲线图。由图 11可知，在蓄水初期，地震发生较为频繁，主要发生在蓄水周期Ⅱ的水位上升期。之后，地震频率有所下降。在蓄水周期Ⅴ末期和蓄水周期Ⅵ地震发生频率有所回升。地震的发生与蓄水存在明显的关联，在蓄水周期Ⅱ水位上升至最高水位的过程中，地震集中发生在此阶段；在以后的蓄水周期里，地震频率减缓。因而，与库岸变形的变化特征相一致，地震同样存在快速响应和滞后响应的特征。

4 库岸变形和水库诱发地震相关性分析

由前面分析可知拱坝蓄水以后的库岸变形和水库诱发地震现象的原因均和水库蓄水密不可分。库水对裂隙岩体和断层产生扰动，导致库岸变形和水库诱发地震的产生，水库诱发地震也可能是产生库岸滑坡的前兆。

由图 7可以看出，各条谷幅测线量值虽有所差别，但总体趋势基本一致，故仅选取VD03测线作为代表，统计溪洛渡拱坝自2013年5月4日下闸蓄水到2017年12月31日的谷幅收缩监测值和同时间阶段的地震数据，谷幅累计收缩量占比和近库区地震发生次数累计占比与时间累计占比的关系如图 12所示。从图中可以看出，在蓄水初期，地震的发生频率和谷幅收缩速度较快，近60%的谷幅收缩量是在前40%的时间内发生的；在前40%的时间内，地震发生的次数占地震总发生次数的比例更是高达66.34%，近80%的地震是在前50%的时间内发生的。在此统计周期的后半段，谷幅收缩和地震次数占比均保持较低速率的增加。

图 13是谷幅收缩量和近库区地震发生次数累计占比与水位关系图。地震的累计曲线分为3个阶段，分别是2个匀速增长阶段和1个加速增长阶段，第2个匀速增长阶段的地震频率要小于第1个匀速增长阶段。谷幅收缩速度在全阶段随时间的增长而降低。在蓄水周期Ⅰ，随着蓄水位的上升，山体内部的水压力不断提高，谷幅变形在这一阶段收缩速度较快。然而，蓄水周期Ⅰ是不完整的蓄水周期，水位尚未达到最高蓄水位，水压力可以引起库岸边坡的变形，却不足以引起地震频率的显著增长。在蓄水周期Ⅱ的水位上升段，地震频率出现突变，加速增长，在蓄水周期Ⅱ结束时，谷幅变形和地震频率累计均达到80%左右。

总体而言，水库蓄水后库岸变形和水库诱发地震现象都主要发生在蓄水初期。在蓄水后期，谷幅和地震均缓慢增加，增长速度大致保持一致。谷幅变形和水库诱发地震与蓄水过程的规律存在一定的相似性。同时，蓄水诱发的地震意味着断层面或结构面产生了错动变形，且这种变形是不可逆的，这一特点与库岸变形是不可逆的塑性变形一致。

5 机理分析

水库的库岸边坡主要由裂隙岩体构成，岩体并不是密实的均质材料，微观上晶体内部存在缺陷，中观上存在裂隙、节理等，宏观上存在断层和断裂带等。经过长期的非平衡演化，裂隙岩体和结构面大多处于临界平衡状态^[29]。水库蓄水后，地下水水位随之抬升，库水进入岩体裂隙和断层等结构面，打破这一平衡状态，造成库岸变形和水库诱发地震等现象。

5.1 库岸变形机理

水对岩石的作用主要包括力学作用和物理化学作用^[30-32]。岩体的变形可用滑块的滑动来近似模拟，图 14为水对含张裂缝的滑块稳定性影响^[33]。在不考虑水的影响时，其处于稳定状态的条件为：

$F = S - R \leqslant 0, $

(1)

$S = T\cos (\beta - \alpha ) + W\sin \alpha , $

(2)

$R = {f_1}[T\sin (\beta - \alpha ) + W\cos \alpha ] - {c_1}A.$

(3)

其中：S为滑动力，R为抗滑力，W为裂隙岩体自重，f₁为天然状态下裂隙表面的摩擦系数，T为其他作用力如地应力等，c₁为裂隙间的黏结力，A为裂隙接触面积。

水库蓄水以后，库水进入裂隙表面。裂隙宽度相对于水分子的直径要大的多，因而可以忽略水的分子力和黏滞力。蓄水后滑块的稳定条件变为：

${F^\prime } = {S^\prime } - {R^\prime } \leqslant 0, $

(4)

${S^\prime } = T\cos (\beta - \alpha ) + W\sin \alpha + {P_2}, $

(5)

${R^\prime } = {f_2}\left[ {T\sin (\beta - \alpha ) + W\cos \alpha - {P_1}} \right] + {c_2}A.$

(6)

其中，F′、S′、R′、f₂和c₂分别为蓄水后的受力状态、滑动力、抗滑力、下裂隙表面的摩擦系数和黏结力，P₁和P₂为超静水压力。

由式(6)可知，超静水压力P₁通过减少滑面上的有效法向分量，从而降低了滑块的抗滑力；由式(5)可知，作用于充水张裂缝的超静水压力P₂增大了滑块滑动的滑动力。由于裂隙水的软化作用，裂隙表面和裂隙填充物的力学参数缓慢降低，进而降低裂隙面的摩擦系数f和黏聚力c。

假设蓄水前，滑块处于临界平衡状态，即

$F=0.$

(7)

则蓄水后的受力状态为：

${S^\prime } > S, $

(8)

${R^\prime } < R, $

(9)

${F^\prime } > F = 0.$

(10)

由式(8)—(10)可知，水进入张裂缝，增大向下的滑动力；水分布在底面上，减小了阻滑力，最终导致处于临界平衡状态的滑块失去稳定性。

库水压力主要作用于裂隙等结构面，在蓄水以后，岩体裂隙由于良好的渗透性，库水可以快速充满裂隙^[34]。对于蓄水前处于地下水位以上的岩体，在水位上升过程中，由于岩体裂隙的高渗透性，库水可以迅速充满裂隙。而由于岩体中的孔隙部分渗透性较弱，孔隙部分要达到饱和状态需要一定的时间。裂隙等结构面存在的超静水压力导致裂隙应力状态发生变化，是蓄水初期库岸变形快速增长的主要原因。除了库水压力作用外，库水对岩体和结构面也会产生物理化学作用。水对岩体的物理化学作用表现比较滞后。天然状态下的水含有复杂的化学成分^[35]，水中的化学成分也会与岩体产生化学反应，腐蚀岩体和结构面，裂隙面摩擦系数和黏聚力降低，使裂隙面更容易滑动，这一作用使变形速率虽然有所降低，但变形已然在持续地增长。第3种作用是对岩体弹性模量的影响，被水浸泡过的岩体的弹性模量会逐渐降低^[36-37]，在一些实际工程蓄水一段时间后，边坡岩体虽然不再发生大的变形，但一直存在着微小的变形发生，这样的变形会持续很长时间。

5.2 水库诱发地震机理

地震是指由断层或断裂带上突然产生应力降，引起地壳快速释放能量所导致的振动现象^[38]。对于地壳中的岩体，一般有两种情况可以产生突然的应力降：一种情况是地壳岩体自身产生的脆性破裂或断裂，另一种情况是地壳中断裂带、断层产生的黏滑现象^[39]。多数浅源地震是由已有断层的黏滑引起的^[40]。如果断层处于临界平衡状态，摩擦力的降低可能会使摩擦力不足以抵抗断层的滑动力，造成断层的错动，进而引发地震。

将图 14中的滑块换为山体，滑面换为断层，则滑块的稳定状态变为断层的稳定状态。断层的抗剪强度可用如下的Mohr-Coulomb准则表示：

$\tau = \mu \sigma + c.$

(11)

若考虑结构面上的孔隙水压力，则式(11)变为

$\tau = \mu (\sigma - p) + c.$

(12)

即水的力学作用是将滑面上的有效正应力降低，进而降低断层的抗剪强度，导致断层面错动变形。2013年Ellsworth^[41]在《Science》上发文，认为孔隙水压力上升导致有效应力降低，从而降低断层的临界抗剪强度：

${\tau _{{\rm{CRIT}}}} = \mu \left( {{\sigma _n} - p} \right) + {\tau _0}.$

(13)

式(13)解释了水库诱发地震的机理。Hubbert等^[42]也基于该原理解释了驱动巨大逆掩断层(overthrust faulting)运动的机制。

除了水对断层面的力学作用外，在水的长期浸泡下，水还会对断层产生物理化学作用，主要体现为腐蚀、软化和润滑作用。水中的二氧化碳可以与碳酸盐进行化学反应，腐蚀含有碳酸盐的岩体，很多水库诱发地震的震源也位于以碳酸盐为主的岩层中。在水的物理化学作用下，断层面的摩擦系数降低，式(12)变为

$\tau = {\mu ^\prime }(\sigma - p) + {c^\prime }.$

(14)

摩擦系数的降低导致抗滑力进一步降低，断层产生滑动，进而引发地震。

地震在蓄水初期比较明显，之后放缓，然后又有所回升，这是由于在蓄水初期，大量处于临界状态的断层由于水位的抬升，导致断层之间的水压力提高。根据有效应力原理，水压力垂直作用于断层表面，降低了断层面上的有效法向应力，进而降低断层面的抗滑力，使得处于临界状态的断层产生滑动，引发地震。由于临界状态的断层已经在蓄水初期发生了地震，之后地震频率有所减缓。经过几次的蓄水过程，水对断层面及断层岩体的软化作用逐渐显现，致使断层抗剪强度降低，断层产生破裂、滑动，从而引发地震，地震频率有所回升。

5.3 机理相关性

库岸变形和水库诱发地震在机理上也存在一定的相似之处。将图 13进行简化近似处理可得库岸变形和水库诱发地震的机理相关示意图，如图 15所示。水库诱发地震可分为快速响应型和滞后响应型两种^[43]，在此基础上可细分为快速响应型、滞后响应型和延续型3种^[44]。与此对应，库水影响下的库岸变形也可以分为3种，分别是快速响应型、滞后响应型和时效变形。

1) 快速响应型。在水库蓄水以后，由于断层、裂隙等结构面的渗流速度快，库水可以快速充满裂隙和断层，水压力以法向力的形式作用于裂隙或者断层表面，降低了结构面的法向作用力，进而降低了结构面的抗滑力，使得原本处于临界状态的裂隙岩体或者断层发生滑动，进而引发库岸变形和地震。库水压力的作用是快速产生的，因而库岸变形和诱发地震均具有快速响应的特征。不同之处在于，地震的发生需要较大水压力触发断层的错动，且这种错动是瞬时发生的，其增速在快速响应阶段由慢突然变快。

2) 滞后响应型。地震主要是处于临界状态的断层或者裂隙岩体产生滑动、变形引起的，对于很多处于非临界状态的断层或者裂隙，突然增加的超静水压力不会使其产生变形和滑动。在水的长期浸泡下，水的物理化学作用使断层、裂隙等结构面的摩擦系数和黏聚力减小，降低了结构面的抗剪强度，使其进一步产生滑动，引起结构面的变形和水库诱发地震。

3) 延续性(时效变形)。饱和后的岩体弹性模量要小于非饱和状态下的岩体，则在同样的受力状态下，饱和岩体的变形量要大于非饱和岩体，饱和岩体的蠕变量也大于干燥岩体。裂隙岩体的弹性模量要小于完整岩体，说明在受力的情况下，虽然裂隙面没有发生大范围的滑动，但是也在发生很微小的滑动，这样的滑动是长期性的。与此相同，断层面也会进行长期的弹性应变能的积累，最终出现水库诱发地震现象。

6 结论

通过对溪洛渡拱坝蓄水初期库岸边坡变形监测资料和地震监测数据的整理分析，总结了蓄水后库岸变形的规律以及蓄水前后库区地震活动的变化规律，对水库蓄水后库岸边坡变形和水库诱发地震的产生机理以及两者在规律和机理上的相关性进行了探讨。得出如下结论：

1) 溪洛渡拱坝在蓄水初期谷幅和库盘产生了较大的变形，变形速度呈现先快后慢的特点，变形速度已经明显放缓，收敛趋势明显。溪洛渡水库近库区在蓄水以后观测到比蓄水前更高的地震发生频率。前两个蓄水周期发生地震的频率要远高于其他周期，之后3个蓄水周期地震的发生频率相比于前2个周期下降很多。

2) 水库蓄水后库岸变形和水库诱发地震现象都主要发生在蓄水初期。蓄水诱发的地震意味着断层面或结构面产生了错动变形，且这种变形是不可逆的，与库岸变形是不可逆的塑性变形相一致。

3) 水库蓄水以后诱发库岸边坡变形和地震的机理是相近的，均存在快速响应和滞后响应的特征。快速响应是由于库水进入岩体裂隙和断层导致有效应力降低，预先处于临界平衡状态的裂隙和断层发生滑动，产生不可逆塑性变形和水库诱发地震。滞后响应是由于库水对裂隙岩体和断层的物理化学作用逐渐降低其抗剪强度，导致岩体的缓慢变形和断层的滑动破坏。

4) 库岸变形和水库诱发地震在规律和机理上都表现出明显的相关性，这为高拱坝蓄水期的智能监测和安全预警提供了新思路。