兩河口水電站壩址區(qū)構(gòu)造節(jié)理裂隙成因機制淺析

吳 章 雷

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上,為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2km河段。壩址處多年平均流量 670m3/s,水庫正常蓄水位 2865m,相應庫容 101.54億m3,具有多年調(diào)節(jié)能力。樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、泄洪、放空、地下廠房等建筑物組成。礫石土心墻堆石壩最大壩高 295.00m,電站裝機容量 300萬 kW,多年平均發(fā)電量 114.91億 kW·h。

2 壩址區(qū)基本條件

2.1 地形地貌

壩址區(qū)位于雅礱江與鮮水河匯合口(即兩河口)以下,慶大河口以下約 1.8km河段上(見圖1),枯水期水面高程約 2600m。壩址為橫向谷,兩岸山體雄厚,谷坡陡峻。左岸呈弧形凸向右岸,地形平均坡度 30°～45°,局部溝梁相間,發(fā)育數(shù)條小沖溝;右岸為凹岸,平均坡度 25°～45°,壩址下游有阿農(nóng)溝切割,其余為淺表沖溝。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)基巖為兩河口組中、下段。兩河口組下段總體特征以變質(zhì)砂巖夾粉砂質(zhì)板巖為主,據(jù)巖性組合特征可進一步分為五層,總厚度約 769m。兩河口組中段巖性以粉砂質(zhì)板巖向上漸變?yōu)榉凵百|(zhì)板巖夾絹云母板巖及粉砂質(zhì)板巖與絹云母板巖互層,可細分為五個層,總厚度大于725m。壩址區(qū)巖層總體產(chǎn)狀 N60°～ 70°W/SW∠60°～ 70°。

圖1 兩河口水電站壩址位置示意

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)處于瓦多復背斜南翼次級的兩河口背斜的南翼,宏觀上為一單斜地層,地層層序正常。兩河口背斜南翼完整,北翼受斷層切割不完整,軸面的走向與層面基本一致。根據(jù)壩區(qū)斷裂破碎帶的寬度及延伸情況,可分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面,Ⅲ級結(jié)構(gòu)面主要為壩區(qū)發(fā)育的規(guī)模比較大的斷層,壩區(qū)大多探洞都有揭示,在平面圖上有反映;Ⅳ級結(jié)構(gòu)面為小斷層,局部探洞有揭示;Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為節(jié)理裂隙。壩址區(qū)主要構(gòu)造見圖2。

圖2 兩河口水電站壩址區(qū)構(gòu)造示意

2.3.1 斷層(Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面)

探洞揭示 ,壩區(qū)主要發(fā)育 f1、f4、f7、f15、f24、f25、f30等斷層(Ⅲ級結(jié)構(gòu)面),斷層的分布情況見圖2,各斷層的性狀特征見表1。按斷層走向可以劃分北西西向,包括 f1、f4、f25斷層,該組斷層多沿巖體中較薄弱的層面發(fā)育,斷層以順層擠壓為主,斷層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致,延伸多大于 1100m;其次北東東向,包括 f7斷層,延伸長度大于 650m;再次為近南北向,包括 f15斷層,延伸長度約 450m;最后為北北東向,包括斷層 f24斷層,延伸長度多大于250m。

以上四組斷層破碎帶在不同露頭出露的寬度變化大,時寬時窄,以幾公分～一米不等,充填物以片狀巖、石英脈、糜棱巖、斷層泥等為主,北西西向斷層碳化、糜棱化強烈。

壩址區(qū)的小斷層(Ⅳ級結(jié)構(gòu)面)發(fā)育,方向分散,延伸 50～100m不等,錯動帶寬度以 1～10cm為主,主要由壓碎巖、碎裂巖和少量糜棱巖組成。

表1 壩址區(qū)主要斷層性狀特征

2.3.2 節(jié)理裂隙(Ⅴ級結(jié)構(gòu)面)

對壩區(qū) 13287條節(jié)理裂隙所作的統(tǒng)計分析表明(見圖3):緩傾角結(jié)構(gòu)面 2354條、中傾角結(jié)構(gòu)面5717條、陡傾角結(jié)構(gòu)面 5216條。中、陡傾角結(jié)構(gòu)面占總裂隙的 82%,緩傾角結(jié)構(gòu)面僅占 18%左右。

通過對壩區(qū)地表及探洞內(nèi)節(jié)理裂隙的統(tǒng)計,按發(fā)育程度從大到小,結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢方向有以下九組:①N60°～90°W/SW(NE)∠60°～ 85°(層面、板理);② -1 N0°～ 30°E/SE∠40°～60°,② -2 N0°～ 30°E/NW∠40°～60°;③-1 N 40°～60°E/NW∠10°～45°;③ -2 N40°～ 60°E/SE10°～ 45°;④N0°～ 30°E/SE(NW)∠70°～85°;⑤N50°～80°E/SE(NW)∠65°～85°;⑥ -1N0°～ 30°E/SE∠5°～ 35°,⑥ -2 N0°～ 30°E/NW∠5°～ 35°;⑦ -1 N30°～ 50°W/SW∠5°～ 30°;⑦ -2 N30°～ 50°W/NE∠5°～ 30°;⑧近 EW/N(S)∠5°～ 45°;⑨N45°～ 50°W/NE(SW)∠60°～ 75°。

據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面的延伸及填充物觀測:①組節(jié)理裂隙延伸長大,起伏粗糙。該組節(jié)理裂隙在砂巖里為層面,在板巖里為板理,顯壓性。②、③、⑤、⑥、⑦、⑨組節(jié)理裂隙較平直,延伸長度 5～20m,間距0.7～1.5m,顯扭性。④組節(jié)理裂隙,起伏粗糙,延伸可達 30m,充填石英脈,多為地下水出露點,顯張性。⑧組節(jié)理裂隙延伸長度 3～8m,間距 0.5～2m,傾 S的起伏粗糙,充填石英脈,顯張扭性,傾 N的顯壓扭性。

圖3 壩區(qū)節(jié)理裂隙等密圖

壩區(qū)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征主要以順河向和橫河向的為主,由于巖性的不均一,砂巖內(nèi)裂隙較發(fā)育,而板巖中裂隙發(fā)育程度較低。

3 節(jié)理裂隙成因分析及分期配套

3.1 成因分析及分期配套

壩區(qū)發(fā)育的兩河口背斜,軸面的走向與層面近于平行,加之主要的壓性結(jié)構(gòu)面的走向基本與層面一致,因此壩區(qū)構(gòu)造線的方向近 EW,壩區(qū)構(gòu)造主應力σ1的方向近 SN。在地層近水平時,在近 SN向σ1的作用下,首先形成一組 NE或 NW方向的陡傾扭節(jié)理,即早期平面“X”,壩區(qū)發(fā)育的②組節(jié)理裂隙 ,走向 N0°～30°E,傾角 40°～ 60°,在壩區(qū)很發(fā)育 ,產(chǎn)狀穩(wěn)定,顯扭性,正是早期平面“X”發(fā)展演變形成的。②組節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀與早期平面“X”相比,都發(fā)生了改變。

壩區(qū)的④組節(jié)理裂隙,走向 N0°～30°E,傾角大于 70°,顯張性,是追蹤早期的平面 “X”發(fā)育而成。該組節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀受地層變化的影響較小。

隨著壩區(qū)地層傾角的逐漸變大,兩河口背斜形成,由⑧組節(jié)理裂隙組成的剖面“X”形成。

由⑤、⑨組節(jié)理裂隙組成的平面“X”及⑥組節(jié)理裂隙組成的剖面“X",是在方向為 N 75°W的σ1作用下擠壓形成;③組節(jié)理裂隙組成的剖面“X”,是在方向為 N40°W的σ1作用下擠壓形成;⑦組節(jié)理裂隙組成的剖面“X”,是在σ1方向為 N50°E的作用下擠壓形成。

根據(jù)成因機制的分析,壩區(qū)①、②、④、⑧組節(jié)理裂隙是在方向為 N 0°～30°E的σ1作用下形成,為第Ⅰ期應力場;⑤、⑨及⑥組節(jié)理裂隙是在方向為 N75°W的σ1作用下擠壓形成,為第Ⅱ期應力場;③組節(jié)理裂隙是在方向為 N40°W的σ1作用下形成,為第Ⅲ期應力場;⑦組節(jié)理裂隙是在方向為 N50°E的σ1作用下形成,為第Ⅳ期應力場。結(jié)構(gòu)面分期配套見表2。

3.2 構(gòu)造組合形式

壩區(qū)發(fā)育的節(jié)理裂隙按走向、傾向、傾角分為 9組。從走向上看,N60°～90°W即近 EW向包括了①、⑧組;N0°～30°E即近 SN向包括了 ②、④、⑥組;N40～75°E包括了③、⑤組;N 30°～50°W包括了⑦、⑨組。因此按走向可以歸納為 4組。這 4組節(jié)理裂隙的方向在平面上的分布形態(tài)似“米”字形。

表2 結(jié)構(gòu)面的分期配套

由此可見,壩區(qū)節(jié)理裂隙的構(gòu)造組合形式為“米”字形。據(jù)此可作抗滑模式的分析。

4 結(jié)論及意義

通過對壩址區(qū)節(jié)理裂隙的力學成因及其分期配套分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)壩區(qū)發(fā)育的節(jié)理裂隙分為 9組,壓性、張性及扭性都有發(fā)育;根據(jù)相互切割,可分為先后 4期找出對水工建筑最有利和不利的節(jié)理組合結(jié)構(gòu)面,利于水工設(shè)計及工程處理。

(2)兩河口壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀 N60°～70°W/SW∠60°～70°,構(gòu)造線方向與層面平行,構(gòu)造應力σ1方向為 N0°～ 30°E。

(3)早期的扭節(jié)理,即早期的平面“X”,地層傾角變?yōu)?60°～70°后 ,它的走向夾角為 0°～ 30°,傾角變?yōu)?40°～60°,隨地層傾角變大而變小;追蹤早期平面“X”的張裂,地層傾角變?yōu)?60°～70°后,它的走向 0°～30°,傾角變?yōu)榇笥?70°,地層傾角變大后,對張節(jié)理的影響不大。

(4)從壩區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育情況看,壩區(qū)至少經(jīng)歷了 4期構(gòu)造應力場影響,第Ⅰ期σ1方向為 N 0°～30°E;第Ⅱ期σ1方向為 N75°W;第 Ⅲ期σ1方向為N40°W;第Ⅳ期σ1方向為 N50°E。

(5)壩區(qū)節(jié)理裂隙的構(gòu)造組合形式為“米”字形。

通過對壩址區(qū)節(jié)理裂隙的力學成因分析表明,看似雜亂無章、隨機分布的結(jié)構(gòu)面是有規(guī)律可循的,它們的發(fā)育分布符合一般的力學規(guī)律。在對壩基和壩肩的抗滑穩(wěn)定等作出抗滑模式分析、邊坡的穩(wěn)定性分析、洞室的軸線選擇及穩(wěn)定性分析時,能作出地質(zhì)上的宏觀判斷。因此對壩址區(qū)節(jié)理裂隙力學成因及分期配套分析的最終目的和意義是為工程服務(wù),確保工程安全。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2]徐開禮,朱志澄.構(gòu)造地質(zhì)學[M].北京:地質(zhì)出版社,1989.