天池抽水蓄能電站蝕變巖蝕變特征及工程特性

黃志全，侯合明，王 振

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

天池抽水蓄能電站蝕變巖蝕變特征及工程特性

黃志全，侯合明，王 振

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

天池抽水蓄能電站庫區(qū)存在熱液作用下形成的蝕變巖，巖石的蝕變特征在很大程度上影響巖體的工程地質(zhì)特性，進(jìn)而對工程區(qū)壩體及地下廠房的安全性造成了影響.通過野外地質(zhì)調(diào)查及采樣分析，以宏觀和微觀分析相結(jié)合的方式研究該區(qū)蝕變巖的蝕變成因、類型、分布，并以此評價(jià)壩區(qū)巖體的工程地質(zhì)特性.通過蝕變巖的物理及力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，深入研究了蝕變巖的工程特性.

蝕變巖;蝕變特征;工程特性;地質(zhì)調(diào)查;力學(xué)性質(zhì)

廣義的蝕變巖是指包括熱液作用以及表生作用等引起巖石和礦物的各種次生變化而形成的巖石.其中熱液作用包括充填、升華、蒸發(fā)、交代等各種作用;表生作用主要包括沉積作用、固結(jié)成巖、地下水(包括地下熱水)作用等，其中有90%以上表生作用引起的蝕變減弱了巖石強(qiáng)度［1－3］，其力學(xué)性能往往能控制工程的穩(wěn)定與安全，水電工程曾多次遭遇蝕變巖類，先后有北京青石嶺水電站、二灘水電站、廣州抽水蓄能電站等［4－5］.

工程區(qū)存在蝕變巖體，直接影響到壩基、庫岸邊坡及地下洞室圍巖的穩(wěn)定性，而且在工程運(yùn)行期將影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性.因此，研究蝕變巖礦物成分、化學(xué)成分，掌握蝕變巖巖體物理力學(xué)性質(zhì)，查明蝕變作用的地質(zhì)成因、蝕變機(jī)理，分析評價(jià)蝕變巖的工程地質(zhì)特性和分布規(guī)律，對于工程采取積極的防護(hù)措施、加快施工進(jìn)度、保障施工安全、確保巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性具有重要意義.

1 工程概況

天池抽水蓄能電站位于河南省南召縣馬市坪鄉(xiāng)境內(nèi)，可研階段裝機(jī)容量1 200 MW，電站樞紐包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房4大建筑物，上水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位1 063.0 m，死水位1 020.0 m，蓄能發(fā)電有效庫容1 206萬m3，最大壩高117.5 m.下水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位537.5 m，死水位510.0 m，蓄能發(fā)電有效庫容1 197萬m3，最大壩高100.6 m.地下廠房開挖尺寸為132.0 m ×24.7 m ×51.0 m.

野外勘察及鉆孔資料表明，工程區(qū)存在規(guī)模較大的蝕變巖體，直接影響到壩體及地下廠房的安全，因而成為該工程區(qū)主要工程地質(zhì)問題之一.

2 蝕變巖的特征

為深入研究工程區(qū)蝕變巖的特征，在進(jìn)行詳細(xì)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對所采樣品進(jìn)行了薄片鑒定、電子探針測試、X射線衍射分析、微量元素分析、陽離子交換量與比表面積分析、掃描電鏡及其能譜分析、同位素測年等一系列的微觀測試，并對蝕變巖的成因、類型及分布規(guī)律進(jìn)行了歸納和分析.

2.1 蝕變巖的成因

天池抽水蓄能電站工程區(qū)出露(或揭露)巖石以混合片麻巖(Pt1)類和混合花崗巖(γm12)類為主，在巖石形成以后，由于熱液作用和表生作用，巖體進(jìn)一步發(fā)生蝕變，局部改變了巖體的工程地質(zhì)特性.工程區(qū)巖體的蝕變是一個(gè)復(fù)雜的熱液作用過程，經(jīng)歷了不同的蝕變作用和階段.工程區(qū)所采蝕變巖樣品中石英晶體經(jīng)熱液改造后形態(tài)的掃描電鏡照片如圖1所示.圖1說明該區(qū)部分蝕變巖體為熱液作用所形成.據(jù)鋯石U－Th－Pb同位素年齡測定及鉀長石K－Ar同位素測年結(jié)果，說明中條期混合花崗巖及混合片麻巖經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的混合巖化作用，并且工程區(qū)巖體在燕山晚期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)熱力作用，表明伴隨著中條期及加里東期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，加上表生改造作用，通過鈉交代、石英溶解、新生石英沉淀、黏土巖化及含黏土礦物巖石崩解，晚期碳酸鹽化，云母富集化等蝕變作用形成了巖體中較大范圍的蝕變體.

圖1 經(jīng)熱液重塑后石英晶體形態(tài)掃描電鏡圖像

2.2 蝕變巖的類型

上述作用都對巖石的成分和性質(zhì)產(chǎn)生了改變.工程區(qū)巖體蝕變程度最大的是由碳酸鹽化、石英的溶解和新生石英的沉淀、長石溶蝕、云母富集化等作用引起的蝕變，蝕變作用完全改變了巖石的礦物成分和化學(xué)成分;其次是黏土巖化及含黏土礦物巖石的崩解作用、綠泥石化、綠簾石化等，這種情況下蝕變作用僅部分(或少量)改變了巖石的礦物成分和化學(xué)成分.

基于此，根據(jù)蝕變巖樣品的微觀測試與分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地(包括鉆孔和平洞)調(diào)研情況，工程區(qū)蝕變巖體可分為以下幾類.

2.2.1 黏土巖化蝕變巖

蒙脫石化、高嶺石化，水云母(伊利石)化，統(tǒng)稱為黏土巖化，形成的蝕變巖稱之為黏土巖化蝕變巖.場區(qū)內(nèi)這類蝕變巖分為2類:一是次生黏土礦物呈絮狀充填于巖石塊體內(nèi)部的其他礦物顆粒之間或溶蝕形成的空洞中，黏土礦物的主要來源是熱液蝕變的產(chǎn)物;二是次生黏土礦物沿裂隙分布，形成裂隙間的泥膜.第1種黏土巖化蝕變巖物理性質(zhì)、水理性質(zhì)及力學(xué)強(qiáng)度都有了很大改變，主要原因是伊利石(高達(dá)28.7%)和蒙脫石(含量 4.4% ～16.6%)化蝕變巖暴露后，在表生改造作用下，特別是遇到地下水時(shí)，黏土礦物吸水體積膨脹，造成巖石塊體裂解而松散，形成鉆孔中見到的白色(或灰白色)砂礫土，圖2即為上庫壩基鉆孔中見到的砂狀巖芯.因此，黏土巖化是該區(qū)的主要蝕變作用.對于因黏土巖化作用而引起的巖體蝕變(第1種情況)，可以從鉆孔巖芯和巖塊表面觀察，粗略地分為微弱蝕變巖和強(qiáng)蝕變巖.

圖2 破碎的砂狀巖芯

微弱蝕變巖特征:巖石表面可看到部分斜長石出現(xiàn)白色斑點(diǎn)，微量綠泥石化.巖芯呈長柱狀，巖石如微風(fēng)化巖.與空氣、水接觸不會(huì)發(fā)生明顯的松裂現(xiàn)象.蝕變礦物含量小于5%，其強(qiáng)度與弱風(fēng)化巖及中等風(fēng)化巖相似.

強(qiáng)蝕變巖特征:鉆孔可取出柱狀巖芯，但強(qiáng)度低，鉆孔進(jìn)尺較快，孔內(nèi)有少量坍孔現(xiàn)象.巖芯呈巖塊者，巖石表面粗糙，凹凸不平，巖石裂隙中有明顯的白色細(xì)脈，細(xì)脈有的是黏土礦物，有的是方解石脈.巖石晶面爆裂，微裂隙張裂，巖石呈灰白色、肉紅色者，很快就松裂，崩解成白色砂礫土.蝕變礦物含量約5%～20%，其強(qiáng)度與強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化巖相似.

2.2.2 云母富集化蝕變巖

黑云母在工程區(qū)巖石中局部含量較高，巖礦測試結(jié)果表明，有些樣品中黑云母含量達(dá)28%左右.云母富集化的主要原因是在熱液蝕變過程中離子分解、活化、遷移及構(gòu)造應(yīng)力造成黑云母定向排列、局部富集.黑云母大規(guī)模富集極大地影響巖體的工程性質(zhì)，并且蝕變后期有些黑云母出現(xiàn)綠泥石化及高嶺石化，使巖石變得較為疏松.雖然沒有形成統(tǒng)一的蝕變帶，但是工程地質(zhì)性質(zhì)較差，在平洞中見到手掰即碎的狀況.這類蝕變巖的存在會(huì)對工程產(chǎn)生一定的影響，特別是對洞室圍巖的類別及參數(shù)的選取產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到洞室圍巖的穩(wěn)定性.

圖3及圖4為所采樣品黑云陽起透輝片巖薄片及局部掃描電鏡照片.試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石由黑云母、斜長石、角閃石等礦物組成，石英少量，黑云母含量占24%，變晶鱗片狀、片狀云母定向排列，且云母晶體間存在次生空隙或包體(磷灰石包體).

2.2.3 碳酸鹽化、石英的溶解和新生石英的沉淀、長石溶蝕蝕變巖

熱液活動(dòng)晚期，一方面由于熱液中的Na，K，Si，Al的沉淀;另一方面斜長石和黑云母等礦物的分解，使得熱液中的Ca+，F(xiàn)e2+以及C等離子的活度逐漸增高，從而發(fā)生了碳酸鹽化，形成方解石和菱鐵礦，工程區(qū)較為常見的方解石膜(或脈)即屬于這一類型.

熱液活動(dòng)時(shí)，原巖中的石英變得不穩(wěn)定，大量發(fā)生溶解，以SiO2的形式進(jìn)入溶液，并隨熱液活動(dòng)向外遷移(由高溫到低溫)，鉆孔中裂隙表面見到的石英顆粒，即為石英溶解現(xiàn)象.

由于長石溶蝕現(xiàn)象僅在掃描電鏡下可見且形成的蝕變礦物主要沿節(jié)理裂隙分布，規(guī)模有限，對整個(gè)巖體的性質(zhì)影響不大.

2.2.4 綠泥石化、綠簾石化蝕變巖

綠泥石化(片狀綠泥石形貌如圖5所示)、綠簾石化形成的蝕變礦物在工程區(qū)客觀存在.其中綠泥石極易黏土化，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生微孔或裂隙，降低巖體強(qiáng)度;由于綠簾石礦物本身性質(zhì)較脆，故其抗斷、抗剪性能會(huì)隨著綠簾石含量的增加而降低，當(dāng)綠簾石定向時(shí)，易沿該方向產(chǎn)生滑動(dòng)，在地表淺表生改造時(shí)易形成滑動(dòng)面.

但是由巖礦鑒定以及巖石礦物蝕變巖微觀分析結(jié)果可知，這2種蝕變作用形成的蝕變礦物在巖石中的含量很低，均小于5%，且綠泥石和綠簾石多沿巖體中已有的節(jié)理裂隙分布，如圖6所示.因此，這3種蝕變巖對巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)影響有限.

2.3 蝕變帶的分布規(guī)律

結(jié)合工程區(qū)斷層和節(jié)理裂隙的發(fā)育規(guī)律，采用由局部到整體的方式對蝕變巖的分布規(guī)律進(jìn)行分析.首先對各蝕變巖揭露處進(jìn)行逐點(diǎn)素描，然后綜合分析空間各素描信息，最后作出各蝕變體的空間組合規(guī)律.

上庫壩址區(qū)主要蝕變類型為黏土化及含黏土礦物巖石的崩解作用產(chǎn)生的蝕變，其成因主要是由熱液作用形成黏土礦物，同時(shí)又受表生改造作用而崩解，由于斷層帶附近熱液作用較其他部位強(qiáng)烈，且更容易受到表生改造作用的影響.因此，由黏土化及含黏土礦物巖石的崩解等蝕變作用形成的蝕變巖主要分布在表生改造作用強(qiáng)烈的斷層附近.具體分布規(guī)律為:強(qiáng)蝕變形成崩解松散體(含砂狀、嚴(yán)重破碎帶及泥質(zhì))呈透鏡狀、具多層性分布在斷層兩側(cè)，最大厚度超過 5.0 m，最小厚度約 0.3 m，一般厚度1.0～2.0 m，如圖7所示.從透鏡體的分布情況看，斷層上盤較下盤更發(fā)育，斷層上盤透鏡體的邊界距斷層的最大距離約為35.0 m;斷層下盤透鏡體的邊界距斷層的最大距離約為25.0 m.沿?cái)鄬有纬闪藢捈s60.0 m的強(qiáng)蝕變崩解松散狀透鏡體與相對完整巖體相間的帶.云母富集化為廠房區(qū)的主要蝕變類型，其產(chǎn)狀受斷裂嚴(yán)格控制，與該區(qū)主構(gòu)造線的產(chǎn)狀一致，但分布不連續(xù)，多呈透鏡體狀;其分布位置的規(guī)律性不強(qiáng)，與斷層關(guān)系不密切.

圖7 蝕變帶分布特征示意圖

3 蝕變巖的工程特性

結(jié)合微觀分析與鑒定結(jié)果以及對所采樣品的三軸壓縮試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、基本物理力學(xué)性質(zhì)等試驗(yàn)，對場區(qū)蝕變巖的工程特性進(jìn)行了深入分析.

3.1 膨脹崩解性

蝕變巖被揭露后，遇地下水和潮濕的空氣膨脹崩解.蝕變巖的膨脹崩解程度取決于自身蒙脫石含量、是否有足夠的空間、是否充分吸水.這3個(gè)條件中，在滿足后2個(gè)條件的情況下，不同的蒙脫石含量有不同的崩解時(shí)間，見表 1［6］.

表1 蝕變巖崩解時(shí)間

根據(jù)巖石薄片鑒定以及測試結(jié)果，巖石蝕變作用主要為黏土巖化及云母富集化.所采樣品中大部分含有較高的黏土礦物，其中蒙脫石含量為4.4% ～16.6%，高嶺石含量為9.2% ～12.2%，伊利石含量高達(dá)28.7%.根據(jù)鉆探結(jié)果，強(qiáng)蝕變巖巖芯取出后，暴露于空氣中吸水膨脹，大部分崩解成砂礫土，有一小部分塊狀脫落.依此可做出判斷:蝕變巖導(dǎo)致場區(qū)內(nèi)巖體比較破碎，且性質(zhì)較差.

3.2 力學(xué)性質(zhì)

蝕變作用生成的蒙脫石等黏土礦物降低了巖體凝聚力，黏土成分遇水膨脹破壞了巖石內(nèi)部顆粒之間結(jié)構(gòu)，另外當(dāng)黑云母含量超過10%時(shí)，巖體強(qiáng)度和堿活性有一定改變.一方面是黑云母易風(fēng)化和水化，并導(dǎo)致巖體產(chǎn)生微破裂，降低巖體強(qiáng)度;另一方面當(dāng)黑云母定向時(shí)，會(huì)使巖體強(qiáng)度產(chǎn)生各向異性，其抗剪性在某些方向上會(huì)大幅度降低［7－9］.為此，筆者對場區(qū)內(nèi)大量分布的花崗巖以及蝕變巖體——黑云陽起透輝斜長片巖進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，得到花崗巖及蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2.表中省略了測試數(shù)據(jù)，均為有效試驗(yàn)所得的平均值或回歸值.結(jié)果表明，蝕變作用形成的黑云陽起透輝斜長片巖的抗壓強(qiáng)度介于該場區(qū)中等風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖之間，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與彈性模量有很大程度的降低，均低于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，泊松比也低于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖.

表2 花崗巖及蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)

4 結(jié)語

1)工程區(qū)巖石蝕變?yōu)闊嵋何g變，經(jīng)歷了多個(gè)蝕變階段，可分為多種類型，但對工程巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響的主要為云母富集化蝕變巖和黏土巖化蝕變巖.因此，云母富集化和黏土巖化是場區(qū)內(nèi)的主要蝕變類型，其分布受工程區(qū)構(gòu)造控制.

2)蝕變巖中蒙脫石、伊利石等具有膨脹性的礦物含量較高，具有易膨脹、耐崩解性較差等特性，造成了場區(qū)內(nèi)蝕變巖破碎，甚至成粉末狀.另外蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)較差，影響場區(qū)內(nèi)洞室及壩基的穩(wěn)定性.

3)蝕變巖特殊的工程特性，影響了場區(qū)內(nèi)壩體及廠房的安全，應(yīng)積極制定處理方案，采取有效的防護(hù)措施確保工程安全.工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)準(zhǔn)確判斷主要斷裂的走向，在地下廠房洞室群選擇時(shí)，根據(jù)蝕變巖帶分布規(guī)律及其產(chǎn)狀，將關(guān)鍵洞室盡量置于新鮮完整巖體中，使廠房軸向與主要蝕變帶方向呈較大交角，將蝕變巖帶對主體工程的影響降至最低.在避開不了蝕變帶的工程區(qū)，對上庫壩址區(qū)的斷層破碎帶，采用槽挖后以混凝土置換的方法進(jìn)行處理.以混凝土回填對大壩加寬部分的巖石基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，對斷層破碎帶和節(jié)理較發(fā)育地段，加密固結(jié)灌漿孔距，并加大灌漿深度.對于洞室用噴錨支護(hù)，先錨固可能不穩(wěn)定的塊體，再進(jìn)行系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)和噴混凝土等工序，并應(yīng)實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測和后繼支護(hù).

［1］于新華，翦波.蝕變花崗巖工程特性研究［J］.西部探礦工程，2007，19(6):94 －96.

［2］華北水利水電學(xué)院，中南勘測設(shè)計(jì)研究院.河南天池抽水蓄能電站蝕變巖體工程地質(zhì)特性專題研究［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2010.

［3］楊燕，付小敏.某工程蝕變巖抗剪強(qiáng)度特性的影響因素［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(1):42 －45.

［4］楊根蘭.蝕變巖特性及其工程響應(yīng)研究—以瀾滄江小灣水電站為例［D］.成都:成都理工大學(xué)，2007.

［5］張永雙，曲永新，劉景儒，等.滇藏鐵路滇西北段蒙脫石化蝕變巖的工程地質(zhì)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(4):531－536.

［6］張輔綱.廣州抽水蓄能電站花崗巖蝕變帶物理力學(xué)特性及其對地下洞室工程影響［J］.水利水電，1991(1):62－71.

［7］涂希賢.廣州抽水蓄能電站蝕變花崗巖的基本特征［J］.水利水電，1990(2):1 －11.

［8］張輔綱，涂希賢.黏土化蝕變花崗巖的工程地質(zhì)特性［J］.廣東地質(zhì)，1994，9(3):25 －34.

［9］張國寶，宮海靈，張賀龍.瑯琊山抽水蓄能電站地下廠房洞室群蝕變巖工程地質(zhì)特性研究［A］∥中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)第四屆地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會(huì)第一次學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集［C］.出版地與出版社不詳，2008.

Alteration and Engineering Characteristics of Altered-rock in Tianchi Pumped-storage Power Station

HUANG Zhi-quan，HOU He-ming，WANG Zhen
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

There are altered rocks formed under the action of hydrothermal fluids in reservoir of Tianchi pumped-storage power station.Rock alteration features significantly affect the engineering geological characteristics of rock，and thus influence the safety of the dam and underground plant in the project area.Therefore，after the geological survey，sampling and analysis，the macro analysis was combined with the micro analysis to find out the type，cause and distribution of the altered-rock and based on it，the engineering geological characteristics were evaluated.At the same time，by laboratory tests of the physical and mechanical properties of the altered rock，the engineering properties of altered rocks were studied deeply.

altered-rock;alteration property;engineering characteristics;geological survey;mechanical property

1002－5634(2011)05－0001－05

2011－07－10

鄭州市創(chuàng)新型科技人才培育計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(10LJRC185);教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目;華北水利水電學(xué)院研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金項(xiàng)目(YK2010－08).

黃志全(1970—)，男，河南潢川人，教授，博士，主要從事巖土力學(xué)方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)