某水電站壩址F41，F(xiàn)42斷層泥化帶工程特性研究

鄧爭(zhēng)榮，吳樹良，楊友剛，雷世兵，鄭 新，曹道寧

(長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院長江巖土工程總公司，武漢430010)

1 工程背景

斷層是地質(zhì)歷史時(shí)期形成的一種地質(zhì)構(gòu)造。研究工程建設(shè)中遇到的斷層發(fā)育幾何學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等特征是十分必要的［1－3］，但隨其所處工程部位不同，研究內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所差異。常見斷層帶構(gòu)造巖有碎裂巖(包括角礫巖)、糜棱巖、斷層泥，其物質(zhì)組成決定工程地質(zhì)特性，性狀有軟弱、非軟弱之分。而性狀非軟弱者通常為斷層破碎巖體(或夾巖屑及或夾泥質(zhì))、性狀較好-好構(gòu)造巖巖體，后一種可當(dāng)作“工程巖體”對(duì)待;性狀軟弱者構(gòu)成軟弱層(帶)時(shí)，往往對(duì)工程地基穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定等起控制作用，需要重點(diǎn)研究。

某峽谷區(qū)水電站壩址發(fā)育有區(qū)域性斷裂，穿越大壩壩基，將其分為碎裂巖帶和軟弱構(gòu)造巖帶，其中碎裂巖帶巖體工程性狀較好，與正常的工程巖體無大的差異，從工程地質(zhì)的實(shí)際意義出發(fā)，僅將軟弱構(gòu)造巖帶視為F41，F(xiàn)42斷層。在已有同類工程中，F(xiàn)41，F(xiàn)42斷層物質(zhì)組成與性狀有別于常見斷層構(gòu)造巖破碎巖體和斷層泥，而為介于這兩者之間卻比斷層泥力學(xué)性狀稍好的一類物質(zhì)，系構(gòu)造巖在地質(zhì)作用下經(jīng)軟化及部分泥化形成的，稱之為“泥化物”;由它(或夾碎石)所構(gòu)成的軟弱帶，稱之為“斷層泥化帶”。在該水電站壩址中，F(xiàn)41，F(xiàn)42斷層分布穿越大壩河床近岸壩基，工程勘察論證過程中，在查明其發(fā)育幾何學(xué)特征的基礎(chǔ)上，研究其物理力學(xué)性質(zhì)、滲透變形等工程特性，旨在為該水電站工程設(shè)計(jì)提供所需的工程地質(zhì)資料，對(duì)擬建最大壩高200 m級(jí)大壩地基承載力、變形、抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定具有關(guān)鍵技術(shù)意義，亦可為其它工程遇到類似斷層時(shí)提供物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)類比參考。

2 工程地質(zhì)概況

某水電站由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成，屬Ⅰ等大(1)型水電站工程。其中，擋水建筑物布置于主河床，設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，壩頂高出正常蓄水位8.0 m，設(shè)計(jì)最大壩高200 m余。

水電站所在地區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，山脈主要呈近南北向延伸，地勢(shì)總體上具有北高南低、東高西低的特點(diǎn)。主干河流自北向南流經(jīng)區(qū)內(nèi)，河谷呈較開闊“V”字形，為峽谷區(qū);河床地面高程為229～249 m，兩岸山體高聳，沖溝較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)臨江山頂高程1 000～1 500 m。

區(qū)內(nèi)地表大部分覆蓋第四系殘坡積層，由黏土夾母巖風(fēng)化碎屑或碎石組成，厚度一般3～25 m，下伏基巖主要為中上元古界(Pt2－3)結(jié)晶變質(zhì)雜巖，僅局部出露，左岸基巖主要為斑狀變晶花崗片麻巖，局部為片巖(呈帶狀)和斷裂構(gòu)造巖;右岸基巖主要為花崗片麻巖。河床上覆第四系沖積層，由上部粉細(xì)砂-中細(xì)砂和下部砂礫卵石夾含漂石組成，厚度一般11～50 m;下伏基巖為花崗片麻巖，局部為斷裂構(gòu)造巖。

該地區(qū)在大地構(gòu)造上處于岡底斯-念青唐古拉褶皺系(Ⅱ)伯舒拉嶺-高黎貢山褶皺帶(Ⅱ2)中的銅壁關(guān)褶皺束出露基巖片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左側(cè)近岸為界，左岸傾向近E，傾角65°～75°;河床及右岸傾向近W，傾角70°～80°。斷層和裂隙是地區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡。

區(qū)內(nèi)地下水按賦存條件(含水介質(zhì)特性)可分為第四系覆蓋層松散堆積體孔隙水、基巖裂隙水。主干河流是區(qū)內(nèi)地下水的最低排泄基準(zhǔn)面。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以孔隙、裂隙為其徑流通道，向溝谷和主干河流河床運(yùn)移，最終以分散形式向主干河流排泄。

3 F41，F(xiàn)42斷層發(fā)育特征

水電站壩址區(qū)發(fā)育與工程關(guān)系密切的F41，F(xiàn)42斷層，水平間距25～85 m，早期在各自兩側(cè)形成較寬的破碎帶，經(jīng)后期熱液重結(jié)晶再膠結(jié)成巖，形成碎裂巖帶(圖1)，寬度約83～140 m，巖質(zhì)堅(jiān)硬，主要呈塊狀-次塊狀;斷層后期活動(dòng)程度相對(duì)較輕，僅在主斷面處形成寬約0～4 m的軟弱構(gòu)造巖。

F41，F(xiàn)42斷層和碎裂巖帶緊緊相連在一起，統(tǒng)為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)意義上的斷裂，且系區(qū)域斷裂，經(jīng)斷裂帶物質(zhì)測(cè)年等綜合研究，不屬于活動(dòng)斷裂;但碎裂巖帶巖體工程性狀較好，與正常的工程巖體無大的差異，從工程地質(zhì)的實(shí)際意義出發(fā)，僅將軟弱構(gòu)造巖帶視為斷層。壩址工程范圍除F41，F(xiàn)42斷層之外，未見其它規(guī)模較大斷層。F41，F(xiàn)42斷層和碎裂巖帶分布穿越大壩左岸近河床壩基(圖2)。

F41，F(xiàn)42斷層順河流呈NNE向展布于河床左側(cè)及其近岸，走向5°～25°，總體傾向 W，傾角72°～85°。經(jīng)鉆孔、平洞揭示和地表露頭調(diào)查可知，壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶分布為:F41寬度0～3.9 m，局部地段以破裂面的形式存在;F42寬度0.1～3.0 m;大壩壩基范圍 F41寬度0～2.0m，F(xiàn)42寬度0.1～2.8 m。

F41，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶物質(zhì)為泥化物，由碎裂巖巖屑或夾雜細(xì)小巖塊組成。其中，碎裂巖巖屑成份主要為長英質(zhì)、鈣質(zhì)、極少量黑云母礦物，黑云母局部集中分布，長英質(zhì)部分強(qiáng)烈蝕變、高嶺石或高嶺土化;碎裂巖細(xì)小巖塊成份主要為石英、長石、少量方解石礦物細(xì)粒集合。

4 F41，F(xiàn)42斷層泥化帶工程特性研究

4.1 主要勘探技術(shù)指標(biāo)

鉆孔及平洞揭示，F(xiàn)41，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶物質(zhì)為泥化物，或夾碎石，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為0，鉆孔聲波縱波速一般為1 887～2 553m/s，呈碎屑狀結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅴ類［4］。

4.2 物理力學(xué)性質(zhì)

4.2.1 室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

在壩址區(qū)A平洞中對(duì)F41，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物擾動(dòng)樣和環(huán)刀原狀樣取樣，進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。顆粒組成分析試驗(yàn)成果見表1、圖3和圖4，由此可知，兩斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物及同一斷層軟弱構(gòu)造巖帶不同部位顆粒組成有一定的差別。總體上，F(xiàn)41斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物為粉土質(zhì)砂或粉土質(zhì)礫，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物為粉土質(zhì)礫或含細(xì)粒土礫，且F42比F41斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物顆粒組成偏粗，表明F41斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化程度更高。

天然狀態(tài)物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果分別見表2、表3，其試樣對(duì)應(yīng)的顆粒組成見表1中的序號(hào)1和序號(hào)14樣品，分別為粉土質(zhì)砂和粉土質(zhì)礫，密度狀態(tài)按孔隙比分類處于中密-密實(shí);濕度狀態(tài)按飽和度分類為飽和的［6］。原狀樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明:F41，F(xiàn)42斷層泥化物相比，F(xiàn)41的C值低、φ值高，與F41斷層泥化程度高相對(duì)應(yīng)。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)原位力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

在A平洞內(nèi)選取代表性部位對(duì)F42斷層泥化帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪強(qiáng)度、變形、載荷試驗(yàn)，成果見表4。

圖3 壩址區(qū)F41斷層帶泥化物顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Curves of particle grading of mud compounds of F41 fault at the dam site area

圖4 壩址區(qū)F42斷層帶泥化物顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Curves of particle grading of mud compounds of F42 fault at the dam site area

表1 壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶泥化物顆粒組成分析成果Table 1 Granulometric compositions of the mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表2 壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶泥化物天然狀態(tài)物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)Table 2 Test results of the natural physical properties of mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表3 壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶泥化物室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果Table 3 Results of indoor test on the shear strength of mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表4 壩址區(qū)F42斷層泥化帶現(xiàn)場(chǎng)原位力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果Table 4 Results of in-situ test of the mechanical properties of F42fault muddy zone at the dam site area

4.2.3 滲透變形特性

在壩址區(qū)A，B平洞中對(duì)F41，F(xiàn)42斷層軟弱構(gòu)造巖帶泥化物取原狀樣按上下游方向進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)，樣品尺寸20cm×20cm×20cm左右。受取樣條件限制，所取試樣尺寸略有差別，形狀為不太規(guī)則的六面體，表面粗糙，采用水泥現(xiàn)澆試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ嚇铀闹芗闯舷掠瓮?，均用水泥砂漿密封;試驗(yàn)水流順主干河流流向;在試驗(yàn)前均用低水頭(水力比降J＜0.1)對(duì)試樣充分飽和1 d以上，待試樣下游面濕潤或有水流出，即使樣品得到充分飽和后逐級(jí)提升水頭進(jìn)行滲透變形試驗(yàn)。

壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶泥化物及與上下盤接觸面所取原狀樣現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)成果見表5。試驗(yàn)成果表明:

(1)試樣滲透系數(shù)除個(gè)別數(shù)據(jù)外，其余均在10－4～10－3量級(jí)，滲透性等級(jí)屬中等透水。

(2)F41斷層帶泥化物臨界水力比降最小值為0.9，破壞水力比降最小值為8.8，滲透變形形式為局部流土;與兩盤接觸部位臨界水力比降最小值為0.9，破壞水力比降最小值為7.9，滲透變形形式為接觸沖刷。

(3)F42斷層帶泥化物臨界水力比降最小值為0.8，破壞水力比降最小值為5.7，滲透變形形式為局部流土;與兩盤接觸部位臨界水力比降最小值為1.1，破壞水力比降最小值為3.1，滲透變形形式為接觸沖刷或局部流土。

4.2.4 物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性參數(shù)建議

以斷層帶泥化物物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，考慮試樣實(shí)際的地質(zhì)條件及其工程地質(zhì)代表性，提出壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層泥化帶主要物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性參數(shù)建議值見表6。

表5 壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶泥化物及接觸部位現(xiàn)場(chǎng)原狀樣滲透變形試驗(yàn)成果Table 5 Results of in-situ seepage deformation test on undisturbed samples of the mud compounds of F41 and F42 fault and the positions contacted with them at the dam site area

表6 壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層泥化帶主要物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性參數(shù)建議值Table 6 The recommended values of main physico-mechanical properties and permeability parameters of F41 and F42 faults muddy zone at the dam site area

5 結(jié)語

F41，F(xiàn)42斷層是水電站壩址區(qū)域性斷裂的軟弱構(gòu)造巖帶，穿越大壩河床近岸壩基，系壩基最軟弱部位，對(duì)大壩地基穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定起著重要的控制作用。

壩址區(qū)F41，F(xiàn)42斷層帶物質(zhì)為泥化物，或夾碎石，各自寬度小于4 m，大壩壩基范圍內(nèi)各自寬度小于3 m。

經(jīng)對(duì)斷層帶泥化物工程特性研究，結(jié)果表明:斷層泥化帶屬Ⅴ類巖體，性狀差，承載力、變形、抗剪強(qiáng)度參數(shù)低，開挖后不能直接滿足筑壩要求，須采取工程處理措施;滲透性等級(jí)屬中等透水，滲透變形形式為局部流土、接觸沖刷，更需加強(qiáng)工程防滲和防護(hù)措施。

［1］魏 華.新疆某水電站壩址F32斷層的工程地質(zhì)特性及處理［J］.西部探礦工程，2010，(7):120－122.(WEI Hua.Engineering Geological Properties and Treatment of F32Fault at the Dam Site of a Hydropower Station in Xinjiang［J］.West-China Exploration Engineering ，2010，(7):120－122.(in Chinese))

［2］陳成宗，何發(fā)亮.大瑤山隧道九號(hào)斷層的特性與工程對(duì)策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1992，11(1):72－78.(CHEN Cheng-zong，HE Fa-liang.The Characteristics of Fault Zone No.9 and Engineering Measures Taken in Dayaoshan Tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1992，11(1):72－78.(in Chinese))

［3］姚 巍.昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓區(qū)F10斷層工程地質(zhì)特性及工程影響研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2008.(YAOWei.Study on the Engineering Geological Property of F10 Fault in the Terminal Area of Kunming New Airport and the Project Influence［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2008.(in Chinese))

［4］GB50287－2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2008.(GB50287－2006，Code for Hydropower Engineering Geological Investigation［S］.Beijing:China Planning Press，2008.(in Chinese))

［5］DL/T 5355－2006，水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2007.(DL/T 5355－2006，Code for Soil Tests for Hydropower and Water Conservancy Engineering［S］.Beijing:China Electric Power Press，2007.(in Chinese))

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