大崗山巖體風(fēng)化研究

鄧忠文

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

大崗山水電站位于大渡河中游峽谷地段，是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積6.27萬km2，占全流域的81%，電站正常蓄水位1 130.00m，壩頂高程1 135.00m，最大壩高210.00m，總庫容7.42億m3，電站裝機(jī)容量2 600MW。電站樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，泄洪建筑物由壩身四個(gè)深孔和一條右岸開敞式泄洪洞組成，引水發(fā)電建筑物布置于左岸，為地下廠房。自2006年9月導(dǎo)流洞施工以來，大崗山水電站建設(shè)進(jìn)展順利，目前正值大壩混凝土澆筑高峰，最高壩段已澆筑到1 072m高程，計(jì)劃2015年發(fā)電。

在大渡河丹巴—漢源一帶，沿康滇地軸大面積分布晉寧—澄江期花崗巖，出露于磨西斷裂帶以東地區(qū)，有黑云二長花崗巖、正長花崗巖、花崗斑巖等，大崗山峽谷區(qū)主要為中粒黑云二長花崗巖，由于礦物結(jié)晶顆粒粗大，澄江運(yùn)動(dòng)后隨揚(yáng)子古陸形成即岀露于地表，暴露時(shí)間長，加之經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)， 淺表巖體風(fēng)化強(qiáng)烈。研究花崗巖的風(fēng)化特征，對壩基巖體質(zhì)量分類和巖體穩(wěn)定性研究具有重要意義。

2 巖體風(fēng)化的影響因素

勘察表明，壩區(qū)巖體風(fēng)化主要受巖性、構(gòu)造、蝕變、地形等影響。

2.1 巖 性

大崗山地區(qū)花崗巖按巖石的結(jié)構(gòu)和生成序列進(jìn)一步劃分，黑云二長花崗巖可分為似斑狀角閃黑云二長花崗巖(γ23)、中粒黑云二長花崗巖(γ24-1)、粗粒黑云二長花崗巖(γ24-2)三類，正長花崗巖可分為細(xì)粒正長花崗巖(γk24-3)、中粒正長花崗巖(γk24-4)兩種。

灰白色、微紅色黑云二長花崗巖在樞紐區(qū)分布較廣，自侵入后構(gòu)成康滇地軸的主體，古陸形成后巖體暴露于地表的時(shí)間長，礦物結(jié)晶顆粒較粗大，以中粒結(jié)構(gòu)為主，抗風(fēng)化能力較弱的黑云母含量大于3%，巖石風(fēng)化相對較強(qiáng)。

肉紅色正長花崗巖主要分布在桃坪至銅槽溝以西一帶，或呈透鏡體分布于黑云二長花崗巖之中，具中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，風(fēng)化相對較弱。

輝綠巖脈(β)和蝕變花崗巖(γ2s)局部分布，輝綠巖脈主要形成于印支-燕山期，巖石致密，總體屬細(xì)、微粒結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，風(fēng)化微弱。

2.2 構(gòu) 造

大崗山壩址距離區(qū)域斷裂較近，壩址位于黃草山地塊西側(cè)邊緣地帶，西側(cè)約4km和4.5km處分別有大渡河斷裂和磨西斷裂通過，巖體遭受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷層、裂隙的發(fā)育，為局部巖體風(fēng)化加劇提供了條件。

勘探表明，沿脈巖發(fā)育有斷層的部位，風(fēng)化較強(qiáng)。在弱風(fēng)化巖體，沿小斷層、裂隙密集帶發(fā)育強(qiáng)風(fēng)化夾層；在弱風(fēng)化下段—微新巖體中，沿小斷層、裂隙密集帶發(fā)育弱風(fēng)化上段夾層。

2.3 巖體蝕變

經(jīng)過后期強(qiáng)烈的構(gòu)造-熱液作用，壩基巖石產(chǎn)生了不同類型和不同程度的蝕變及變質(zhì)作用。按其作用的動(dòng)力來源可分為：由巖漿期后熱液對巖體進(jìn)行自交代和脈巖侵入時(shí)熱液對圍巖的交代作用而形成的原生熱液蝕變，構(gòu)造動(dòng)力蝕變，以及風(fēng)化蝕變。

樞紐區(qū)黑云二長花崗巖有鈉黝簾石化、綠泥石-伊利石化、綠簾石化、鉀長石化和硅化等五種熱液蝕變類型，肉紅色正長花崗巖以硅化蝕變?yōu)橹?，輝綠巖脈以綠泥石-伊利石化蝕變?yōu)橹?，其中鈉黝簾石化、綠泥石-伊利石化及綠簾石化的巖石具有吸水性偏高、抗風(fēng)化能力降低的特點(diǎn)。

2.4 地形地貌

分水嶺地帶和突出地形有利于巖體風(fēng)化。如左岸壩頂以上邊坡1 400m高程以上全風(fēng)化水平深度大于50m；在左岸下游馬頸子山脊一帶巖體風(fēng)化水平深度相對較大；兩岸1 250m高程以上的斜坡地形較緩，分布全風(fēng)化，而其下陡坡地段分布弱風(fēng)化上段和強(qiáng)風(fēng)化巖體(見圖1)。

圖1 樞紐區(qū)典型剖面示意

3 巖體風(fēng)化特征

3.1 宏觀特征

巖體風(fēng)化表現(xiàn)為整體風(fēng)化。新鮮巖體斷口較致密，錘擊聲清脆；風(fēng)化巖體斷口粗糙，隨風(fēng)化程度的增加，礦物顆粒之間連接變?nèi)酰N擊聲變啞，弱風(fēng)化上段—強(qiáng)風(fēng)化巖體中的黑云母具鐵銹色，全風(fēng)化巖體除石英顆粒外，云母、長石等礦物已風(fēng)化蝕變，結(jié)構(gòu)疏松，局部呈砂礫狀。

根據(jù)巖體風(fēng)化特征，可將壩址區(qū)巖體由表向內(nèi)劃分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化—新鮮，其中弱風(fēng)化帶可進(jìn)一步劃分為弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段(見表1、圖1)。

勘察表明，巖體風(fēng)化的水平、垂直分帶性明顯，具有總體隨高程增加而逐漸增強(qiáng)的規(guī)律，且受微地形、巖性及構(gòu)造等影響具一定程度的不均一性特點(diǎn)。一般地形越平緩、相對高度越大、巖石抗風(fēng)化能力越差、礦物顆粒越粗大、巖石中長石和云母等易蝕變礦物含量越高、遭受構(gòu)造作用越強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化越強(qiáng)烈，風(fēng)化深度亦較大。

風(fēng)化強(qiáng)烈的巖體卸荷松弛也明顯，巖體卸荷后有利于風(fēng)化作用的深入。大崗山兩岸強(qiáng)風(fēng)化巖體同時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)烈卸荷；弱風(fēng)化上段巖體有卸荷松弛現(xiàn)象。

同其它花崗巖地區(qū)的水電工程相比較，大崗山巖體風(fēng)化深度相對較大，與其獨(dú)特的巖性和構(gòu)造背景不無關(guān)系。

表1 巖體風(fēng)化特征

3.2 微觀特征

磨片鑒定表明花崗巖由于風(fēng)化而引起的變化主要表現(xiàn)為風(fēng)化隱微裂隙的發(fā)育和部分礦物蝕變?yōu)轲ね恋V物，如長石類的高嶺土化、絹云母化，黑云母的綠泥石化、蛭石化等。

花崗巖中的裂隙據(jù)磨片觀察，普遍較發(fā)育，據(jù)成因和特征分為兩類：早期隱微構(gòu)造裂隙以輕微的半定向構(gòu)造裂隙為主；后期風(fēng)化隱微裂隙以不規(guī)則微裂隙為主，分布沒有明顯規(guī)律，且具有張性裂隙性質(zhì)。

石英風(fēng)化裂隙的發(fā)育程度和長石、黑云母蝕變程度大體上與風(fēng)化分帶相符，總體上隨深度加大而發(fā)育程度減弱(見表2、圖2)。

圖2 巖石風(fēng)化隱微裂隙、蝕變與深度關(guān)系

巖體風(fēng)化程度石英風(fēng)化裂隙發(fā)育程度條/ mm斜長石蝕變程度微新花崗巖<1<2 弱風(fēng)化下段花崗巖1～1.51.5～2.5弱風(fēng)化上段花崗巖1.5～3.52～3 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖>3.5>3

3.3 物理力學(xué)指標(biāo)特征

樞紐區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)表明，微風(fēng)化-新鮮黑云二長花崗巖密度大、吸水率低、彈性模量和濕抗壓強(qiáng)度較高，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與風(fēng)化程度密切相關(guān)，具有以下特征：

(1)巖石的密度、濕抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)化程度加深而明顯降低，微風(fēng)化-新鮮巖石屬堅(jiān)硬巖石；弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段巖石為中硬巖。

(2)隨風(fēng)化程度加深，巖石的吸水率顯著增加，其軟化系數(shù)逐漸降低。

(3)輝綠巖等脈巖，巖石致密，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，為高強(qiáng)度的堅(jiān)硬巖石。

可見，巖體風(fēng)化構(gòu)成了壩基巖體質(zhì)量分類的主要地質(zhì)因素。

4 風(fēng)化對巖體質(zhì)量的影響

巖體風(fēng)化對大崗山拱壩的影響，主要體現(xiàn)在對建基巖體質(zhì)量的制約，對施工安全也有一定的影響。

4.1 風(fēng)化對壩基巖體質(zhì)量的影響

根據(jù)巖體風(fēng)化卸荷、巖質(zhì)類型、巖體結(jié)構(gòu)、巖體緊密程度、地下水等因素，進(jìn)行了壩基巖體質(zhì)量詳細(xì)分類(見表3)。

表3 巖體風(fēng)化與巖體質(zhì)量分類

不同風(fēng)化狀態(tài)的巖體其巖體質(zhì)量差異明顯[4-6]，全、強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，屬Ⅴ類巖體；弱風(fēng)化上段巖體較破碎，屬Ⅳ類巖體；弱風(fēng)化下段、弱卸荷花崗巖屬Ⅲ2類巖體；弱風(fēng)化下段、無卸荷花崗巖屬Ⅲ1類巖體；微新花崗巖以Ⅱ類巖體為主。

根據(jù)拱壩對建基面的要求，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，在滿足拱壩壩體應(yīng)力控制條件和拱座穩(wěn)定控制條件的前提下，確定拱壩建基面原則為：挖除覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化Ⅴ1類花崗巖體、弱風(fēng)化上段Ⅳ類花崗巖體、弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖體，建基于微新—弱風(fēng)化下段無卸荷的Ⅱ、Ⅲ1類巖體上；1 080m高程以上壩基局部利用弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類巖體。

4.2 對壩基風(fēng)化巖體的處理

因樞紐區(qū)巖體風(fēng)化較強(qiáng)烈，開挖揭示，壩基局部分布弱風(fēng)化上段Ⅳ類花崗巖體、弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖體，構(gòu)成地質(zhì)缺陷，為保證巖體穩(wěn)定，采取了工程處理措施。

(1)左岸壩基QL13號地質(zhì)缺陷。左岸壩基QL13號地質(zhì)缺陷為弱風(fēng)化上段花崗巖，出露于962～972m高程壩基下游，建基面出露面積約160m2，呈塊裂結(jié)構(gòu)，較松弛。結(jié)合其下部的β41(f46)巖脈破碎帶一起，采取開挖置換混凝土處理(見圖3)。

圖3 左岸QL13號地質(zhì)缺陷置換處理

(2)右岸壩基QR1號地質(zhì)缺陷。右岸壩基QR1號地質(zhì)缺陷分布于1 135～1 128m高程，為弱風(fēng)化上段、弱卸荷Ⅳ類花崗巖，巖體呈塊裂-鑲嵌結(jié)構(gòu)，面積232m2，Vp=2 845m/s。結(jié)合其下部的β4(f5)巖脈破碎帶一起，采取開挖置換，設(shè)置混凝土墊座處理(見圖4、圖5)。

5 結(jié)束語

(1)大崗山水電站樞紐區(qū)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化的水平、垂直分帶性明顯，為影響壩基巖體質(zhì)量的主要因素。

(2)弱風(fēng)化上段Ⅳ類花崗巖體、弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖體構(gòu)成壩基地質(zhì)缺陷，是基礎(chǔ)處理的重點(diǎn)之一。

圖4 右岸墊座巖體風(fēng)化分布

圖5 右岸QR1號地質(zhì)缺陷墊座處理

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