玄武巖巖體層間錯動帶變形機制研究

郝小紅，任冠松

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

1 工程概況

層間錯動帶是經(jīng)過原生建造、構(gòu)造改造及淺表層改造過程，發(fā)育于相鄰巖層分界處的緩傾角結(jié)構(gòu)面．其帶內(nèi)物質(zhì)多為經(jīng)過構(gòu)造運動、風化作用和滲透作用產(chǎn)生的巖塊、角礫、巖屑、泥質(zhì)．層間錯動帶具有延伸規(guī)模大、工程特性差等特點［1］． 因此，層間錯動帶被認為是影響巖體穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)面．目前，國內(nèi)外專家和學者對層間錯動帶的變形機制研究還不全面，未形成比較系統(tǒng)的理論． 近些年，我國西南地區(qū)興建的水利水電工程，在邊坡和洞室開挖過程中多揭露分布廣泛的層間錯動帶，層間錯動帶的破壞與變形在很大程度上影響著大壩的安全與穩(wěn)定． 因此，研究層間錯動帶的變形機制具有很大的理論和現(xiàn)實意義．筆者以金沙江上某大型水電站工程為依托，通過對該壩區(qū)的層間錯動帶進行地質(zhì)編錄和變形試驗獲得的資料來分析玄武巖巖體層間錯動帶的變形規(guī)律．

1 壩區(qū)工程地質(zhì)概況

所研究工程的壩區(qū)巖性主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，構(gòu)造類型為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N30°～50°E、SE∠15° ～25°． 層間錯動帶是發(fā)育在壩區(qū)11個巖流層界面或靠近界面的構(gòu)造錯動帶，在壩區(qū)分布廣泛，總體來說是連續(xù)的，構(gòu)成了壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)的總體格架．據(jù)江權(quán)等［2］的總結(jié)，該區(qū)層間錯動帶工程特性有以下特點:①延伸規(guī)模大，連續(xù)性好;②帶內(nèi)物質(zhì)與結(jié)構(gòu)面類型復雜和多元化，表現(xiàn)為帶內(nèi)物質(zhì)成分、含量隨所處位置不同有明顯差異，其規(guī)模和結(jié)構(gòu)面類型、水文地質(zhì)也存在差別，構(gòu)成了其多元化的狀態(tài);③多為硬－軟－硬復核巖體結(jié)構(gòu)，錯動帶在未風化情況下的典型組合結(jié)構(gòu)是下盤為堅硬的玄武巖，中間為泥化軟層，上盤為較堅硬凝灰?guī)r．

2 層間錯動帶地質(zhì)條件和變形試驗

對巖體進行開挖，勢必造成錯動帶的應(yīng)力條件和周邊的接觸環(huán)境發(fā)生變化，導致錯動帶帶內(nèi)物質(zhì)被風化，甚至引起錯動帶產(chǎn)生錯動． 因此，為減小擾動產(chǎn)生的影響，選擇在邊坡和洞室開挖后盡快進行了地質(zhì)編錄，采用剛性承壓板法對層間錯動帶進行現(xiàn)場變形試驗，獲得了真實可靠的層間錯動帶相關(guān)物理力學參數(shù)．

2．1 物理力學參數(shù)的獲取

經(jīng)現(xiàn)場勘查，Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號、Ⅳ號緩傾角層間錯動帶對壩區(qū)工程穩(wěn)定性起主要影響作用． 為研究此4 條層間錯動帶的變形特性，須掌握層間錯動帶的地質(zhì)發(fā)育特征和物理性狀，故進行下列地質(zhì)工作．

首先，在工程現(xiàn)場選取錯動帶發(fā)育比較典型的位置對4 條層間錯動帶進行地質(zhì)素描． 其現(xiàn)場地質(zhì)情況如圖1 所示．

圖1 研究區(qū)4 條層間錯動帶現(xiàn)場地質(zhì)素描情況

其次，根據(jù)地質(zhì)素描結(jié)果對工區(qū)發(fā)育的主要層間錯動帶進行結(jié)構(gòu)面類型劃分． 依據(jù)錯動帶內(nèi)物質(zhì)種類和含量進行結(jié)構(gòu)面類型劃分，一般分為泥、泥夾巖屑、巖屑夾泥、巖塊巖屑四大類，結(jié)果見表1．

最后，在盡量減少擾動的情況下，將錯動帶內(nèi)物質(zhì)取樣做室內(nèi)試驗，得到不同類型層間錯動帶物理力學性質(zhì)參數(shù)，見表2． 由表2 可知:①不同類型結(jié)構(gòu)面的c 和φ 值從低到高排序為:泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;②不同類型結(jié)構(gòu)面含水率從高到低排序為:泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;③錯動帶內(nèi)含水率越高、泥質(zhì)越多，其結(jié)構(gòu)面c 和φ值就越低．

表1 層間錯動帶的地質(zhì)狀況

表2 層間錯動帶物理力學性質(zhì)取值表

2．2 層間錯動帶變形試驗

層間錯動帶變形試驗采用現(xiàn)場剛性承壓板法，施加荷載方向為垂直于錯動帶延伸方向． 試驗地點選在典型探洞內(nèi)，試驗步驟按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL 264—2001)的要求進行［3］．

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，同一錯動帶內(nèi)不同位置物質(zhì)組成存在差異，根據(jù)這一現(xiàn)象，試驗共選7 個有代表性的地點進行測試．其中:1、2 號試驗點對應(yīng)Ⅰ號錯動帶，其結(jié)構(gòu)面類型均為泥夾巖屑;3、4 號試驗點對應(yīng)Ⅱ號錯動帶，其結(jié)構(gòu)面類型均為巖屑夾泥;5、6 號試驗點對應(yīng)Ⅲ號錯動帶，其中第5 號點為泥夾巖屑型，第6 號為巖塊巖屑型;7 號試驗點對應(yīng)Ⅳ號錯動帶，為泥夾巖屑型．

試驗通過千斤頂施加載荷，使用對稱布置在承壓板上的4 只千分表測量巖體變形量． 根據(jù)工程設(shè)計及以往工程經(jīng)驗，試驗分5 級加荷，采用逐級一次循環(huán)法，除2 號試驗點第一級加荷為1．6 MPa，逐級增加壓力為1．6 MPa，最大荷載為8 MPa 外，其余試驗點的第一級加荷均為1．2 MPa，逐級增加壓力為1．2 MPa，最大壓力為6 MPa．按照規(guī)程［3］要求每次加壓后記錄下施加荷載和變形量．

巖體變形模量和彈性模量計算公式為

式中:E 為變形模量或彈性模量(當以全變形W0代入式中計算時為變形模量E0，當以彈性變形We代入式中計算時為彈性模量Ee)，MPa;W 為巖體表面變形，cm;P 為壓力，MPa;D 為承壓板直徑，cm;μ 為巖體泊松比．

3 試驗結(jié)果分析與對比

3．1 結(jié)果分析

對試驗數(shù)據(jù)進行整理，計算出各級荷載作用下錯動帶垂直方向的平均變形模量:Ⅰ號錯動帶約為0．04 GPa，Ⅱ號錯動帶約為0．11 GPa，Ⅲ號錯動帶約為0．12 GPa，Ⅳ號錯動帶約為0．23 GPa．

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制各錯動帶變形試驗的相關(guān)應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2 所示，分析各錯動帶的變形特征與規(guī)律．

圖2 錯動帶各試驗點應(yīng)力－應(yīng)變(σ－ε)曲線

1)Ⅰ號錯動帶．1 號試驗點為凝灰?guī)r組成的軟弱夾層，帶內(nèi)凝灰?guī)r為中至強風化狀，且?guī)?nèi)潮濕，所以該處的軟弱夾層抗變形能力較弱，其變形過程符合典型的凝灰?guī)r變形特征．從圖2 中可以看出，1號試驗點變形曲線首先為很小的一段近直線，再向下彎曲，最后為近直線延伸，因為凝灰?guī)r中基本上不存在孔隙，所以幾乎不存在壓密變形階段，曲線為彈—塑型曲線［4］．2 號試驗點為由黃泥夾玄武巖塊組成的軟弱夾層，2 號曲線為標準的“S”形:低荷載時，泥質(zhì)物與碎塊石共同受力，其間及土中的孔隙受到壓縮，曲線向上彎曲;隨著荷載增大，荷載逐步轉(zhuǎn)移到巖塊上，最終巖塊單獨受力，巖塊單獨受力后首先發(fā)生彈性變形，這時曲線呈直線;由于泥質(zhì)含量高，巖塊受力集中，當荷載再繼續(xù)增大后，巖塊內(nèi)有新的裂隙產(chǎn)生和局部破壞，發(fā)生塑性變形，曲線進入向下彎曲階段．

2)Ⅱ號錯動帶．3 號試驗點位于由強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)面上．在較低壓力下，3 號試驗曲線先向上彎曲，巖塊內(nèi)裂隙閉合和泥質(zhì)孔隙被壓密;隨著壓力增加，曲線進入近直線階段，為巖塊和鐵錳質(zhì)的彈性變形階段;當荷載增大到6 MPa 仍為直線，表明未進入屈服狀態(tài)．4 號試驗點由較大厚度的黃泥組成，成分單一．在較低壓力下，4號試驗曲線先向上彎曲，為黃泥孔隙的壓密階段;隨著壓力增大，曲線進入近直線階段;壓力繼續(xù)增大，曲線向下彎曲，變形進入塑性階段［5］． 對比這兩條曲線，3 號點處變形模量比4 號試驗點明顯偏大，說明單純由黃泥組成的錯動帶易變形，而由強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì)組成的3 號試驗點由于其含泥量少，當荷載增大到一定值后，碎石塊和鐵錳質(zhì)起到了主要的承載作用，致使該處的總變形量偏?。?/p>

3)Ⅲ號錯動帶．5 號試驗點位于由碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥組成的結(jié)構(gòu)面上，次生黃泥厚2 ～30 cm．在較低壓力下，5 號試驗曲線開始表現(xiàn)為向上彎曲，為碎裂巖、糜礫巖間孔隙的壓密階段;當壓力增大，曲線進入直線階段，為黃泥的壓縮階段;當壓力進一步增大，曲線進入向下彎曲階段，此時碎裂巖、糜礫巖發(fā)生塑性變形［6］．6 號試驗點位于由凝灰?guī)r塊、碎石塊、巖屑及泥質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)面上，泥質(zhì)分布不均．6 號試驗曲線在較低壓力下首先表現(xiàn)為向上彎曲，為巖塊和碎石塊孔隙的壓密階段;隨著壓力的增大，曲線變?yōu)榻本€，此時巖塊、凝灰?guī)r發(fā)生彈性變形;當荷載為6 MPa 時，曲線未出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象，說明在該級壓力下未進入屈服階段．對比這兩條曲線，6 號試驗點帶內(nèi)物質(zhì)的抗變形能力較5 號點強．對比兩組試驗的帶內(nèi)物質(zhì)，6 號點錯動帶內(nèi)含泥量較5 號點少，且?guī)?nèi)巖塊以凝灰?guī)r塊、碎石塊為主，巖塊相對較完整，而5 號點帶內(nèi)巖塊是以破碎程度較高的碎裂巖、糜礫巖組成，其完整性和強度均比6 號帶內(nèi)巖塊差，因此產(chǎn)生上述結(jié)果．

4)Ⅳ號錯動帶．7 號試驗點位于由泥質(zhì)及塊狀巖石組成的結(jié)構(gòu)面上，帶內(nèi)組成物質(zhì)的種類與2 號試驗點相似，但以巖塊為主，即巖塊含量遠高于泥質(zhì)．巖塊是由玄武巖構(gòu)成，泥質(zhì)一般厚度為3 ～5 cm，最厚10 ～20 cm，分布不均．7 號試驗曲線近似標準的“S”形．7 號試驗點泥質(zhì)較少，在受力過程中主要由巖塊承擔荷載，相同荷載下變形量明顯小于2 號試驗點，表現(xiàn)出相對較強的抗變形能力．

3．2 結(jié)果對比

對上述7 組變形試驗得出的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進行對比分析，結(jié)果如下．

1)同一錯動帶中由于局部位置組成物質(zhì)存在差異，導致其強度和抗變性能力差別較大，在相同荷載下變形不均勻．

2)依據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變曲線的形狀，該工區(qū)的錯動帶內(nèi)物質(zhì)變形方式可歸納為兩大類．

①1，4，5 號曲線走勢相似，為向下彎曲平緩型．荷載超過彈性極限后，變形速度明顯加快，3 條曲線外形平緩、變形量較大，此3 個試驗點的錯動帶變形模量為0．02 ～0．03 GPa．對比3 組試驗點的錯動帶帶內(nèi)主要物質(zhì)組成，含水量均偏高，其中1 號試驗點帶內(nèi)物質(zhì)主要為強風化的凝灰?guī)r，4 號點帶內(nèi)主要為黃泥，5 號點帶內(nèi)為碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥，均為低強度、易變形的軟弱物質(zhì)．

②3，6，7 號試驗曲線形狀相似，總體趨勢為陡直向上型．這3 個試驗點錯動帶的變形模量相近，約為0．20 GPa，抗變形能力明顯強于①類． 對比帶內(nèi)物質(zhì)，含泥量較①類少是這3 個試驗點的共同特點．其中3 號點為強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì)，6號點為凝灰?guī)r塊、碎石塊、巖屑及泥質(zhì)，7 號點為泥質(zhì)及塊狀巖石，3 組試驗點均含有自身強度、抗變形能力相對較高的巖塊，增強了錯動帶抗變形能力．

3)帶內(nèi)組成物質(zhì)的種類相同，但變形特點存在差異． 如2 號和7 號試驗曲線，兩線形態(tài)都為“S”形．在較低壓力下，曲線先向上彎曲，裂隙閉合和泥質(zhì)孔隙壓縮，隨著壓力增大，曲線進入直線段，巖石或巖塊發(fā)生彈性變形，最后曲線向下彎曲，產(chǎn)生塑性變形．兩曲線外形相似，但斜率相差較大，2 號試驗曲線平緩，7 號較陡．產(chǎn)生這一現(xiàn)象是由于7 號試驗點錯動帶內(nèi)泥質(zhì)較少，所以泥質(zhì)孔隙壓縮階段延伸比較短，在受力過程中主要由巖塊承擔荷載，而2 號點錯動帶內(nèi)泥質(zhì)較多，所以變形開始階段延伸比較長，變形也快．由此可知:帶內(nèi)物質(zhì)相同，其變形所包含的幾個階段相似，但由于帶內(nèi)物質(zhì)的含量相差較大，其每個階段對應(yīng)的總變形量相差較大．

4)錯動帶變形曲線形狀和變化趨勢是由錯動帶內(nèi)物質(zhì)決定的，結(jié)構(gòu)面類型不能決定變形曲線形狀．如3，6，7 號試驗點，3 號試驗點的錯動帶結(jié)構(gòu)面類型為巖屑夾泥型，6 號為巖塊巖屑型，7 號為泥夾巖屑型．可見，此3 組試驗點的錯動帶結(jié)構(gòu)面類型不相同，但3 組試驗得出的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀卻很相近．

4 結(jié) 語

1)同一錯動帶不同位置帶內(nèi)物質(zhì)不一定相同，其結(jié)構(gòu)面類型也不一定相同，因此需要進行大范圍、較全面的地質(zhì)編錄，通過統(tǒng)計確定主要的結(jié)構(gòu)面類型．判定Ⅰ號錯動帶主要的結(jié)構(gòu)面類型為泥夾巖屑型，Ⅱ號錯動帶為巖屑夾泥型，Ⅲ號錯動帶為巖塊巖屑型，Ⅳ號錯動帶為巖屑夾泥型．

2)同一錯動帶中組成物質(zhì)的差異，會導致不均勻變形產(chǎn)生．在物質(zhì)組成相同的情況下，含水量增高或塊石風化程度加大都會使錯動帶抗變形能力降低，而帶內(nèi)物質(zhì)含高強度巖塊會大幅度提高其抗變形能力．

3)通過對4 條錯動帶中典型結(jié)構(gòu)面在相同荷載作用下變形結(jié)果的對比分析可知，就整條錯動帶而言，此次試驗Ⅰ號錯動帶最大變形量大于0．3，平均變形模量只有0．04 GPa，極易產(chǎn)生變形;Ⅳ號錯動帶平均變形模量最大，為0．23 GPa，抗變形能力相對強些;Ⅱ號和Ⅲ號錯動帶平均變形模量相差不大，為0．11 ～0．12 GPa．所以，考慮到錯動帶的存在對壩體及地下洞室穩(wěn)定性的影響，在工程施工過程中應(yīng)對Ⅰ號錯動帶的變形予以重視，重點保持對Ⅰ號錯動帶的變形監(jiān)測．

4)帶內(nèi)物質(zhì)及含量決定著錯動帶的抗變形能力、變形曲線類型和變化趨勢．帶內(nèi)物質(zhì)相同或相似且各物質(zhì)含量相近的錯動帶其變形曲線相似． 帶內(nèi)物質(zhì)相同，但泥與塊石的含量相差較大時，錯動帶的變形能力會受到影響，其變形曲線特征也不盡相同．

5)錯動帶內(nèi)物質(zhì)組成和其含量的多少決定了結(jié)構(gòu)面類型，但結(jié)構(gòu)面類型不能決定錯動帶的變形特征，即相同結(jié)構(gòu)面類型的錯動帶對應(yīng)的變形曲線可能有很大差別，變形模量相差也比較大．

［1］張倬元，王蘭生，王士天，等．工程地質(zhì)分析原理［M］．2版．北京:地質(zhì)出版社，2004．

［2］江權(quán)，馮夏庭，周輝，等．層間錯動帶的強度參數(shù)取值探討［J］．巖石力學，2011，32(11):3379 －3386．

［3］長江水利委員會長江科學院． SL 264—2001 水利水電工程巖石試驗規(guī)程［S］． 北京:中國水利水電出版社，2001．

［4］何沛田，黃志鵬．層狀巖石的強度和變形特性研究［J］．巖土力學，2003，24(增1):1 －5．

［5］劉祖典，李靖，郭增玉，等．陜西關(guān)中黃土變形特性和變形參數(shù)的探討［J］．巖土工程學報，1984，G(3):25 －34．

［6］陳慶敏，張農(nóng)，趙海云，等．巖石殘余強度與變形特性的試驗研究［J］． 中國礦業(yè)大學學報，1997，26(3):42－45．