牙根二級水電站右岸拉裂松動巖體基本特征研究

馬　宏,劉阜羊,胡耀飛

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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牙根二級水電站右岸拉裂松動巖體基本特征研究

馬宏,劉阜羊,胡耀飛

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

四川省某水電站壩前發(fā)育規(guī)模較大的拉裂松動巖體，嚴重制約和影響了水電站壩址、壩型的選擇及水工建筑物的布置格局，穩(wěn)定性計算表明，大壩蓄水后拉裂松動巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此對其的研究與治理是該水電工程的技術(shù)難點。本文從拉裂松動巖體的定義、分布形態(tài)、一般特征、巖體結(jié)構(gòu)、變形特征等方面對拉裂松動巖體的基本特征進行了分析論述。

拉裂松動巖體；基本特征；巖體結(jié)構(gòu)；緩傾角結(jié)構(gòu)面；變形特征

0　引　　言

牙根二級水電站位于四川省雅礱江中游，選定壩型為碾壓混凝土重力壩。前期勘察揭示，花崗巖壩址右岸谷坡發(fā)育有2處拉裂松動巖體，規(guī)模較大，嚴重制約和影響了水電站壩址、壩型的選擇及水工建筑物的布置格局，且1、2號拉裂松動巖體位于壩前，穩(wěn)定性計算表明，其蓄水后均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

研究區(qū)位于青藏高原東南部，區(qū)域地貌表現(xiàn)為三級夷平面及多級河谷階地特征，新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為大面積整體間歇性抬升和以大斷裂為邊界的斷塊之間的差異升降運動。這一新構(gòu)造活動性質(zhì)形成了研究區(qū)強烈下蝕的峽谷地貌形態(tài)，造成研究區(qū)河谷下蝕過程谷坡應(yīng)力場的極大調(diào)整，從而使谷坡巖體發(fā)生了強烈的卸荷拉裂改造。

區(qū)域地應(yīng)力背景資料顯示，壩址區(qū)谷坡屬于高地應(yīng)力河谷區(qū)域。實測最大主應(yīng)力σ1值高達29.6 MPa，表明研究區(qū)屬高構(gòu)造應(yīng)力場區(qū)，且最大主應(yīng)力方向為NEE向，與河谷近于正交。在這樣的地應(yīng)力條件下，谷坡巖體在河谷下切過程易形成強烈的卸荷回彈。

1　拉裂松動巖體的定義及分布特征

拉裂松動巖體是一種特殊類型的巖體，即指挽近時期以來，在內(nèi)外動力作用下，發(fā)生了應(yīng)力釋放，且在特定的岸坡結(jié)構(gòu)等地質(zhì)背景下，巖體結(jié)構(gòu)面普遍張開，巖體密度顯著下降，巖體整體結(jié)構(gòu)強度急劇降低的一類具有特殊工程地質(zhì)性狀的巖體[1-2]，同時松動巖體未形成統(tǒng)一的邊界，具有漸變性及不均一性的特點。

結(jié)構(gòu)面寬張及緩傾角結(jié)構(gòu)面錯動后巖體發(fā)生剪脹擴容是拉裂松動巖體的宏觀地質(zhì)標志。右岸1號拉裂松動巖體后緣邊界呈弧形變化，后緣地表最大高程2 722 m，沿公路順河出露長度約730 m，方量約808萬m3，水平方向最大深度137 m。2號拉裂松動巖體的上游側(cè)邊界為NE向的F10斷層，下游側(cè)邊界為PD45平硐上游淺溝，拉裂松動巖體順河長約690 m，方量約400萬m3，水平方向最大深度116.5 m；推測后緣邊界呈弧形，后緣地表最大高程約為2 760 m。

2　拉裂松動巖體的一般特征

(1)結(jié)構(gòu)面大量張開。拉裂松動巖體內(nèi)各方向結(jié)構(gòu)面均松弛張開，不僅順河向中、緩傾角結(jié)構(gòu)面普遍拉裂松動，而且近橫河向結(jié)構(gòu)面也明顯張開。平洞內(nèi)拉裂縫的條數(shù)和張開度隨洞深呈跳躍狀變化，淺表部密集發(fā)育，深部主要受緩傾角斷層控制呈密集帶形式產(chǎn)出；拉裂縫的張開寬度從2毫米至數(shù)十厘米不等。

(2)巖體破碎、架空，洞頂坍塌。拉裂松動巖體多為碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯以碎塊狀為主，局部碎片狀。巖芯RQD多小于15%，但松動巖體內(nèi)局部存在相對較大的巖塊，表明松動巖體整體破碎外，局部存在相對緊密段。結(jié)構(gòu)面將巖體切割成大小不同、形態(tài)各異的塊體，局部架空，充填有巖塊、巖屑等，洞壁犬牙交錯，巖體突兀，呈“呲牙咧嘴”狀，勘探平洞大多需做簡易支護后方能成型。

(3)低波速。研究區(qū)拉裂松動巖體發(fā)育帶內(nèi)平洞及鉆孔一般難于取得波速測試資料，平洞中局部測試成果僅代表相對緊密段巖體，鉆孔因漏水也未取得資料。故針對這一特殊現(xiàn)象，在平洞中做了地震連續(xù)波測試，統(tǒng)計資料表明，拉裂松動巖體中地震連續(xù)波波速大值平均值2 700 m/s，小值平均值1 300 m/s，平均值1 900 m/s。

(4)強透水性。拉裂松動巖體強烈漏水，鉆孔壓水試驗不起壓，流量多大于100 L/min，同時局部出現(xiàn)數(shù)厘米至十余厘米的掉鉆，表現(xiàn)為強透水巖帶。鉆孔地下水位偏低，與河水位持平或略高。平洞內(nèi)巖體干燥，多無地下水，洞室溫度較無拉裂松動巖體發(fā)育段明顯偏低。

3　拉裂松動巖體的巖體結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)谷坡巖體巖性為二長花崗巖，巖石具似斑狀～中細粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，力學(xué)強度較高、性脆。在強烈的構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用下，巖石易發(fā)生破裂；此外，由于巖石堅硬、強度較高，其儲能條件好[3]，在構(gòu)造應(yīng)力作用下能積聚較高的彈性應(yīng)變能，尤其是在強烈卸荷作用下，可發(fā)生破裂改造。

右岸特定的岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)是拉裂松動巖體形成的基礎(chǔ)。右岸岸坡順坡向緩傾角節(jié)理裂隙及斷層與陡傾角結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成坡體特定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，控制了拉裂松動巖體的發(fā)育。右岸谷坡巖體中均發(fā)育順坡中、緩傾角裂隙(N0°～20°W/NE∠10°～30°，N40°～60°W/NE∠35°～55°)或緩傾角斷層(N0°～20°W/NE∠10°～30°)，且發(fā)育有橫河的NE向陡傾角斷裂和順河的NW向陡傾角斷裂。因此，谷坡巖體在河谷下切過程強烈卸荷作用下，易以順坡緩傾角結(jié)構(gòu)面為底滑面發(fā)生差異回彈[4-5]錯動拉裂或滑移壓致拉裂，也易沿中等傾角順坡結(jié)構(gòu)面發(fā)生離面卸荷回彈[4-5]或滑移拉裂變形，從而造成巖體松動。其中，順河陡傾角結(jié)構(gòu)面(N20°～50°W/NE∠65°～85°)構(gòu)成卸荷拉裂或滑移(壓致)拉裂的后緣切割面，橫河陡傾角結(jié)構(gòu)面(N50°～90°W/ SW∠65°～85°、N20°～50°E/NW(SE)∠65°～85°)構(gòu)成卸荷拉裂或滑移(壓致)拉裂側(cè)向割裂面，形成向雅礱江臨空方向的松動。

4　拉裂松動巖體的變形特征

4.1沿緩傾角結(jié)構(gòu)面的差異回彈錯動

PD01平硐緩傾坡外斷層f1-6，作為1號松動巖體上游側(cè)的底界面，其帶內(nèi)物質(zhì)被壓剪擠入上盤裂隙內(nèi)，局部可見石英脈體強烈擾動或轉(zhuǎn)動跡象(見圖1)。f1-6產(chǎn)狀為N10°W/NE∠18°，帶寬20～40 cm，主要由乳白色石英脈及薄層(局部較厚)糜棱巖條帶組成。斷面起伏，石英脈呈條帶狀由裂隙壁向中間生長，內(nèi)部晶體垂直于斷層面生長(見圖2)，條帶與斷面近于一致，石英脈中央還有晶體未長滿的晶洞。斷裂后期變形主要表現(xiàn)為夷平剝蝕過程的垂向離面卸荷回彈，河谷下切的側(cè)向卸荷過程變形相對較弱。隨離面卸荷拉裂的發(fā)展，緩傾角拉裂縫中生長石英晶體，晶體垂直于裂面生長，局部形成晶洞；下盤巖體較緊密，派生裂隙僅局部充填細小石英脈；受陡傾角裂隙控制，石英脈具有忽然加寬并向上凸起的現(xiàn)象，也表明斷層的變形主要發(fā)生于夷平剝蝕過程。在河谷下切側(cè)向卸荷的表生改造過程中，斷層發(fā)生了輕微的滑移正錯，在石英脈表面形成了向河谷方向的擦痕，但斷裂未明顯錯開石英脈充填的對應(yīng)裂隙，表明后期的變形相對較弱。

圖1f1-6斷層下游壁127 m處石英脈突然加寬發(fā)育特征圖2f1-6內(nèi)條帶狀石英脈

4.2“板裂狀”傾坡內(nèi)巖體的傾倒彎曲～拉裂變形

PD01平洞57～77 m，巖體呈陡傾坡內(nèi)板裂結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀為N55°～70°W/SW∠60°的陡傾坡內(nèi)裂隙發(fā)育，間距40～70 cm。巖體具有明顯的傾倒彎曲變形，發(fā)育中緩傾坡外拉裂縫XL23、XL23-1 ，產(chǎn)狀為N32°～45°W/NE∠30°～55°，裂隙張開2～3 cm(見圖3、4)。表明巖體在高地應(yīng)力及重力場作用下，發(fā)生傾倒彎曲～拉裂變形。

圖3PD01平洞69～74m板裂狀巖體傾倒變形特征圖4PD01平洞板裂狀巖體傾倒變形特征素描

4.3蠕滑～拉裂及滑移～壓致拉裂

谷坡巖體在河谷下切過程中，在重力作用下，沿中、緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生蠕滑～拉裂及滑移～壓致拉裂，該變形破壞模式為右岸谷坡巖體表生改造的一種主要模式。PD29平洞上游壁130～135 m，中傾坡外裂隙(N25°W/NE∠45°)上盤發(fā)育陡傾坡外張開裂隙(N35°W/NE∠80°)，局部呈下寬上窄羽狀特征。表現(xiàn)出臺階狀滑移壓致拉裂變形特征(見圖5)。

圖5　PD29平洞130～135 m上游壁臺階狀滑移壓致拉裂示意

4.4滑移剪張

在高地應(yīng)力釋放后重力作用下，巖體沿順坡緩傾角斷層滑移錯動過程，在下盤形成開口向上的中陡傾角拉裂縫，或追蹤順坡陡傾角構(gòu)造節(jié)理發(fā)生拉裂。由于多條順坡緩傾角長大結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，往往形成臺階狀的拉裂松動巖體。PD07平洞41～51 m段，發(fā)育順坡緩傾角卸荷裂隙X32(N50°W/NE∠10°～25°)，具有一定板裂化特征。緩傾角裂隙下盤巖體普遍發(fā)育剪張裂隙，滑移剪張拉裂變形破裂特征明顯(見圖6、7)。

5　結(jié)　　論

拉裂松動巖體的研究與治理是本工程的技術(shù)難點之一。右岸拉裂松動巖體，是處于高地應(yīng)力條件下具有特定巖體結(jié)構(gòu)的谷坡巖體，在河谷強烈下切過程發(fā)生淺表生改造而成。結(jié)構(gòu)面寬張及緩傾角結(jié)構(gòu)面錯動后巖體發(fā)生剪脹擴容是拉裂松動巖體的宏觀地質(zhì)標志，其本身具有巖體完整性差、松動架空、低波速、強透水性等一般特征。緩傾角斷層及長大裂隙控制了拉裂松動巖體的發(fā)育，形成了尚未完全貫通的底部邊界，表明其發(fā)育具有漸變性和不均一性。早期變形特征為巖體沿緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生向河谷臨空方向的差異錯動，后期在谷坡重力場作用下，巖體進一步沿順坡緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生蠕滑拉裂變形，巖體剪張?zhí)卣髅黠@；局部陡傾坡內(nèi)“板裂狀”結(jié)構(gòu)巖體表現(xiàn)出傾倒彎曲～拉裂變形特征。

圖6　 PD07平洞41～51 m上游壁緩傾角裂隙X32滑移拉裂破壞特征

圖7　41～51 m緩傾角裂隙X32滑移拉裂變形破壞素描

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2016-03-07

馬宏(1982-)，男，甘肅秦安人，高級工程師，從事水電站地質(zhì)勘測設(shè)計工作。

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