西藏某水電站壩址區(qū)巖石蝕變特征分析

楊成龍，王森林，王欽權(quán)，韓 嘯

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

某水電站位于西藏東南部，初擬方案為碾壓混凝土重力壩，壩址區(qū)海拔2 880 m以上，岸坡坡度為34°～52°。壩址區(qū)內(nèi)主要出露巖性為英安巖及侵入花崗閃長(zhǎng)斑巖，地質(zhì)構(gòu)造主要為沿河流向發(fā)育的陡傾韌性剪切構(gòu)造帶及Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，巖體風(fēng)化、卸荷作用強(qiáng)烈，碎裂松動(dòng)巖體普遍發(fā)育。壩址區(qū)地表發(fā)育有若干條帶狀蝕變巖體，部分平硐亦揭示了地表深處巖石的蝕變現(xiàn)象。

不少學(xué)者對(duì)巖石蝕變做了深入的研究。魏偉等[1]、徐浩[2]、于新華等[3]、苗朝[4]對(duì)蝕變機(jī)理及蝕變巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造類(lèi)型等進(jìn)行了研究分析。苗朝等[5～6]、覃禮貌等[7]、黃志全等[8]、程來(lái)等[9]、魏偉等[10]認(rèn)為蝕變改變了巖石原有的力學(xué)特性，致使巖體質(zhì)量在區(qū)域上存在不均勻性，造成了局部軟弱帶。天池抽水蓄能水電站、葉巴灘電站、廣州抽水蓄能水電站、青龍水電站及一些隧道工程實(shí)例均反映了工程中存在的蝕變問(wèn)題對(duì)工程巖體質(zhì)量和工程建設(shè)具有一定的影響[11-15]。

鑒于本工程初擬的混凝土高壩方案對(duì)壩基巖體質(zhì)量要求較高，故深入研究本工程巖石蝕變類(lèi)型、蝕變程度及物理力學(xué)指標(biāo)，查明巖石蝕變的工程地質(zhì)特性，具有重要意義。

1 蝕變分布特征

根據(jù)工程區(qū)巖石蝕變發(fā)育位置，將其分為構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變和遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變，其中，構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變包含韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變。

1.1 構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變分布特征

1.1.1 韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變

工程區(qū)地表可見(jiàn)的巖石蝕變主要受控于順沿河發(fā)育的韌性剪切構(gòu)造帶，尤其在中壩址右岸和下壩址左岸最為典型，韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)的巖石大多發(fā)生了明顯的蝕變，且蝕變巖體均呈現(xiàn)出沿韌性剪切帶延伸方向發(fā)育的特征，平面上表現(xiàn)出線狀或條帶狀形態(tài)，見(jiàn)圖1。

結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪，英安巖與花崗閃長(zhǎng)斑巖內(nèi)蝕變帶的表觀性狀有明顯的差異。其中，英安巖內(nèi)主要發(fā)育了SB2、SB3、SB4及SB5等共計(jì)4條蝕變帶，各蝕變帶內(nèi)的巖石均呈現(xiàn)出明顯的破碎、片理化或糜棱化特征，風(fēng)化程度較高，局部長(zhǎng)期受地表水影響，呈黃白色破碎帶，如圖2(a)和圖2(b)所示?；◢忛W長(zhǎng)斑巖內(nèi)主要發(fā)育了SB6、SB7共計(jì)2條蝕變帶，該兩條蝕變帶雖沿韌性剪切構(gòu)造帶發(fā)育方向延伸，但未見(jiàn)片理化特征，主要表現(xiàn)為地表部位除發(fā)育尺寸不一的蜂窩狀孔洞外，局部還可見(jiàn)洞徑3 m～8 m、深10 m～15 m的洞穴，敲擊聲音偏悶。構(gòu)造帶內(nèi)蝕變花崗閃長(zhǎng)斑巖的表觀特征如圖2(c)所示。

圖1 中、下壩址巖石蝕變平面分布圖

圖2 韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖體表觀特征

1.1.2 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面巖石蝕變

工程區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變常見(jiàn)于小斷層和構(gòu)造裂隙部位，主要表現(xiàn)為沿小斷層及構(gòu)造裂隙位置的巖體，發(fā)生了沿巖體破裂系統(tǒng)的一系列蝕變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面位置破碎巖體或完整巖體結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石顏色發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)出一定厚度的深色條帶，如圖3所示。該現(xiàn)象在工程區(qū)低高程平洞內(nèi)較常見(jiàn)，且根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)構(gòu)面越發(fā)育部位的巖石蝕變程度越強(qiáng)烈。

圖3 結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變表觀特征

1.2 遠(yuǎn)離構(gòu)造帶巖石蝕變表觀特征

遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變主要表現(xiàn)為蝕變部位構(gòu)造結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖石的原有結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞且伴有重結(jié)晶作用，尤其以花崗閃長(zhǎng)斑巖表現(xiàn)較明顯，其原有斑晶變得模糊，并呈現(xiàn)明顯硅化特征，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變表觀特征

2 蝕變成因分析

結(jié)合本工程復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)背景，分析認(rèn)為壩址區(qū)巖石蝕變成因包含巖漿期后熱液蝕變和構(gòu)造熱液蝕變。

(1) 巖漿期后熱液蝕變。壩址區(qū)的英安巖和花崗閃長(zhǎng)斑巖形成年代為印支晚期中三疊世時(shí)期，為古特提斯造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，火山巖漿和花崗巖漿期后熱液主要形成于古特提斯造山過(guò)程。其中，火山巖體冷凝后，殘余的巖漿熱液對(duì)巖體的自蝕變即為火山巖漿期后熱液蝕變；而在火山巖形成的同時(shí)或稍晚時(shí)刻，花崗巖漿侵入火山巖地層，攜帶了大量的熱量及鉀質(zhì)熱液，導(dǎo)致火山巖漿期后熱液蝕變加強(qiáng)的過(guò)程為花崗巖漿期后熱液蝕變?；鹕綆r漿期后熱液蝕變和花崗巖漿期后熱液蝕變統(tǒng)稱(chēng)為巖漿期后熱液蝕變。

中國(guó)的藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)科優(yōu)勢(shì)和特色在某種程度上，也是國(guó)際化人才培養(yǎng)，沿線國(guó)家重視和傾慕的重要組成部分，雖然尚有建制和基礎(chǔ)上的不足，但可以通過(guò)不斷提升的基礎(chǔ)建設(shè)和國(guó)際交流，加強(qiáng)教育硬件和軟件的逐步提升，來(lái)滿足培養(yǎng)綜合高素質(zhì)藝術(shù)設(shè)計(jì)人才的需要。因此，根據(jù)自貿(mào)區(qū)的大環(huán)境下去開(kāi)放性發(fā)展思維，我們不僅要在傳統(tǒng)學(xué)科優(yōu)勢(shì)上鞏固創(chuàng)新，還要在引導(dǎo)策略上，創(chuàng)新思維，因地制宜，因材施教，綜合培養(yǎng)。

(2) 構(gòu)造熱液蝕變。壩址區(qū)的韌性剪切構(gòu)造帶及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的形成時(shí)期大都發(fā)生在喜山期，構(gòu)造活動(dòng)時(shí)，沿構(gòu)造面運(yùn)移的熱液引起構(gòu)造巖、構(gòu)造裂隙外緣的圍巖產(chǎn)生一定的蝕變作用，即為構(gòu)造熱液蝕變。

根據(jù)漿期后熱液蝕變和構(gòu)造熱液蝕變的發(fā)生過(guò)程和壩址區(qū)巖石蝕變的分布特征，判別壩址區(qū)構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變的成因以構(gòu)造熱液蝕變?yōu)橹?，而遠(yuǎn)離構(gòu)造帶巖石蝕變成因?yàn)閹r漿期后熱液蝕變。

3 巖石蝕變微觀特征

為深入研究工程區(qū)巖石蝕變微觀特征，特采用巖石薄片鏡下鑒定和X射線粉晶衍射分析(XRD)兩種技術(shù)手段對(duì)巖石蝕變進(jìn)行分析。

3.1 巖石薄片鏡下鑒定

該類(lèi)鑒定方法主要鑒別韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變特征及遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變特征。鑒定結(jié)果如下：

(1) 韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變英安巖。巖石為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶僅可見(jiàn)大量的石英，斜長(zhǎng)石斑晶以假象存在，基質(zhì)為隱晶質(zhì)-霏細(xì)結(jié)構(gòu)。石英斑晶含量約5%，粒徑變化于0.5 mm～1.5 mm之間。斜長(zhǎng)石斑晶含量約5%，粒徑與石英斑晶相當(dāng)，受蝕變作用影響，保留了斜長(zhǎng)石晶體假象，具有明顯的變形拉長(zhǎng)特征。基質(zhì)以絹云母為主，多環(huán)繞斑晶展布，具有定向特征。鏡下可見(jiàn)斑晶和大部分基質(zhì)發(fā)生了高達(dá)25%的絹云母化和20%的高嶺土化蝕變。典型鏡下結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。

(2) 韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變花崗閃長(zhǎng)斑巖。巖石為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為斜長(zhǎng)石及少量石英和黑云母，基質(zhì)為微晶粒狀花崗結(jié)構(gòu)。斜長(zhǎng)石含量接近25%～30%，粒徑0.5 mm～1.0 mm，基本全部發(fā)生了高嶺土化和絹云母化蝕變，僅保留了斜長(zhǎng)石晶體假象。石英斑晶含量共計(jì)約3%，粒徑多為0.5 mm左右，多為它形粒狀，波狀消光現(xiàn)象明顯。黑云母斑晶含量約3%，鏡下為自形片狀，粒徑約0.5 mm左右，具有明顯的變形扭折特征。典型鏡下結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。

(3) 遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的蝕變英安巖。巖石具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶以石英和斜長(zhǎng)石為主，少量黑云母斑晶，基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。斜長(zhǎng)石斑晶的光學(xué)特征幾乎完全清晰，不具有明顯的絹云母化和高嶺土化蝕變?；|(zhì)中不見(jiàn)大量的絹云母礦物。黑云母斑晶發(fā)生了中等的綠泥石化蝕變特征，可見(jiàn)其鐵質(zhì)析出現(xiàn)象。典型鏡下結(jié)構(gòu)如圖5(c)所示。

遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的蝕變花崗閃長(zhǎng)斑巖：巖石為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為斜長(zhǎng)石和少量石英和角閃石。斑晶斜長(zhǎng)石含量約15%，多為自形-半自形板狀，粒徑約0.5 mm～1.0 mm，斜長(zhǎng)石較為新鮮，并未發(fā)生明顯的高嶺土化和絹云母化蝕變。石英多為它形，大多為渾圓狀，粒徑0.2 mm～1.0 mm居多，含量約5%。角閃石含量約2%，半自形-自形柱狀，多發(fā)生了綠泥石化和綠簾石化蝕變。基質(zhì)較為新鮮，可見(jiàn)大量的微晶長(zhǎng)石和石英，為典型的微晶粒狀結(jié)構(gòu)。典型鏡下結(jié)構(gòu)如圖5(d)所示。

圖5 不同部位蝕變巖石薄片典型鏡下圖

3.2 X射線粉晶衍射分析(XRD)

該類(lèi)鑒定方法主要鑒別結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變特征及遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變特征。分別選取了同等風(fēng)化程度下不同取樣位置、不同蝕變程度的4組花崗閃長(zhǎng)斑巖樣品進(jìn)行XRD特征圖譜分析，并有效獲得了各樣品礦物成分。其中，a類(lèi)樣品取自遠(yuǎn)離構(gòu)造帶蝕變部位，b類(lèi)、c類(lèi)及d類(lèi)樣品取自斷層構(gòu)造蝕變部位。不同樣品的XRD特征圖譜如圖6所示，分析成果見(jiàn)表1。

圖6 不同樣品的XRD特征圖譜

表1 不同樣品XRD分析測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

3.3 成果分析

結(jié)合鏡下巖相學(xué)特征與XRD測(cè)試結(jié)果，不同部位、不同成因的巖石蝕變具有以下特征：

(1) 遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變類(lèi)型主要包括絹云母化、碳酸鹽化和風(fēng)化期的粘土化，通過(guò)試驗(yàn)可見(jiàn)，其在熱液期蝕變程度較弱，蝕變程度約1.51%左右。后期經(jīng)歷風(fēng)化期改造后，其蝕變及風(fēng)化變化總量為12.38%。

(2) 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變類(lèi)型主要為碳酸鹽化，其次為絹云母化、綠泥石化、硅化和菱鐵礦化等，蝕變程度為9.34%～21.26%。后期經(jīng)歷風(fēng)化期改造后，其蝕變及風(fēng)化變化總量為25.76%～32.48%。

(3) 韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變雖未進(jìn)行XRD測(cè)試，但根據(jù)鏡下巖相學(xué)特征，其蝕變類(lèi)型主要為高嶺土化和絹云母化，該類(lèi)巖石蝕變?cè)诮?jīng)歷了片理化改造及構(gòu)造熱液蝕變，蝕變程度達(dá)到了25%～45%。又由于該類(lèi)蝕變發(fā)育位置多處于地表淺部，風(fēng)化期改造作用較其余兩類(lèi)更強(qiáng)烈，故初步估計(jì)其蝕變及風(fēng)化變化總量不低于39%。

根據(jù)上述分析，壩址區(qū)遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的巖石蝕變(a類(lèi))、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面部位巖石蝕變(b類(lèi))及韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變(c類(lèi))的蝕變程度大小關(guān)系為：a類(lèi)

4 物理力學(xué)特性分析

為進(jìn)一步分析巖石蝕變對(duì)其物理力學(xué)特性的影響，將壩址區(qū)同屬弱風(fēng)化帶的韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖塊、遠(yuǎn)離構(gòu)造帶蝕變巖塊及未發(fā)生蝕變巖塊的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)時(shí)將英安巖與花崗閃長(zhǎng)斑巖進(jìn)行了區(qū)分，結(jié)果如表2所示。

表2 壩址區(qū)不同特征巖塊物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)成果，同種巖性的巖塊物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值對(duì)比反映了蝕變對(duì)巖石的物理力學(xué)特性具有削弱作用。以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為例：弱風(fēng)化帶英安巖中，遠(yuǎn)離構(gòu)造帶蝕變巖石強(qiáng)度指標(biāo)較未發(fā)生蝕變巖石削弱了11.8%，韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖石強(qiáng)度指標(biāo)較未發(fā)生蝕變巖石削弱了65.1%；弱風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)斑巖中，遠(yuǎn)離構(gòu)造帶蝕變巖石強(qiáng)度指標(biāo)較未發(fā)生蝕變巖石削弱了18.2%，韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖石強(qiáng)度指標(biāo)較未發(fā)生蝕變巖石削弱了67.4%。

上述物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比研究反映了同種巖性、同一風(fēng)化帶內(nèi)未蝕變巖石(a類(lèi))、遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的蝕變巖石(b類(lèi))與韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖石(c類(lèi))的室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)量關(guān)系為：a類(lèi)>b類(lèi)>c類(lèi)。

5 結(jié) 論

(1) 壩址區(qū)巖石蝕變成因分為巖漿期后熱液蝕變和構(gòu)造熱液蝕變，其中，構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變以構(gòu)造熱液蝕變?yōu)橹?，遠(yuǎn)離構(gòu)造帶巖石蝕變屬巖漿期后熱液蝕變。

(2) 巖石蝕變類(lèi)型主要為絹云母化、碳酸鹽化及高嶺土化，且韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變程度較其他部位高。

(3) 蝕變作用影響巖體質(zhì)量，尤其影響巖石的物理力學(xué)特性。同種風(fēng)化程度下，巖石的強(qiáng)度隨蝕變程度的加深而降低，位于韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)蝕變巖石的物理力學(xué)指標(biāo)最差。