楊房溝水電站左岸拱肩槽f27斷層蝕變巖特性及工程實(shí)踐

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

2 研究區(qū)f27斷層蝕變巖概況

2.1 蝕變巖形成的地質(zhì)環(huán)境

楊房溝壩址地處雅礱江中游深切河谷地段，大地構(gòu)造格架上位于川滇菱形塊體中北部，斷裂發(fā)育，地質(zhì)歷史時(shí)期巖漿熱液活動(dòng)頻繁，于中晚侏羅世～早白堊世巖漿侵入并形成中酸性花崗閃長(zhǎng)巖，其后經(jīng)歷了喜山期地塊構(gòu)造活動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有多期次演化的特征，這使得壩址區(qū)花崗閃長(zhǎng)巖在原生節(jié)理的基礎(chǔ)上疊加了不同期次的構(gòu)造節(jié)理，表現(xiàn)為節(jié)理的相互穿插、切割，以及在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多次應(yīng)力場(chǎng)演化過程發(fā)生的熱液交代蝕變、構(gòu)造蝕變和次生風(fēng)化蝕變作用。

2.2 蝕變巖分布特征

f27斷層主要發(fā)育于左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡部位，中陡傾角展布，斜切左岸壩基，產(chǎn)狀：N50°-85°WSW∠55°～65°，寬10cm～15cm，最大20cm，帶內(nèi)為碎塊巖、蝕變巖、巖屑充填，沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)分布蝕變巖體，建基面(槽挖前)揭露蝕變巖體寬度1.5m～3.9m，墨綠色，蝕變程度強(qiáng)烈，劈理、隱微裂隙發(fā)育，局部充填方解石細(xì)脈，巖體破碎，呈透鏡體狀分布，見圖1。

圖1 壩基f27斷層及蝕變帶槽挖前情況

設(shè)計(jì)針對(duì)壩基f27斷層及蝕變帶采取槽挖回填混凝土進(jìn)行處理，槽挖寬度約4.8m～10.9m，深度約4m，開挖后槽底f27斷層兩側(cè)蝕變巖體寬0.5m～1.1m，蝕變程度較弱，見圖2。總體上f27斷層蝕變帶寬度往壩基深部逐漸縮窄，蝕變程度逐漸減弱。

圖2 壩基f27斷層及蝕變巖槽挖處理后情況

3 蝕變巖礦物學(xué)特征

3.1 薄片鑒定特征

本次研究針對(duì)壩基花崗閃長(zhǎng)巖原巖及f27斷層蝕變巖進(jìn)行了薄片鑒定，其中蝕變巖樣取自左岸壩基建基面高程約1970m處。薄片鑒定可知，蝕變巖具半自形中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。成分包括：斜長(zhǎng)石>25%，鉀長(zhǎng)石>20%，石英>20%，綠泥石>10%，黑云母<5%，角閃石<5%。其中，黑云母已基本蝕變?yōu)榫G泥石、綠簾石，見圖3。

(a)角閃石部分蝕變?yōu)榫G泥石(單偏光)

(b)角閃石完全蝕變?yōu)榫G泥石，殘留其假象(正交偏光)

3.2 X射線粉晶衍射

X射線粉晶衍射是分析巖石礦物組成的重要手段，也是鑒定粘土礦物的有力工具。針對(duì)壩基f27斷層蝕變巖進(jìn)行X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)構(gòu)造蝕變帶的不同部位、不同蝕變程度的蝕變巖樣品進(jìn)行測(cè)試，共計(jì)20件，由于篇幅所限，僅給出部分XRD圖譜，見圖4，礦物成分分析結(jié)果見表1。從分析結(jié)果可得出，斷層蝕變巖的礦物成分以綠泥石、石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、角閃石為主，含少量高嶺石和伊利石，所有試件均不含蒙脫石，個(gè)別樣品中含陽起石和黑云母，這與薄片鑒定結(jié)果一致。

圖4 f27斷層蝕變?cè)嚇覺衍射

表1 f27斷層蝕變巖X射線粉晶衍射定量分析結(jié)果

4 蝕變巖物理力學(xué)特性

本次研究以f27斷層蝕變巖為研究對(duì)象，通過多種室內(nèi)試驗(yàn)手段，對(duì)斷層蝕變巖物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)方法及操作步驟參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL-T 5368-2007)、《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)。

4.1 物理性質(zhì)

4.1.1 含水率、吸水性試驗(yàn)

分別對(duì)12組蝕變巖巖樣進(jìn)行了含水率、吸水性的試驗(yàn)工作，測(cè)得含水率較低，在1.56%～2.43%之間；吸水率介于2.43%～2.67%之間，飽和吸水率介于2.65%～2.86%之間。飽和吸水率是巖石孔隙性以及礦物吸水性的綜合反映，由于壩基斷層蝕變巖礦物成分并不含有蒙脫石等強(qiáng)吸水性礦物，因此飽和吸水性反映了蝕變巖的孔隙發(fā)育情況，飽和吸水率越高，表明巖石內(nèi)部孔隙越發(fā)育。

4.1.2 膨脹性試驗(yàn)

膨脹性試驗(yàn)成果見表2，由表可知，壩基斷層蝕變巖軸向、徑向自由膨脹率很小，所有試件均不超過1%。膨脹性測(cè)試成果與前文中X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)成果一致，壩基斷層蝕變巖不含強(qiáng)膨脹性粘土礦物蒙脫石，因此基本不具膨脹性。

表2 壩基斷層蝕變巖膨脹性試驗(yàn)成果

4.1.3 耐崩解性試驗(yàn)

巖石耐崩解性試驗(yàn)共進(jìn)行5次循環(huán)，稱取篩筒和每次循環(huán)后殘留試件的質(zhì)量，描述5次循環(huán)后的試件特征，計(jì)算得到巖石耐崩解性指數(shù)。各試件在經(jīng)過5次耐崩解循環(huán)后質(zhì)量均顯著下降，表現(xiàn)出一定的崩解性，屬中等耐久性巖石。從崩解后的殘留試樣形態(tài)來看，呈塊狀崩解或片狀開裂，殘留物為碎巖片或碎巖塊。隨著耐崩解試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)增加，蝕變巖的耐崩解性指數(shù)呈指數(shù)關(guān)系降低，降幅主要發(fā)生于前三次循環(huán)，并以第一次干濕循環(huán)所致降幅最大，見圖5。

圖5 耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

4.2 力學(xué)性質(zhì)

4.2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)在微機(jī)液壓壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用φ50×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)f27斷層蝕變巖進(jìn)行了天然條件下的單軸抗壓強(qiáng)度與壓縮變形試驗(yàn)，試驗(yàn)得出：取自建基面的蝕變巖天然樣單軸抗壓強(qiáng)度均值在6.81MPa～9.40MPa之間，飽和樣單軸抗壓強(qiáng)度均值2.02MPa～3.70MPa；而取自刻槽底部的蝕變巖天然樣單軸抗壓強(qiáng)度均值為54.46MPa，飽和樣單軸抗壓強(qiáng)度均值為34.59MPa。蝕變巖單軸壓縮變形試驗(yàn)得出試樣破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6，同時(shí)獲取彈性模量，建基面試樣在0.89GPa～1.72GPa之間，刻槽底部的蝕變巖試樣在7.39GPa～17.81GPa之間，說明不同位置試樣的彈性模量差異較大。

圖6 單軸壓縮試驗(yàn)試樣破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.2.2 常規(guī)三軸試驗(yàn)

試驗(yàn)在MTS815程控伺服剛性試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，采用軸向位移控制。加載速率為0.1mm/min。根據(jù)取樣點(diǎn)位置的現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力條件，選定側(cè)壓力最大值為15MPa，每組試驗(yàn)分為3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa五個(gè)側(cè)壓力級(jí)數(shù)，獲取曲線見圖7、圖8。隨著圍壓的增大，蝕變巖抗壓強(qiáng)度逐漸提高，蝕變巖天然抗壓強(qiáng)度在160MPa左右，飽和抗壓強(qiáng)度在117MPa左右。f27斷層蝕變巖天然樣內(nèi)摩擦角均值為51.23°，粘聚力均值為9.72MPa；飽和樣內(nèi)摩擦角均值為41.45°，粘聚力為13.37MPa。飽和條件下，蝕變巖內(nèi)摩擦角較天然條件下降低約10°，而粘聚力相差不大。同時(shí)，不同圍壓的蝕變巖彈性模量相差總體不大。

圖7 天然樣三軸壓縮試驗(yàn)曲線

圖8 飽和樣三軸壓縮試驗(yàn)曲線

5 對(duì)工程影響及處理方案

5.1 壩基變形、滲透穩(wěn)定

f27斷層蝕變巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度較原巖明顯降低，降幅可達(dá)60%，且?guī)r體破碎程度較高，可劃分為Ⅲ2～Ⅳ類巖體，抗變形能力顯著減弱，承載后可能出現(xiàn)較大壓縮變形，造成壩基巖體不均勻變形，對(duì)大壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響；蝕變巖為碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙、孔隙十分發(fā)育，且蝕變作用大大削弱了礦物顆粒間的連接力，導(dǎo)致巖石允許滲透坡降降低，可產(chǎn)生滲透變形破壞，從而影響工程安全。

5.2 處理方案

5.2.1 槽挖回填混凝土

根據(jù)蝕變巖特性，考慮到蓄水后壩體變形及滲透穩(wěn)定影響，采取槽挖回填混凝土+加強(qiáng)固結(jié)灌漿+加強(qiáng)帷幕灌漿調(diào)整壩基排水的措施，具體方案如下：

(1)在高程1947m～1990m斷層f27蝕變巖部位進(jìn)行無蓋重固結(jié)灌漿，同步進(jìn)行槽挖施工，爆破時(shí)機(jī)及藥量需考慮對(duì)固結(jié)灌漿的影響，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度應(yīng)滿足要求；

(2)刻槽基礎(chǔ)面驗(yàn)收合格后，澆筑回填混凝土，固結(jié)灌漿孔位預(yù)埋φ65鋼管；

(3)回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后，對(duì)槽挖回填混凝土部位進(jìn)行混凝土蓋重固結(jié)灌漿；

(4)對(duì)槽挖回填混凝土部位基巖面0m～4m段在混凝土蓋重固結(jié)灌漿孔間重新鉆孔，布置引管至壩后貼角或監(jiān)理工程師指示其它部位；

(5)在上部大壩混凝土澆筑高度達(dá)到30m后且當(dāng)相應(yīng)壩段的橫縫接縫灌漿結(jié)束3d后，進(jìn)行混凝土蓋重引管灌漿。

5.2.2 處理后效果評(píng)價(jià)

左岸壩基f27斷層蝕變帶進(jìn)行槽挖回填混凝土之后，壩基綜合變形模量提高幅度為0.6GPa～0.8GPa，具體變化見表3。

表3 左岸壩基f27蝕變帶槽挖回填處理前后綜合變形模量計(jì)算成果表

經(jīng)有限元數(shù)值計(jì)算表明，左岸壩基f27蝕變帶槽挖回填混凝土后，壩體位移變化很小，變化幅度都在1%以下，其中壩體徑向位移略有減小。壩體切向位移、壩基位移基本無變化。壩面位移整體均勻，拱冠梁附近變位最大，向兩岸逐漸變小，左右岸變形基本對(duì)稱，且整個(gè)壩面變形較協(xié)調(diào)。同時(shí)，左岸壩基高程1990m～1947m變形模量各浮動(dòng)方案壩體應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，且有較大的安全裕度，拱壩設(shè)計(jì)體形具有較強(qiáng)的適應(yīng)壩基變模浮動(dòng)變化的能力。

6 結(jié)語

本文通過研究f27蝕變巖的形成環(huán)境、分布特征，結(jié)合多種室內(nèi)試驗(yàn)手段，對(duì)斷層蝕變巖物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，取得如下認(rèn)識(shí)：

(1)鏡下薄片鑒定、X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)分析及膨脹性測(cè)試結(jié)果均表明f27斷層蝕變巖不含強(qiáng)吸水性粘土礦物蒙脫石，因此，該蝕變巖基本不具有膨脹性；

(2)水對(duì)蝕變巖強(qiáng)度影響顯著，采自建基面表面的劈理、隱微裂隙發(fā)育的強(qiáng)蝕變巖與采自刻槽底部的蝕變巖相比，單軸抗壓強(qiáng)度、剛度、彈性模量差別顯著，從建基面向深部，蝕變巖上述力學(xué)參數(shù)大幅提高；

(3)f27斷層蝕變巖單軸抗壓強(qiáng)度與巖石的蝕變程度、綠泥石等蝕變粘土礦物含量、蝕變巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素有關(guān)，開挖卸荷、地表水的浸泡及風(fēng)化等是造成建基面處蝕變巖強(qiáng)度急劇降低的重要原因；

(4)為保證水電工程運(yùn)行安全，對(duì)f27斷層蝕變帶采取槽挖回填混凝土+加強(qiáng)固結(jié)灌漿+加強(qiáng)帷幕灌漿調(diào)整壩基排水的處理措施，處理后效果較好，滿足工程長(zhǎng)期穩(wěn)定要求。