巴基斯坦卡洛特水電站上第三系軟弱夾層研究

曹道寧 張必勇 沈金剛 廖偉 張博 潘路遠

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站壩址巖體為上第三系軟巖，發(fā)育軟弱夾層，按性狀可分為破碎夾層、破碎夾泥層及泥化夾層。研究不同類型的軟弱夾層特性、分布及形成機制，可為水電站壩型選擇、樞紐布置、洞室圍巖穩(wěn)定分析等提供地質(zhì)依據(jù)。在對軟弱夾層采用電子顯微分析、巖礦鑒定、化學成份分析、軟弱夾層分布統(tǒng)計等綜合分析的基礎(chǔ)上，對其形成機制及成因進行論述。由軟弱夾層的形成機制分析得出，壩址區(qū)軟弱夾層的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果：破碎夾層主要形成于早期構(gòu)造作用，后期經(jīng)歷卸荷、蠕變、風化和地下水溶液作用形成泥化夾層。研究成果可供類似工程研究借鑒。

關(guān)鍵詞：上第三系;軟弱夾層;礦物成分;分布規(guī)律;形成機制;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV223文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.005

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0021 - 05

0引 言

卡洛特水電站是吉拉姆河（Jhelum）規(guī)劃的5個梯級電站的第4級，上一級為阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站，下一級為曼格拉（Mangla）水電站?？逄厮娬菊Ｐ钏?61.00 m，庫容1.52億m3，為日調(diào)節(jié)水電站，裝機容量72萬kW（4×180 MW），多年平均年發(fā)電量32.06億kW·h。該電站為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄洪及沖沙建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高95.5 m。壩址巖體為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖，砂巖、泥質(zhì)巖層面發(fā)育軟弱夾層，研究其性狀特征與分布規(guī)律對工程建設有重大意義[1]。軟弱夾層一般是指顆粒細、具片狀結(jié)構(gòu)，遇水易軟化或泥化，力學強度低，較其上、下巖層相對軟弱的薄層;按成因分為構(gòu)造、原生和次生3種類型，其中泥化的部分稱為泥化夾層[2]。

對于軟弱夾層的性狀、形成機制等，許多專家與學者進行了研究。胡濤等[3]認為，在構(gòu)造運動中，砂巖與泥巖接觸部位的抗剪強度較差，泥質(zhì)巖帶就成為層間剪切的主要部位;楊發(fā)軍等[4]認為，碎屑巖中由于沉積韻律的變化，層間分布有泥鐵質(zhì)粉砂巖和含黏土質(zhì)粉砂巖夾層，夾層的黏粒含量高，質(zhì)地軟弱，抗剪強度低，是構(gòu)造變動中層間剪切的主要部位;聶瓊等[5]認為小南海軟弱夾層為原生型。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合卡洛特水電站軟弱夾層的礦物成分、化學成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和分布規(guī)律等進行研究，闡述了卡洛特水電站軟弱夾層在特定沉積環(huán)境中的發(fā)育特征及規(guī)律，并對軟弱夾層成因進行總結(jié)。軟弱夾層的研究對卡洛特水電站的壩型選擇及樞紐布置、大壩抗滑穩(wěn)定計算、工程邊坡穩(wěn)定性分析、地下洞室圍巖穩(wěn)定分析等有較大意義。研究成果可供類似工程研究借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境

卡洛特水電站的壩址位于巴基斯坦西北部，喜馬拉雅山南麓;壩址北部為西構(gòu)造結(jié)南側(cè)的哈扎拉-克什米爾共軸褶皺體（Hazara-Kashimir syntaxis）;壩址區(qū)在構(gòu)造上處于左岸卡拉托特（Karatot）向斜SW翼與右岸納灣（Narwan）背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，巖層傾角為7°～10°;分布地層為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，出露的基巖地層主要為上第三系中新統(tǒng)納格利（Nagri）組（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層，巖性主要為中砂巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等;巖性較為復雜，砂層與泥質(zhì)巖呈不等厚、互層狀分布;壩址地層中N1na4-3-1、N1na4-1、N1na3-3-1組巖性主要為砂巖，呈灰綠色、淺灰色，飽和抗壓強度為25～30 MPa，屬于較軟巖;N1na4-3-2、N1na4-2、N1na3-3-2組巖性主要為泥質(zhì)巖，粉砂質(zhì)泥巖呈紫紅色、抗壓強度為8～12 MPa，泥質(zhì)粉砂巖呈淺紫紅色、抗壓強度為10～15 MPa，均屬軟巖;勘探范圍內(nèi)不同巖性所占比例大致分別為：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖23.8%，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖32.3%，中粗砂巖38.0%，細砂巖6.2%。壩址區(qū)巖石總體特點為時代新、成巖膠結(jié)程度較差、巖石較軟弱，巖性較復雜，較軟巖與軟巖呈不等厚互層狀分布，因此，具有發(fā)育軟弱夾層的條件。

2 軟弱夾層分類

卡洛特水電站的軟弱夾層多屬構(gòu)造型，根據(jù)軟弱夾層的性狀、成因及其對工程的影響劃分為3類[6]：

（1） I類破碎夾層。巖體在構(gòu)造應力作用下，沿軟巖、較軟巖巖層接觸帶或軟巖內(nèi)部（極少量），發(fā)生層間剪切錯動而形成的破碎帶，并伴生有節(jié)理帶、劈理帶和泥化膜等分帶現(xiàn)象。破碎夾層主要由80%以上粒徑大于2 mm的碎塊組成，塊體間或上、下界面充填泥膜，黏粒（<0.005 mm）含量少于10%，另可見少量粉粒（0.075～0.005 mm）。

（2） Ⅱ類破碎夾泥層。由破碎夾層在層間剪切等構(gòu)造作用下進一步研磨、破碎產(chǎn)生粉粒，發(fā)育較多微裂隙，在地下水的作用下部分發(fā)生泥化所形成。組成物質(zhì)主要為占30%左右的細碎屑（0.5～2.0 mm）、30%～50%的粗碎屑（>2.0 mm），黏粒（<0.005 mm）含量約占10%～30%，粉粒（0.075～0.005 mm）含量一般在10%以下。Ⅱ類破碎夾泥層構(gòu)造特征類同I類破碎夾層，本質(zhì)上為破碎夾層的進一步碎裂化形成。

（3） Ⅲ類泥化夾層。破碎夾泥層后期經(jīng)地下水和風化作用而軟化、泥化，形成一定厚度、斷續(xù)或連續(xù)的泥層。組成物質(zhì)有細碎屑（0.5～2.0 mm）、粗碎屑（>2.0 mm）、黏粒（<0.005 mm）及粉粒（0.075～0.005 mm），一般細碎屑占30%以上、粗碎屑占30%以下，黏粒含量占30%以上，粉粒含量不等。

3 軟弱夾層特征

3.1 礦物成分

軟弱夾層是礦物成分種類多且含量不同的復雜的高分散體系。其礦物成分以伊利石（水云母）、石英粉砂為主，綠泥石，方解石、絹云母、長石及鐵質(zhì)礦物含量較少。綠泥石一般含量為2%～10%;伊利石含量普遍較高，一般為60%～88%;石英粉砂含量一般為4%～23%;其他礦物含量較低（表1）。

軟弱夾層的礦物成分及其相對含量的差異，不僅反映軟弱夾層的母巖特性和成因以及化學穩(wěn)定性的程度，還表明夾層物理力學性質(zhì)的差異。

3.2 化學成分

軟弱夾層的化學成分一般以游離氧化物SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3及燒失量為主，TFe2O3、MgO、K2O含量較高，其次為FeO、Na2O、TiO2等。從化學成分看，原巖和軟弱夾層是基本一致的，只是含量上有一定的差別，這些化學成分的構(gòu)成及其演化過程，經(jīng)歷了復雜的巖石地球化學及成泥的物理化學作用（表2）。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

根據(jù)場發(fā)射掃描電鏡結(jié)果分析，軟弱夾層礦物以片狀結(jié)構(gòu)為主（圖1），主要由大塊體礦物組成，呈片狀堆積，片狀單元大小不一，表面略不光滑，有少量碎屑顆粒分布在表面，微裂隙和微孔隙發(fā)育，判斷壩址區(qū)巖體經(jīng)受過構(gòu)造擠壓作用使軟弱夾層發(fā)生層間剪切破壞，從而導致其剪切強度大幅度降低[7]。從上述現(xiàn)象和試驗成果來看，泥化夾層是經(jīng)歷過強烈的層間擠壓、研磨和揉碎作用的[8]。

4 軟弱夾層分布規(guī)律

壩址軟弱夾層多位于泥質(zhì)巖與砂巖的接觸帶，并順層面追蹤產(chǎn)出，除巖相突變的尖滅端外，內(nèi)部鮮見砂巖或粉砂巖存在，壩址各主要巖層層面已揭露軟弱夾層的類型及占比，見圖2。

壩址巖體發(fā)育的軟弱夾層總體以Ⅰ類破碎夾層為主，其次為Ⅱ類破碎夾泥層，Ⅲ類泥化夾層分布較少。

軟弱夾層的分布受巖性控制，原巖物質(zhì)成分里黏土類礦物的含量及其分布特征決定了軟弱夾層的基本特征，也決定了后期構(gòu)造作用和地下水作用改造的方式和程度：巖體總是沿原巖中最薄弱的部位，即黏土礦物相對富集、定向程度高的巖層層面、層理面首先破壞，并追蹤發(fā)展形成破碎帶;地下水的泥化作用也是受上述破碎帶內(nèi)親水性黏土礦物的含量所控制。

壩址地層產(chǎn)狀平緩，受后期改造作用形成的軟弱夾層的空間延展方向與巖層產(chǎn)狀基本一致，壩址區(qū)破碎夾層以及泥化夾層幾乎都位于泥質(zhì)巖與砂巖的接觸帶，并順層面追蹤產(chǎn)出;軟弱夾層與軟弱巖層是相伴而生的[9]，壩址區(qū)屬河湖相沉積環(huán)境，巖體的空間分布相對穩(wěn)定，以層狀為主;軟弱夾層是軟巖改造后形成的，軟巖的分布規(guī)律決定了軟弱夾層的總體分布格局。

5 軟弱夾層形成機制分析

（1）壩址區(qū)在構(gòu)造上處于左岸卡拉托特（Karatot）向斜SW翼與右岸納灣（Narwan）背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，傾角較緩。從上述褶皺構(gòu)造的空間形態(tài)可以看出，近場區(qū)構(gòu)造應力相對較弱，相應的構(gòu)造形跡不甚發(fā)育，斷層不發(fā)育，少有發(fā)育完全的層間錯動剪切帶。區(qū)域構(gòu)造作用微弱，產(chǎn)生的構(gòu)造形跡主要為平緩褶皺和裂隙，局部產(chǎn)生發(fā)育尚不充分的軟弱夾層。

（2）壩址區(qū)地層巖性為河湖相砂巖與泥質(zhì)巖類軟巖互層，地層平緩，河谷較深切。在河谷二次應力場形成的過程中，兩岸近水平地層產(chǎn)生較為強烈的卸荷作用，河谷臨空側(cè)發(fā)生蠕滑作用。上述岸坡巖體的卸荷作用、蠕滑作用將使岸坡巖體形成新的剪切作用，產(chǎn)生新的軟弱夾層;同時可能使早期形成的軟弱夾層再次發(fā)生剪切作用，導致破碎夾層進一步泥化。

（3）壩址區(qū)地層軟巖普遍分布，抗風化能力較差，尤其是河谷近岸地帶的卸荷巖體，卸荷裂隙發(fā)育，地下水活動較為劇烈、頻繁。在淺表層以及由裂隙貫穿的較下部軟巖，尤其是砂巖下部的軟巖，易在地下水作用下風化、泥化，形成泥化夾層;同時位于卸荷帶內(nèi)的軟弱夾層加劇風化、進一步泥化，導致部分破碎夾層轉(zhuǎn)化為泥化夾層。

實際上，在地質(zhì)作用的歷史中，上述3種作用是同時發(fā)生、相互疊加的。風化作用自始至終存在，而構(gòu)造作用具有周期性，尤其是規(guī)模有限的地殼脈動作用，可導致軟弱夾層發(fā)生周期性反復剪切作用;河谷二次應力場的形成也是一個漫長而不斷變化的過程，隨著河谷的發(fā)育完善而逐漸趨弱。因此，壩址區(qū)軟弱夾層的形成是多種成因共同作用的結(jié)果。

總之，軟弱夾層作為一種特殊的地質(zhì)體，具有其獨特的構(gòu)造特征、空間形態(tài)特征、界面特征、顆粒組成及其排列特征等地質(zhì)特征。構(gòu)造特征反映了其形成歷史上經(jīng)歷的構(gòu)造作用;空間形態(tài)特征反映了其在早期建造階段和后期改造階段的沉積環(huán)境;界面特征反映了其與頂?shù)捉绲慕Y(jié)合特征;顆粒組成及其排列特征則是其在建造階段和改造階段經(jīng)歷的各項地質(zhì)作用的綜合反映。壩址軟弱夾層的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，區(qū)內(nèi)早期構(gòu)造作用以形成破碎夾層為主，后期經(jīng)歷卸荷、蠕變、風化，在地下水溶液作用下形成泥化夾層。

6 結(jié) 論

（1）軟弱夾層的礦物成分存在差異，反映了軟弱夾層的母巖特性和成因以及化學穩(wěn)定性程度，表明夾層物理力學性質(zhì)的差異。

（2）軟弱夾層經(jīng)歷了復雜的巖石地球化學及成泥的物理化學作用過程。

（3）壩址區(qū)巖體經(jīng)受過構(gòu)造擠壓作用，使軟弱夾層發(fā)生層間剪切破壞。

（4）壩址軟弱夾層的分布規(guī)律說明軟弱夾層分布受軟巖巖性控制。

（5）壩址軟弱夾層的形成是構(gòu)造錯動、卸荷、風化、地下水活動等因素綜合作用的結(jié)果;區(qū)內(nèi)早期構(gòu)造作用以形成破碎夾層為主，后期經(jīng)歷卸荷、蠕變、風化，在地下水溶液作用下形成泥化夾層。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on weak interlayers in Upper Tertiary of

Karot Hydropower Station in Pakistan

CAO Daoning， ZHANG Biyong， SHEN Jingang， LIAO Wei， ZHANG Bo， PAN Luyuan

（Changjiang Geotechnical Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： There are soft rock mass in the Upper Tertiary in the dam region of the Karot Hydropower Station in Pakistan and weak interlayers developed in this region， which can be divided into broken intercalation， broken mud layer and muddied intercalation according to their properties. Studies on the characteristics， distributions and formation mechanisms of different types of weak interlayers can provide important geological basis for the selection of dam type， project layout， and the stability of the surrounding rock mass of hydropower station. Based on the comprehensive analysis of weak interlayers with electron microscopy， rock and mineral identification， chemical composition and distribution statistics， the formation mechanism and cause of the weak interlayers are summarized. Analysis on the formation mechanism of weak interlayers shows that the formation of the weak interlayers were affected by many factors in the dam region. The broken intercalation was formed during the early tectonic process， and after experiencing unloading， creep， weathering and groundwater corrosion， muddied intercalation was formed in later stages. The study results can be as a reference for similar engineering researches.

Key words： Upper Tertiary; weak interlayer; mineral components; distribution characteristics; formation mechanism; Karot Hydropower Station; Pakistan