楊房溝水電站左岸壩基斷層蝕變巖蝕變特征與工程特性研究

段偉鋒，燕俊松，楊日昌，沈軍輝

(1.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；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些大型水電、隧道工程建設(shè)頻繁遇到巖體蝕變問(wèn)題[1-4]。作為一種特殊的巖石，蝕變巖的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)在成巖后期構(gòu)造、熱液、淺表生改造等內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用下發(fā)生了顯著改變，造成其工程性狀較原巖顯著不同。研究蝕變巖的礦物巖石學(xué)特征是理解其工程性狀發(fā)生變化的關(guān)鍵。苗朝等[5]對(duì)大崗山壩區(qū)輝綠巖蝕變泥化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明蝕變巖含大量黏土礦物，且具有多孔隙空洞的微觀結(jié)構(gòu)特征，其力學(xué)性質(zhì)較原巖顯著劣化；魏偉等[6]將孟底溝水電站黏土化蝕變巖與斷層泥物質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明黏土化蝕變巖和斷層泥具有相似的物質(zhì)組成和力學(xué)性狀；史永躍等[7]對(duì)某地下油庫(kù)蝕變巖進(jìn)行了研究，結(jié)果表明蝕變?cè)趲r石內(nèi)部形成了蒙脫石，使巖石具有弱膨脹性；Zhang等[8]研究Denghuazhai隧道花崗巖、凝灰?guī)r接觸變質(zhì)帶的巖石蝕變特征，并針對(duì)蝕變帶涌水突泥災(zāi)害提出了防治建議。然而這些研究未能很好地展現(xiàn)不同蝕變程度下，巖石礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)以及工程性質(zhì)的變化。

楊房溝水電站是雅礱江中游河段規(guī)劃的第6級(jí)梯級(jí)電站。該電站由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成，最大壩高155 m，裝機(jī)容量1 500 MW，為一類大(1)型工程。然而左岸壩基巖體內(nèi)發(fā)育的f27斷層蝕變帶構(gòu)成了主要的地質(zhì)缺陷。本文就該蝕變帶巖石蝕變特征及工程特性進(jìn)行研究，針對(duì)不同蝕變程度巖石開(kāi)展了系統(tǒng)的礦物巖石學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，在此基礎(chǔ)上提出了蝕變帶工程處理方案，并采用三維有限元數(shù)值模擬對(duì)處理方案進(jìn)行了論證，其結(jié)果對(duì)于保證大壩安全建設(shè)和運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也豐富了巖石蝕變及其工程影響方面的認(rèn)識(shí)。

2 蝕變巖宏觀特征

楊房溝水電站地處青藏高原東緣的松潘-甘孜造山帶南部(圖1)，壩基巖體為燕山期侵入的灰白色花崗閃長(zhǎng)巖。壩區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，以中小型斷層和節(jié)理為主。完整新鮮的花崗閃長(zhǎng)巖工程性狀良好，然而鉆探、開(kāi)挖揭示，左岸壩基巖體內(nèi)沿?cái)鄬觙27發(fā)育中等規(guī)模蝕變帶。蝕變帶寬1.5～3.9 m，在高程1 947～2 000 m之間斜切左岸壩基。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)蝕變巖宏觀地質(zhì)特征(顏色、變形程度、錘擊聲等)可將蝕變帶劃分為中等蝕變和強(qiáng)蝕變兩個(gè)亞帶(圖2)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

圖2 蝕變巖分帶性示意圖

中等蝕變巖分布于蝕變帶的靠外側(cè)部位，在斷層下盤(pán)發(fā)育寬度0.6～2 m，上盤(pán)發(fā)育寬度僅0.2～0.6 m，與原巖花崗閃長(zhǎng)巖以斷層同組長(zhǎng)大節(jié)理分界。中等蝕變巖呈灰綠色，碎裂變形，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊聲多較脆，局部聲悶(圖3)。中等蝕變巖向內(nèi)側(cè)過(guò)度為強(qiáng)蝕變巖。強(qiáng)蝕變巖在斷層兩側(cè)均有分布，總寬度一般為0.2～0.4 m，較寬處0.6 m，呈深綠色，碎裂變形強(qiáng)烈，局部劈理化，錘擊聲悶-啞。

圖3 蝕變巖宏觀特征

基于對(duì)蝕變巖宏觀地質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)，在壩基開(kāi)挖面上采集新鮮巖樣用于室內(nèi)礦物巖石學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。采集樣品包括花崗閃長(zhǎng)巖原巖、中等蝕變巖及強(qiáng)蝕變巖，塊度一般在0.2～0.4 m左右。樣品采集后立即用塑料薄膜密封，并小心運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室。

3 蝕變巖礦物巖石學(xué)特征

制備巖石薄片，在光學(xué)顯微鏡下對(duì)各樣品的巖石學(xué)特征進(jìn)行觀察，重點(diǎn)關(guān)注礦物蝕變特征以及巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化，各樣品巖石學(xué)特征描述如下：

(1) 原巖花崗閃長(zhǎng)巖

原巖為中細(xì)粒各向同性巖石，主要礦物組成為石英(20%～30%)、斜長(zhǎng)石(30%～40%)、鉀長(zhǎng)石(10%～20%)、黑云母(5%～10%)及角閃石(10%～15%)，半自形嵌晶結(jié)構(gòu)；可見(jiàn)斜長(zhǎng)石輕微絹云母化，黑云母少量綠泥石化，晶體顆粒緊密焊接，邊界清晰銳利；僅石英、鉀長(zhǎng)石晶體內(nèi)部發(fā)育少量微裂隙(圖4a)。

(2) 中等蝕變巖

中等蝕變巖以暗色礦物的強(qiáng)烈綠泥石化為特征，黑云母和角閃石幾乎完全被綠泥石所代替，僅殘留原礦物假象(圖4b)。可見(jiàn)斜長(zhǎng)石發(fā)生較強(qiáng)烈的絹云母化和綠泥石化(圖4c)。原巖結(jié)構(gòu)大部分保留，礦物晶體大多緊密焊接但邊界稍顯模糊。受構(gòu)造變形影響，微裂隙數(shù)量大幅增加，大部分微裂隙穿晶發(fā)育，閉合且無(wú)填充。巖石微孔隙較發(fā)育，微孔隙在晶體內(nèi)部、晶體邊界部位以及微裂隙中均有分布(圖4d)。

(3) 強(qiáng)蝕變巖

強(qiáng)蝕變巖呈微觀碎裂結(jié)構(gòu)，原巖結(jié)構(gòu)特征部分或完全消失。礦物晶體破碎強(qiáng)烈(圖4e)，但蝕變類型與中等蝕變巖無(wú)明顯差異。常見(jiàn)寬大微裂隙，大部分微裂隙張開(kāi)且填充礦物碎片或黏土礦物。礦物晶體間接觸松散，微孔隙大量發(fā)育(圖4f)。

Qtz=石英；Kfs=鉀長(zhǎng)石；Am=角閃石；Chl=綠泥石；Bt=黑云母；Ser=卷云母。(a)原巖結(jié)構(gòu)特征；(b)黑云母和角閃石被綠泥石交代；(c)斜長(zhǎng)石被綠泥石交代；(d)中等蝕變巖的微觀結(jié)構(gòu)；(e)礦物破碎強(qiáng)烈；(f)強(qiáng)蝕變巖內(nèi)微孔隙發(fā)育圖4 巖石薄片鑒定照片(正交偏光)

基于巖石學(xué)特征研究，采用X射線粉晶衍射對(duì)各樣品的礦物組成進(jìn)行定量分析，典型XRD圖譜見(jiàn)圖5。可以看到，從原巖到蝕變巖，綠泥石所對(duì)應(yīng)的特征峰趨于明顯，而黑云母所對(duì)應(yīng)的特征峰急劇減弱，且在強(qiáng)蝕變巖中完全消失，表明黑云母的綠泥石化最為強(qiáng)烈。各樣品礦物組成定量分析結(jié)果見(jiàn)表1，除表中所列礦物外，蝕變巖中也含有少量濁沸石和高嶺土。如表1所示，隨著蝕變程度的提高，綠泥石含量迅速增加，原巖、中等蝕變巖和強(qiáng)蝕變巖中綠泥石含量分別為3.2%、15.2%和27.5%，而黑云母含量急劇降低，同時(shí)角閃石和斜長(zhǎng)石含量也有顯著下降。這些結(jié)果與巖石薄片鑒定結(jié)果一致。

表1 原巖及蝕變巖的礦物組成

圖5 不同蝕變程度樣品典型XRD圖譜

4 蝕變巖工程特性

蝕變作用導(dǎo)致了巖石礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)的變化，必然引起工程特性的改變。因此針對(duì)不同蝕變程度樣品進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，測(cè)試按《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)[9]進(jìn)行，物理性質(zhì)測(cè)試包括：顆粒密度(Gs)、干密度(ρd)、吸水率(Wa)、有效孔隙度(ne)和總孔隙度(nt)；力學(xué)測(cè)試主要為飽和單軸抗壓強(qiáng)度(σ0)和彈性模量(E0)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原巖及蝕變巖的物理力學(xué)性質(zhì)

如表2所示，各樣品顆粒密度均為2.78，表明蝕變作用對(duì)巖石顆粒密度無(wú)明顯影響。隨著蝕變程度的提高，巖石干密度從2.7 g/cm3逐漸降低至2.66 g/cm3，而吸水率則由0.36 %增大至1.17 %。巖石孔隙率也隨蝕變程度發(fā)生明顯變化，原巖中微孔隙不發(fā)育，有效孔隙率和總孔隙率僅分別為0.99%和1.71%，隨著蝕變程度的提高，巖石孔隙率迅速增大，中等蝕變巖的有效孔隙率和總孔隙率分別為2.35%和2.8%，而強(qiáng)蝕變巖的對(duì)應(yīng)數(shù)值為3.11%和4.45%。值得注意的是，隨著蝕變程度的提高，有效孔隙率和總孔隙率的比值也明顯增大，表明巖石中孔隙連通度的增大?？傮w而言，物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果顯示，蝕變作用使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于松散。

力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，蝕變作用使巖石強(qiáng)度、剛度發(fā)生了顯著劣化。原巖花崗閃長(zhǎng)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為86.42 MPa，根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB-50218-94)[10]，其屬堅(jiān)硬巖類；中等蝕變巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為34.39 MPa，屬中硬巖類；而強(qiáng)蝕變巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度僅為25.34 MPa，較原巖降低達(dá)71%，屬較軟巖類。從巖石彈性模量來(lái)看，原巖為16.45 GPa，而強(qiáng)蝕變巖僅為1.72 GPa，降幅達(dá)89%，可見(jiàn)蝕變作用對(duì)巖石剛度的影響比強(qiáng)度更為顯著。大量次生黏土礦物綠泥石的生成，以及巖石微結(jié)構(gòu)趨于松散，是導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)顯著劣化的根本原因。

5 處理方案及數(shù)值模擬驗(yàn)證

蝕變帶構(gòu)成了左岸壩基巖體主要的地質(zhì)缺陷，設(shè)計(jì)采用刻槽回填混凝土的方法進(jìn)行處理，具體方案如下：在左岸壩基蝕變巖發(fā)育部位刻槽(圖6)，挖除部分蝕變巖體，刻槽高程范圍為1 947～2 000 m，開(kāi)口寬度2.4～10.8 m，深3～4 m；槽挖后回填C30混凝土，同時(shí)加強(qiáng)固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等措施。

圖6 刻槽全貌圖

采用三維有限元分析計(jì)算蝕變帶處理前后壩基、壩體應(yīng)力和位移，驗(yàn)證地質(zhì)缺陷處理方案可行性。計(jì)算模型順河向長(zhǎng)700 m(4.5倍壩高)，橫河向?qū)?70 m(5倍壩高)，高300 m(2倍壩高)，總單元數(shù)157 845(圖7)。蝕變帶及加固處理區(qū)域與壩體位置關(guān)系見(jiàn)圖8，由于強(qiáng)蝕變巖分布寬度較小，蝕變帶以均一的中等蝕變巖近似代替。各材料均采用線彈性模型，重度均取24 kN/m3，原巖及中等蝕變巖彈性模量取試驗(yàn)值(參見(jiàn)表2)，泊松比取常用計(jì)算值0.25；混凝土彈性模量取22 GPa，泊松比取0.167。荷載條件為一倍水壓。

圖7 三維有限元計(jì)算模型

圖8 蝕變帶及加固處理區(qū)域與壩體位置關(guān)系圖(1 960 m平切)

蝕變帶地質(zhì)缺陷處理前后，壩基應(yīng)力、位移結(jié)果見(jiàn)表3。從位移角度來(lái)看，隨著蝕變帶的處理，左岸壩基蝕變帶附近切向、法向位移均有小幅降低；而從應(yīng)力角度來(lái)看，主拉應(yīng)力有較為明顯的降低，且隨著高程的增大，主拉應(yīng)力降低幅度增大，在高程1 947 m處，主拉應(yīng)力降低17.9%，而在高程1 980 m處，主拉應(yīng)力降低52.5%。蝕變帶處理前后，左岸壩基蝕變帶附近主壓應(yīng)力明顯增大，這是由于槽挖回填混凝土模量相對(duì)基礎(chǔ)有較大幅度提高。蝕變帶處理后，壩體最大主壓應(yīng)力、順河向位移分別見(jiàn)圖9、圖10。可以看到，壩體應(yīng)力、位移分布對(duì)稱，處于較為理想的狀態(tài)。因此，采用槽挖回填混凝土的方法處理蝕變帶，可以起到較好的效果。

表3 蝕變帶處理前后壩基應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖9 壩體主壓應(yīng)力分布

圖10 壩體順河向位移分布

6 結(jié)論

(1) 蝕變作用導(dǎo)致原巖花崗閃長(zhǎng)巖礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)的變化。隨著蝕變程度的提高，巖石中的黑云母、角閃石和斜長(zhǎng)石迅速蝕變?yōu)榇紊ね恋V物綠泥石，同時(shí)在構(gòu)造變形等作用影響下，巖石微觀結(jié)構(gòu)趨于松散。

(2) 蝕變巖較原巖干密度降低，而孔隙率明顯增大，蝕變巖物理性質(zhì)的變化是其微觀結(jié)構(gòu)改變的宏觀表現(xiàn)。蝕變作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)劣化顯著，隨著蝕變程度的提高，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度可降低70%以上，而蝕變對(duì)巖石變形性質(zhì)的影響較強(qiáng)度更為顯著。

(3) 在壩基蝕變帶發(fā)育部位刻槽，挖除部分蝕變巖體，回填混凝土并加強(qiáng)局部固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等措施，是處理蝕變帶等帶狀地質(zhì)缺陷的有效方法。數(shù)值模擬計(jì)算表明，處理后壩基應(yīng)力、應(yīng)變較處理前均有改善，同時(shí)壩體應(yīng)力、位移更趨合理。