西藏扎拉水電站鬧中斷裂帶巖體工程地質(zhì)特性研究

劉大慶 張丙先 李建華 朱忠

收稿日期：2023-09-09

基金項目：

中國大唐集團公司科研項目（DTXZ-02-2021）

作者簡介：

劉大慶，男，高級工程師，碩士，主要從事工程管理工作。E-mail：706948395@qq.com

引用格式：

劉大慶，張丙先，李建華，等.

西藏扎拉水電站鬧中斷裂帶巖體工程地質(zhì)特性研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：16-21.

摘要：

西藏扎拉水電站引水隧洞穿過鬧中斷裂帶長度達305 m，是圍巖失穩(wěn)的易發(fā)地段，常規(guī)勘察方法難以對深埋于地下百余米的洞身段斷裂帶巖體性質(zhì)作出準(zhǔn)確的判斷。為了給引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在勘探、室內(nèi)試驗和淺層現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，分析了斷裂帶巖體的性狀及物理性質(zhì)，采用巖體強度計算公式、專家會議法和Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對斷裂帶深部巖體的力學(xué)特性進行了分析計算。研究表明：鬧中斷裂帶巖性軟弱，結(jié)構(gòu)較破碎，預(yù)測坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象較突出，成洞困難，會發(fā)生一定程度的塑性變形；專家會議法主要考慮巖體性狀的異同，Hoek-Brown經(jīng)驗公式主要基于聲波縱波速隨深度的變化，兩種方法獲得的斷裂帶深部巖體的力學(xué)參數(shù)值相差不大，可作為初步設(shè)計的依據(jù)。研究成果及方法可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：

斷裂帶巖體； 工程地質(zhì)特性； 專家會議法； Hoek-Brown強度準(zhǔn)則； 扎拉水電站； 西藏

中圖法分類號：P642.3

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.003

文章編號：1006-0081（2024）06-0016-06

0? 引? 言

西藏扎拉水電站為Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式開發(fā)，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高70 m。引水發(fā)電建筑物主要由引水隧洞和地面電站廠房組成，引水線路長約5.5 km。

鬧中斷裂是西藏扎拉水電站樞紐工程區(qū)的主干斷裂，引水隧洞穿過鬧中斷裂帶長度達305 m，設(shè)計洞徑為6.0 m。各類斷層巖構(gòu)成的破碎巖體，工程地質(zhì)性質(zhì)不良，往往給工程帶來困難和問題［1］。鬧中斷裂帶也是引水隧洞圍巖失穩(wěn)的突出地段。地質(zhì)條件對于隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工開挖、圍巖支護及運行維護將產(chǎn)生重大影響，需科學(xué)合理地開展勘察研究工作。

斷層巖的地面調(diào)查方法主要有航空、航天遙感和地面物探，地下勘探手段主要有鉆探、平洞和鉆孔電視、聲波測井等［2］。西藏扎拉水電站工程區(qū)內(nèi)鬧中斷裂大部分呈隱伏通過，僅局部出露，引水隧洞穿過斷裂帶處洞身埋深110～210 m，溝底覆蓋層厚達60 m，增大了勘察研究的難度。在勘察階段，由于斷層帶巖體破碎、鉆探取樣擾動大、孔內(nèi)原位測試適用性差，現(xiàn)場試驗只能在淺層進行。然而，斷層巖是原巖經(jīng)過斷裂作用形成的一類特殊巖石，空間分布不穩(wěn)定［2］，性狀變化較大，因此淺層巖體試驗成果不能代表隧洞埋深處的斷裂巖體強度。目前，對隧洞深部圍巖的研究主要基于鉆孔取樣［3］、開挖后的現(xiàn)場監(jiān)測［4-5］、超前地質(zhì)預(yù)報與掌子面圍巖調(diào)查［6］等，對于還未施工開挖且不具備采取原狀樣的情況鮮有研究成果。

為了給西藏扎拉水電站引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在勘探、室內(nèi)試驗和淺層現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，分析了斷裂帶巖體的性狀及物理性質(zhì)，采用巖體強度計算公式、專家會議法和Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對斷裂帶深部巖體的力學(xué)特性進行了分析計算。根據(jù)斷裂帶巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，分析了斷裂帶巖體作為隧洞圍巖的工程特性，作為初步設(shè)計的依據(jù)。

1? 鬧中斷裂基本特征

1.1? 空間展布及地質(zhì)結(jié)構(gòu)

鬧中斷裂呈NE向展布，NE端與巴塘斷裂相接，SW端與其西南方向延伸的斷裂相接，長度約51 km。鬧中斷裂橫穿扎拉水電站樞紐工程區(qū)，在地貌上形成溝槽、埡口等線性負地形，主要呈隱伏通過，局部出露［7］。電站引水隧洞于鬧中溝，近垂直穿過鬧中斷裂帶，隧洞埋深110～210 m。勘探揭示，引水隧洞穿過鬧中斷裂帶寬度為305 m，斷層巖為碎裂片狀巖和碎裂巖，東盤為二疊系板巖，西盤為三疊系變質(zhì)流紋斑巖（圖1）。

1.2? 地應(yīng)力場及斷裂運動特征

引水隧洞沿構(gòu)造線方向330°～30°，與區(qū)域構(gòu)造背景基本一致。根據(jù)板塊運動、新構(gòu)造運動特征，基于震源機制解、地形變等資料分析，該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向為NE～NEE向。在現(xiàn)場鉆孔中采用水壓致裂法進行地應(yīng)力測試，測試成果表明：地應(yīng)力場中水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，最大水平主應(yīng)力σH為自重應(yīng)力σZ的1.3～1.4倍，最小水平主應(yīng)力σh為自重應(yīng)力σZ的0.8～0.9倍。根據(jù)GNSS速度場結(jié)果和跨鬧中斷裂GPS速度剖面，區(qū)域整體向南東向運動，并由近東西向逐步向東南方向偏轉(zhuǎn)，鬧中斷裂帶的擠壓、拉張變形不顯著，運動特征以右旋走滑為主［7］。根據(jù)安德森模式，鬧中斷裂的應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)形成機制如圖2所示。

2? 斷裂帶巖體物理性質(zhì)

2.1? 斷裂帶巖體性狀

引水隧洞部位鬧中斷裂帶巖體由碎裂片狀巖和碎裂巖組成，其中，碎裂片狀巖位于斷裂破碎帶東段，寬約260 m。碎裂片狀巖呈深灰色、灰黑色，系原巖板巖受構(gòu)造剪切作用，進一步發(fā)生片理化和碎裂化，形成的斷層巖巖性軟弱，結(jié)構(gòu)較破碎（圖3（a））。鉆探施工時，干鉆鉆進較困難，采用植物膠護壁，半合管取芯多呈碎塊、角礫夾巖屑、巖粉（圖3（b）），鉆孔采取率50%～100%；獲得率為0～88%，平均值29%；RQD為0～70%，平均值13%。

碎裂巖位于斷裂破碎帶西段，寬約45 m。碎裂巖呈灰白色、灰色，裂隙密集發(fā)育，巖體被切割成大小不等的碎塊和角礫，其原巖成分為大理巖。坑槽揭示，碎塊和角礫基本保留著原巖結(jié)構(gòu)和成分特征，碎塊和角礫含量＞90%，多呈棱角狀，定向性較差。碎塊和角礫的節(jié)（劈）理面中有少量（＜10%）的泥質(zhì)和碎粒、碎粉物質(zhì)充填，膠結(jié)疏松（圖4（a））。采用植物膠護壁，半合管取芯呈角礫或碎石狀（圖4（b）），采取率一般為92%～100%；獲得率為0～26%，平均值6%；RQD為0。

2.2? 礦物組構(gòu)及化學(xué)成分

在鉆孔中取引水隧洞埋深附近斷裂帶巖體試樣進行礦物成分和化學(xué)成分分析，分析成果如下。

2.2.1? 碎裂片狀巖

采用透射-反射光學(xué)顯微鏡進行巖礦鑒定，結(jié)果顯示碎裂片狀巖呈鱗片-粉砂狀結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，礦物顯微特征見圖5。

（1）? 石英粉砂屑（Qtz）。含量35%～63%，平均值51.8%，次角狀-次圓狀，零散均勻分布，局部略定向分布，砂屑大小為0.01～0.05 mm。

（2）? 伊利水云母-絹云母（Ⅲ+Ser）。含量約16%～45%，平均28.8%，微細鱗片狀，較低干涉色-鮮艷干涉色，零散略定向分布在砂屑間隙中，片徑為0.01～0.05 mm。

（3）? 方解石（Cal）。含量10%～20%左右，不規(guī)則細粒狀，高級白干涉色，遇茜素紅試劑染紅色，零散分布在砂屑間隙中，或聚集呈細脈狀沿碎裂隙分布，粒徑為0.01～0.10 mm。

（4）? 黑云母、蒙脫石、碳質(zhì)、鐵質(zhì)等礦物含量≤10%，零散分布在砂屑間隙中，或水云母集合體中。

X衍射分析結(jié)果表明：碎裂片狀巖破碎帶石英和伊利石礦物含量較高，平均值分別為35%和30.8%；綠泥石含量次之，平均值為14.8%；長石、方解石、白云石等礦物含量一般小于10%；無蒙脫石礦物。

光度計分析結(jié)果表明：化學(xué)成分中SiO2含量最高，平均值為41%；CaO含量次之，平均值為21.5%；Al2O3含量平均值為8.4%；Fe2O3含量平均值為3.6%；其他成分含量小于2%。

2.2.2? 碎裂巖

采用透射-反射光學(xué)顯微鏡進行巖礦鑒定，結(jié)果顯示：碎裂巖呈中-粗粒變晶結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，礦物成分主要為方解石，含量為96%～98%，礦物顯微特征見圖6。

（1）? 中-粗晶方解石（Cal1）。含量為77%～80%，半自形或它形粒狀，鋸齒狀邊緣，兩組菱形解理發(fā)育，受動力作用部分解理彎曲變形，局部晶粒略拉長定向分布，粒徑為0.30～1.20 mm，集合體中碎裂隙發(fā)育，被晚期細-微晶方解石呈網(wǎng)脈狀充填。

（2） 細-微晶方解石（Cal2）。含量約16%～80%，呈細粒狀，多聚集呈細網(wǎng)脈狀沿碎裂隙分布，或沿粗晶方解石晶粒邊緣分布，粒徑為0.005～0.15 mm。

（3）? 極少量的白云石、熱液石英、白云母、鐵泥質(zhì)（含量≤2%），零星分布在碎裂隙中。

2.3? 巖體膨脹性

室內(nèi)膨脹性試驗成果顯示，自由膨脹率范圍值為22%～27%，平均值為24.3%，不具膨脹性。

2.4? 聲波縱波速及完整程度

根據(jù)聲波測井成果，碎裂片狀巖破碎帶聲波縱波速為2 250～3 510 m/s，碎裂巖破碎帶聲波2 020～3 543 m/s，二者差別不大。以碎裂片狀巖為例，自上而下隨深度增大，聲波縱波速總體呈增大的趨勢，但存在峰谷（圖7），反映了碎裂介質(zhì)的不均勻性和聲波效應(yīng)的差異性。碎裂片狀巖原巖板巖的巖石聲波縱波速平均值為5 080 m/s，則碎裂片狀巖的巖體完整性系數(shù)為0.20～0.48，巖體完整程度屬較破碎-完整性差。碎裂巖的原巖、板巖、大理巖的巖石聲波縱波速平均值為5 740 m/s，則碎裂片狀巖的巖體完整性系數(shù)為0.12～0.38，巖體完整程度主要屬較破碎。

2.5? 巖體物理性質(zhì)分析

鬧中斷裂帶的擠壓、拉張變形不顯著，屬扭性斷裂。斷裂帶中，碎裂片狀巖原巖為板巖，屬軟質(zhì)巖，呈薄層狀板裂結(jié)構(gòu)，原巖受構(gòu)造剪切作用進一步發(fā)生片理化和碎裂化，形成的斷層巖礦物成分主要為石英、伊利石、綠泥石，巖性軟弱，呈鱗片-粉砂狀結(jié)構(gòu)，巖體完整程度屬較破碎-完整性差。碎裂巖原巖為大理巖，屬硬質(zhì)巖，礦物成分主要為方解石，原巖受構(gòu)造剪切作用，巖體被切割成大小不等的碎塊和角礫，碎塊和角礫基本保留著原巖結(jié)構(gòu)和成分特征，巖體較破碎。相對而言，碎裂巖主要發(fā)生脆性破裂，其破碎程度大于碎裂片狀巖，反映了不同強度原巖受構(gòu)造剪切作用后的破裂特性。

3? 斷裂帶巖體力學(xué)特性

軟弱破碎圍巖空間效應(yīng)作用距離比一般巖體大，達3.5～4.0倍洞徑［8］，同時考慮隧洞頂部以上巖體對隧洞穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用，斷裂帶深部巖體力學(xué)參數(shù)的分析范圍為洞頂以上3.5倍洞徑。洞室開挖后，圍巖應(yīng)力重分布程度隨著遠離洞壁逐漸減弱，而斷裂帶巖體聲波縱波速和巖體完整性系數(shù)隨深度增大呈總體增大的趨勢，因此深部巖體力學(xué)參數(shù)的計算值以平均值作為代表值。

3.1? 深部巖體抗壓強度計算

巖體抗壓強度與巖石抗壓強度關(guān)系［9］如下：

σmc=Kσc（1）

式中：σmc為巖體抗壓強度，MPa；

σc為巖石試件抗壓強度，MPa；

K為巖體的完整性系數(shù)。

根據(jù)原巖室內(nèi)抗壓強度試驗成果，采用式（1），計算得到隧洞埋深部位斷裂帶巖體的抗壓強度，見表1。

3.2? 深部巖體抗剪強度、變形模量分析

由于穿過鬧中斷裂帶引水隧洞埋深110～210 m，常規(guī)勘察方法難以對深埋于地下百余米的洞身段斷裂帶巖體力學(xué)性質(zhì)作出準(zhǔn)確判斷。為了給引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在淺層現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，分別采用專家會議法和Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算，并對斷裂帶深部巖體的力學(xué)特性進行初步分析。

（1） 淺層巖體現(xiàn)場試驗成果。碎裂巖結(jié)構(gòu)破碎，膠結(jié)差，不具備制樣條件，因此，在鬧中斷裂帶露頭部位開挖坑槽，只對碎裂片狀巖進行現(xiàn)場抗剪、變形試驗，試驗成果見表2。