劉云鵬,王 皓
(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)
某電站壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面特征及成因機(jī)制分析
劉云鵬,王 皓
(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)
水電工程建設(shè)中,工程地質(zhì)體中軟弱結(jié)構(gòu)面的正確認(rèn)識和評價(jià)對大壩建基面選取及抗滑穩(wěn)定問題影響重大。本文在大量現(xiàn)場調(diào)查和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面的主要工程地質(zhì)特征,包括空間分布、優(yōu)勢方向、形態(tài)及物質(zhì)組成、物理性質(zhì)、聲波波速和地球化學(xué)特征;并通過初始建造和后期改造兩個(gè)階段的地質(zhì)過程機(jī)制分析,對碎粒型結(jié)構(gòu)面的成因機(jī)制進(jìn)行了初步探討。
水電工程;碎粒型結(jié)構(gòu)面;“砂糖狀”結(jié)構(gòu);物質(zhì)組成;成因機(jī)制
某水電站位于四川與西藏交界的金沙江干流上。壩區(qū)出露基巖地層單一,為華力西期中酸性侵入石英閃長巖與花崗閃長巖組成的簡單復(fù)式巖株。前期勘察過程中,在勘探平硐內(nèi)普遍揭露一類具有類似結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、以NNE走向和中緩傾角為主、最大延伸可達(dá)幾十米的軟弱結(jié)構(gòu)面,以碎粒巖為主,表面呈疏松“砂糖狀”結(jié)構(gòu);具有明顯擠壓錯(cuò)動和風(fēng)化蝕變特征[1]。相關(guān)資料表明,在以往工程建設(shè)所在的花崗巖地區(qū),常見的類型基本為全、強(qiáng)風(fēng)化控制或蝕變控制的軟弱帶,這種構(gòu)造控制或構(gòu)造疊加蝕變的軟弱結(jié)構(gòu)面還未遇到。
國內(nèi)外水電工程建設(shè)過程中,針對工程地質(zhì)載體中的結(jié)構(gòu)面特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的研究已經(jīng)到達(dá)相當(dāng)?shù)某潭龋以谙嚓P(guān)規(guī)范中也有具體描述和規(guī)定,在《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-2006)和《水電水利工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5414-2009)關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)面性狀分類中對結(jié)構(gòu)面類型的劃分主要包括膠結(jié)型、無充填型、巖塊巖屑型、巖屑夾泥型、泥夾巖屑型和泥型六類[2-3],但對于這種碎粒型結(jié)構(gòu)面的認(rèn)識并不明確和統(tǒng)一,同時(shí),對其工程地質(zhì)特性的評價(jià)也鮮有報(bào)道。因此,鑒于電站建設(shè)過程中對該類型結(jié)構(gòu)面的認(rèn)識和評價(jià)需要,應(yīng)開展深入細(xì)致的研究工作。
根據(jù)可行性研究階段已知調(diào)查結(jié)果,在位于壩區(qū)七條橫河向勘探線上,35個(gè)主要平硐中有16個(gè)平硐內(nèi)都有揭示(見圖1),左岸有11個(gè)(分別發(fā)育在底高程:PD07、PD01、PD05、PD13和PD31;中高程:PD23、PD45、PD25和PD33;高高程:PD21、PD47),右岸有5個(gè)(分別發(fā)育在底高程:PD06和PD26,中高程:PD12、PD18和PD20)。當(dāng)然,隨著勘探工作的深入細(xì)化,有可能會有新的揭示。
圖1 壩區(qū)左岸平硐PD31內(nèi)的碎粒型結(jié)構(gòu)面
1.1 空間分布特征
總體上,碎粒型結(jié)構(gòu)面在壩區(qū)左右兩岸分布不均,主要分布在左岸(82.20%),在右岸分布較少(17.80%)。在不同高程分布情況見圖2,碎粒型結(jié)構(gòu)面在中高程發(fā)育最多,約占51.83%,底高程分布相對較少,約占38.74%,在高高程不發(fā)育,其中以左岸中高程分布最多(45.55%)。除去平行岸坡連通硐內(nèi)的碎粒型結(jié)構(gòu)面,在不同勘探線上分布也有差異(見圖3);在左岸Ⅳ線、Ⅷ和Ⅴ線發(fā)育的碎粒型結(jié)構(gòu)面數(shù)量總共約占勘探揭示數(shù)量的54.97%;Ⅲ線和Ⅰ’線則發(fā)育較少(8.37%)。
水平深度上,碎粒型結(jié)構(gòu)面分布具有一定的集中性(見圖4),其中壩區(qū)左岸碎粒型結(jié)構(gòu)面主要集中在10~40m和80~130 m兩個(gè)范圍內(nèi);而右岸由于分布數(shù)量較少,集中程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不明顯,根據(jù)分布數(shù)量的曲線變化主要集中在50~80 m范圍內(nèi)。
圖2 碎粒型結(jié)構(gòu)面不同高程分布
圖3 碎粒型結(jié)構(gòu)面不同勘探線分布
圖4 碎粒型結(jié)構(gòu)面不同水平硐深分布
1.2 優(yōu)勢方向特征
根據(jù)壩區(qū)191處調(diào)查點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,碎粒型結(jié)構(gòu)面具有較為明顯的優(yōu)勢方向(見圖5、6)。
總體上,優(yōu)勢方向分為4組:(1)NS/W(E)∠20°~55°;(2)N20°~55°E/NW(SE)∠30°~75°;(3)N84°~89°E/SE∠45°~75°;(4)N35°~45°W/NE∠65°~80°。
左岸優(yōu)勢產(chǎn)狀分為3組:(1)N20°~45°E/NW(SE)∠30°~75°;(2)NS/W∠20°~55°;(3)N84°~86°E/SE∠55°~65°。右岸優(yōu)勢產(chǎn)狀也分為4組:(1)NS/E∠20°~50°;(2)N85°~89°E/SE∠45°~75°;(3)N20°~55°E/SE(NW)∠30°~75°;(4) N35°~45°W/NE∠65°~80°。對于右岸碎粒型結(jié)構(gòu)面來說,除走向NS方向的一組傾向與左岸相反以外,另有一組NW傾NE結(jié)構(gòu)面發(fā)育,另外兩組優(yōu)勢方向與左岸比較并無明顯差異。
圖5 左右岸碎粒型結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖
圖6 左右岸碎粒型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等密度圖
統(tǒng)計(jì)顯示(見圖7),壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面以中傾角為主。左、右岸傾角大于60°的陡傾碎粒型結(jié)構(gòu)面數(shù)量分別約占左、右岸整個(gè)數(shù)量的26.75%和17.65%;31°~60°中傾角結(jié)構(gòu)面分別約占53.50%和50.00%,其中左岸以41°~50°的型結(jié)構(gòu)面相對較多,約為28.03%,而右岸以31°~40°的型結(jié)構(gòu)面相對較多,約為38.24%;小于30°緩傾角結(jié)構(gòu)面分別約占19.75%和32.35%。
圖7 左右岸碎粒型結(jié)構(gòu)面傾角分布
1.3 形態(tài)及物質(zhì)組成特征
碎粒型結(jié)構(gòu)面往往成帶狀發(fā)育,具有一定的寬度,寬度一般為2~15 cm不等,極少部分寬度可達(dá)30~60 cm,延伸長度一般10~50m,個(gè)別大于100m。結(jié)構(gòu)面物質(zhì)主要由碎粒巖組成,殘留原巖結(jié)構(gòu),呈淺灰~淺灰黃色,長石普遍蝕變,黑云母絹云化,偶夾0.1~0.3 cm灰褐色泥化條帶,部分帶內(nèi)可見同向破劈理密集發(fā)育(見圖8),局部夾雜透鏡狀巖塊(見圖9),和兩側(cè)巖體接觸面起伏~平直粗糙;整體呈疏松”砂糖狀”,斷續(xù)或連續(xù)分布,強(qiáng)度較低,普遍呈現(xiàn)加劇風(fēng)化特征,手捏即碎。有些碎粒型結(jié)構(gòu)面具有明顯的擠壓錯(cuò)動跡象,于錯(cuò)動程度較劇烈處團(tuán)塊狀富集,結(jié)合程度較松散。碎粒型結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體松弛破碎、板裂化,以弱上風(fēng)化為主,局部與其他長大結(jié)構(gòu)面交切部位,可見明顯地下水活動痕跡,潮濕~滲水,一般可見淺灰黃色~黃褐色鈣化附著。
圖8 碎粒型結(jié)構(gòu)面中的同向破劈理
圖9 碎粒型結(jié)構(gòu)面中的透鏡狀巖塊
1.4 物理力學(xué)特征
現(xiàn)場取部分具有代表性的碎粒型結(jié)構(gòu)面物質(zhì)(見表1),開展包括室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)在內(nèi)的物理性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:碎粒型結(jié)構(gòu)面所含物質(zhì)的干密度為1.70 g/cm3,濕密度為1.77 g/cm3,比重為2.71~2.73,含水率為3.4~5.8,水溫為20℃時(shí)的滲透系數(shù)k20為3.83×10-4cm/s。顆粒分析曲線見圖10,其不均勻系數(shù)Cu=11.81~15.79,曲率系數(shù)Cc=1.60~2.35,不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)并未發(fā)生明顯變化,說明級配良好并連續(xù);帶內(nèi)物質(zhì)組成差別并不明顯,按工程巖土學(xué)和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2011粒組含量分類[4-5],碎粒型結(jié)構(gòu)面物質(zhì)成分屬于粗粒土中的砂土,即粗砂或礫砂。
表1 碎粒巖物理性質(zhì)試驗(yàn)取樣點(diǎn)特征描述
圖10 碎粒型結(jié)構(gòu)面典型顆分曲線
以往工程實(shí)踐表明,軟弱結(jié)構(gòu)面(帶)對壩基、地下硐室的局部穩(wěn)定性有影響,不利條件下也會對斜坡穩(wěn)定有重要影響。因此,按照規(guī)程規(guī)范規(guī)定和要求,根據(jù)壩址區(qū)已完成的碎粒型結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度試驗(yàn)及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),結(jié)合壩區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn),參考類似工程,提出壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值:即抗剪斷強(qiáng)度f′為0.45~0.50,C′為0.05~0.10 MPa;抗剪強(qiáng)度f′為0.40~0.45,C為0 MPa。
1.5 聲波波速特征
選擇壩區(qū)PD07、PD25平硐內(nèi)典型碎粒巖結(jié)構(gòu)面的單孔聲波測試(相交位置距離孔口1~2 m范圍內(nèi)),分析碎粒型結(jié)構(gòu)面的波速特征[6]。例如PD07平硐0+85~110 m段分布有兩條碎粒型結(jié)構(gòu)面,四個(gè)聲波孔只測到單條碎粒型結(jié)構(gòu)面波速值,這些值可以準(zhǔn)確表示碎粒型結(jié)構(gòu)面的聲波值。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù),除了個(gè)別波速值受斷層影響低于3 000 m/s外,整體上碎粒型結(jié)構(gòu)面單孔聲波波速范圍在3 000~4 500 m/s之間,波速比為0.5~0.75,有效聲波值見表2。
表2 碎粒型結(jié)構(gòu)面有效聲波值統(tǒng)計(jì)
1.6 地球化學(xué)特征
為進(jìn)一步揭示碎粒型結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成、風(fēng)化與蝕變狀態(tài),選取不同位置的碎粒型結(jié)構(gòu)面組成物(見表3),采用室內(nèi)地球化學(xué)分析方法,測定成分與含量。
地球化學(xué)成分分析表明,碎粒型結(jié)構(gòu)面帶內(nèi)化學(xué)成分基本一致;X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果表明(見圖11),碎粒型結(jié)構(gòu)面礦物成分以伊利石、石英、斜長石為主,含少量蒙脫石、綠泥石、鉀長石、透閃石和黃鐵礦。由于地下水的淋濾作用,方解石、白云石及石膏等可溶性礦物明顯缺失。
表3 碎粒型結(jié)構(gòu)面地球化學(xué)分析取樣點(diǎn)
采用如下10種系數(shù)進(jìn)一步量化碎粒型結(jié)構(gòu)面風(fēng)化和蝕變程度[7],主要包括:硅鐵系數(shù)(SiO2/Fe2O3),硅鋁系數(shù)(SiO2/Al2O3),離鐵系數(shù)(Al2O3/Fe2O3),硅鐵鋁系數(shù)(SiO2/(Fe2O3+Al2O3)),堿土金屬淋溶系數(shù)((CaO+MgO)/Al2O3),堿金屬淋溶系數(shù)((K2O+Na2O)/Al2O3),鹽基總量淋溶系數(shù)((K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3),其中前4個(gè)系數(shù)用來說明脫硅和鐵鋁的富集程度,后3個(gè)系數(shù)用來反映鹽類的淋失程度;另外兩個(gè)系數(shù)為,礦物蝕變過程中同屬元素的淋溶、氧化和相對富集程度系數(shù)(CaO/MgO、K2O/Na2O)和巖石化學(xué)新鮮度系數(shù)((R2O+RO)/R2O3)。
計(jì)算結(jié)果表明(見表4),碎粒型結(jié)構(gòu)面風(fēng)化和蝕變程度顯著。就整體而言,盡管各個(gè)碎粒型結(jié)構(gòu)面的擠壓錯(cuò)動或疏松程度不一致,但充填物中2價(jià)堿金屬含量總量變化不大;硅鐵鋁系數(shù)為1.19~1.93,數(shù)值較小,表明碎粒型結(jié)構(gòu)面發(fā)生了SiO2減少和較為明顯的Al2O3、Fe2O3富集;鹽基總淋溶系數(shù)為0.49~0.59,平均值為0.54,表明鹽類的淋失程度較大。其中3號~6號(樣其疏松程度為5號>6號>4號>3號)的硅鐵鋁系數(shù)及離鐵系數(shù)結(jié)果表明,隨著擠壓錯(cuò)動程度逐漸增強(qiáng)結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成越來越疏松,則風(fēng)化蝕變程度也隨之變得強(qiáng)烈;且伴隨緊密程度的降低,Al2O3和Fe2O3呈增加趨勢,增加率平均值為14.26%,而SiO2呈減少趨勢,遞減速率平均值為3.26%,脫硅程度微弱。
圖11 碎粒型結(jié)構(gòu)面組成物XRD分析結(jié)果
碎粒型結(jié)構(gòu)面的形成應(yīng)該從兩個(gè)階段進(jìn)行分析,首先是初始建造階段,可以從巖相、地應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造角度進(jìn)行分析;其次是后期改造階段,即內(nèi)生和外生雙重作用對碎粒型結(jié)構(gòu)面形成的影響。
2.1 初始建造階段
壩區(qū)外圍自元古代以來經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動,產(chǎn)生了性質(zhì)不同的地質(zhì)事件,并派生了多期不同機(jī)制的構(gòu)造變形或變形相。
燕山期構(gòu)造應(yīng)力場為近EW向,在其作用下,區(qū)域上形成了一系列NNW~NS向及與之配套的NE、 NW向結(jié)構(gòu)面。碎粒型結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢方向NS/W(E)∠20°~55°和本期構(gòu)造作用有直接關(guān)系。
壩區(qū)內(nèi)碎粒型結(jié)構(gòu)面另外兩組優(yōu)勢方向N20°~55°E/NW(SE)∠30°~75°及N84°~89°E/SE∠45°~75°表現(xiàn)出較好的共軛性質(zhì),表明它們是在同一應(yīng)力場環(huán)境下形成的同期節(jié)理體系。兩組陡傾的結(jié)構(gòu)面在幾何學(xué)上呈平面”X”型式,在動力學(xué)上,二者的力學(xué)特征以及位錯(cuò)特征均符合同一個(gè)構(gòu)造應(yīng)力場。通過現(xiàn)場水壓致裂法實(shí)測地應(yīng)力,壩區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E60°~70°,最大主應(yīng)力為15~20 MPa,說明NEE向的擠壓作用一直持續(xù)至今??梢哉f,正是這些區(qū)域構(gòu)造控制的地殼淺表巖石脆性破裂,從宏觀上確定了碎粒型結(jié)構(gòu)面的空間展布格局。
表4 碎粒型結(jié)構(gòu)面組成物風(fēng)化及蝕變系數(shù)
2.2 后期改造階段
包括蝕變作用、構(gòu)造擠壓錯(cuò)動、風(fēng)化作用、淺表生作用等。根據(jù)蝕變巖的相關(guān)研究結(jié)果,在中性和酸性火成巖中,綠泥石化是一種重要的中、低溫?zé)嵋何g變作用。在圍巖蝕變過程中,綠泥石主要由富含鐵、鎂的硅酸鹽礦物經(jīng)熱液交代蝕變而成,也可由熱液帶來鐵、鎂組分與一般的鋁硅酸鹽礦物交代反應(yīng)而形成。綠泥石化較少單獨(dú)出現(xiàn),常與黃鐵礦化、絹云母化等相伴生。通過碎粒型結(jié)構(gòu)面物質(zhì)成分的地球化學(xué)分析,可以初步推定地下熱液通過初始建造階段形成的構(gòu)造裂隙特別是板裂或碎裂密集區(qū)上升,造成本已破裂成薄層或碎塊的圍巖(石英閃長巖或花崗閃長巖)部分蝕變,為進(jìn)一步劣化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。
后期由于構(gòu)造應(yīng)力場導(dǎo)致的強(qiáng)烈擠壓和錯(cuò)動,已經(jīng)發(fā)生中、低溫蝕變的圍巖碎裂解體,并在巖石內(nèi)部形成定向排列的破劈理,在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中的區(qū)域留下擠壓錯(cuò)動痕跡,而在蝕變或應(yīng)力集中程度較弱的地方自然會形成透鏡狀巖塊;隨后,在地下水的滲流作用下,本已碎裂解體的圍巖繼續(xù)發(fā)生物理化學(xué)風(fēng)化,造成圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低,表現(xiàn)為疏松砂糖狀;另外,地下水的長期浸泡造成的鹽類的溶解和離子交換作用是形成碎粒型結(jié)構(gòu)面內(nèi)部泥化條帶的直接原因。
同時(shí)由于淺表生作用中的應(yīng)力場調(diào)整往往會引起拉應(yīng)力集中,而這些由疏松碎粒巖組成的結(jié)構(gòu)面區(qū)域幾乎不能承受拉應(yīng)力,最容易形成張開裂縫甚至形成空腔;因此有可能會形成卸荷是碎粒型結(jié)構(gòu)面主要成因這樣的認(rèn)識,本文的觀點(diǎn)認(rèn)為卸荷僅僅為碎粒型結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步劣化尤其是風(fēng)化作用提供了重要通道而已。
通過對某水電站壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面的調(diào)查和分析,可以獲得如下初步認(rèn)識:(1)碎粒型結(jié)構(gòu)面往往成帶狀發(fā)育,具有一定的寬度。主要由碎粒巖組成,長石普遍蝕變,黑云母絹云化,偶夾泥化條帶,部分帶內(nèi)可見同向破劈理密集發(fā)育整體呈疏松“砂糖狀”,強(qiáng)度較低,普遍呈現(xiàn)加劇風(fēng)化特征。
(2)碎粒型結(jié)構(gòu)面所含物質(zhì)的干密度為1.70 g/cm3,濕密度為1.77 g/cm3,比重為2.71~2.73,含水率為3.4~5.8,滲透系數(shù)k20為3.83×10-4cm/s。其不均勻系數(shù)為11.81~15.79,曲率系數(shù)為1.60~2.35,級配良好并連續(xù),屬于粗粒土中的砂土。整體上碎粒型結(jié)構(gòu)面單孔聲波波速范圍在3 000~4 500 m/s之間,波速比為0.5~0.75。另外,壩區(qū)碎粒型結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值:即抗剪斷強(qiáng)度f′為0.45~0.50,C′為0.05~0.10 MPa;抗剪強(qiáng)度f為0.40~0.45,C為0 MPa。
(3)地球化學(xué)成分分析表明,碎粒型結(jié)構(gòu)面礦物成分以伊利石、石英、斜長石為主,含少量蒙脫石、綠泥石、鉀長石、透閃石和黃鐵礦。由于地下水的淋濾作用,方解石、白云石及石膏等可溶性礦物明顯缺失。碎粒型結(jié)構(gòu)面發(fā)生了SiO2減少和較為明顯的Al2O3、Fe2O3富集,鹽類的淋失程度較大。
(4)其主要成因機(jī)制可以概括為:早期受區(qū)域構(gòu)造控制的地殼淺表脆性破裂錯(cuò)動為碎粒型結(jié)構(gòu)面的空間展布格局建立提供了基本條件;而熱液蝕變、構(gòu)造擠壓錯(cuò)動等內(nèi)生作用造成石英閃長巖或花崗閃長巖的礦物蝕變和礦物顆粒之間或內(nèi)部的定向破裂,地下水動力循環(huán)疊加后期淺表生作用等外生作用加劇了前期結(jié)構(gòu)面組成物質(zhì)的風(fēng)化、淋濾流失及泥化。
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1003-9805(2015)04-0004-05
2015-05-25
劉云鵬(1982-),男,內(nèi)蒙古通遼人,工程師,從事水電勘察設(shè)計(jì)工作。