复杂变形区工程地质解析方法探讨——以丹巴水电站为例

程万强，杨坤光，段伟锋

(1.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310006;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029;3.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉 430074)

根据国际地质岩土工程学会联合会(FIGS)约定的分工，工程地质做出地质建模，岩土力学进行计算分析，岩土工程开展设计和施工。对工程区地质结构的研究精度直接决定了岩土力学计算精度和稳定性评价结果［1～2］，继而影响设计施工方案。早在20世纪70年代，谷德振先生就意识到地质体的构造形貌是控制岩体稳定性的关键因素［3］。近几十年的大型工程实践主要在构造相对简单稳定的中东部地区，工程地质问题通过适当的补救方案即可满足施工要求，因此对地质构造问题重视不够。随着大型工程，尤其是水电建设向西南部的挺进［4］，复杂和强烈的构造环境越来越成为制约工程建设的壁垒。对复杂构造的准确解析不仅为大型工程建设的安全提供保障，还可以极大程度地节约工程成本。

1 工程地质概况

丹巴水电站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内的大渡河干流上，为大渡河干流22级梯级开发中的第8级梯级电站，初拟装机容量1196.6MW，构造位置位于有“地质百慕大”之称的松潘-甘孜造山带东南侧的丹巴弧形滑脱构造带内［5］(图1)。区内岩石普遍经历了多期强烈变形和高达角闪岩相的变质作用，构造组合复杂，叠加置换强烈。工程设计引水隧洞长逾17km，其中约10km断续经过二云母片岩(软岩)区，地表见软岩单斜层最厚可达1～2km，软岩洞段最大埋深达1220m，开挖后有可能出现较严重的大变形破坏现象，遇水也易发生软化现象，对工程稳定性影响巨大。因此软岩层实际厚度，空间延伸和分布规律成为制约工程设计方案和经济成本的重要因素。对此，利用综合构造解析方法对引水线路区及其临区进行了高精度地质建模，以期明确软岩层和主要结构面空间展布规律。

2 非史密斯岩层序列的重建方式

地层层序的建立是岩体区域结构解析的基础也是关键问题之一。研究区主要由志留系至泥盆系含蓝闪石榴石二云母片岩、石榴石云母石英片岩、变粒岩、石英岩和大理岩组成，夹伟晶岩脉和斜长角闪岩透镜体，变质级别为低-高角闪岩相。区域上以倾向NE或NW，倾角40～70°的单斜层为主。由于岩层已普遍经历构造置换，恢复原始沉积层面费时费力，且可靠度低。基于工程地质研究特点［6］，提出以主期片理面代替沉积层面，以岩性组代替古生物地层组进行地质建模。查明岩层的构造置换方式和有序性，明确片理面原始产状形态成为首要任务。

图1 (a)丹巴地区大地构造位置示意图;(b)丹巴及邻区地质简图Fig．1 (a)Sketch map showing tectonic location of Danba;(b)Regional geologic map of the Danba area

对工区三百多个地质点的详细观察证实工区内片理在百米尺度上延伸稳定，但在公里尺度上具有透镜体状特征。软岩层中强硬岩层较平直延伸，其延伸方向与片理平行。软岩层内石英脉形成的鞘褶皱和无根褶皱等随处可见，并发育指示向南顺层滑脱的滑脱型褶皱。另外，在能干性相对较强的片麻岩和云母石英片岩中多处可见层内掩卧褶皱，轴面与片理面近平行，为相似紧闭或不协调褶皱。软弱岩层相间的地区则多发育指示岩层叠置的逆冲断层，断层面与片理面近平行。上述现象充分证实研究区层状变质岩片理形成于横向构造置换过程。区域内广泛发育的层内掩卧褶皱、滑脱不协调褶皱和层内低角度逆掩断层等构造现象与中下地壳剪切型堆垛层代表构造样式一致，因此工区内似层状变质岩应形成于剪切型构造置换下的构造堆垛作用(图2)。基于上述认识，工区内构造-岩层建造具有如下特征:

图2 丹巴县地层大套有序、小套无序的地层堆垛演化模式Fig．2 Tectonic stacking modeling of Danba indicating“long-range order，short-long disorder”

(1)区域片理在形成之始产状近水平，片理面在百米尺度上具有稳定性。这是由于造山过程中中下地壳剪切运动方向为近水平［7］。现今百米级宏观褶皱主要形成于片理化之后的构造活动。因此考虑区域岩层展布几何形态时，可近似为层状岩层考虑，从而简化了区域几何构造形态。

(2)构造堆垛导致岩层重复。挤压应力作用下强硬岩层易沿低角度逆冲断层(滑脱面)相互叠置，从而造成岩层的重复(图2)。而强硬岩层间的软弱岩层则起到良好滑脱面作用。因此工区内岩层在空间上的重复不一定代表褶皱作用。根据对工区岩层露头的详细观察，认为由构造堆叠导致的地层重复尺度在公里以下，公里及以上尺度的地层重复则应由褶皱作用所致。

(3)工区岩层是由有限个具有一定延伸规模的基本岩性段以某种“远程有序，近程无序”的模糊状序列存在。公里尺度上总体遵循新老地层叠覆关系，但百米尺度上可出现基本岩性段的无序重复堆垛。

3 强变质区沉积环境重建

查明研究区沉积环境和沉积相有助于指导岩层的空间分布规律。除大理岩和斜长角山片岩等较易识别其变质前原岩类型外，工区内主要的变粒岩、二云母片岩等只能通过矿物学结合地球化学方法进行原岩类型恢复。本次研究采用KAF图解结合区域大地构造背景对工区内30块采自不同地点的变质岩进行原岩类型恢复。该方法首先在显微镜下统计主要造岩矿物含量，并根据公式计算相应A、K、F值，然后投点即可。该方法简单快捷，且准确度较高［8］。

式中:A岩、K岩、F岩——所研究岩石的A、K、F值;

a、b、……i——组成岩石的各种矿物;

Na、Nb……Ni——岩石中各种矿物的含量;

Aa、Ka、Fa、Ab、Kb、Fb……Ai、Ki、Fi——各种矿物的A、K、F 值;

Sa、Sb……Si——各种矿物的 SiO2分子数。

基于AKF图解的岩石组合类型显示该区沉积环境属浅海-半深海稳定被动陆源沉积环境(图3)。原始沉积层在公里尺度空间上应有一定延伸规模［9］。据此参考变形较弱的邻区小金和金汤棒打地区志留系-泥盆系地层剖面格架［10］，利用受剪切变形影响较弱的厚层石英岩作为标志层对研究区层序进行了控制，将巨厚二云母片岩划分为三个次级岩性段，并在单斜层中识别出三向夹两背褶皱，将软岩层原始层厚确定为328m，与邻区粉砂质、泥质板岩或千枚岩可对比。在此基础上建立了该区岩层序列格架，将研究区地层划分为两个岩性组和8个基本岩性段。野外岩层是8个基本岩性段以某种模糊有序的方式组合。

图3 丹巴工区角闪岩相变质岩变质岩原岩类型恢复KAF图解Fig．3 Protolith KAF Diagram of Danba metamorphic rocks of amphibolite facies

4 复杂变形区深埋构造解析

丹巴引水隧洞最大埋深达1220m。预测隧洞沿线岩体结构是本次研究的重点。根据地表构造推断深部地质结构的主要依据是构造几何模型。不同温压条件下褶皱和断裂的几何模型迥异。因此选择合适的构造模型是深埋构造预测的关键。

变质矿物温压计指示研究区主期构造形成于15～20km 的中地壳(0.5 ～ 0.6 GPa，500 ～ 600℃)［11］。该深度构造特征以缓倾角的流塑性剪切滑动为主，缺少脆性断裂活动［12］。野外观测也证实了上述构造模式。二云母片岩内部，尤其是片岩与强硬岩层交界部位普遍发育规模不等的近平行片理的剪切滑动带。褶皱形态强硬层相对开阔而软岩层基本为紧闭甚至同斜褶皱，层间滑脱作用明显，软弱岩层向褶皱核部等弱变形区汇集。区内发育的脆性断裂主要为后期浅层变形所致，同时切穿了主期剪切带和褶皱，断层面平整，倾角多在60～70°，断层泥厚度在15～30cm，平面延伸多在几百米至几公里，逆断层和正断层均有发育。后期褶皱变形不强烈，以开阔-中常褶皱为主，主要是对早期褶皱形态进行扰动。而节理等则局限于厚层强硬岩层内部，且间距在1～2m甚至更大，对岩体稳定性影响不大。因此丹巴地区构造变形是以不同层次的剪切滑脱变形为主，主滑脱面位于志留系岩层与震旦系岩层之间。与工程相关的主滑脱面上部岩系以紧闭甚至同斜褶皱为主，强弱岩层间和软岩层内部发生顺层滑脱，并被后期脆性变形改造。基底岩系则以平缓褶皱为主，变形相对简单(图4)。

图4 丹巴水电站引水隧洞沿线剖面略图Fig．4 Simplified geologic section along the water diversion route of the Danba Hydropower Station

5 讨论

长期以来，工程地质勘查一直沿用区域地质调查的思路，首先建立沉积层序，再根据地表实测剖面和史密斯地层法则推测深部地质结构。勘查阶段开展的钻探和洞探等也仅能对关键部位地质结构进行检验，工程区地质模型的建立仍主要依靠平面地质调查。造山带地区普遍经历了中深程度的变质和多期构造事件的叠加。岩层的原始层理和沉积序列早已荡然无存。此时，再遵循填图法则，首先恢复原始沉积层面和沉积序列然后再进行地质填图，不仅费时费力，其准确性也令人质疑。地层的工程地质调查不同于区域地质调查，主要关心岩石建造、构造面发育程度和几何规律，借以判断工程地质环境的稳定性。现今构造形貌是历史构造演化的集中展现。对此，本文尝试在深变质和构造变形复杂区区域岩体结构解析中以构造解析为主线，回避次要矛盾(原始沉积序列)，“以辩证唯物的高度活动的地球构造观为指导，以分析地质构造的矛盾为核心，应用当代先进的构造分析方法”［13］，为重建复杂变形区较为准确的地质结构提供依据。

“远程有序、近程无序”，是亚稳定场几何结构的普遍规律，构造活跃区也不例外。基于上述特点，综合利用地球化学、变质地质学，结合区域构造环境，对主要变质岩的原岩类型进行复原，可以推知大致的沉积环境和沉积相，从而对岩层的原始空间延伸范围进行推测。如陆相环境地层横向变化快(常为百米尺度)、厚度变化大，可用楔形块模型表征，而海相地层往往拥有较广的延伸范围，可与邻区进行对比。片理面与原始层面的构造置换方式则是明确片理几何结构和片岩岩石序列的主要参考，主要有两种:纵弯型构造置换和剪切型构造置换［13］。

构造相和构造层次是制约构造变形样式的主要因素［12～13］。不同构造相的褶皱和断层组合差异明显，如造山带地区多以近水平的高温剪切变形和紧密线状纵弯褶皱为主，而板块稳定区则以宽缓褶皱和X型节理为主。向地下深处温压条件和岩石性质的改变对变形机制和构造样式同样具有决定性作用［13］。

工程岩体的现今构造形态是历史构造变形演化的集中展现。不对研究区构造历史进行解析，以演化的观点看待构造问题就很难理解和把握研究区构造格架［14］。遵循构造研究的历史反演法则，借助构造几何学的研究对工程区构造变形历史进行恢复有助于系统理解和检验建立的构造模型(图5)。

图5 复杂变形区地质构造解析思路Fig．5 An guide line for complex structural analysis

丹巴地区位于松潘-甘孜造山带东侧，经历了角闪岩相变质，构造置换彻底，构造变形强烈。沿底部滑脱面的强烈滑脱形成的同斜褶皱造成单斜层的假观。用传统史密斯填图法则对研究区进行建模则软岩层单套厚度在1km以上，严重危害地下洞室稳定性，且地质模型过于简单，无法指导工程设计。根据工程地质勘查特点，基于构造解析法则，以野外实测数据为依据确定了研究区岩层的基本厚度，延伸稳定性和地层堆垛模式，在此基础上建立了丹巴工区三维地质结构，将软岩层总厚度限制在3km以内。为工程设计和施工提供了较为可靠的参考，并节约了不必要的预算成本。并在此基础上建立了对工程地质稳定性评价和设计施工具有重要参考意义。

6 结论

(1)工程岩体现今结构是地质体多期次、多层次、多机制的沉积-变质-构造历史作用的集中展现。遵循构造历史解析原则，综合利用沉积地层学、岩石矿物学、变质地质学和构造地质学进行系统解析有助于最大程度查明工程岩体的三维结构，为地质工程设计提供可靠参考。

(2)丹巴复杂变形区区域片理形成于15～20km深度的高温剪切滑脱作用下，是剪切型构造置换的构造堆垛体。原始片理产状近水平，岩层序列则以构造堆垛机制下的模糊有序序列为特征。在远程有序、近程无序的背景下，岩体结构可由有限基本岩性段以不同方式组合而成。从而解决了岩层的混乱无序问题。

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