牙根二级水电站右岸拉裂松动岩体基本特征研究

2016-09-28刘阜羊胡耀飞

水电站设计 2016年3期

关键词：卸荷倾角裂隙

马　宏,刘阜羊,胡耀飞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

牙根二级水电站右岸拉裂松动岩体基本特征研究

马宏,刘阜羊,胡耀飞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

四川省某水电站坝前发育规模较大的拉裂松动岩体，严重制约和影响了水电站坝址、坝型的选择及水工建筑物的布置格局，稳定性计算表明，大坝蓄水后拉裂松动岩体处于不稳定状态，因此对其的研究与治理是该水电工程的技术难点。本文从拉裂松动岩体的定义、分布形态、一般特征、岩体结构、变形特征等方面对拉裂松动岩体的基本特征进行了分析论述。

拉裂松动岩体；基本特征；岩体结构；缓倾角结构面；变形特征

0　引　　言

牙根二级水电站位于四川省雅砻江中游，选定坝型为碾压混凝土重力坝。前期勘察揭示，花岗岩坝址右岸谷坡发育有2处拉裂松动岩体，规模较大，严重制约和影响了水电站坝址、坝型的选择及水工建筑物的布置格局，且1、2号拉裂松动岩体位于坝前，稳定性计算表明，其蓄水后均处于不稳定状态。

研究区位于青藏高原东南部，区域地貌表现为三级夷平面及多级河谷阶地特征，新构造运动主要表现为大面积整体间歇性抬升和以大断裂为边界的断块之间的差异升降运动。这一新构造活动性质形成了研究区强烈下蚀的峡谷地貌形态，造成研究区河谷下蚀过程谷坡应力场的极大调整，从而使谷坡岩体发生了强烈的卸荷拉裂改造。

区域地应力背景资料显示，坝址区谷坡属于高地应力河谷区域。实测最大主应力σ1值高达29.6 MPa，表明研究区属高构造应力场区，且最大主应力方向为NEE向，与河谷近于正交。在这样的地应力条件下，谷坡岩体在河谷下切过程易形成强烈的卸荷回弹。

1　拉裂松动岩体的定义及分布特征

拉裂松动岩体是一种特殊类型的岩体，即指挽近时期以来，在内外动力作用下，发生了应力释放，且在特定的岸坡结构等地质背景下，岩体结构面普遍张开，岩体密度显著下降，岩体整体结构强度急剧降低的一类具有特殊工程地质性状的岩体[1-2]，同时松动岩体未形成统一的边界，具有渐变性及不均一性的特点。

结构面宽张及缓倾角结构面错动后岩体发生剪胀扩容是拉裂松动岩体的宏观地质标志。右岸1号拉裂松动岩体后缘边界呈弧形变化，后缘地表最大高程2 722 m，沿公路顺河出露长度约730 m，方量约808万m3，水平方向最大深度137 m。2号拉裂松动岩体的上游侧边界为NE向的F10断层，下游侧边界为PD45平硐上游浅沟，拉裂松动岩体顺河长约690 m，方量约400万m3，水平方向最大深度116.5 m；推测后缘边界呈弧形，后缘地表最大高程约为2 760 m。

2　拉裂松动岩体的一般特征

(1)结构面大量张开。拉裂松动岩体内各方向结构面均松弛张开，不仅顺河向中、缓倾角结构面普遍拉裂松动，而且近横河向结构面也明显张开。平洞内拉裂缝的条数和张开度随洞深呈跳跃状变化，浅表部密集发育，深部主要受缓倾角断层控制呈密集带形式产出；拉裂缝的张开宽度从2毫米至数十厘米不等。

(2)岩体破碎、架空，洞顶坍塌。拉裂松动岩体多为碎裂结构，岩芯以碎块状为主，局部碎片状。岩芯RQD多小于15%，但松动岩体内局部存在相对较大的岩块，表明松动岩体整体破碎外，局部存在相对紧密段。结构面将岩体切割成大小不同、形态各异的块体，局部架空，充填有岩块、岩屑等，洞壁犬牙交错，岩体突兀，呈“呲牙咧嘴”状，勘探平洞大多需做简易支护后方能成型。

(3)低波速。研究区拉裂松动岩体发育带内平洞及钻孔一般难于取得波速测试资料，平洞中局部测试成果仅代表相对紧密段岩体，钻孔因漏水也未取得资料。故针对这一特殊现象，在平洞中做了地震连续波测试，统计资料表明，拉裂松动岩体中地震连续波波速大值平均值2 700 m/s，小值平均值1 300 m/s，平均值1 900 m/s。

(4)强透水性。拉裂松动岩体强烈漏水，钻孔压水试验不起压，流量多大于100 L/min，同时局部出现数厘米至十余厘米的掉钻，表现为强透水岩带。钻孔地下水位偏低，与河水位持平或略高。平洞内岩体干燥，多无地下水，洞室温度较无拉裂松动岩体发育段明显偏低。

3　拉裂松动岩体的岩体结构特征

研究区谷坡岩体岩性为二长花岗岩，岩石具似斑状～中细粒半自形粒状结构、块状构造，力学强度较高、性脆。在强烈的构造应力挤压作用下，岩石易发生破裂；此外，由于岩石坚硬、强度较高，其储能条件好[3]，在构造应力作用下能积聚较高的弹性应变能，尤其是在强烈卸荷作用下，可发生破裂改造。

右岸特定的岸坡地质结构是拉裂松动岩体形成的基础。右岸岸坡顺坡向缓倾角节理裂隙及断层与陡倾角结构面组合构成坡体特定的地质结构，控制了拉裂松动岩体的发育。右岸谷坡岩体中均发育顺坡中、缓倾角裂隙(N0°～20°W/NE∠10°～30°，N40°～60°W/NE∠35°～55°)或缓倾角断层(N0°～20°W/NE∠10°～30°)，且发育有横河的NE向陡倾角断裂和顺河的NW向陡倾角断裂。因此，谷坡岩体在河谷下切过程强烈卸荷作用下，易以顺坡缓倾角结构面为底滑面发生差异回弹[4-5]错动拉裂或滑移压致拉裂，也易沿中等倾角顺坡结构面发生离面卸荷回弹[4-5]或滑移拉裂变形，从而造成岩体松动。其中，顺河陡倾角结构面(N20°～50°W/NE∠65°～85°)构成卸荷拉裂或滑移(压致)拉裂的后缘切割面，横河陡倾角结构面(N50°～90°W/ SW∠65°～85°、N20°～50°E/NW(SE)∠65°～85°)构成卸荷拉裂或滑移(压致)拉裂侧向割裂面，形成向雅砻江临空方向的松动。

4　拉裂松动岩体的变形特征

4.1沿缓倾角结构面的差异回弹错动

PD01平硐缓倾坡外断层f1-6，作为1号松动岩体上游侧的底界面，其带内物质被压剪挤入上盘裂隙内，局部可见石英脉体强烈扰动或转动迹象(见图1)。f1-6产状为N10°W/NE∠18°，带宽20～40 cm，主要由乳白色石英脉及薄层(局部较厚)糜棱岩条带组成。断面起伏，石英脉呈条带状由裂隙壁向中间生长，内部晶体垂直于断层面生长(见图2)，条带与断面近于一致，石英脉中央还有晶体未长满的晶洞。断裂后期变形主要表现为夷平剥蚀过程的垂向离面卸荷回弹，河谷下切的侧向卸荷过程变形相对较弱。随离面卸荷拉裂的发展，缓倾角拉裂缝中生长石英晶体，晶体垂直于裂面生长，局部形成晶洞；下盘岩体较紧密，派生裂隙仅局部充填细小石英脉；受陡倾角裂隙控制，石英脉具有忽然加宽并向上凸起的现象，也表明断层的变形主要发生于夷平剥蚀过程。在河谷下切侧向卸荷的表生改造过程中，断层发生了轻微的滑移正错，在石英脉表面形成了向河谷方向的擦痕，但断裂未明显错开石英脉充填的对应裂隙，表明后期的变形相对较弱。

图1f1-6断层下游壁127 m处石英脉突然加宽发育特征图2f1-6内条带状石英脉

4.2“板裂状”倾坡内岩体的倾倒弯曲～拉裂变形

PD01平洞57～77 m，岩体呈陡倾坡内板裂结构，产状为N55°～70°W/SW∠60°的陡倾坡内裂隙发育，间距40～70 cm。岩体具有明显的倾倒弯曲变形，发育中缓倾坡外拉裂缝XL23、XL23-1 ，产状为N32°～45°W/NE∠30°～55°，裂隙张开2～3 cm(见图3、4)。表明岩体在高地应力及重力场作用下，发生倾倒弯曲～拉裂变形。

图3PD01平洞69～74m板裂状岩体倾倒变形特征图4PD01平洞板裂状岩体倾倒变形特征素描

4.3蠕滑～拉裂及滑移～压致拉裂

谷坡岩体在河谷下切过程中，在重力作用下，沿中、缓倾角结构面发生蠕滑～拉裂及滑移～压致拉裂，该变形破坏模式为右岸谷坡岩体表生改造的一种主要模式。PD29平洞上游壁130～135 m，中倾坡外裂隙(N25°W/NE∠45°)上盘发育陡倾坡外张开裂隙(N35°W/NE∠80°)，局部呈下宽上窄羽状特征。表现出台阶状滑移压致拉裂变形特征(见图5)。

图5　PD29平洞130～135 m上游壁台阶状滑移压致拉裂示意

4.4滑移剪张

在高地应力释放后重力作用下，岩体沿顺坡缓倾角断层滑移错动过程，在下盘形成开口向上的中陡倾角拉裂缝，或追踪顺坡陡倾角构造节理发生拉裂。由于多条顺坡缓倾角长大结构面的发育，往往形成台阶状的拉裂松动岩体。PD07平洞41～51 m段，发育顺坡缓倾角卸荷裂隙X32(N50°W/NE∠10°～25°)，具有一定板裂化特征。缓倾角裂隙下盘岩体普遍发育剪张裂隙，滑移剪张拉裂变形破裂特征明显(见图6、7)。

5　结　　论

拉裂松动岩体的研究与治理是本工程的技术难点之一。右岸拉裂松动岩体，是处于高地应力条件下具有特定岩体结构的谷坡岩体，在河谷强烈下切过程发生浅表生改造而成。结构面宽张及缓倾角结构面错动后岩体发生剪胀扩容是拉裂松动岩体的宏观地质标志，其本身具有岩体完整性差、松动架空、低波速、强透水性等一般特征。缓倾角断层及长大裂隙控制了拉裂松动岩体的发育，形成了尚未完全贯通的底部边界，表明其发育具有渐变性和不均一性。早期变形特征为岩体沿缓倾角结构面发生向河谷临空方向的差异错动，后期在谷坡重力场作用下，岩体进一步沿顺坡缓倾角结构面发生蠕滑拉裂变形，岩体剪张特征明显；局部陡倾坡内“板裂状”结构岩体表现出倾倒弯曲～拉裂变形特征。