杨房沟水电站左岸拱肩槽f27断层蚀变岩特性及工程实践

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

2 研究区f27断层蚀变岩概况

2.1 蚀变岩形成的地质环境

杨房沟坝址地处雅砻江中游深切河谷地段，大地构造格架上位于川滇菱形块体中北部，断裂发育，地质历史时期岩浆热液活动频繁，于中晚侏罗世～早白垩世岩浆侵入并形成中酸性花岗闪长岩，其后经历了喜山期地块构造活动和新构造运动。构造应力场具有多期次演化的特征，这使得坝址区花岗闪长岩在原生节理的基础上叠加了不同期次的构造节理，表现为节理的相互穿插、切割，以及在多期构造运动和多次应力场演化过程发生的热液交代蚀变、构造蚀变和次生风化蚀变作用。

2.2 蚀变岩分布特征

f27断层主要发育于左岸拱肩槽上游侧边坡部位，中陡倾角展布，斜切左岸坝基，产状：N50°-85°WSW∠55°～65°，宽10cm～15cm，最大20cm，带内为碎块岩、蚀变岩、岩屑充填，沿断层面两侧分布蚀变岩体，建基面(槽挖前)揭露蚀变岩体宽度1.5m～3.9m，墨绿色，蚀变程度强烈，劈理、隐微裂隙发育，局部充填方解石细脉，岩体破碎，呈透镜体状分布，见图1。

图1 坝基f27断层及蚀变带槽挖前情况

设计针对坝基f27断层及蚀变带采取槽挖回填混凝土进行处理，槽挖宽度约4.8m～10.9m，深度约4m，开挖后槽底f27断层两侧蚀变岩体宽0.5m～1.1m，蚀变程度较弱，见图2。总体上f27断层蚀变带宽度往坝基深部逐渐缩窄，蚀变程度逐渐减弱。

图2 坝基f27断层及蚀变岩槽挖处理后情况

3 蚀变岩矿物学特征

3.1 薄片鉴定特征

本次研究针对坝基花岗闪长岩原岩及f27断层蚀变岩进行了薄片鉴定，其中蚀变岩样取自左岸坝基建基面高程约1970m处。薄片鉴定可知，蚀变岩具半自形中细粒花岗结构，块状构造。成分包括：斜长石>25%，钾长石>20%，石英>20%，绿泥石>10%，黑云母<5%，角闪石<5%。其中，黑云母已基本蚀变为绿泥石、绿帘石，见图3。

(a)角闪石部分蚀变为绿泥石(单偏光)

(b)角闪石完全蚀变为绿泥石，残留其假象(正交偏光)

3.2 X射线粉晶衍射

X射线粉晶衍射是分析岩石矿物组成的重要手段，也是鉴定粘土矿物的有力工具。针对坝基f27断层蚀变岩进行X射线粉晶衍射实验，主要针对构造蚀变带的不同部位、不同蚀变程度的蚀变岩样品进行测试，共计20件，由于篇幅所限，仅给出部分XRD图谱，见图4，矿物成分分析结果见表1。从分析结果可得出，断层蚀变岩的矿物成分以绿泥石、石英、斜长石、钾长石、角闪石为主，含少量高岭石和伊利石，所有试件均不含蒙脱石，个别样品中含阳起石和黑云母，这与薄片鉴定结果一致。

图4 f27断层蚀变试样X衍射

表1 f27断层蚀变岩X射线粉晶衍射定量分析结果

4 蚀变岩物理力学特性

本次研究以f27断层蚀变岩为研究对象，通过多种室内试验手段，对断层蚀变岩物理力学特性进行研究，试验方法及操作步骤参照《水利水电工程岩石试验规程》(DL-T 5368-2007)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)。

4.1 物理性质

4.1.1 含水率、吸水性试验

分别对12组蚀变岩岩样进行了含水率、吸水性的试验工作，测得含水率较低，在1.56%～2.43%之间；吸水率介于2.43%～2.67%之间，饱和吸水率介于2.65%～2.86%之间。饱和吸水率是岩石孔隙性以及矿物吸水性的综合反映，由于坝基断层蚀变岩矿物成分并不含有蒙脱石等强吸水性矿物，因此饱和吸水性反映了蚀变岩的孔隙发育情况，饱和吸水率越高，表明岩石内部孔隙越发育。

4.1.2 膨胀性试验

膨胀性试验成果见表2，由表可知，坝基断层蚀变岩轴向、径向自由膨胀率很小，所有试件均不超过1%。膨胀性测试成果与前文中X射线粉晶衍射实验成果一致，坝基断层蚀变岩不含强膨胀性粘土矿物蒙脱石，因此基本不具膨胀性。

表2 坝基断层蚀变岩膨胀性试验成果

4.1.3 耐崩解性试验

岩石耐崩解性试验共进行5次循环，称取筛筒和每次循环后残留试件的质量，描述5次循环后的试件特征，计算得到岩石耐崩解性指数。各试件在经过5次耐崩解循环后质量均显著下降，表现出一定的崩解性，属中等耐久性岩石。从崩解后的残留试样形态来看，呈块状崩解或片状开裂，残留物为碎岩片或碎岩块。随着耐崩解试验循环次数增加，蚀变岩的耐崩解性指数呈指数关系降低，降幅主要发生于前三次循环，并以第一次干湿循环所致降幅最大，见图5。

图5 耐崩解指数与循环次数的关系

4.2 力学性质

4.2.1 单轴压缩试验

试验在微机液压压力试验机上进行，采用φ50×100mm的标准试件，对f27断层蚀变岩进行了天然条件下的单轴抗压强度与压缩变形试验，试验得出：取自建基面的蚀变岩天然样单轴抗压强度均值在6.81MPa～9.40MPa之间，饱和样单轴抗压强度均值2.02MPa～3.70MPa；而取自刻槽底部的蚀变岩天然样单轴抗压强度均值为54.46MPa，饱和样单轴抗压强度均值为34.59MPa。蚀变岩单轴压缩变形试验得出试样破坏形态及应力-应变曲线见图6，同时获取弹性模量，建基面试样在0.89GPa～1.72GPa之间，刻槽底部的蚀变岩试样在7.39GPa～17.81GPa之间，说明不同位置试样的弹性模量差异较大。

图6 单轴压缩试验试样破坏形态及应力-应变曲线

4.2.2 常规三轴试验

试验在MTS815程控伺服刚性试验系统上进行，采用轴向位移控制。加载速率为0.1mm/min。根据取样点位置的现场地应力条件，选定侧压力最大值为15MPa，每组试验分为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa五个侧压力级数，获取曲线见图7、图8。随着围压的增大，蚀变岩抗压强度逐渐提高，蚀变岩天然抗压强度在160MPa左右，饱和抗压强度在117MPa左右。f27断层蚀变岩天然样内摩擦角均值为51.23°，粘聚力均值为9.72MPa；饱和样内摩擦角均值为41.45°，粘聚力为13.37MPa。饱和条件下，蚀变岩内摩擦角较天然条件下降低约10°，而粘聚力相差不大。同时，不同围压的蚀变岩弹性模量相差总体不大。

图7 天然样三轴压缩试验曲线

图8 饱和样三轴压缩试验曲线

5 对工程影响及处理方案

5.1 坝基变形、渗透稳定

f27断层蚀变岩饱和单轴抗压强度较原岩明显降低，降幅可达60%，且岩体破碎程度较高，可划分为Ⅲ2～Ⅳ类岩体，抗变形能力显著减弱，承载后可能出现较大压缩变形，造成坝基岩体不均匀变形，对大坝的稳定性产生一定的影响；蚀变岩为碎裂结构，裂隙、孔隙十分发育，且蚀变作用大大削弱了矿物颗粒间的连接力，导致岩石允许渗透坡降降低，可产生渗透变形破坏，从而影响工程安全。

5.2 处理方案

5.2.1 槽挖回填混凝土

根据蚀变岩特性，考虑到蓄水后坝体变形及渗透稳定影响，采取槽挖回填混凝土+加强固结灌浆+加强帷幕灌浆调整坝基排水的措施，具体方案如下：

(1)在高程1947m～1990m断层f27蚀变岩部位进行无盖重固结灌浆，同步进行槽挖施工，爆破时机及药量需考虑对固结灌浆的影响，质点振动速度应满足要求；

(2)刻槽基础面验收合格后，浇筑回填混凝土，固结灌浆孔位预埋φ65钢管；

(3)回填混凝土达到设计强度的50%后，对槽挖回填混凝土部位进行混凝土盖重固结灌浆；

(4)对槽挖回填混凝土部位基岩面0m～4m段在混凝土盖重固结灌浆孔间重新钻孔，布置引管至坝后贴角或监理工程师指示其它部位；

(5)在上部大坝混凝土浇筑高度达到30m后且当相应坝段的横缝接缝灌浆结束3d后，进行混凝土盖重引管灌浆。

5.2.2 处理后效果评价

左岸坝基f27断层蚀变带进行槽挖回填混凝土之后，坝基综合变形模量提高幅度为0.6GPa～0.8GPa，具体变化见表3。

表3 左岸坝基f27蚀变带槽挖回填处理前后综合变形模量计算成果表

经有限元数值计算表明，左岸坝基f27蚀变带槽挖回填混凝土后，坝体位移变化很小，变化幅度都在1%以下，其中坝体径向位移略有减小。坝体切向位移、坝基位移基本无变化。坝面位移整体均匀，拱冠梁附近变位最大，向两岸逐渐变小，左右岸变形基本对称，且整个坝面变形较协调。同时，左岸坝基高程1990m～1947m变形模量各浮动方案坝体应力满足设计要求，且有较大的安全裕度，拱坝设计体形具有较强的适应坝基变模浮动变化的能力。

6 结语

本文通过研究f27蚀变岩的形成环境、分布特征，结合多种室内试验手段，对断层蚀变岩物理力学特性进行研究，取得如下认识：

(1)镜下薄片鉴定、X射线粉晶衍射实验分析及膨胀性测试结果均表明f27断层蚀变岩不含强吸水性粘土矿物蒙脱石，因此，该蚀变岩基本不具有膨胀性；

(2)水对蚀变岩强度影响显著，采自建基面表面的劈理、隐微裂隙发育的强蚀变岩与采自刻槽底部的蚀变岩相比，单轴抗压强度、刚度、弹性模量差别显著，从建基面向深部，蚀变岩上述力学参数大幅提高；

(3)f27断层蚀变岩单轴抗压强度与岩石的蚀变程度、绿泥石等蚀变粘土矿物含量、蚀变岩的结构构造等因素有关，开挖卸荷、地表水的浸泡及风化等是造成建基面处蚀变岩强度急剧降低的重要原因；

(4)为保证水电工程运行安全，对f27断层蚀变带采取槽挖回填混凝土+加强固结灌浆+加强帷幕灌浆调整坝基排水的处理措施，处理后效果较好，满足工程长期稳定要求。