某坝址区层间剪切带工程地质特征研究

2022-10-31张方涛杜治洲黄淦成

水电与新能源 2022年10期

李锐，李琦，张方涛，杜治洲*，黄淦成，方彬

(1. 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064； 2. 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

层间剪切带通常是指夹在硬岩之间的软弱岩石由于受构造挤压作用，发生层间剪切错动使原岩结构遭到破坏而形成的一种工程性状差的软弱结构面[1-5]。作为一种特殊的软弱结构面，因直接威胁到水利水电工程坝基、边坡、洞室围岩的稳定性而受到了工程人员及科研学者的广泛关注。本文针对姚家平水利枢纽坝址区具典型特征且对坝基、边坡等稳定性有重要影响的层间剪切带，采用理论分析、室内及原位试验和工程类比等手段，研究了其发育特征、分布情况及力学性质，研究成果为姚家平水利枢纽各种水工建筑物的设计提供了详尽的地质资料，对今后类似水利水电工程的建设也有重要的参考价值。

1 工程区地质概况

姚家平水利枢纽工程位于湖北省恩施市屯堡乡马者村，距下游恩施市约38 km，工程采用对数螺旋线形双曲拱坝，建基面高程575.0 m，最大坝高175.0 m。工程的开发任务为防洪和发电，工程建成后，通过与清江下游水库、堤防工程联合运用，可有效控制洪水、削减洪峰，是解决恩施州城区防洪问题不可替代的控制性工程，已列入水利部近3年拟开工建设的150项重大水利工程名录。

姚家平水利枢纽工程坝址位于尖山坪向斜的北东扬起端，为单斜构造(见图1)，清江流向NE55°。受黄陵地块阻挡，折转为近东西向构造，与北北东向构造带同属新华第三隆起带的西南部分。区内褶皱属典型的“隔挡式”褶皱的组合形态，即背斜紧闭、向斜平缓开阔。近场区主要发育一组NNE-NE向断裂，并且多集中于近场区东部一带，其中屯堡-建始断裂、恩施断裂规模较大，构成中新生代盆地边界，基本控制白垩纪红层堆积，地震危险性对工程坝址有一定影响。其他断裂分布零散，规模不大，在坝址区未见规模较大的断层。

图1 姚家平水利枢纽工程坝址区区域地质简图

坝区出露的地层除第四系外，基岩地层主要为二叠系上统大隆组(P2d)、三叠系下统大冶组(T1d)和三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1)。其中T1d是坝区主要的建基岩体，总厚大于900 m，按岩性组合特征可分为三段。其中，T1d上段(T1d3)厚550 m，上部为灰色中厚层及厚层状微晶灰岩，下部为灰色中厚夹厚层状微晶灰岩及泥灰岩条带；T1d中段(T1d2)厚184 m，为灰色薄层夹中厚层微晶灰岩，层间多夹极薄层泥灰岩条带和少量钙质页岩；T1d下段(T1d1)厚174.5 m，为灰色薄层—极薄层微晶灰岩夹泥灰岩条带和少量极薄层钙质页岩、炭质页岩，偶夹中厚层微晶灰岩。该段下部页岩含量较多，局部呈互层状。

2 层间剪切带发育特征

坝址区两岸岸坡形态差异较大，左岸相对平缓开阔，右岸相对陡峭险峻，但760 m高程以下，两岸呈基本对称的“V”型谷，高宽比约为1∶2。姚家平坝址区主要沉积T1d薄～中厚层微晶灰岩夹泥灰岩、页岩、炭质页岩条带，泥灰岩、页岩、炭质页岩属软岩，灰岩属中硬岩，岩层总体倾向SWW，倾角8°～12°，主要为缓倾角岩层。坝址区大冶组灰岩岩质软硬不均，在后期构造作用下岩体内软弱夹层易沿软岩与硬岩界面、或软岩自身层面产生层间挤压错动，并经风化和地下水作用而形成宽窄不一、性状各异的构造型软弱夹层，即层间剪切带。

2.1 层间剪切带分类

根据姚家平坝址区岩体沉积特征及层间剪切带发育性状，主要将层间剪切带分为原生型夹层与构造型夹层，其中构造型夹层根据夹层内泥化发育特征又分为三类，主要特征如下：

(1)构造型

泥化夹层(Ⅰ)。主要分为泥型(Ⅰ1)和泥夹岩屑型(Ⅰ2)。Ⅰ1型：主要分布于T1d1层，为顺层剪切错动形成，带宽大于20 cm，剪切作用充分、发育完全带内可分为节理带、劈理带和泥化带，泥化带贯通性好；Ⅰ2型：主要分布于T1d1-2层，带内为泥化的页岩及泥灰岩条带夹片状、角砾状岩屑，泥化层厚度不均，且分布不连续，总体性状较差。

岩屑夹泥型(Ⅱ)。主要分布于T1d1-3层，带内为角砾状泥灰岩或片状页岩夹泥质，局部充填方解石脉，剪切面不连续、断续附泥膜，总体性状较好。

(2)原生型(Ⅲ)

层面闭合紧密，主要分布于T1d1-3层，为岩层中岩性界面，微经构造破坏，结合紧密，较平直，局部地下水活跃或卸荷裂隙发育段性状略差，遍布整个坝址区。

根据平硐测绘及钻孔揭示成果，坝区主要的剪切带发育特征见表1，剪切带实景图见图2。

表1 坝址区主要剪切带特征一览表

图2 剪切带实景图

除以上6条规模较大剪切带外，坝址区两岸平硐(高程600～760 m)尚揭露了其他规模不等的小型剪切带，剪切带厚度多在1～3 cm左右，带内岩性主要为极薄层灰岩、页岩或泥灰岩条带，剪切带贯穿性较差，仅局部泥化，剪切带两侧岩体未见明显错动痕迹，结合良好，均属剪切发育不完全的Ⅱ类及Ⅲ类原生泥灰岩或页岩夹层。

综合分析以上成果，坝址区层间剪切带呈现以下特征：

1)层间剪切带在各岩性分界处呈密集产出。坝址区高程600 m、高程780 m分别为T1d1与T1d2、T1d1与T1d3的岩性分界处，两个高程处均因沉积环境的变化而形成以层间剪切带为标志的分界线，其中，高程600 m处的剪切带多成组出现，单层厚度大于2 cm。

2)层间剪切带发育程度与岩体结构、岩质软硬程度息息相关，具体表现为：岩层越薄，页岩及泥灰岩条带等软弱夹层含量越高的剪切带越发育。坝址区T1d1(出露高程600 m以下)为薄层灰岩夹页岩，软岩含量局部可达40%，层厚一般6～10 cm，剪切作用发育完全的Ⅰ类主要发育其中；而T1d2(出露高程610～780 m)为薄～中厚层灰岩夹页岩，软岩含量约10%～20%，主要发育Ⅱ类；T1d3(出露高程780 m以上)为中厚层灰岩夹泥灰岩条带，主要发育Ⅱ类；工程地质条件较好的Ⅲ类原生型夹层则遍布坝址区。

2.2 层间剪切带矿物成分

为了进一步从微观方面了解层间剪切带的基本特征，对具代表性的剪切带的扰动样品，采用美国伊诺斯便携式X射线衍射仪XRD-Terra进行了岩矿成分分析，主要结论如下：

1)Ⅰ1和Ⅰ2类的矿物成分基本相同，为石英、钠长石、伊利石及方解石，其中Ⅰ2类不含高岭石；Ⅰ2类的矿物成分主要以石英和方解石为主，占总含量64.7%～73.7%，含量明显高于Ⅰ1类；

2)Ⅱ类均含有石英和方解石，但发育在不同位置的Ⅱ类其矿物成分也不尽相同，且同一剪切带的矿物成分分布不均，取样位置不同，矿物成分差异较大；Ⅲ类的矿物成分较为单一，其主要成分为方解石(占总含量的63.0%～67.9%)，石英和高岭石次之；

3)不同类型层间剪切带的成分结晶度总体呈如下规律：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ2>Ⅰ1，岩层工程地质性状越好，其矿物成分结晶度越高。

3 层间剪切带物理力学性质

通过对代表性的层间剪切带采取原位抗剪强度试验，并结合规范推荐以及工程类比两种途径，综合确定了姚家平水利枢纽区层间剪切带的剪切强度参数。

3.1 原位试验及成果分析

参考《水利水电工程岩石试验规程》(SL/T264-2020)中7.3章节岩体直剪试验相关规程，采用平推法针对发育在坝址河床左岸PD2、PD23、PD1平硐的工程性状较差的Ⅰ类进行了剪切带抗剪断强度试验，试验剪切带为T1d1地层中的J311、J314和J315，其岩性主要为遭受了剪切破坏的页岩与炭质页岩，试验结果如下：

J311：Ⅰ2类，其抗剪断强度参数峰值为f′=0.418，C′=0.09 MPa；屈服值为f′=0.296，C′=0.045 MPa。抗剪强度f=0.388，C=0.78 MPa；屈服值为f=0.245，C=0.031 MPa。

J314：Ⅰ1类，其抗剪断强度参数峰值为f′=0.354，C′=0.053 MPa；屈服值为f′=0.249，C′=0.042 MPa。抗剪强度f=0.311，C=0.044 MPa；屈服值为f=0.203，C=0.035 MPa。

J315：Ⅰ1类，其抗剪断强度参数峰值为f′=0.259，C′=0.042 MPa；屈服值为f′=0.189，C′=0.025 MPa。抗剪强度f=0.240，C=0.03 MPa；屈服值为f=0.173，C=0.02 MPa。

因此，姚家平坝址区层间剪切带剪切强度参数取值如下：①Ⅰ1类：抗剪断强度参数为f′=0.26～0.35，C′=0.048 MPa；抗剪强度为f=0.188，C=0.028 MPa。②Ⅰ2类：抗剪断强度参数为f′=0.418，C′=0.09 MPa；抗剪强度为f=0.245，C=0.031 MPa。

层间剪切带地质特征、矿物组成及力学性质的关联分析：

试验结果可得，Ⅰ1类的抗剪(断)强度要差于Ⅰ2类，很可能是由于Ⅰ1类泥化层连续发育且厚度较大，Ⅰ2类矿物组成中石英及方解石这种强度较好的成分含量更高，且结晶度更好，因此Ⅰ2类的工程地质性状更好，其力学强度也更高。

J314和J315均为Ⅰ1类，带内岩性均为深灰、灰黑色炭质页岩夹灰岩，岩体风化程度相当，地下水不活跃，但J315带内可见2层顺层发育的软塑状泥化夹层，相对于J314来讲工程地质性状更差，因此抗剪(断)强度更低。

3.2 规范推荐值

参考《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录表E.0.5推荐的软弱结构面强度参数经验取值，得出姚家平水利枢纽工程坝址区各类结构面强度参数取值，如下：

Ⅰ1类：抗剪断强度参数值为f′=0.18～0.25，C′=0.005～0.01 MPa，抗剪强度f=0.18～0.22。

Ⅰ2类：抗剪断强度参数值为f′=0.26～0.30，C′=0.03 MPa，抗剪强度f=0.25。

Ⅱ类：抗剪断强度参数值为f′=0.40，C′=0.06 MPa，抗剪强度f=0.32。

3.3 工程类比取值

为更有针对性的确定姚家平水利枢纽坝址区层间剪切带强度参数，收集了省内部分水利水电工程相关物理力学参数取值进行类比(见表2)。

表2 部分工程实例层间剪切带强度参数表

由表2可知车坝河一级水库层间剪切带成分为泥化的页岩夹层，与本工程Ⅰ1类成分相似，类比依据较充分，据此，本工程Ⅰ1类可类比车坝河一级水库泥化页岩夹层的强度指标，即抗剪断强度f′=0.24，C′=0.01 MPa；抗剪强度f=0.20，C=0.005 MPa。宣恩洞坪电站与姚家平水利枢纽同位于三叠系大冶组薄～中厚层灰岩夹薄层泥灰岩、炭质页岩中，其层间剪切带在

地质背景、形成机制等方面较为相似，类比依据较充分。据此，本工程Ⅰ2类可类比洞坪电站泥化夹层的强度指标，即抗剪断强度f′=0.31，C′=0.13 MPa；抗剪强度f=0.24，C=0.02 MPa。

综合以上三种参数分析方法，最终确定姚家平水利枢纽坝址区三类层间剪切带强度参数建议值如下：

Ⅰ1类：抗剪断强度参数值为f′=0.20～0.26，C′=0.02 MPa，抗剪强度f=0.20，C=0.01 MPa。

Ⅰ2类：抗剪断强度参数值为f′=0.26～0.30，C′=0.07 MPa，抗剪强度f=0.25，C=0.01 MPa。

Ⅱ类：抗剪断强度参数值为f′=0.31～0.40，C′=0.08 MPa，抗剪强度f=0.28，C=0.01 MPa。