楊房溝水電站左岸拱肩槽f27斷層蝕變巖特性及工程實踐

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

2 研究區f27斷層蝕變巖概況

2.1 蝕變巖形成的地質環境

楊房溝壩址地處雅礱江中游深切河谷地段，大地構造格架上位于川滇菱形塊體中北部，斷裂發育，地質歷史時期巖漿熱液活動頻繁，于中晚侏羅世～早白堊世巖漿侵入并形成中酸性花崗閃長巖，其后經歷了喜山期地塊構造活動和新構造運動。構造應力場具有多期次演化的特征，這使得壩址區花崗閃長巖在原生節理的基礎上疊加了不同期次的構造節理，表現為節理的相互穿插、切割，以及在多期構造運動和多次應力場演化過程發生的熱液交代蝕變、構造蝕變和次生風化蝕變作用。

2.2 蝕變巖分布特征

f27斷層主要發育于左岸拱肩槽上游側邊坡部位，中陡傾角展布，斜切左岸壩基，產狀：N50°-85°WSW∠55°～65°，寬10cm～15cm，最大20cm，帶內為碎塊巖、蝕變巖、巖屑充填，沿斷層面兩側分布蝕變巖體，建基面(槽挖前)揭露蝕變巖體寬度1.5m～3.9m，墨綠色，蝕變程度強烈，劈理、隱微裂隙發育，局部充填方解石細脈，巖體破碎，呈透鏡體狀分布，見圖1。

圖1 壩基f27斷層及蝕變帶槽挖前情況

設計針對壩基f27斷層及蝕變帶采取槽挖回填混凝土進行處理，槽挖寬度約4.8m～10.9m，深度約4m，開挖后槽底f27斷層兩側蝕變巖體寬0.5m～1.1m，蝕變程度較弱，見圖2?？傮w上f27斷層蝕變帶寬度往壩基深部逐漸縮窄，蝕變程度逐漸減弱。

圖2 壩基f27斷層及蝕變巖槽挖處理后情況

3 蝕變巖礦物學特征

3.1 薄片鑒定特征

本次研究針對壩基花崗閃長巖原巖及f27斷層蝕變巖進行了薄片鑒定，其中蝕變巖樣取自左岸壩基建基面高程約1970m處。薄片鑒定可知，蝕變巖具半自形中細?；◢徑Y構，塊狀構造。成分包括：斜長石>25%，鉀長石>20%，石英>20%，綠泥石>10%，黑云母<5%，角閃石<5%。其中，黑云母已基本蝕變為綠泥石、綠簾石，見圖3。

(a)角閃石部分蝕變為綠泥石(單偏光)

(b)角閃石完全蝕變為綠泥石，殘留其假象(正交偏光)

3.2 X射線粉晶衍射

X射線粉晶衍射是分析巖石礦物組成的重要手段，也是鑒定粘土礦物的有力工具。針對壩基f27斷層蝕變巖進行X射線粉晶衍射實驗，主要針對構造蝕變帶的不同部位、不同蝕變程度的蝕變巖樣品進行測試，共計20件，由于篇幅所限，僅給出部分XRD圖譜，見圖4，礦物成分分析結果見表1。從分析結果可得出，斷層蝕變巖的礦物成分以綠泥石、石英、斜長石、鉀長石、角閃石為主，含少量高嶺石和伊利石，所有試件均不含蒙脫石，個別樣品中含陽起石和黑云母，這與薄片鑒定結果一致。

圖4 f27斷層蝕變試樣X衍射

表1 f27斷層蝕變巖X射線粉晶衍射定量分析結果

4 蝕變巖物理力學特性

本次研究以f27斷層蝕變巖為研究對象，通過多種室內試驗手段，對斷層蝕變巖物理力學特性進行研究，試驗方法及操作步驟參照《水利水電工程巖石試驗規程》(DL-T 5368-2007)、《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)。

4.1 物理性質

4.1.1 含水率、吸水性試驗

分別對12組蝕變巖巖樣進行了含水率、吸水性的試驗工作，測得含水率較低，在1.56%～2.43%之間；吸水率介于2.43%～2.67%之間，飽和吸水率介于2.65%～2.86%之間。飽和吸水率是巖石孔隙性以及礦物吸水性的綜合反映，由于壩基斷層蝕變巖礦物成分并不含有蒙脫石等強吸水性礦物，因此飽和吸水性反映了蝕變巖的孔隙發育情況，飽和吸水率越高，表明巖石內部孔隙越發育。

4.1.2 膨脹性試驗

膨脹性試驗成果見表2，由表可知，壩基斷層蝕變巖軸向、徑向自由膨脹率很小，所有試件均不超過1%。膨脹性測試成果與前文中X射線粉晶衍射實驗成果一致，壩基斷層蝕變巖不含強膨脹性粘土礦物蒙脫石，因此基本不具膨脹性。

表2 壩基斷層蝕變巖膨脹性試驗成果

4.1.3 耐崩解性試驗

巖石耐崩解性試驗共進行5次循環，稱取篩筒和每次循環后殘留試件的質量，描述5次循環后的試件特征，計算得到巖石耐崩解性指數。各試件在經過5次耐崩解循環后質量均顯著下降，表現出一定的崩解性，屬中等耐久性巖石。從崩解后的殘留試樣形態來看，呈塊狀崩解或片狀開裂，殘留物為碎巖片或碎巖塊。隨著耐崩解試驗循環次數增加，蝕變巖的耐崩解性指數呈指數關系降低，降幅主要發生于前三次循環，并以第一次干濕循環所致降幅最大，見圖5。

圖5 耐崩解指數與循環次數的關系

4.2 力學性質

4.2.1 單軸壓縮試驗

試驗在微機液壓壓力試驗機上進行，采用φ50×100mm的標準試件，對f27斷層蝕變巖進行了天然條件下的單軸抗壓強度與壓縮變形試驗，試驗得出：取自建基面的蝕變巖天然樣單軸抗壓強度均值在6.81MPa～9.40MPa之間，飽和樣單軸抗壓強度均值2.02MPa～3.70MPa；而取自刻槽底部的蝕變巖天然樣單軸抗壓強度均值為54.46MPa，飽和樣單軸抗壓強度均值為34.59MPa。蝕變巖單軸壓縮變形試驗得出試樣破壞形態及應力-應變曲線見圖6，同時獲取彈性模量，建基面試樣在0.89GPa～1.72GPa之間，刻槽底部的蝕變巖試樣在7.39GPa～17.81GPa之間，說明不同位置試樣的彈性模量差異較大。

圖6 單軸壓縮試驗試樣破壞形態及應力-應變曲線

4.2.2 常規三軸試驗

試驗在MTS815程控伺服剛性試驗系統上進行，采用軸向位移控制。加載速率為0.1mm/min。根據取樣點位置的現場地應力條件，選定側壓力最大值為15MPa，每組試驗分為3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa五個側壓力級數，獲取曲線見圖7、圖8。隨著圍壓的增大，蝕變巖抗壓強度逐漸提高，蝕變巖天然抗壓強度在160MPa左右，飽和抗壓強度在117MPa左右。f27斷層蝕變巖天然樣內摩擦角均值為51.23°，粘聚力均值為9.72MPa；飽和樣內摩擦角均值為41.45°，粘聚力為13.37MPa。飽和條件下，蝕變巖內摩擦角較天然條件下降低約10°，而粘聚力相差不大。同時，不同圍壓的蝕變巖彈性模量相差總體不大。

圖7 天然樣三軸壓縮試驗曲線

圖8 飽和樣三軸壓縮試驗曲線

5 對工程影響及處理方案

5.1 壩基變形、滲透穩定

f27斷層蝕變巖飽和單軸抗壓強度較原巖明顯降低，降幅可達60%，且巖體破碎程度較高，可劃分為Ⅲ2～Ⅳ類巖體，抗變形能力顯著減弱，承載后可能出現較大壓縮變形，造成壩基巖體不均勻變形，對大壩的穩定性產生一定的影響；蝕變巖為碎裂結構，裂隙、孔隙十分發育，且蝕變作用大大削弱了礦物顆粒間的連接力，導致巖石允許滲透坡降降低，可產生滲透變形破壞，從而影響工程安全。

5.2 處理方案

5.2.1 槽挖回填混凝土

根據蝕變巖特性，考慮到蓄水后壩體變形及滲透穩定影響，采取槽挖回填混凝土+加強固結灌漿+加強帷幕灌漿調整壩基排水的措施，具體方案如下：

(1)在高程1947m～1990m斷層f27蝕變巖部位進行無蓋重固結灌漿，同步進行槽挖施工，爆破時機及藥量需考慮對固結灌漿的影響，質點振動速度應滿足要求；

(2)刻槽基礎面驗收合格后，澆筑回填混凝土，固結灌漿孔位預埋φ65鋼管；

(3)回填混凝土達到設計強度的50%后，對槽挖回填混凝土部位進行混凝土蓋重固結灌漿；

(4)對槽挖回填混凝土部位基巖面0m～4m段在混凝土蓋重固結灌漿孔間重新鉆孔，布置引管至壩后貼角或監理工程師指示其它部位；

(5)在上部大壩混凝土澆筑高度達到30m后且當相應壩段的橫縫接縫灌漿結束3d后，進行混凝土蓋重引管灌漿。

5.2.2 處理后效果評價

左岸壩基f27斷層蝕變帶進行槽挖回填混凝土之后，壩基綜合變形模量提高幅度為0.6GPa～0.8GPa，具體變化見表3。

表3 左岸壩基f27蝕變帶槽挖回填處理前后綜合變形模量計算成果表

經有限元數值計算表明，左岸壩基f27蝕變帶槽挖回填混凝土后，壩體位移變化很小，變化幅度都在1%以下，其中壩體徑向位移略有減小。壩體切向位移、壩基位移基本無變化。壩面位移整體均勻，拱冠梁附近變位最大，向兩岸逐漸變小，左右岸變形基本對稱，且整個壩面變形較協調。同時，左岸壩基高程1990m～1947m變形模量各浮動方案壩體應力滿足設計要求，且有較大的安全裕度，拱壩設計體形具有較強的適應壩基變模浮動變化的能力。

6 結語

本文通過研究f27蝕變巖的形成環境、分布特征，結合多種室內試驗手段，對斷層蝕變巖物理力學特性進行研究，取得如下認識：

(1)鏡下薄片鑒定、X射線粉晶衍射實驗分析及膨脹性測試結果均表明f27斷層蝕變巖不含強吸水性粘土礦物蒙脫石，因此，該蝕變巖基本不具有膨脹性；

(2)水對蝕變巖強度影響顯著，采自建基面表面的劈理、隱微裂隙發育的強蝕變巖與采自刻槽底部的蝕變巖相比，單軸抗壓強度、剛度、彈性模量差別顯著，從建基面向深部，蝕變巖上述力學參數大幅提高；

(3)f27斷層蝕變巖單軸抗壓強度與巖石的蝕變程度、綠泥石等蝕變粘土礦物含量、蝕變巖的結構構造等因素有關，開挖卸荷、地表水的浸泡及風化等是造成建基面處蝕變巖強度急劇降低的重要原因；

(4)為保證水電工程運行安全，對f27斷層蝕變帶采取槽挖回填混凝土+加強固結灌漿+加強帷幕灌漿調整壩基排水的處理措施，處理后效果較好，滿足工程長期穩定要求。