楊房溝水電站左岸壩基斷層蝕變巖蝕變特征與工程特性研究

段偉鋒，燕俊松，楊日昌，沈軍輝

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

1 引言

近年來，國內一些大型水電、隧道工程建設頻繁遇到巖體蝕變問題[1-4]。作為一種特殊的巖石，蝕變巖的礦物組成和微觀結構在成巖后期構造、熱液、淺表生改造等內外動力地質作用下發生了顯著改變，造成其工程性狀較原巖顯著不同。研究蝕變巖的礦物巖石學特征是理解其工程性狀發生變化的關鍵。苗朝等[5]對大崗山壩區輝綠巖蝕變泥化特征進行了研究，結果表明蝕變巖含大量黏土礦物，且具有多孔隙空洞的微觀結構特征，其力學性質較原巖顯著劣化；魏偉等[6]將孟底溝水電站黏土化蝕變巖與斷層泥物質進行了對比研究，結果表明黏土化蝕變巖和斷層泥具有相似的物質組成和力學性狀；史永躍等[7]對某地下油庫蝕變巖進行了研究，結果表明蝕變在巖石內部形成了蒙脫石，使巖石具有弱膨脹性；Zhang等[8]研究Denghuazhai隧道花崗巖、凝灰巖接觸變質帶的巖石蝕變特征，并針對蝕變帶涌水突泥災害提出了防治建議。然而這些研究未能很好地展現不同蝕變程度下，巖石礦物組成、微觀結構以及工程性質的變化。

楊房溝水電站是雅礱江中游河段規劃的第6級梯級電站。該電站由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發電系統等主要建筑物組成，最大壩高155 m，裝機容量1 500 MW，為一類大(1)型工程。然而左岸壩基巖體內發育的f27斷層蝕變帶構成了主要的地質缺陷。本文就該蝕變帶巖石蝕變特征及工程特性進行研究，針對不同蝕變程度巖石開展了系統的礦物巖石學和物理力學性質測試，在此基礎上提出了蝕變帶工程處理方案，并采用三維有限元數值模擬對處理方案進行了論證，其結果對于保證大壩安全建設和運行具有重要的現實意義，同時也豐富了巖石蝕變及其工程影響方面的認識。

2 蝕變巖宏觀特征

楊房溝水電站地處青藏高原東緣的松潘-甘孜造山帶南部(圖1)，壩基巖體為燕山期侵入的灰白色花崗閃長巖。壩區構造簡單，以中小型斷層和節理為主。完整新鮮的花崗閃長巖工程性狀良好，然而鉆探、開挖揭示，左岸壩基巖體內沿斷層f27發育中等規模蝕變帶。蝕變帶寬1.5～3.9 m，在高程1 947～2 000 m之間斜切左岸壩基。通過現場調研，根據蝕變巖宏觀地質特征(顏色、變形程度、錘擊聲等)可將蝕變帶劃分為中等蝕變和強蝕變兩個亞帶(圖2)。

圖1 區域構造綱要圖

圖2 蝕變巖分帶性示意圖

中等蝕變巖分布于蝕變帶的靠外側部位，在斷層下盤發育寬度0.6～2 m，上盤發育寬度僅0.2～0.6 m，與原巖花崗閃長巖以斷層同組長大節理分界。中等蝕變巖呈灰綠色，碎裂變形，節理裂隙發育，錘擊聲多較脆，局部聲悶(圖3)。中等蝕變巖向內側過度為強蝕變巖。強蝕變巖在斷層兩側均有分布，總寬度一般為0.2～0.4 m，較寬處0.6 m，呈深綠色，碎裂變形強烈，局部劈理化，錘擊聲悶-啞。

圖3 蝕變巖宏觀特征

基于對蝕變巖宏觀地質特征的認識，在壩基開挖面上采集新鮮巖樣用于室內礦物巖石學和物理力學性質測試。采集樣品包括花崗閃長巖原巖、中等蝕變巖及強蝕變巖，塊度一般在0.2～0.4 m左右。樣品采集后立即用塑料薄膜密封，并小心運往實驗室。

3 蝕變巖礦物巖石學特征

制備巖石薄片，在光學顯微鏡下對各樣品的巖石學特征進行觀察，重點關注礦物蝕變特征以及巖石微觀結構的變化，各樣品巖石學特征描述如下：

(1) 原巖花崗閃長巖

原巖為中細粒各向同性巖石，主要礦物組成為石英(20%～30%)、斜長石(30%～40%)、鉀長石(10%～20%)、黑云母(5%～10%)及角閃石(10%～15%)，半自形嵌晶結構；可見斜長石輕微絹云母化，黑云母少量綠泥石化，晶體顆粒緊密焊接，邊界清晰銳利；僅石英、鉀長石晶體內部發育少量微裂隙(圖4a)。

(2) 中等蝕變巖

中等蝕變巖以暗色礦物的強烈綠泥石化為特征，黑云母和角閃石幾乎完全被綠泥石所代替，僅殘留原礦物假象(圖4b)?？梢娦遍L石發生較強烈的絹云母化和綠泥石化(圖4c)。原巖結構大部分保留，礦物晶體大多緊密焊接但邊界稍顯模糊。受構造變形影響，微裂隙數量大幅增加，大部分微裂隙穿晶發育，閉合且無填充。巖石微孔隙較發育，微孔隙在晶體內部、晶體邊界部位以及微裂隙中均有分布(圖4d)。

(3) 強蝕變巖

強蝕變巖呈微觀碎裂結構，原巖結構特征部分或完全消失。礦物晶體破碎強烈(圖4e)，但蝕變類型與中等蝕變巖無明顯差異。常見寬大微裂隙，大部分微裂隙張開且填充礦物碎片或黏土礦物。礦物晶體間接觸松散，微孔隙大量發育(圖4f)。

Qtz=石英；Kfs=鉀長石；Am=角閃石；Chl=綠泥石；Bt=黑云母；Ser=卷云母。(a)原巖結構特征；(b)黑云母和角閃石被綠泥石交代；(c)斜長石被綠泥石交代；(d)中等蝕變巖的微觀結構；(e)礦物破碎強烈；(f)強蝕變巖內微孔隙發育圖4 巖石薄片鑒定照片(正交偏光)

基于巖石學特征研究，采用X射線粉晶衍射對各樣品的礦物組成進行定量分析，典型XRD圖譜見圖5?？梢钥吹?，從原巖到蝕變巖，綠泥石所對應的特征峰趨于明顯，而黑云母所對應的特征峰急劇減弱，且在強蝕變巖中完全消失，表明黑云母的綠泥石化最為強烈。各樣品礦物組成定量分析結果見表1，除表中所列礦物外，蝕變巖中也含有少量濁沸石和高嶺土。如表1所示，隨著蝕變程度的提高，綠泥石含量迅速增加，原巖、中等蝕變巖和強蝕變巖中綠泥石含量分別為3.2%、15.2%和27.5%，而黑云母含量急劇降低，同時角閃石和斜長石含量也有顯著下降。這些結果與巖石薄片鑒定結果一致。

表1 原巖及蝕變巖的礦物組成

圖5 不同蝕變程度樣品典型XRD圖譜

4 蝕變巖工程特性

蝕變作用導致了巖石礦物組成和微觀結構的變化，必然引起工程特性的改變。因此針對不同蝕變程度樣品進行室內物理力學性質測試，測試按《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)[9]進行，物理性質測試包括：顆粒密度(Gs)、干密度(ρd)、吸水率(Wa)、有效孔隙度(ne)和總孔隙度(nt)；力學測試主要為飽和單軸抗壓強度(σ0)和彈性模量(E0)，測試結果見表2。

表2 原巖及蝕變巖的物理力學性質

如表2所示，各樣品顆粒密度均為2.78，表明蝕變作用對巖石顆粒密度無明顯影響。隨著蝕變程度的提高，巖石干密度從2.7 g/cm3逐漸降低至2.66 g/cm3，而吸水率則由0.36 %增大至1.17 %。巖石孔隙率也隨蝕變程度發生明顯變化，原巖中微孔隙不發育，有效孔隙率和總孔隙率僅分別為0.99%和1.71%，隨著蝕變程度的提高，巖石孔隙率迅速增大，中等蝕變巖的有效孔隙率和總孔隙率分別為2.35%和2.8%，而強蝕變巖的對應數值為3.11%和4.45%。值得注意的是，隨著蝕變程度的提高，有效孔隙率和總孔隙率的比值也明顯增大，表明巖石中孔隙連通度的增大?？傮w而言，物理性質測試結果顯示，蝕變作用使巖石內部結構趨于松散。

力學測試結果表明，蝕變作用使巖石強度、剛度發生了顯著劣化。原巖花崗閃長巖飽和單軸抗壓強度為86.42 MPa，根據《工程巖體分級標準》(GB-50218-94)[10]，其屬堅硬巖類；中等蝕變巖飽和單軸抗壓強度為34.39 MPa，屬中硬巖類；而強蝕變巖飽和單軸抗壓強度僅為25.34 MPa，較原巖降低達71%，屬較軟巖類。從巖石彈性模量來看，原巖為16.45 GPa，而強蝕變巖僅為1.72 GPa，降幅達89%，可見蝕變作用對巖石剛度的影響比強度更為顯著。大量次生黏土礦物綠泥石的生成，以及巖石微結構趨于松散，是導致巖石力學性質顯著劣化的根本原因。

5 處理方案及數值模擬驗證

蝕變帶構成了左岸壩基巖體主要的地質缺陷，設計采用刻槽回填混凝土的方法進行處理，具體方案如下：在左岸壩基蝕變巖發育部位刻槽(圖6)，挖除部分蝕變巖體，刻槽高程范圍為1 947～2 000 m，開口寬度2.4～10.8 m，深3～4 m；槽挖后回填C30混凝土，同時加強固結灌漿、帷幕灌漿等措施。

圖6 刻槽全貌圖

采用三維有限元分析計算蝕變帶處理前后壩基、壩體應力和位移，驗證地質缺陷處理方案可行性。計算模型順河向長700 m(4.5倍壩高)，橫河向寬770 m(5倍壩高)，高300 m(2倍壩高)，總單元數157 845(圖7)。蝕變帶及加固處理區域與壩體位置關系見圖8，由于強蝕變巖分布寬度較小，蝕變帶以均一的中等蝕變巖近似代替。各材料均采用線彈性模型，重度均取24 kN/m3，原巖及中等蝕變巖彈性模量取試驗值(參見表2)，泊松比取常用計算值0.25；混凝土彈性模量取22 GPa，泊松比取0.167。荷載條件為一倍水壓。

圖7 三維有限元計算模型

圖8 蝕變帶及加固處理區域與壩體位置關系圖(1 960 m平切)

蝕變帶地質缺陷處理前后，壩基應力、位移結果見表3。從位移角度來看，隨著蝕變帶的處理，左岸壩基蝕變帶附近切向、法向位移均有小幅降低；而從應力角度來看，主拉應力有較為明顯的降低，且隨著高程的增大，主拉應力降低幅度增大，在高程1 947 m處，主拉應力降低17.9%，而在高程1 980 m處，主拉應力降低52.5%。蝕變帶處理前后，左岸壩基蝕變帶附近主壓應力明顯增大，這是由于槽挖回填混凝土模量相對基礎有較大幅度提高。蝕變帶處理后，壩體最大主壓應力、順河向位移分別見圖9、圖10?？梢钥吹?，壩體應力、位移分布對稱，處于較為理想的狀態。因此，采用槽挖回填混凝土的方法處理蝕變帶，可以起到較好的效果。

表3 蝕變帶處理前后壩基應力、位移計算結果對比

圖9 壩體主壓應力分布

圖10 壩體順河向位移分布

6 結論

(1) 蝕變作用導致原巖花崗閃長巖礦物組成和微觀結構的變化。隨著蝕變程度的提高，巖石中的黑云母、角閃石和斜長石迅速蝕變為次生黏土礦物綠泥石，同時在構造變形等作用影響下，巖石微觀結構趨于松散。

(2) 蝕變巖較原巖干密度降低，而孔隙率明顯增大，蝕變巖物理性質的變化是其微觀結構改變的宏觀表現。蝕變作用對巖石力學性質劣化顯著，隨著蝕變程度的提高，巖石飽和單軸抗壓強度可降低70%以上，而蝕變對巖石變形性質的影響較強度更為顯著。

(3) 在壩基蝕變帶發育部位刻槽，挖除部分蝕變巖體，回填混凝土并加強局部固結灌漿、帷幕灌漿等措施，是處理蝕變帶等帶狀地質缺陷的有效方法。數值模擬計算表明，處理后壩基應力、應變較處理前均有改善，同時壩體應力、位移更趨合理。