两河口水电站坝址区构造节理裂隙成因机制浅析

吴 章 雷

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上,为雅砻江中、下游的“龙头”水库。坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2km河段。坝址处多年平均流量 670m3/s,水库正常蓄水位 2865m,相应库容 101.54亿m3,具有多年调节能力。枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、泄洪、放空、地下厂房等建筑物组成。砾石土心墙堆石坝最大坝高 295.00m,电站装机容量 300万 kW,多年平均发电量 114.91亿 kW·h。

2 坝址区基本条件

2.1 地形地貌

坝址区位于雅砻江与鲜水河汇合口(即两河口)以下,庆大河口以下约 1.8km河段上(见图1),枯水期水面高程约 2600m。坝址为横向谷,两岸山体雄厚,谷坡陡峻。左岸呈弧形凸向右岸,地形平均坡度 30°～45°,局部沟梁相间,发育数条小冲沟;右岸为凹岸,平均坡度 25°～45°,坝址下游有阿农沟切割,其余为浅表冲沟。

2.2 地层岩性

坝址区基岩为两河口组中、下段。两河口组下段总体特征以变质砂岩夹粉砂质板岩为主,据岩性组合特征可进一步分为五层,总厚度约 769m。两河口组中段岩性以粉砂质板岩向上渐变为粉砂质板岩夹绢云母板岩及粉砂质板岩与绢云母板岩互层,可细分为五个层,总厚度大于725m。坝址区岩层总体产状 N60°～ 70°W/SW∠60°～ 70°。

图1 两河口水电站坝址位置示意

2.3 地质构造

坝址区处于瓦多复背斜南翼次级的两河口背斜的南翼,宏观上为一单斜地层,地层层序正常。两河口背斜南翼完整,北翼受断层切割不完整,轴面的走向与层面基本一致。根据坝区断裂破碎带的宽度及延伸情况,可分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级结构面,Ⅲ级结构面主要为坝区发育的规模比较大的断层,坝区大多探洞都有揭示,在平面图上有反映;Ⅳ级结构面为小断层,局部探洞有揭示;Ⅴ级结构面为节理裂隙。坝址区主要构造见图2。

图2 两河口水电站坝址区构造示意

2.3.1 断层(Ⅲ、Ⅳ级结构面)

探洞揭示 ,坝区主要发育 f1、f4、f7、f15、f24、f25、f30等断层(Ⅲ级结构面),断层的分布情况见图2,各断层的性状特征见表1。按断层走向可以划分北西西向,包括 f1、f4、f25断层,该组断层多沿岩体中较薄弱的层面发育,断层以顺层挤压为主,断层产状与地层产状基本一致,延伸多大于 1100m;其次北东东向,包括 f7断层,延伸长度大于 650m;再次为近南北向,包括 f15断层,延伸长度约 450m;最后为北北东向,包括断层 f24断层,延伸长度多大于250m。

以上四组断层破碎带在不同露头出露的宽度变化大,时宽时窄,以几公分～一米不等,充填物以片状岩、石英脉、糜棱岩、断层泥等为主,北西西向断层碳化、糜棱化强烈。

坝址区的小断层(Ⅳ级结构面)发育,方向分散,延伸 50～100m不等,错动带宽度以 1～10cm为主,主要由压碎岩、碎裂岩和少量糜棱岩组成。

表1 坝址区主要断层性状特征

2.3.2 节理裂隙(Ⅴ级结构面)

对坝区 13287条节理裂隙所作的统计分析表明(见图3):缓倾角结构面 2354条、中倾角结构面5717条、陡倾角结构面 5216条。中、陡倾角结构面占总裂隙的 82%,缓倾角结构面仅占 18%左右。

通过对坝区地表及探洞内节理裂隙的统计,按发育程度从大到小,结构面优势方向有以下九组:①N60°～90°W/SW(NE)∠60°～ 85°(层面、板理);② -1 N0°～ 30°E/SE∠40°～60°,② -2 N0°～ 30°E/NW∠40°～60°;③-1 N 40°～60°E/NW∠10°～45°;③ -2 N40°～ 60°E/SE10°～ 45°;④N0°～ 30°E/SE(NW)∠70°～85°;⑤N50°～80°E/SE(NW)∠65°～85°;⑥ -1N0°～ 30°E/SE∠5°～ 35°,⑥ -2 N0°～ 30°E/NW∠5°～ 35°;⑦ -1 N30°～ 50°W/SW∠5°～ 30°;⑦ -2 N30°～ 50°W/NE∠5°～ 30°;⑧近 EW/N(S)∠5°～ 45°;⑨N45°～ 50°W/NE(SW)∠60°～ 75°。

据现场结构面的延伸及填充物观测:①组节理裂隙延伸长大,起伏粗糙。该组节理裂隙在砂岩里为层面,在板岩里为板理,显压性。②、③、⑤、⑥、⑦、⑨组节理裂隙较平直,延伸长度 5～20m,间距0.7～1.5m,显扭性。④组节理裂隙,起伏粗糙,延伸可达 30m,充填石英脉,多为地下水出露点,显张性。⑧组节理裂隙延伸长度 3～8m,间距 0.5～2m,倾 S的起伏粗糙,充填石英脉,显张扭性,倾 N的显压扭性。

图3 坝区节理裂隙等密图

坝区结构面的发育特征主要以顺河向和横河向的为主,由于岩性的不均一,砂岩内裂隙较发育,而板岩中裂隙发育程度较低。

3 节理裂隙成因分析及分期配套

3.1 成因分析及分期配套

坝区发育的两河口背斜,轴面的走向与层面近于平行,加之主要的压性结构面的走向基本与层面一致,因此坝区构造线的方向近 EW,坝区构造主应力σ1的方向近 SN。在地层近水平时,在近 SN向σ1的作用下,首先形成一组 NE或 NW方向的陡倾扭节理,即早期平面“X”,坝区发育的②组节理裂隙 ,走向 N0°～30°E,倾角 40°～ 60°,在坝区很发育 ,产状稳定,显扭性,正是早期平面“X”发展演变形成的。②组节理裂隙的产状与早期平面“X”相比,都发生了改变。

坝区的④组节理裂隙,走向 N0°～30°E,倾角大于 70°,显张性,是追踪早期的平面 “X”发育而成。该组节理裂隙的产状受地层变化的影响较小。

随着坝区地层倾角的逐渐变大,两河口背斜形成,由⑧组节理裂隙组成的剖面“X”形成。

由⑤、⑨组节理裂隙组成的平面“X”及⑥组节理裂隙组成的剖面“X",是在方向为 N 75°W的σ1作用下挤压形成;③组节理裂隙组成的剖面“X”,是在方向为 N40°W的σ1作用下挤压形成;⑦组节理裂隙组成的剖面“X”,是在σ1方向为 N50°E的作用下挤压形成。

根据成因机制的分析,坝区①、②、④、⑧组节理裂隙是在方向为 N 0°～30°E的σ1作用下形成,为第Ⅰ期应力场;⑤、⑨及⑥组节理裂隙是在方向为 N75°W的σ1作用下挤压形成,为第Ⅱ期应力场;③组节理裂隙是在方向为 N40°W的σ1作用下形成,为第Ⅲ期应力场;⑦组节理裂隙是在方向为 N50°E的σ1作用下形成,为第Ⅳ期应力场。结构面分期配套见表2。

3.2 构造组合形式

坝区发育的节理裂隙按走向、倾向、倾角分为 9组。从走向上看,N60°～90°W即近 EW向包括了①、⑧组;N0°～30°E即近 SN向包括了 ②、④、⑥组;N40～75°E包括了③、⑤组;N 30°～50°W包括了⑦、⑨组。因此按走向可以归纳为 4组。这 4组节理裂隙的方向在平面上的分布形态似“米”字形。

表2 结构面的分期配套

由此可见,坝区节理裂隙的构造组合形式为“米”字形。据此可作抗滑模式的分析。

4 结论及意义

通过对坝址区节理裂隙的力学成因及其分期配套分析,可以得出以下结论:

(1)坝区发育的节理裂隙分为 9组,压性、张性及扭性都有发育;根据相互切割,可分为先后 4期找出对水工建筑最有利和不利的节理组合结构面,利于水工设计及工程处理。

(2)两河口坝址区岩层产状 N60°～70°W/SW∠60°～70°,构造线方向与层面平行,构造应力σ1方向为 N0°～ 30°E。

(3)早期的扭节理,即早期的平面“X”,地层倾角变为 60°～70°后 ,它的走向夹角为 0°～ 30°,倾角变为 40°～60°,随地层倾角变大而变小;追踪早期平面“X”的张裂,地层倾角变为 60°～70°后,它的走向 0°～30°,倾角变为大于 70°,地层倾角变大后,对张节理的影响不大。

(4)从坝区节理裂隙发育情况看,坝区至少经历了 4期构造应力场影响,第Ⅰ期σ1方向为 N 0°～30°E;第Ⅱ期σ1方向为 N75°W;第 Ⅲ期σ1方向为N40°W;第Ⅳ期σ1方向为 N50°E。

(5)坝区节理裂隙的构造组合形式为“米”字形。

通过对坝址区节理裂隙的力学成因分析表明,看似杂乱无章、随机分布的结构面是有规律可循的,它们的发育分布符合一般的力学规律。在对坝基和坝肩的抗滑稳定等作出抗滑模式分析、边坡的稳定性分析、洞室的轴线选择及稳定性分析时,能作出地质上的宏观判断。因此对坝址区节理裂隙力学成因及分期配套分析的最终目的和意义是为工程服务,确保工程安全。

[1]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1994.

[2]徐开礼,朱志澄.构造地质学[M].北京:地质出版社,1989.