某水电站坝址F41，F42断层泥化带工程特性研究

邓争荣，吴树良，杨友刚，雷世兵，郑 新，曹道宁

(长江勘测规划设计研究院长江岩土工程总公司，武汉430010)

1 工程背景

断层是地质历史时期形成的一种地质构造。研究工程建设中遇到的断层发育几何学、岩体结构、物理力学性质等特征是十分必要的［1－3］，但随其所处工程部位不同，研究内容侧重点会有所差异。常见断层带构造岩有碎裂岩(包括角砾岩)、糜棱岩、断层泥，其物质组成决定工程地质特性，性状有软弱、非软弱之分。而性状非软弱者通常为断层破碎岩体(或夹岩屑及或夹泥质)、性状较好-好构造岩岩体，后一种可当作“工程岩体”对待;性状软弱者构成软弱层(带)时，往往对工程地基稳定、边坡稳定、渗透稳定等起控制作用，需要重点研究。

某峡谷区水电站坝址发育有区域性断裂，穿越大坝坝基，将其分为碎裂岩带和软弱构造岩带，其中碎裂岩带岩体工程性状较好，与正常的工程岩体无大的差异，从工程地质的实际意义出发，仅将软弱构造岩带视为F41，F42断层。在已有同类工程中，F41，F42断层物质组成与性状有别于常见断层构造岩破碎岩体和断层泥，而为介于这两者之间却比断层泥力学性状稍好的一类物质，系构造岩在地质作用下经软化及部分泥化形成的，称之为“泥化物”;由它(或夹碎石)所构成的软弱带，称之为“断层泥化带”。在该水电站坝址中，F41，F42断层分布穿越大坝河床近岸坝基，工程勘察论证过程中，在查明其发育几何学特征的基础上，研究其物理力学性质、渗透变形等工程特性，旨在为该水电站工程设计提供所需的工程地质资料，对拟建最大坝高200 m级大坝地基承载力、变形、抗滑稳定和渗透稳定具有关键技术意义，亦可为其它工程遇到类似断层时提供物理力学性质参数类比参考。

2 工程地质概况

某水电站由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统等主要建筑物组成，属Ⅰ等大(1)型水电站工程。其中，挡水建筑物布置于主河床，设计为碾压混凝土重力坝，拟正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，坝顶高出正常蓄水位8.0 m，设计最大坝高200 m余。

水电站所在地区属于构造剥蚀中低山地貌区，山脉主要呈近南北向延伸，地势总体上具有北高南低、东高西低的特点。主干河流自北向南流经区内，河谷呈较开阔“V”字形，为峡谷区;河床地面高程为229～249 m，两岸山体高耸，冲沟较为发育。区内临江山顶高程1 000～1 500 m。

区内地表大部分覆盖第四系残坡积层，由黏土夹母岩风化碎屑或碎石组成，厚度一般3～25 m，下伏基岩主要为中上元古界(Pt2－3)结晶变质杂岩，仅局部出露，左岸基岩主要为斑状变晶花岗片麻岩，局部为片岩(呈带状)和断裂构造岩;右岸基岩主要为花岗片麻岩。河床上覆第四系冲积层，由上部粉细砂-中细砂和下部砂砾卵石夹含漂石组成，厚度一般11～50 m;下伏基岩为花岗片麻岩，局部为断裂构造岩。

该地区在大地构造上处于冈底斯-念青唐古拉褶皱系(Ⅱ)伯舒拉岭-高黎贡山褶皱带(Ⅱ2)中的铜壁关褶皱束出露基岩片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左侧近岸为界，左岸倾向近E，倾角65°～75°;河床及右岸倾向近W，倾角70°～80°。断层和裂隙是地区内主要构造形迹。

区内地下水按赋存条件(含水介质特性)可分为第四系覆盖层松散堆积体孔隙水、基岩裂隙水。主干河流是区内地下水的最低排泄基准面。区内地下水主要接受大气降水的补给，以孔隙、裂隙为其径流通道，向沟谷和主干河流河床运移，最终以分散形式向主干河流排泄。

3 F41，F42断层发育特征

水电站坝址区发育与工程关系密切的F41，F42断层，水平间距25～85 m，早期在各自两侧形成较宽的破碎带，经后期热液重结晶再胶结成岩，形成碎裂岩带(图1)，宽度约83～140 m，岩质坚硬，主要呈块状-次块状;断层后期活动程度相对较轻，仅在主断面处形成宽约0～4 m的软弱构造岩。

F41，F42断层和碎裂岩带紧紧相连在一起，统为构造地质学意义上的断裂，且系区域断裂，经断裂带物质测年等综合研究，不属于活动断裂;但碎裂岩带岩体工程性状较好，与正常的工程岩体无大的差异，从工程地质的实际意义出发，仅将软弱构造岩带视为断层。坝址工程范围除F41，F42断层之外，未见其它规模较大断层。F41，F42断层和碎裂岩带分布穿越大坝左岸近河床坝基(图2)。

F41，F42断层顺河流呈NNE向展布于河床左侧及其近岸，走向5°～25°，总体倾向 W，倾角72°～85°。经钻孔、平洞揭示和地表露头调查可知，坝址区F41，F42断层软弱构造岩带分布为:F41宽度0～3.9 m，局部地段以破裂面的形式存在;F42宽度0.1～3.0 m;大坝坝基范围 F41宽度0～2.0m，F42宽度0.1～2.8 m。

F41，F42断层软弱构造岩带物质为泥化物，由碎裂岩岩屑或夹杂细小岩块组成。其中，碎裂岩岩屑成份主要为长英质、钙质、极少量黑云母矿物，黑云母局部集中分布，长英质部分强烈蚀变、高岭石或高岭土化;碎裂岩细小岩块成份主要为石英、长石、少量方解石矿物细粒集合。

4 F41，F42断层泥化带工程特性研究

4.1 主要勘探技术指标

钻孔及平洞揭示，F41，F42断层软弱构造岩带物质为泥化物，或夹碎石，岩石质量指标RQD为0，钻孔声波纵波速一般为1 887～2 553m/s，呈碎屑状结构，岩体基本质量属Ⅴ类［4］。

4.2 物理力学性质

4.2.1 室内物理力学性质试验

在坝址区A平洞中对F41，F42断层软弱构造岩带泥化物扰动样和环刀原状样取样，进行了室内物理力学性质试验。颗粒组成分析试验成果见表1、图3和图4，由此可知，两断层软弱构造岩带泥化物及同一断层软弱构造岩带不同部位颗粒组成有一定的差别。总体上，F41断层软弱构造岩带泥化物为粉土质砂或粉土质砾，F42断层软弱构造岩带泥化物为粉土质砾或含细粒土砾，且F42比F41断层软弱构造岩带泥化物颗粒组成偏粗，表明F41断层软弱构造岩带泥化程度更高。

天然状态物理性质和力学性质试验成果分别见表2、表3，其试样对应的颗粒组成见表1中的序号1和序号14样品，分别为粉土质砂和粉土质砾，密度状态按孔隙比分类处于中密-密实;湿度状态按饱和度分类为饱和的［6］。原状样抗剪强度试验成果表明:F41，F42断层泥化物相比，F41的C值低、φ值高，与F41断层泥化程度高相对应。

4.2.2 现场原位力学性质试验

在A平洞内选取代表性部位对F42断层泥化带进行了现场原位抗剪强度、变形、载荷试验，成果见表4。

图3 坝址区F41断层带泥化物颗粒级配曲线Fig.3 Curves of particle grading of mud compounds of F41 fault at the dam site area

图4 坝址区F42断层带泥化物颗粒级配曲线Fig.4 Curves of particle grading of mud compounds of F42 fault at the dam site area

表1 坝址区F41，F42断层带泥化物颗粒组成分析成果Table 1 Granulometric compositions of the mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表2 坝址区F41，F42断层带泥化物天然状态物理性质指标试验成果统计Table 2 Test results of the natural physical properties of mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表3 坝址区F41，F42断层带泥化物室内抗剪强度试验成果Table 3 Results of indoor test on the shear strength of mud compounds of F41 and F42 faults at the dam site area

表4 坝址区F42断层泥化带现场原位力学性质试验成果Table 4 Results of in-situ test of the mechanical properties of F42fault muddy zone at the dam site area

4.2.3 渗透变形特性

在坝址区A，B平洞中对F41，F42断层软弱构造岩带泥化物取原状样按上下游方向进行现场渗透变形试验，样品尺寸20cm×20cm×20cm左右。受取样条件限制，所取试样尺寸略有差别，形状为不太规则的六面体，表面粗糙，采用水泥现浇试验模型。试样四周即除上下游外，均用水泥砂浆密封;试验水流顺主干河流流向;在试验前均用低水头(水力比降J＜0.1)对试样充分饱和1 d以上，待试样下游面湿润或有水流出，即使样品得到充分饱和后逐级提升水头进行渗透变形试验。

坝址区F41，F42断层带泥化物及与上下盘接触面所取原状样现场渗透变形试验成果见表5。试验成果表明:

(1)试样渗透系数除个别数据外，其余均在10－4～10－3量级，渗透性等级属中等透水。

(2)F41断层带泥化物临界水力比降最小值为0.9，破坏水力比降最小值为8.8，渗透变形形式为局部流土;与两盘接触部位临界水力比降最小值为0.9，破坏水力比降最小值为7.9，渗透变形形式为接触冲刷。

(3)F42断层带泥化物临界水力比降最小值为0.8，破坏水力比降最小值为5.7，渗透变形形式为局部流土;与两盘接触部位临界水力比降最小值为1.1，破坏水力比降最小值为3.1，渗透变形形式为接触冲刷或局部流土。

4.2.4 物理力学性质及渗透性参数建议

以断层带泥化物物理力学性质室内、现场试验成果为基础，考虑试样实际的地质条件及其工程地质代表性，提出坝址区F41，F42断层泥化带主要物理力学性质及渗透性参数建议值见表6。

表5 坝址区F41，F42断层带泥化物及接触部位现场原状样渗透变形试验成果Table 5 Results of in-situ seepage deformation test on undisturbed samples of the mud compounds of F41 and F42 fault and the positions contacted with them at the dam site area

表6 坝址区F41，F42断层泥化带主要物理力学性质及渗透性参数建议值Table 6 The recommended values of main physico-mechanical properties and permeability parameters of F41 and F42 faults muddy zone at the dam site area

5 结语

F41，F42断层是水电站坝址区域性断裂的软弱构造岩带，穿越大坝河床近岸坝基，系坝基最软弱部位，对大坝地基稳定、渗透稳定起着重要的控制作用。

坝址区F41，F42断层带物质为泥化物，或夹碎石，各自宽度小于4 m，大坝坝基范围内各自宽度小于3 m。

经对断层带泥化物工程特性研究，结果表明:断层泥化带属Ⅴ类岩体，性状差，承载力、变形、抗剪强度参数低，开挖后不能直接满足筑坝要求，须采取工程处理措施;渗透性等级属中等透水，渗透变形形式为局部流土、接触冲刷，更需加强工程防渗和防护措施。

［1］魏 华.新疆某水电站坝址F32断层的工程地质特性及处理［J］.西部探矿工程，2010，(7):120－122.(WEI Hua.Engineering Geological Properties and Treatment of F32Fault at the Dam Site of a Hydropower Station in Xinjiang［J］.West-China Exploration Engineering ，2010，(7):120－122.(in Chinese))

［2］陈成宗，何发亮.大瑶山隧道九号断层的特性与工程对策［J］.岩石力学与工程学报，1992，11(1):72－78.(CHEN Cheng-zong，HE Fa-liang.The Characteristics of Fault Zone No.9 and Engineering Measures Taken in Dayaoshan Tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1992，11(1):72－78.(in Chinese))

［3］姚 巍.昆明新机场航站楼区F10断层工程地质特性及工程影响研究［D］.成都:成都理工大学，2008.(YAOWei.Study on the Engineering Geological Property of F10 Fault in the Terminal Area of Kunming New Airport and the Project Influence［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2008.(in Chinese))

［4］GB50287－2006，水力发电工程地质勘察规范［S］.北京:中国计划出版社，2008.(GB50287－2006，Code for Hydropower Engineering Geological Investigation［S］.Beijing:China Planning Press，2008.(in Chinese))

［5］DL/T 5355－2006，水电水利工程土工试验规程［S］.北京:中国电力出版社，2007.(DL/T 5355－2006，Code for Soil Tests for Hydropower and Water Conservancy Engineering［S］.Beijing:China Electric Power Press，2007.(in Chinese))

［6］常士骠.工程地质手册(第四版)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.(CHANG Shi-biao.Engineering Geology Handbook(Fourth Edition)［S］.Beijing:China Architecture and Building Press，2007.(in Chinese))