某电站坝区碎粒型结构面特征及成因机制分析

刘云鹏，王 皓

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

某电站坝区碎粒型结构面特征及成因机制分析

刘云鹏，王 皓

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

水电工程建设中，工程地质体中软弱结构面的正确认识和评价对大坝建基面选取及抗滑稳定问题影响重大。本文在大量现场调查和试验的基础上，分析了坝区碎粒型结构面的主要工程地质特征，包括空间分布、优势方向、形态及物质组成、物理性质、声波波速和地球化学特征；并通过初始建造和后期改造两个阶段的地质过程机制分析，对碎粒型结构面的成因机制进行了初步探讨。

水电工程；碎粒型结构面；“砂糖状”结构；物质组成；成因机制

0 前 言

某水电站位于四川与西藏交界的金沙江干流上。坝区出露基岩地层单一，为华力西期中酸性侵入石英闪长岩与花岗闪长岩组成的简单复式岩株。前期勘察过程中，在勘探平硐内普遍揭露一类具有类似结构构造特征、以NNE走向和中缓倾角为主、最大延伸可达几十米的软弱结构面，以碎粒岩为主，表面呈疏松“砂糖状”结构；具有明显挤压错动和风化蚀变特征［1］。相关资料表明，在以往工程建设所在的花岗岩地区，常见的类型基本为全、强风化控制或蚀变控制的软弱带，这种构造控制或构造叠加蚀变的软弱结构面还未遇到。

国内外水电工程建设过程中，针对工程地质载体中的结构面特别是软弱结构面的研究已经到达相当的程度，而且在相关规范中也有具体描述和规定，在《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287-2006）和《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》（DL／T 5414-2009）关于岩体结构面性状分类中对结构面类型的划分主要包括胶结型、无充填型、岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型和泥型六类［2-3］，但对于这种碎粒型结构面的认识并不明确和统一，同时，对其工程地质特性的评价也鲜有报道。因此，鉴于电站建设过程中对该类型结构面的认识和评价需要，应开展深入细致的研究工作。

1 碎粒型结构面主要特征

根据可行性研究阶段已知调查结果，在位于坝区七条横河向勘探线上，35个主要平硐中有16个平硐内都有揭示（见图1），左岸有11个（分别发育在底高程：PD07、PD01、PD05、PD13和PD31；中高程：PD23、PD45、PD25和PD33；高高程：PD21、PD47），右岸有5个（分别发育在底高程：PD06和PD26，中高程：PD12、PD18和PD20）。当然，随着勘探工作的深入细化，有可能会有新的揭示。

图1 坝区左岸平硐PD31内的碎粒型结构面

1.1 空间分布特征

总体上，碎粒型结构面在坝区左右两岸分布不均，主要分布在左岸（82.20%），在右岸分布较少（17.80%）。在不同高程分布情况见图2，碎粒型结构面在中高程发育最多，约占51.83%，底高程分布相对较少，约占38.74%，在高高程不发育，其中以左岸中高程分布最多（45.55%）。除去平行岸坡连通硐内的碎粒型结构面，在不同勘探线上分布也有差异（见图3）；在左岸Ⅳ线、Ⅷ和Ⅴ线发育的碎粒型结构面数量总共约占勘探揭示数量的54.97%；Ⅲ线和Ⅰ’线则发育较少（8.37%）。

水平深度上，碎粒型结构面分布具有一定的集中性（见图4），其中坝区左岸碎粒型结构面主要集中在10～40m和80～130 m两个范围内；而右岸由于分布数量较少，集中程度的统计结果不明显，根据分布数量的曲线变化主要集中在50～80 m范围内。

图2 碎粒型结构面不同高程分布

图3 碎粒型结构面不同勘探线分布

图4 碎粒型结构面不同水平硐深分布

1.2 优势方向特征

根据坝区191处调查点的统计结果，碎粒型结构面具有较为明显的优势方向（见图5、6）。

总体上，优势方向分为4组：（1）NS／W（E）∠20°～55°；（2）N20°～55°E／NW（SE）∠30°～75°；（3）N84°～89°E／SE∠45°～75°；（4）N35°～45°W／NE∠65°～80°。

左岸优势产状分为3组：（1）N20°～45°E／NW（SE）∠30°～75°；（2）NS／W∠20°～55°；（3）N84°～86°E／SE∠55°～65°。右岸优势产状也分为4组：（1）NS／E∠20°～50°；（2）N85°～89°E／SE∠45°～75°；（3）N20°～55°E／SE（NW）∠30°～75°；（4） N35°～45°W／NE∠65°～80°。对于右岸碎粒型结构面来说，除走向NS方向的一组倾向与左岸相反以外，另有一组NW倾NE结构面发育，另外两组优势方向与左岸比较并无明显差异。

图5 左右岸碎粒型结构面走向玫瑰花图

图6 左右岸碎粒型结构面产状等密度图

统计显示（见图7），坝区碎粒型结构面以中倾角为主。左、右岸倾角大于60°的陡倾碎粒型结构面数量分别约占左、右岸整个数量的26.75%和17.65%；31°～60°中倾角结构面分别约占53.50%和50.00%，其中左岸以41°～50°的型结构面相对较多，约为28.03%，而右岸以31°～40°的型结构面相对较多，约为38.24%；小于30°缓倾角结构面分别约占19.75%和32.35%。

图7 左右岸碎粒型结构面倾角分布

1.3 形态及物质组成特征

碎粒型结构面往往成带状发育，具有一定的宽度，宽度一般为2～15 cm不等，极少部分宽度可达30～60 cm，延伸长度一般10～50m，个别大于100m。结构面物质主要由碎粒岩组成，残留原岩结构，呈浅灰～浅灰黄色，长石普遍蚀变，黑云母绢云化，偶夹0.1～0.3 cm灰褐色泥化条带，部分带内可见同向破劈理密集发育（见图8），局部夹杂透镜状岩块（见图9），和两侧岩体接触面起伏～平直粗糙；整体呈疏松”砂糖状”，断续或连续分布，强度较低，普遍呈现加剧风化特征，手捏即碎。有些碎粒型结构面具有明显的挤压错动迹象，于错动程度较剧烈处团块状富集，结合程度较松散。碎粒型结构面两侧岩体松弛破碎、板裂化，以弱上风化为主，局部与其他长大结构面交切部位，可见明显地下水活动痕迹，潮湿～渗水，一般可见浅灰黄色～黄褐色钙化附着。

图8 碎粒型结构面中的同向破劈理

图9 碎粒型结构面中的透镜状岩块

1.4 物理力学特征

现场取部分具有代表性的碎粒型结构面物质（见表1），开展包括室内颗粒分析试验在内的物理性质试验。试验结果表明：碎粒型结构面所含物质的干密度为1.70 g／cm3，湿密度为1.77 g／cm3，比重为2.71～2.73，含水率为3.4～5.8，水温为20℃时的渗透系数k20为3.83×10-4cm／s。颗粒分析曲线见图10，其不均匀系数Cu＝11.81～15.79，曲率系数Cc＝1.60～2.35，不均匀系数和曲率系数并未发生明显变化，说明级配良好并连续；带内物质组成差别并不明显，按工程岩土学和《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011粒组含量分类［4-5］，碎粒型结构面物质成分属于粗粒土中的砂土，即粗砂或砾砂。

表1 碎粒岩物理性质试验取样点特征描述

图10 碎粒型结构面典型颗分曲线

以往工程实践表明，软弱结构面（带）对坝基、地下硐室的局部稳定性有影响，不利条件下也会对斜坡稳定有重要影响。因此，按照规程规范规定和要求，根据坝址区已完成的碎粒型结构面强度试验及室内物理力学试验，结合坝区工程地质特点，参考类似工程，提出坝区碎粒型结构面力学参数建议值：即抗剪断强度f′为0．45～0．50，C′为0.05～0.10 MPa；抗剪强度f′为0.40～0.45，C为0 MPa。

1.5 声波波速特征

选择坝区PD07、PD25平硐内典型碎粒岩结构面的单孔声波测试（相交位置距离孔口1～2 m范围内），分析碎粒型结构面的波速特征［6］。例如PD07平硐0＋85～110 m段分布有两条碎粒型结构面，四个声波孔只测到单条碎粒型结构面波速值，这些值可以准确表示碎粒型结构面的声波值。根据现有数据，除了个别波速值受断层影响低于3 000 m／s外，整体上碎粒型结构面单孔声波波速范围在3 000～4 500 m／s之间，波速比为0.5～0.75，有效声波值见表2。

表2 碎粒型结构面有效声波值统计

1.6 地球化学特征

为进一步揭示碎粒型结构面物质组成、风化与蚀变状态，选取不同位置的碎粒型结构面组成物（见表3），采用室内地球化学分析方法，测定成分与含量。

地球化学成分分析表明，碎粒型结构面带内化学成分基本一致；X射线衍射试验结果表明（见图11），碎粒型结构面矿物成分以伊利石、石英、斜长石为主，含少量蒙脱石、绿泥石、钾长石、透闪石和黄铁矿。由于地下水的淋滤作用，方解石、白云石及石膏等可溶性矿物明显缺失。

表3 碎粒型结构面地球化学分析取样点

采用如下10种系数进一步量化碎粒型结构面风化和蚀变程度［7］，主要包括：硅铁系数（SiO2／Fe2O3），硅铝系数（SiO2／Al2O3），离铁系数（Al2O3／Fe2O3），硅铁铝系数（SiO2／（Fe2O3＋Al2O3）），碱土金属淋溶系数（（CaO＋MgO）／Al2O3），碱金属淋溶系数（（K2O＋Na2O）／Al2O3），盐基总量淋溶系数（（K2O＋Na2O＋CaO＋MgO）／Al2O3），其中前4个系数用来说明脱硅和铁铝的富集程度，后3个系数用来反映盐类的淋失程度；另外两个系数为，矿物蚀变过程中同属元素的淋溶、氧化和相对富集程度系数（CaO／MgO、K2O／Na2O）和岩石化学新鲜度系数（（R2O＋RO）／R2O3）。

计算结果表明（见表4），碎粒型结构面风化和蚀变程度显著。就整体而言，尽管各个碎粒型结构面的挤压错动或疏松程度不一致，但充填物中2价碱金属含量总量变化不大；硅铁铝系数为1.19～1.93，数值较小，表明碎粒型结构面发生了SiO2减少和较为明显的Al2O3、Fe2O3富集；盐基总淋溶系数为0.49～0.59，平均值为0.54，表明盐类的淋失程度较大。其中3号～6号（样其疏松程度为5号＞6号＞4号＞3号）的硅铁铝系数及离铁系数结果表明，随着挤压错动程度逐渐增强结构面物质组成越来越疏松，则风化蚀变程度也随之变得强烈；且伴随紧密程度的降低，Al2O3和Fe2O3呈增加趋势，增加率平均值为14.26%，而SiO2呈减少趋势，递减速率平均值为3.26%，脱硅程度微弱。

图11 碎粒型结构面组成物XRD分析结果

2 碎粒型结构面成因机制初步分析

碎粒型结构面的形成应该从两个阶段进行分析，首先是初始建造阶段，可以从岩相、地应力环境、地质构造角度进行分析；其次是后期改造阶段，即内生和外生双重作用对碎粒型结构面形成的影响。

2.1 初始建造阶段

坝区外围自元古代以来经历多次构造运动，产生了性质不同的地质事件，并派生了多期不同机制的构造变形或变形相。

燕山期构造应力场为近EW向，在其作用下，区域上形成了一系列NNW～NS向及与之配套的NE、 NW向结构面。碎粒型结构面优势方向NS／W（E）∠20°～55°和本期构造作用有直接关系。

坝区内碎粒型结构面另外两组优势方向N20°～55°E／NW（SE）∠30°～75°及N84°～89°E／SE∠45°～75°表现出较好的共轭性质，表明它们是在同一应力场环境下形成的同期节理体系。两组陡倾的结构面在几何学上呈平面”X”型式，在动力学上，二者的力学特征以及位错特征均符合同一个构造应力场。通过现场水压致裂法实测地应力，坝区现今最大主应力方向为NE60°～70°，最大主应力为15～20 MPa，说明NEE向的挤压作用一直持续至今。可以说，正是这些区域构造控制的地壳浅表岩石脆性破裂，从宏观上确定了碎粒型结构面的空间展布格局。

表4 碎粒型结构面组成物风化及蚀变系数

2.2 后期改造阶段

包括蚀变作用、构造挤压错动、风化作用、浅表生作用等。根据蚀变岩的相关研究结果，在中性和酸性火成岩中，绿泥石化是一种重要的中、低温热液蚀变作用。在围岩蚀变过程中，绿泥石主要由富含铁、镁的硅酸盐矿物经热液交代蚀变而成，也可由热液带来铁、镁组分与一般的铝硅酸盐矿物交代反应而形成。绿泥石化较少单独出现，常与黄铁矿化、绢云母化等相伴生。通过碎粒型结构面物质成分的地球化学分析，可以初步推定地下热液通过初始建造阶段形成的构造裂隙特别是板裂或碎裂密集区上升，造成本已破裂成薄层或碎块的围岩（石英闪长岩或花岗闪长岩）部分蚀变，为进一步劣化奠定了物质基础。

后期由于构造应力场导致的强烈挤压和错动，已经发生中、低温蚀变的围岩碎裂解体，并在岩石内部形成定向排列的破劈理，在压应力和剪应力集中的区域留下挤压错动痕迹，而在蚀变或应力集中程度较弱的地方自然会形成透镜状岩块；随后，在地下水的渗流作用下，本已碎裂解体的围岩继续发生物理化学风化，造成围岩强度进一步降低，表现为疏松砂糖状；另外，地下水的长期浸泡造成的盐类的溶解和离子交换作用是形成碎粒型结构面内部泥化条带的直接原因。

同时由于浅表生作用中的应力场调整往往会引起拉应力集中，而这些由疏松碎粒岩组成的结构面区域几乎不能承受拉应力，最容易形成张开裂缝甚至形成空腔；因此有可能会形成卸荷是碎粒型结构面主要成因这样的认识，本文的观点认为卸荷仅仅为碎粒型结构面进一步劣化尤其是风化作用提供了重要通道而已。

3 结 论

通过对某水电站坝区碎粒型结构面的调查和分析，可以获得如下初步认识：（1）碎粒型结构面往往成带状发育，具有一定的宽度。主要由碎粒岩组成，长石普遍蚀变，黑云母绢云化，偶夹泥化条带，部分带内可见同向破劈理密集发育整体呈疏松“砂糖状”，强度较低，普遍呈现加剧风化特征。

（2）碎粒型结构面所含物质的干密度为1.70 g／cm3，湿密度为1.77 g／cm3，比重为2.71～2.73，含水率为3.4～5.8，渗透系数k20为3.83×10-4cm／s。其不均匀系数为11.81～15.79，曲率系数为1.60～2.35，级配良好并连续，属于粗粒土中的砂土。整体上碎粒型结构面单孔声波波速范围在3 000～4 500 m／s之间，波速比为0.5～0.75。另外，坝区碎粒型结构面力学参数建议值：即抗剪断强度f′为0.45～0.50，C′为0.05～0.10 MPa；抗剪强度f为0.40～0.45，C为0 MPa。

（3）地球化学成分分析表明，碎粒型结构面矿物成分以伊利石、石英、斜长石为主，含少量蒙脱石、绿泥石、钾长石、透闪石和黄铁矿。由于地下水的淋滤作用，方解石、白云石及石膏等可溶性矿物明显缺失。碎粒型结构面发生了SiO2减少和较为明显的Al2O3、Fe2O3富集，盐类的淋失程度较大。

（4）其主要成因机制可以概括为：早期受区域构造控制的地壳浅表脆性破裂错动为碎粒型结构面的空间展布格局建立提供了基本条件；而热液蚀变、构造挤压错动等内生作用造成石英闪长岩或花岗闪长岩的矿物蚀变和矿物颗粒之间或内部的定向破裂，地下水动力循环叠加后期浅表生作用等外生作用加剧了前期结构面组成物质的风化、淋滤流失及泥化。

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［6]赵其华，韩刚.金沙江上游叶巴滩水电站坝区卸荷岩体工程特性专题研究［R］.成都：成都理工大学，2014.

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1003-9805（2015）04-0004-05

2015-05-25

刘云鹏（1982-），男，内蒙古通辽人，工程师，从事水电勘察设计工作。