某水电站特高重力坝坝基区域断裂工程地质分带性状研究

邓争荣, 吴树良, 李 林, 谢建波, 曹道宁, 康岩玲

(1.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010; 2.河南省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产调查院,河南 信阳 464000)

某水电站特高重力坝坝基区域断裂工程地质分带性状研究

邓争荣1, 吴树良1, 李 林1, 谢建波1, 曹道宁1, 康岩玲2

(1.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010; 2.河南省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产调查院,河南 信阳 464000)

某拟建水电站工程地区发育有May Kha断裂,系区域性断裂构造,不具活动性,穿越特高混凝土重力坝河床左侧及近岸坝基,其不同性质的构造活动形成的构造岩存在明显的差异,需从工程地质实际意义出发,将其进行工程地质分带。采用工程地质学结合构造地质学方法,对坝基部位构造带进行划分,为韧性粗糜棱岩带、脆性碎裂岩带及F41、F42断层软弱构造岩带;开展的工程性状研究结果表明:粗糜棱岩带、碎裂岩带微新状岩体强度、变形指标参数满足或基本满足大坝建基要求,可作为大坝建基岩体,且可容易利用;F41、F42断层软弱构造岩带宽度在2.1 m以内,强度、变形指标参数低,不能直接满足筑坝要求,须予以工程处理。

工程地质分带;工程性状;区域断裂;重力坝坝基;水电站

1 工程背景及坝址区地质概况

1.1 工程背景

东南亚某国对May Kha江水资源开发利用,规划及论证研究最下游一级拟建设Ⅰ等大(1)型水电站工程,拟正常蓄水位高出河床枯水位150余米。枢纽工程挡水建筑物布置于主河床,设计为碾压混凝土重力坝,最大坝高206 m。工程区域顺May Kha江发育有May Kha断裂,系区域性断裂,但非构造分区的边界断裂,不具活动性[1]。经工程勘察论证,河流开发利用规划本梯级河段内水电站坝址的选择,该区域断裂对工程的影响难以彻底避开,穿越选定坝址大坝河床左侧及近岸坝基。

May Kha断裂构造发育在中上元古界念青唐古拉岩群(Pt2-3Nq)变质岩系内部,宽约500～800 m,构造形迹包括形成于中晚元古代变质—变形同期的韧性剪切变形构造和形成于喜马拉雅早中期的脆性变形构造[2],经历了不同时期多期次不同性质的构造活动。韧性剪切变形产生的韧性剪切带是本区域断裂构造形迹组成的骨架,在韧性剪切变形之后很晚的时期(喜马拉雅早中期),沿早期形成的韧性剪切变形较强的变形带或者韧性剪切带边缘,发育了脆性变形叠加在韧性变形带之上[3]。

该区域断裂不同性质的构造活动形成的构造岩存在明显的差异,需从工程地质实际意义出发,对其不同性质的构造活动形成的构造岩进行有针对性的工程地质分带和相应的岩体工程性状研究,系本水电站工程勘察论证的重点研究内容之一,研究成果可为水电站大坝工程设计提供技术支撑,亦可为同类工程类似断裂(层)工程地质研究提供参考。

1.2 坝址区地质概况

水电站坝址区属于构造剥蚀中低山地貌区,地势总体上北高南低、东高西低,山脉首要优势方向呈近南北向延伸。May Kha江自北向南流经区内,两岸山脉临江山顶高程1 000～1 500 m,冲沟较为发育,河谷呈较开阔的“V”字形,河床地面高程229～249 m。

区内岸坡大部分地表分布第四系残坡积层粘土夹母岩风化碎屑或碎石,厚度一般3～25 m;河床上覆第四系冲积层,厚度一般11～50 m,上部为粉细砂—中细砂,下部为砂砾卵石夹含漂石。下伏基岩地层为中上元古界念青唐古拉岩群(Pt2-3Nq)结晶变质岩,部分出露,岩性大多为花岗片麻岩,左岸局部分布有带状云英片岩,右岸部分地段分布有很晚时期侵入的花岗岩,以岩株形态产出。

图1 May Kha断裂坝基部位构造带分带示意图Fig.1 Segmentation of tectonic zone schematic diagram on May Kha fracture dam foundation part1.中上元古界念青唐古拉岩群;2.花岗片麻岩;3.云英片岩;4.第四系冲洪积漂石、块石;5.第四系残坡积碎石土;6.粗糜棱岩;7.糜棱片岩;8.碎裂岩;9.断层及编号(虚线为推测);10.地层及岩性界线(虚线为推测);11.大坝建基面。

2 坝基区域断裂工程地质分带基本特征

区域性May Kha断裂穿越选定坝址大坝河床左侧及近岸坝基,经历了不同性质的构造活动,包括中晚元古代变质—变形同期的韧性剪切变形和韧性变形之后喜马拉雅早中期叠加的脆性变形。经水电站工程勘察论证研究,从工程地质实际意义出发,将其穿越坝基部位的构造带进行工程地质分带,坝基部位由韧性剪切变形构造活动形成的构造岩带称为粗糜棱岩带;由脆性变形构造活动形成的构造岩带划分为碎裂岩带和软弱构造岩带,并将其中软弱构造岩带视为断层,包括F41、F42断层(图1)。

2.1 粗糜棱岩带基本特征

粗糜棱岩带形成于中晚元古代,变质—变形同期,系由韧性剪切变形构造活动形成。在拟建水电站选定坝址沿May Kha江左岸近岸斜坡展布,走向NNE(8°～10°),宽度大于左岸坝基。带内粗糜棱岩具有强烈定向组构,岩石遭受了高温高压环境下的强烈韧性剪切变形,具常见的粗糜棱结构,并可见流体作用表现生成的长英质条带及透镜状、眼球状、旋转碎斑、书斜构造等特征(图2)。

岩石块状具半定向不规则条纹状构造,碎斑主要为长石、石英,含量>60%,粒度粗细不一,粒径介于0.2～5 mm不等,以<2 mm为主,常呈不规则粒状或透镜状;碎基为片状云母和丝状石英,包绕碎斑,细—微粒不等粒不规则粒状或糜棱带状,尤以后者为主,无序散布充填于碎斑粒间。沿粗糜棱面理有擦痕和线理构造发育,擦痕方向与石英矿物定向线理基本一致。在一些部位可以见到其叶理面上发育拉伸线理,侧伏角多在S25°左右,表明其表现以SN向的水平剪切为主,其次伴有垂直运动。

图2 粗糜棱岩(眼球状)Fig.2 Coarse mylonite(augen)

2.2 碎裂岩带基本特征

碎裂岩带系在喜马拉雅早中期,沿早期形成的韧性剪切变形较强的变形带或者韧性剪切带边缘,发生了脆性变形构造活动,破裂产生较宽的破碎带,再经后期热液重结晶胶结成岩而形成。发育于粗糜棱岩带西侧,顺May Kha江河床左侧及近岸展布,走向NNE20°左右,边界总体倾向W,倾角82°～88°,两侧边界与相邻岩体接触较紧密。

岩石具最常见的碎裂结构,碎裂纹十分发育,矿物成分以钾长石、斜长石、石英为主(图3),累计含量68%～92%;其它矿物为少量黑云母、绢云母、绿泥石、高岭石等,合计含量8%～32%[4]。该带在坝基范围内分布于左岸非溢流坝段,分布宽度在坝轴线一带约86 m、在坝趾一带约92 m。至附近下游一带,展布于河床左侧,分布宽度约100 m左右。

图3 碎裂岩(碎裂纹发育)Fig.3 Cataclasite (crack development)

2.3 F41、F42断层基本特征

F41、F42断层水平间距25～85 m,系在喜马拉雅早中期,沿早期形成的韧性剪切变形较强的变形带或者韧性剪切带边缘发生脆性变形构造活动时,破裂产生较宽破碎带的主破裂带,在热液重结晶胶结成岩作用之后的时期,活动程度相对较轻,仅于主破裂带处形成宽度不超过4 m的软弱构造岩带,并经以后长期地质作用软化及部分泥化。

两断层经组成物质取样测年等综合研究,不具活动性,其软弱构造岩带物质为泥化物或夹碎石,由碎裂岩岩屑或夹杂细小岩块组成,亦称之为“断层泥化带”;顺May Kha江河床左侧及近岸展布,走向NNE(5°～25°),总体倾向W,倾角72°～85°。两断层在坝基范围内分布于左岸非溢流坝段,经工程勘察钻孔、平洞揭示和地表露头(图4)调查研究,F41断层宽度0～2.1 m,局部地段以破裂面的形式存在;F42断层宽度0.9～2.0 m。

断层软弱构造岩带泥化物经坝址勘察采取扰动样,室内颗粒组成分析试验成果显示,F41断层泥化物分类定名为粉土质砂或粉土质砾,F42断层泥化物分类定名为粉土质砾或含细粒土砾,且前者比后者颗粒组成略偏细,表明前者泥化程度更高[5]。

图4 F42断层地表露头Fig.4 F42 fault surface occurrence

3 坝基区域断裂工程地质分带性状

May Kha断裂穿越拟建水电站工程选定坝址混凝土重力坝河床左侧及近岸坝基,不同性质的构造活动形成的构造岩主要工程性状存在明显的差异(图5),需开展其工程地质分带岩体性状研究,为大坝工程设计提供技术支撑。

图5 May Kha断裂坝基部位分带微新状岩体主要工程性状差异概化略图Fig.5 Main engineering character difference generalized sketch of micro-new rock mass on May Kha fracture dam foundation part segmentation

3.1 粗糜棱岩带岩体性状

3.1.1 岩体风化及主要勘探技术指标

粗糜棱岩带岩体总体上具垂直风化特点,可划分为全强、弱、微风化带,其中全强风化带厚度≤16 m;弱风化带厚度≤9 m,且多在5 m以内;以下为微风化及新鲜岩带。据勘探揭示:①全强风化带岩体主要呈砂土状,向下逐渐含母岩碎粒及夹少量碎石,岩石质量指标(RQD)为0,钻孔声波纵波速(VP)值多为2 300～3 000 m/s;②弱风化带岩体钻孔岩芯主要呈短柱状夹碎块状,RQD平均值20%～50%,钻孔VP值一般3 000～4 500 m/s;③微新状岩体钻孔岩芯多呈柱状,柱长20～40 cm,RQD平均值65%～90%,钻孔VP值一般4 500～5 700 m/s。

3.1.2 岩体(石)主要物理力学性质

工程勘察期间,对粗糜棱岩采取大量钻孔芯样,进行了室内岩石物理力学性质试验,并在勘探平洞内选取代表性部位,进行了现场原位岩体直剪试验、变形试验,以及现场原位混凝土与微新岩体接触面直剪试验,试验成果见表1。可知,粗糜棱岩微新状岩石饱和单轴抗压强度(Rb)平均值124.7 MPa,属坚硬岩类极坚硬岩,其岩石VP值平均为5 624 m/s。

表1 粗糜棱岩岩体(石)主要物理力学性质试验成果统计表Table 1 The test results table of main physical and mechanical properties of crude mylonite rock mass

注:表中系平均值。

3.1.3 岩体结构及基本质量

粗糜棱岩带根据岩体风化状态和结构面的发育程度及间距,进行岩体结构分类;据岩体基本质量指标(BQ)得出岩体基本质量分级[6]。其全强风化带岩体结构属散体结构,破碎,基本质量级别属V类。弱风化带上部岩体结构主要属镶嵌结构,完整性差,基本质量级别属Ⅳ类;下部岩体结构多属次块状结构,较完整,基本质量级别属Ⅲ类。微风化带或新鲜岩体主要属块状结构、次块状结构,较完整,基本质量级别总体上属Ⅱ类。

3.1.4 岩体渗透特性

粗糜棱岩带岩体全强风化带渗透系数(K)为量级10-4～10-2cm/s,中等透水。据钻孔压水试验成果,弱风化带岩体透水率(q)为10～100 Lu,中等透水;微新状岩体q为0.1～10 Lu,弱透水—微透水。按混凝土重力坝渗控工程防渗标准:两岸灌后岩体q≤3 Lu,河床灌后岩体q≤1 Lu。粗糜棱岩带岩体q≤3 Lu的埋深为13～44 m;q≤1 Lu的埋深为18～84 m,西侧部位地段埋深相对增大。

3.2 碎裂岩带岩体性状

3.2.1 岩体风化及主要勘探技术指标

碎裂岩带岩体全强风化带厚度一般5～15 m;弱风化带厚度一般<10 m;以下为微风化及新鲜岩带。据勘探钻孔揭示:①全强风化带岩芯多呈碎屑、砂土状及少量碎块状,RQD为0,钻孔VP值1 905～2 856 m/s;②弱风化带岩芯主要呈碎块状,极少量柱状,RQD平均值多为9%～27%,钻孔VP值2 941～3 735 m/s;③微新状岩体岩芯多呈柱状,柱长10～30 cm,RQD平均值一般53%～82%,钻孔VP值一般3 915～4 906 m/s,其中上部20～30 m范围内多为3 603～4 500 m/s。

3.2.2 岩体(石)主要物理力学性质

工程勘察期间,同样对碎裂岩采取大量钻孔芯样,进行了室内岩石物理力学性质试验;亦在勘探平洞内选取代表性部位,进行了现场原位岩体直剪试验、变形试验,以及现场原位混凝土与微新岩体接触面直剪试验,试验成果见表2。可知,碎裂岩微新状岩石Rb平均值为64.1 MPa,属坚硬岩,其岩石VP值平均5 650 m/s。

3.2.3 岩体结构及基本质量

碎裂岩带全强风化带岩体呈散体结构、破碎,基本质量级别属V类;弱风化带岩体呈碎裂结构、较破碎,基本质量级别属Ⅳ类;微新状岩体大部分呈次块状结构、较完整,上部基本质量级别总体上属Ⅲ类。

3.2.4 岩体渗透特性

碎裂岩带岩体全强风化带K为量级10-4～10-2cm/s,中等透水。据钻孔压水试验成果,弱风化带岩体q为0.5～35.4 Lu,以弱透水为主;微新状岩体q大多0.6～9.9 Lu,微透水—弱透水。碎裂岩带岩体q≤3 Lu的埋深为18～68 m;q≤1 Lu的埋深为30～131 m,其中部地段受F41、F42断层夹持影响而埋深最大。

3.3 F41、F42断层性状

3.3.1 主要勘探技术指标、岩体结构及基本质量F41、F42断层软弱构造岩带,勘探揭示呈粗粒土类,钻孔岩芯主要呈碎裂岩碎粒或碎石夹细粒土状,RQD为0,钻孔VP值多为1 887～2 553 m/s。岩体结构呈碎屑状结构,基本质量级别属Ⅴ类。

表2 碎裂岩岩体(石)主要物理力学性质试验成果统计表Table 2 The test results table of main physical and mechanical properties of cataclastic rock mass

注:表中系平均值。

3.3.2 主要物理力学性质

工程勘察期间,在勘探平洞中对F41、F42断层软弱构造岩带泥化物采取环刀原状样,进行了室内物理力学性质试验;并选取代表性部位对F42断层泥化带进行了现场原位直剪试验、变形试验及载荷试验,试验成果见表3。结果表明,两断层软弱构造岩带力学性状如同粗粒土类,须进行工程强化处理。

表3 F41、F42断层泥化带主要物理力学性质试验成果统计表Table 3 The test results table of main physical and mechanical properties of F41 and F42 fault argillation zone

注:表中系平均值。

3.3.3 渗透变形特性

工程勘察期间,亦在勘探平洞中对F41、F42断层软弱构造岩带泥化物采取原状样,形状为不太规则的六面体,表面粗糙,样品尺寸20 cm×20 cm×20 cm左右,采用水泥现浇试验模型,即试样四周除上下游外,均用水泥砂浆密封,按上下游方向进行现场渗透变形试验。

试验前均用水力比降J<0.1的低水头对试样充分饱和1 d以上,逐级提升水头进行,试验水流按河流流向方向。两断层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4。

试验结果表明:两断层泥化带渗透系数总体上在10-4～10-3量级,中等透水;渗透变形形式均为局部流土,与两盘接触部位渗透变形形式,即F41断层为接触冲刷,F42断层为接触冲刷或局部流土。

表4 F41、F42断层泥化带现场原状样渗透变形试验成果统计表Table 4 The original sample seepage deformation test results table of F41 and F42 fault argillation zone

注:表中系平均值。

4 区域断裂部位大坝建基岩体选择

本水电站工程大坝拟建碾压混凝土重力坝,最大坝高206 m,系特高重力坝,对建基岩体质量要求高。

粗糜棱岩带岩体全强风化带基本质量级别属V类,不能作为大坝建基岩体利用;弱风化带上部、下部基本质量级别分属Ⅳ类、Ⅲ类,Ⅳ类岩体亦不能作为大坝建基岩体利用,下部Ⅲ类岩体厚度薄,建议主体予以挖除;微新状岩体基本质量级别总体上属Ⅱ类,强度、变形指标等参数满足大坝建基要求,是理想的建基岩体类别,且可容易利用。

碎裂岩带岩体全强风化带、弱风化带基本质量级别属Ⅴ类、Ⅳ类,不能作为大坝建基岩体利用;微新状岩体上部基本质量级别总体上属Ⅲ类,强度、变形指标等参数基本满足大坝建基要求,可以作为大坝建基岩体,且可容易利用,但其和两侧微新状花岗片麻岩及粗糜棱岩的岩石抗压强度与变形模量有较大差异。

F41、F42断层软弱构造岩带岩体基本质量属Ⅴ类,强度、变形指标参数低,不能直接满足筑坝要求,系坝基最软弱部位,须对其采取充足的工程强化处理措施;其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。

综上所述,该水电站工程大坝区域断裂分布部位粗糜棱岩带、碎裂岩带可选择微新状岩体作为大坝建基岩体,且可容易利用;F41、F42断层软弱构造岩带不能直接满足筑坝要求,须予以工程强化处理,更需加强防渗和防护措施。

5 结论

经对本水电站工程重力坝坝基区域断裂工程地质分带性状研究,可以得出以下主要结论:

(1) May Kha断裂系区域性断裂构造,发育在中上元古界念青唐古拉岩群(Pt2-3Nq)内部,宽约500～800 m,构造形迹包括形成于中晚元古代变质—变形同期的韧性剪切变形构造和形成于喜马拉雅早中期的脆性变形构造,经断层组成物质取样测年等综合研究,不具活动性,穿越选定坝址大坝河床左侧及近岸坝基。

(2) May Kha断裂穿越坝基部位的构造带,工程地质分带为韧性粗糜棱岩带和脆性碎裂岩带及F41、F42断层软弱构造岩带。坝基范围内,粗糜棱岩带宽度超出左坝肩;碎裂岩带宽度86～92 m;F41断层宽度0～2.1 m,F42断层宽度0.9～2.0 m。

(3) May Kha断裂坝基部位粗糜棱岩带、碎裂岩带力学性状研究结果表明,微新状岩体强度、变形指标参数分别满足、基本满足大坝建基要求,可选择其作为大坝建基岩体,且可容易利用;F41、F42断层软弱构造岩带力学性状如同粗粒土类,强度、变形指标参数低,不能直接满足筑坝要求,系坝基最软弱部位,须予以工程强化处理,其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,更需加强防渗和防护措施。

[1] 中国电力企业联合会.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006[S].北京:中国计划出版社,2008.

[2] 朱志澄.构造地质学[M].武汉:中国地质大学出版社,1999.

[3] 邓争荣,雷世兵,何永刚,等.某地区Chipwi韧性剪切带构造特征及其岩体工程性状[J].资源环境与工程,2015,29(5):747-752.

[4] 邓争荣,吴树良,雷世兵,等.某水电站坝基碎裂岩工程性状及处理措施[J].长江科学院院报,2013,30(6):58-62.

[5] 邓争荣,吴树良,杨友刚,等.某水电站坝址F41、F42断层泥化带工程特性研究[J].长江科学院院报,2012,29(1):39-43.

[6] 中华人民共和国水利部.工程岩体分级标准:GB/T 50218—2014[S].北京:中国计划出版社,2015.

(责任编辑：于继红)

Study on the Engineering Geological Zoning Properties with RegionalFaults of a Hydropower Station Ultra-high Gravity Dam Foundation

DENG Zhengrong1, WU Shuliang1, LI Lin1, XIE Jianbo1, CAO Daoning1, KANG Yanling2

(1.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation,Wuhan,Hubei430010; 2.No.3InstituteofGeologicalMineralResourcesSurveyofHenanGeologicalBureau,Xinyang,Henan464000)

A proposed hydropower project areas are developed by May Kha fracture,which are regional fault structure,non-active,high concrete gravity dam across the river on the left and coastal foundation,there are significant differences in tectonic rocks formed by tectonic activities of different properties. From the practical significance of engineering geology,to carry out engineering geological zoning. Based on the engineering geology combined with the structural geology method,the dam foundation structure is divided into the ductile mullite zone,the brittle fracture zone and the F41and F42fault weak structural rock belts. The results of the engineering traits show that the deformation index parameters of coarse mylon rock mass and micro-new rock mass meet or basically meet the requirements of dam foundation,can be used easily as dam rock foundation; F41,F42fault weak tectonic zone width within 2.1 m,strength,low deformation index parameters can’t directly meet the dam requirements,the project shall be processed.

engineering geological zoning; engineering properties; regional fault; gravity dam foundation; hydropower station

2017-05-31;改回日期:2017-06-13

邓争荣(1972-),男,教授级高级工程师,硕士,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质、岩土工程勘察工作。E-mail:mrdengzr@163.com

TV642

A

1671-1211(2017)04-0401-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.011

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1436.042.html 数字出版日期:2017-06-20 14:36