信阳牢山寨花岗岩岩体节理发育特征及构造应力分析

王伯林， 黄肖潇， 孟令超， 吴琦， 李亚军， 袁广祥， 赵贵章， 冉涛， 任明浩

(华北水利水电大学地球科学与工程学院， 郑州 450046)

花岗岩是酸性岩浆侵入冷凝固结而成的深成岩体，一般具有较好的岩石力学性质和较低的渗透性[1-3]，因此，大型水利水电工程、抽水蓄能电站和高放处置工程往往选取花岗岩作为基岩，如长江三峡水利水电工程，其坝址基岩为闪云斜长花岗岩[4]；湖南平江抽水蓄能电站库址选于花岗岩岩体之上[5-6]；北山高放废物处置侯选库也选取花岗岩作为基岩[7-8]。然而，花岗岩易受区域构造应力作用发生剪切和张性变形，形成节理和微裂隙，导致其岩石力学性质显著降低，渗透性显著增加。袁广祥等[9]研究了微裂隙对花岗岩的力学性质的影响，认为存在微裂隙线密度阈值，当微裂隙线密度大于该阈值，花岗岩力学性质明显减弱；任红磊等[10]认为，在各级法向应力下，节理连通率的增大使得岩体破坏时的峰值抗剪强度均呈下降趋势；张帆等[11]研究表明，张拉、压剪裂隙在不同水压下其影响花岗岩渗流的程度是不同的；张强等[12]研究了高应力下花岗岩节理剪切时渗透性，认为花岗岩高应力下的渗透性是受节理剪涨、压缩的共同影响；李永寿等[13]研究表明，节理裂隙是岩体内部损伤，并对损伤模型进行了验证，证明了裂隙岩体渗流模型的合理性；孔洋等[14]通过室内试验提出了三向不等应力作用下节理岩体的渗流-应力耦合方程，还原了节理的天然应力状态。以上对花岗岩力学性质和渗透特征的研究，主要基于实验室。但实际工程中，区域构造应力复杂、多期次，导致花岗岩中节理的分布、产状、密度和连通性复杂多变，加之风化和卸荷的影响，致使花岗岩岩体的渗透性呈现非均质性和各向异性，导致查明花岗岩体中的渗漏裂隙和通道较为困难。Wang等[15]采用三维流动模型进行数值模拟，考虑断层、大结构面对渗流场的影响，但未深入考虑节理特征对渗流的影响。Dusabemariya等[16]采用高密度电法检测抽水蓄能电站的渗漏通道，确定断层、大裂缝及岩性接触界面为潜在渗流通道。但高密度电法分辨率较低，无法精确反映节理和微裂隙对渗流的影响。

构造应力是控制区域构造发育和局部断裂的重要因素之一。在构造应力场下岩体会形成特殊的构造形迹，如节理。不同期次构造应力场作用，导致节理的叠加、组合。因此，研究节理的分期和配套，能够明确研究区的构造应力演化史。研究表明，在低应力水平下，节理粗糙度(JRC值)、连通率对节理的渗流特性有较大影响[17-18]，通过对花岗岩节理进行统计和分析，可以明确花岗岩节理的粗糙度、张开度、连通率、填充度等特征，对评价花岗岩岩体渗透性具有重要的意义。因此，查明花岗岩节理发育特征，不仅可以反演构造应力的方向和演化期次[19-26]；还能较为准确地揭示工程区花岗岩岩体渗透性，为工程设计施工提供决策依据。

研究区位于秦岭-大别造山带，区域内主要发育燕山末期花岗岩。在研究区内，拟建设一座抽水蓄能电站上水库，设计正常蓄水位347.50 m，死水位311.50 m，有效库容927×104m3，大坝坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高为128.2 m(坝轴线处)，主副坝坝顶中心线总长1 249.10 m。通过统计该水库范围内351条节理发育特征，利用节理分析软件和水压致裂法试验，理清研究区构造应力演化史和构造应力大小，并通过压水试验，探究研究区花岗岩岩体透水性随深度的变化规律。研究结果为研究区上水库防渗设计和施工提供意见和建议，同时为花岗岩岩体上同类型工程建设提供参考和方法。

1 区域地质背景

研究区地处河南省信阳市光山县殷棚乡和罗山县定远乡境内的牢山寨北坡的山间谷地，距信阳市直线距离约70 km。抽水蓄能电站上水库拟建于研究区花岗岩岩体之上，在牢山寨北坡近顶部天然“V”型沟谷内筑坝修挖成库，集雨面积0.311 km2。研究区地理位置如图1所示。

研究区在区域地质构造中，位于秦岭-大别造山带地区。该造山带是秦岭-大别-苏鲁造山带的组成部分，位于扬子板块向华北板块俯冲碰撞的过渡带，是扬子板块向华北板块碰撞后经历多阶段构造演化的产物[27]。大别造山带西起河南桐柏山，向西以南阳盆地为界与秦岭造山带相望；东侧以郯城-庐江断裂为界。南北向的商城-麻城断裂将大别山造山带分为东大别和西大别两部分。东大别造山带自北向南以晓天-磨子谭断裂、五河-水吼断裂和太湖-马庙断裂为界划分为4个岩石构造单元：北淮阳构造带、北大别杂岩带、南大别高压-超高压变质带、宿松杂岩带[28]，如图2所示。

大别造山带断裂构造十分发育，深大断裂不仅是不同构造单元的边界，而且还与次级断裂共同控制着区域内各个期次的岩浆分布。区域内深大断裂基本均沿NWW向展布，由北向南主要为明港岗固始断裂、龟梅断裂、桐商断裂、八里畈断裂、白洼断裂；次级断裂主要沿NE向近等距展布，由西向东分别为信阳断裂、涩港断裂、竹竿断裂、陡山河断裂、商麻断裂如图3所示。区域内岩浆岩分布广泛，同位素年龄指示该地区燕山期岩浆活动最为频繁[29-30]，且规模较大。其活动顺序可分为早晚两期。晚期又可分为三次不同形式的侵入活动，以第一次侵入活动最为强烈，形成的岩浆岩主要分布于桐商断裂以南。区域内分布灵山、新县、商城三大花岗岩基和若干派生小岩株[31]。研究区位于桐柏-商城断裂北侧，该断裂西与陕西省山阳大断裂相连，东侧交于安徽境内的郯庐断裂[32]。受大别山造山带构造运动控制，该地区构造应力方向为SSW-NNE向。

图1 研究区地理位置图及航拍图Fig.1 Schematic diagram of the study area and aerial photos

Ⅰ为华北地块南缘构造带；Ⅱ为北淮阳构造带；Ⅲ为北大别变质杂岩变质带；Ⅳ为南大别高压-超高压变质带； Ⅴ为宿松杂岩带；Ⅵ为前陆冲断褶带和推覆前锋变形带图2 大别造山带构造单元简图Fig.2 Schematic diagram of structural units in the Dabie orogenic belt

图3 大别山北麓构造纲要简图Fig.3 Schematic diagram of structural outline of northern Dabie Mountain

研究区的牢山花岗岩体位于灵山花岗岩基西部，属燕山晚期第一次侵入的小花岗岩株，其岩性主要为中粒二长花岗岩、似斑状花岗岩。岩石手标本主要呈粉白-肉红色但由于轻微风化带有浅黄色如图4(a)、图4(b)所示，中粒花岗结构，块状构造。矿物成分为：斜长石约40%，钾长石为30%～35%，石英20%～30%，含少量黑云母，可见轻微的蚀变，如图4(c)～图4(e)所示。钾长石呈半自形粒状-它形粒状，发育卡尔斯巴双晶(接触双晶010面)，颗粒直径2～3 mm，钾长石有明显的绢云母化如图4(f)所示。斜长石呈自形板状，发育聚片双晶，颗粒一般较为粗大约5 mm。石英主要呈它形粒状，粒度1～2 mm，偶见波状消光。黑云母主要呈半自形片状，多色性明显。

Qt为石英；Bt为黑云母；Pl为斜长石；Kfs为钾长石；Kfs-Srt为钾长石绢云母图4 研究区中粒二长花岗岩手标本与岩相学特征Fig.4 Hand specimens and petrographic characteristics of medium-grain monzonitic granite in the study area

2 构造节理分析

野外调查显示，研究区花岗岩主要发育NE、NW、NNW、NEE向节理。区域内X型剪节理(平面、剖面)发育，节理面平直光滑；偶见节理之间发育张扭性节理如图5所示。

图5 研究区张扭性节理Fig.5 Tensile-torsional joints in the study area

2.1 节理发育特征

研究区内，节理间距较小，为20～50 cm；延伸长度为2～4 m，少数可达到4～10 m。节理性质以剪节理为主，节理张开度平均为2～4 mm少量大于4 mm；填充物主要为碎屑和泥质，少量节理被石英脉填充如图6(a)所示，并发育钾长石化如图6(b)所示。在研究区对节理进行野外观察和测量，野外工作如图7所示；对研究区内14个露头(其位置分布如图8所示)，以及一个典型剖面的燕山期晚期第一次侵入花岗岩进行了节理的野外观察和测量，共计观察统计剪节理351条，节理面平直光滑，产状总体稳定，用于应力分析较为可靠。

图8 研究区节理测点分布及节理走向玫瑰花图Fig.8 Distribution of joints and rose diagram of joint-strike in the study area

图9 研究区节理玫瑰花图及倾角统计Fig.9 Rose diagram and dip angle statistics of joints in the study area

2.2 节理统计

对野外节理统计结果进行赤平投影，得到节理走向玫瑰花图[图9(a)]。结果显示，研究区内节理的优势方位为NNW-SSE向，还发育NWW-SEE向、近S-N和NW-SE节理，节理详细特征如表1所示。

研究区的节理间距平均为0.2～0.5 m。根据岩体结构面间距工程分级，研究区内岩体节理间距主要为窄间距类型，为0.06～0.2 m，其次为中等间距类型为0.2～0.6 m，而极窄间距和很窄间距类型在研究区内较为少见。研究区内节理整体延伸长度短，主要集中在1～3 m范围，占节理总数75%以上。野外统计数据显示，90%以上的节理张开度小于5 mm，节理张开度主要是微张的，其次为闭合。节理充填物主要为石英脉、岩屑和泥质。其中，泥质充填最为发育，其次为无充填型和岩屑型。石英脉虽然分布范围较广，但规模和占比较小，发育长度一般在1～5 m。节理倾角统计结果显示，研究区节理以陡倾角节理为主[图9(b)]，说明该区域大主应力方向角度较小，近乎水平。

图6 研究区节理充填与蚀变情况Fig.6 Filling and alteration of joints in the study area

图7 野外节理统计Fig.7 Joints investigation during the field work

3 节理配套与分期

3.1 节理配套

在研究区14个点共测得节理351条。通过节理分析软件绘制出节理的走向玫瑰花图[图9(a)]，该地区NNW和NWW向节理最为发育。根据共轭剪节理的配套原则：共轭剪节理一般均呈X形相交。由于同一期应力场中形成的共轭剪节理具有特定的剪切滑动关系，野外一般通过剪节理面擦痕和节理羽列确定其共轭关系；还可通过剪节理的尾端变化(如折尾)和菱形结环确定其共轭关系。根据此配套原则，对研究区具有此特征的节理进行配套，将研究区节理分为三套共轭节理(表2)。

第1套共轭节理：由NE向与NWW向节理组成如图10(a),图10(b)所示，该套共轭节理较发育，产状陡立，倾角近乎直立。两组节理倾向分别为284°～304°、180°～200°，两节理走向夹角的锐角角平分线近NEE向。第2套共轭剪节理：由NNW向与NE向节理组成如图10(c)所示，该套共轭节理发育，节理倾角较为陡立，两组节理倾向分别为230°～360°、305°～325°，两组节理走向夹角的锐角角平分线近NNE向。第3套共轭剪节理：由NNE向与NWW向节理组成如图10(d)所示，两组节理倾向分别为103°～133°、5°～35°，两组节理走向夹角的锐角角平分线近EW向。3套共轭剪节理呈相互切割、限制等规律，存在相对的时间先后关系。将3套典型共轭剪节进行赤平投影和构造应力反演，结果如图11所示，结果表明3套节理属于不同的构造期次，反映了3个方向的构造应力，可以用于节理的分期和构造应力分析。

表1 节理统计Table 1 Statistics of joints

表2 X型共轭剪节理特征Table 2 X-type conjugate shear joint characteristics

图10 研究区共轭剪节理图Fig.10 Diagram of conjugate shear joint in the study area

σ1为最大主应力；σ2为中间主应力；σ3为最小主应力图11 3套典型共轭剪节理赤平投影及应力反演图Fig.11 Stereographic projection and stress inversion of three sets of typical conjugate shear joints

3.2 节理分期

根据节理配套结果，结合典型剖面(图12)，利用节理的错开、限制、互切、追踪、利用和改造等节理分期原则，确定节理分期。剖面所示的节理切割关系为：节理A被节理B和节理C所切割，所以节理A比节理B和节理C早形成，又根据节理的交切关系，节理B被节理C所错开，所以节理B比节理C形成早。综上可知，节理形成的次序为A-B-C。节理A为NWW向剪节理，节理B为NNW向剪节理，节理C为NWW向剪节理，分别属于第1套共轭剪节理、第2套共轭剪和第3套共轭剪节理。所以第1套共轭剪节理形成时间最早，第2套共轭剪节理次之，第3套共轭剪节理最晚。

A为NWW向剪节理;B为NNW向剪节理;C为NWW向剪节理图12 研究区典型剖面Fig.12 Typical cross-section of study area

4 构造应力分析及大小

4.1 构造应力方向

根据节理配套和节理分期结果，利用构造应力分析软件对研究区三期X型共轭剪节理进行构造应力反演，得出研究区构造应力演化史。研究区自燕山期末到喜山期构造应力场共发生了3次转变，即NEE-SWW向、NNE-SSW向及近E-W向3次不同方向的构造应力作用，从而形成了能反应构造应力变化的3套X型共轭节理。

σ1为最大主应力图13 研究区X型共轭剪节理及构造应力场反演Fig.13 X-shaped conjugate shear joints and inversion of tectonic stress field in the study area

(1)NEE-SWW向挤压。近NE向与NWW向X型共轭剪节理在此构造应力下形成如图13(a)所示，可以看出，最大主应力方向变化范围为59°～70°(平均为65°)，倾角变化范围为10°～23°(平均为18°)。

(2)NNE-SSW向挤压：NNW向与NE向X型共轭剪节理在此构造应力下形成如图13(b)所示，可以看出，最大主应力方向变化范围为10°～20°(平均为15°)，倾角变化范围为4°～10°(平均为7°)。

(3)近E-W向挤压：NNE向与NWW向X型共轭剪节理在此构造应力下形成如图13(c)所示，可以看出，最大主应力方向变化范围为240°～267°(平均为255°)，倾角变化范围为9°～20°(平均为15°)。

研究表明，研究区在燕山中期-燕山晚期进入以NNE-近NS向构造为主、近EW向构造为次的构造动力大转换时期。晚侏罗世为挤压构造背景，造山带陆壳堆叠、增厚；早白垩世早期由挤压向伸展转换，造山带陆壳维系增厚状态；早白垩世中期为伸展背景，造山带拆沉去根，岩石圈伸展减薄，造山后伸展崩塌；早白垩世晚期向板内环境过渡；中白垩世由NW-SE向伸展构造，转为统一的中国东部构造环境；中国东部燕山期中期-喜山期构造应力演化进程为：燕山早期，近S-N向；燕山晚期，为近E-W；喜山期，为近E-W向[28,31,33]。本次研究得出的结论与区域大地构造背景相符。

4.2 构造应力大小

在库区内布置了3组断面，在钻孔内进行地应力测试；Ⅰ断面：ZK2～ZK4，Ⅱ断面：ZK4～ZK6，Ⅲ断面：ZK1、ZK6、ZK7，3条断面分布如图7所示，所采用的方法为水压致裂法。为得到岩体空间三维应力状态，采用的是多孔测试法，每组地应力测试均布置3个不同方向的钻孔，倾角分别为60°、90°、45°。测试时考虑了岩体的完整性、透水率和钻孔的实际深度等因素，测试过程中尽量将同一断面的3个测孔的测试段布置于同一高程，以利于成果的比较分析，同时还考虑了风化和卸荷对岩体初始应力的影响，将测段的深度置于孔深15 m以下，每个测试段进行2～3次循环加压。从测试的结果来看，岩体破裂压力与深度有较明显的对应关系，随着深度的增加，破裂压力值一般呈增大的趋势。测试的最大压力位于Ⅲ断面ZK7孔的59.3 m处(与地面垂直深度)，破裂压力值达17.65 MPa，如图14(a)所示；最小压力位于Ⅰ断面ZK3的26.5 m处，压力值为8.47 MPa，如图14(b)所示。测试成果表明工程区最大主应力均小于10 MPa如表3所示，为低地应力区，实测的垂直向上的应力分量σz略大于自重应力理论计算值，并且小于最大主应力值，表明测试部位的地应力场以构造应力场为主。通过水压致裂法试验所得的主应力方向与通过节理反演所得处的结论较为一致，证明了利用节理反演构造应力的可行性和可靠性。

5 研究区花岗岩透水性

岩体透水性不仅与岩性条件、构造破坏程度和风化卸荷状况等因素关系密切，还受围压大小的影响。一般来说，地表受风化、构造影响较大的部位岩体透水性较大，深部新鲜、完整的岩石透水性小。

研究区ZK1和ZK2岩芯节理统计结果表明，研究区花岗岩随埋深的增加节理数量整体呈下降趋势，但在部分深度节理数量变化显著如图15所示。压水试验结果显示，ZK1和ZK2岩体最大透水率分别为10.5 Lu和11.4 Lu[水压为1 MPa时，每米试段长度L(单位：m)每分钟注入水量Q(单位：L/min)为1 L时，称为1 Lu]。接近地表区域，岩体透水率均大于10 Lu，属于中等透水岩体；在20 m深度范围内，花岗岩岩体透水率随着埋深增加显著降低；埋深超过20 m，岩体透水率均小于3 Lu且趋于稳定，属于弱透水岩体。但在超过20 m深部，岩石透水率随节理发育程度发生较明显变化，在节理发育部位，岩石透水率有所增大如图15所示。这表明在花岗岩深部，节理发育程度是岩石透水率的控制因素。然而，对比ZK1中20～50 m段和60～90 m段发现，节理数量大幅度变化并未引起透水率显著改变，特别是60～90 m段。该变化特征的原因应是，随着深度的增加，花岗岩岩体所承受的自重应力和围压增大，迫使岩体节理张开度减小和连通性降低，导致节理透水性显著降低。这表明在花岗岩深部，岩石透水率不仅受节理数目控制，还受节理张开度和连通性影响。

图15表明，岩体透水率与节理随深度变化的趋势大致吻合，但在局部位置出现随节理条数减少而岩体透水率增大的趋势。其原因可能是岩体在该位置NNW和NWW节理发育并且节理张开度和连通率较好从而导致透水率有局部增大的趋势。

Pb为破裂压力；T为时间图14 工程区钻孔地应力测试曲线Fig.14 Ground stress test curves of borehole in engineering area

6 结论

(1)通过对研究区节理进行统计和分析，查明了节理的优势方位为NNW-SSE向，倾角均为大倾角；节理面在浅部风化较为强烈，多为绿泥石化；节理面风化程度呈现随深度增加而降低的趋势；节理张开度主要是微张—闭合，平均为2～4 mm，充填物主要为石英脉、岩屑和泥质，透水性较差。节理密度较大，为20～30 cm/条。岩体结构面间距级别表现为窄的间距类型；节理整体延伸长度短，主要集中在1～3 m范围。研究区节理发育，密度大、延伸较段，近地表风化较为严重，对花岗岩岩体的结构完整性和岩体强度影响较大。

(2)通过对节理的分期和配套，得出研究区发育三套X型共轭剪节理。利用共轭剪节理反演得出研究区构造应力演化史：燕山晚期主应力方向为NEE-SWW，至喜山期主应力方向转变为近E-W向；此两期构造应力与大别山地区构造运动应力方向一致。在喜山期之后，研究区主应力方向转变为NNE-SSW，此为该地区小范围的构造应力场特征。水压致裂法试验测试得出研究区构造应力场均小于10 MPa，在量值上略大于自重应力，表明研究区属于低应力场区域。因此在修建上水库时，应在充分考虑工区环境的前提下适当避免坝轴线和重要设施与NNE-SSW向主应力垂直或者大角度相交，进而避免构造应力对工程带来的不利的影响。

表3 各测试断面三向岩体应力平均值成果Table 3 Average data of three-dimensional rock mass stress

图15 岩体透水率、节理条数随深度变化Fig.15 Variation of rock mass permeability and joint number

(3)通过对节理的统计和特征分析，表明研究区近地表花岗岩节理发育、风化程度较高、卸荷严重，致使岩体破碎，从而导致近地表花岗岩岩体透水率较大。这表明近地表岩体透水率是由风化、卸荷和节理共同决定的；但随着深度的增加，一方面岩体的风化程度降低，卸荷减弱；另一方面由于自重应力和围压增加迫使岩体节理张开度减小，加之节理裂隙充填较为发育，从而导致花岗岩岩体透水性有随埋深增大而减小的现象。花岗岩体透水率水随深度的变化趋势与节理条数随深度变化趋势相符，由此说明，在深部花岗岩岩体中，节理是影响花岗岩岩体透水性的主要因素。所以在研究区修建上水库时，应进行开挖，将近地表的风化层和卸荷层清除；并充分考虑优势节理方位进行防渗补漏处理；如，对优势节理进行针对性的混凝土灌浆，基岩采取喷射混凝土形成防渗帷幕等。