西藏扎拉水电站闹中断裂带岩体工程地质特性研究

刘大庆 张丙先 李建华 朱忠

收稿日期：2023-09-09

基金项目：

中国大唐集团公司科研项目（DTXZ-02-2021）

作者简介：

刘大庆，男，高级工程师，硕士，主要从事工程管理工作。E-mail：706948395@qq.com

引用格式：

刘大庆，张丙先，李建华，等.

西藏扎拉水电站闹中断裂带岩体工程地质特性研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：16-21.

摘要：

西藏扎拉水电站引水隧洞穿过闹中断裂带长度达305 m，是围岩失稳的易发地段，常规勘察方法难以对深埋于地下百余米的洞身段断裂带岩体性质作出准确的判断。为了给引水隧洞穿越断裂带的结构设计、断裂带缺陷处理提供地质依据，在勘探、室内试验和浅层现场试验的基础上，分析了断裂带岩体的性状及物理性质，采用岩体强度计算公式、专家会议法和Hoek-Brown强度准则对断裂带深部岩体的力学特性进行了分析计算。研究表明：闹中断裂带岩性软弱，结构较破碎，预测坍塌失稳现象较突出，成洞困难，会发生一定程度的塑性变形；专家会议法主要考虑岩体性状的异同，Hoek-Brown经验公式主要基于声波纵波速随深度的变化，两种方法获得的断裂带深部岩体的力学参数值相差不大，可作为初步设计的依据。研究成果及方法可供类似工程借鉴。

关键词：

断裂带岩体； 工程地质特性； 专家会议法； Hoek-Brown强度准则； 扎拉水电站； 西藏

中图法分类号：P642.3

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.003

文章编号：1006-0081（2024）06-0016-06

0  引  言

西藏扎拉水电站为Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式开发，挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高70 m。引水发电建筑物主要由引水隧洞和地面电站厂房组成，引水线路长约5.5 km。

闹中断裂是西藏扎拉水电站枢纽工程区的主干断裂，引水隧洞穿过闹中断裂带长度达305 m，设计洞径为6.0 m。各类断层岩构成的破碎岩体，工程地质性质不良，往往给工程带来困难和问题［1］。闹中断裂带也是引水隧洞围岩失稳的突出地段。地质条件对于隧洞的结构设计、施工开挖、围岩支护及运行维护将产生重大影响，需科学合理地开展勘察研究工作。

断层岩的地面调查方法主要有航空、航天遥感和地面物探，地下勘探手段主要有钻探、平洞和钻孔电视、声波测井等［2］。西藏扎拉水电站工程区内闹中断裂大部分呈隐伏通过，仅局部出露，引水隧洞穿过断裂带处洞身埋深110～210 m，沟底覆盖层厚达60 m，增大了勘察研究的难度。在勘察阶段，由于断层带岩体破碎、钻探取样扰动大、孔内原位测试适用性差，现场试验只能在浅层进行。然而，断层岩是原岩经过断裂作用形成的一类特殊岩石，空间分布不稳定［2］，性状变化较大，因此浅层岩体试验成果不能代表隧洞埋深处的断裂岩体强度。目前，对隧洞深部围岩的研究主要基于钻孔取样［3］、开挖后的现场监测［4-5］、超前地质预报与掌子面围岩调查［6］等，对于还未施工开挖且不具备采取原状样的情况鲜有研究成果。

为了给西藏扎拉水电站引水隧洞穿越断裂带的结构设计、断裂带缺陷处理提供地质依据，在勘探、室内试验和浅层现场试验的基础上，分析了断裂带岩体的性状及物理性质，采用岩体强度计算公式、专家会议法和Hoek-Brown强度准则对断裂带深部岩体的力学特性进行了分析计算。根据断裂带岩体的物理力学性质，分析了断裂带岩体作为隧洞围岩的工程特性，作为初步设计的依据。

1  闹中断裂基本特征

1.1  空间展布及地质结构

闹中断裂呈NE向展布，NE端与巴塘断裂相接，SW端与其西南方向延伸的断裂相接，长度约51 km。闹中断裂横穿扎拉水电站枢纽工程区，在地貌上形成沟槽、垭口等线性负地形，主要呈隐伏通过，局部出露［7］。电站引水隧洞于闹中沟，近垂直穿过闹中断裂带，隧洞埋深110～210 m。勘探揭示，引水隧洞穿过闹中断裂带宽度为305 m，断层岩为碎裂片状岩和碎裂岩，东盘为二叠系板岩，西盘为三叠系变质流纹斑岩（图1）。

1.2  地应力场及断裂运动特征

引水隧洞沿构造线方向330°～30°，与区域构造背景基本一致。根据板块运动、新构造运动特征，基于震源机制解、地形变等资料分析，该区域现代构造应力场最大主应力方向为NE～NEE向。在现场钻孔中采用水压致裂法进行地应力测试，测试成果表明：地应力场中水平应力起主导作用，最大水平主应力σH为自重应力σZ的1.3～1.4倍，最小水平主应力σh为自重应力σZ的0.8～0.9倍。根据GNSS速度场结果和跨闹中断裂GPS速度剖面，区域整体向南东向运动，并由近东西向逐步向东南方向偏转，闹中断裂带的挤压、拉张变形不显著，运动特征以右旋走滑为主［7］。根据安德森模式，闹中断裂的应力状态及力学形成机制如图2所示。

2  断裂带岩体物理性质

2.1  断裂带岩体性状

引水隧洞部位闹中断裂带岩体由碎裂片状岩和碎裂岩组成，其中，碎裂片状岩位于断裂破碎带东段，宽约260 m。碎裂片状岩呈深灰色、灰黑色，系原岩板岩受构造剪切作用，进一步发生片理化和碎裂化，形成的断层岩岩性软弱，结构较破碎（图3（a））。钻探施工时，干钻钻进较困难，采用植物胶护壁，半合管取芯多呈碎块、角砾夹岩屑、岩粉（图3（b）），钻孔采取率50%～100%；获得率为0～88%，平均值29%；RQD为0～70%，平均值13%。

碎裂岩位于断裂破碎带西段，宽约45 m。碎裂岩呈灰白色、灰色，裂隙密集发育，岩体被切割成大小不等的碎块和角砾，其原岩成分为大理岩。坑槽揭示，碎块和角砾基本保留着原岩结构和成分特征，碎块和角砾含量＞90%，多呈棱角状，定向性较差。碎块和角砾的节（劈）理面中有少量（＜10%）的泥质和碎粒、碎粉物质充填，胶结疏松（图4（a））。采用植物胶护壁，半合管取芯呈角砾或碎石状（图4（b）），采取率一般为92%～100%；获得率为0～26%，平均值6%；RQD为0。

2.2  矿物组构及化学成分

在钻孔中取引水隧洞埋深附近断裂带岩体试样进行矿物成分和化学成分分析，分析成果如下。

2.2.1  碎裂片状岩

采用透射-反射光学显微镜进行岩矿鉴定，结果显示碎裂片状岩呈鳞片-粉砂状结构，碎裂状构造，矿物显微特征见图5。

（1）  石英粉砂屑（Qtz）。含量35%～63%，平均值51.8%，次角状-次圆状，零散均匀分布，局部略定向分布，砂屑大小为0.01～0.05 mm。

（2）  伊利水云母-绢云母（Ⅲ+Ser）。含量约16%～45%，平均28.8%，微细鳞片状，较低干涉色-鲜艳干涉色，零散略定向分布在砂屑间隙中，片径为0.01～0.05 mm。

（3）  方解石（Cal）。含量10%～20%左右，不规则细粒状，高级白干涉色，遇茜素红试剂染红色，零散分布在砂屑间隙中，或聚集呈细脉状沿碎裂隙分布，粒径为0.01～0.10 mm。

（4）  黑云母、蒙脱石、碳质、铁质等矿物含量≤10%，零散分布在砂屑间隙中，或水云母集合体中。

X衍射分析结果表明：碎裂片状岩破碎带石英和伊利石矿物含量较高，平均值分别为35%和30.8%；绿泥石含量次之，平均值为14.8%；长石、方解石、白云石等矿物含量一般小于10%；无蒙脱石矿物。

光度计分析结果表明：化学成分中SiO2含量最高，平均值为41%；CaO含量次之，平均值为21.5%；Al2O3含量平均值为8.4%；Fe2O3含量平均值为3.6%；其他成分含量小于2%。

2.2.2  碎裂岩

采用透射-反射光学显微镜进行岩矿鉴定，结果显示：碎裂岩呈中-粗粒变晶结构，碎裂状构造，矿物成分主要为方解石，含量为96%～98%，矿物显微特征见图6。

（1）  中-粗晶方解石（Cal1）。含量为77%～80%，半自形或它形粒状，锯齿状边缘，两组菱形解理发育，受动力作用部分解理弯曲变形，局部晶粒略拉长定向分布，粒径为0.30～1.20 mm，集合体中碎裂隙发育，被晚期细-微晶方解石呈网脉状充填。

（2） 细-微晶方解石（Cal2）。含量约16%～80%，呈细粒状，多聚集呈细网脉状沿碎裂隙分布，或沿粗晶方解石晶粒边缘分布，粒径为0.005～0.15 mm。

（3）  极少量的白云石、热液石英、白云母、铁泥质（含量≤2%），零星分布在碎裂隙中。

2.3  岩体膨胀性

室内膨胀性试验成果显示，自由膨胀率范围值为22%～27%，平均值为24.3%，不具膨胀性。

2.4  声波纵波速及完整程度

根据声波测井成果，碎裂片状岩破碎带声波纵波速为2 250～3 510 m/s，碎裂岩破碎带声波2 020～3 543 m/s，二者差别不大。以碎裂片状岩为例，自上而下随深度增大，声波纵波速总体呈增大的趋势，但存在峰谷（图7），反映了碎裂介质的不均匀性和声波效应的差异性。碎裂片状岩原岩板岩的岩石声波纵波速平均值为5 080 m/s，则碎裂片状岩的岩体完整性系数为0.20～0.48，岩体完整程度属较破碎-完整性差。碎裂岩的原岩、板岩、大理岩的岩石声波纵波速平均值为5 740 m/s，则碎裂片状岩的岩体完整性系数为0.12～0.38，岩体完整程度主要属较破碎。

2.5  岩体物理性质分析

闹中断裂带的挤压、拉张变形不显著，属扭性断裂。断裂带中，碎裂片状岩原岩为板岩，属软质岩，呈薄层状板裂结构，原岩受构造剪切作用进一步发生片理化和碎裂化，形成的断层岩矿物成分主要为石英、伊利石、绿泥石，岩性软弱，呈鳞片-粉砂状结构，岩体完整程度属较破碎-完整性差。碎裂岩原岩为大理岩，属硬质岩，矿物成分主要为方解石，原岩受构造剪切作用，岩体被切割成大小不等的碎块和角砾，碎块和角砾基本保留着原岩结构和成分特征，岩体较破碎。相对而言，碎裂岩主要发生脆性破裂，其破碎程度大于碎裂片状岩，反映了不同强度原岩受构造剪切作用后的破裂特性。

3  断裂带岩体力学特性

软弱破碎围岩空间效应作用距离比一般岩体大，达3.5～4.0倍洞径［8］，同时考虑隧洞顶部以上岩体对隧洞稳定性的关键作用，断裂带深部岩体力学参数的分析范围为洞顶以上3.5倍洞径。洞室开挖后，围岩应力重分布程度随着远离洞壁逐渐减弱，而断裂带岩体声波纵波速和岩体完整性系数随深度增大呈总体增大的趋势，因此深部岩体力学参数的计算值以平均值作为代表值。

3.1  深部岩体抗压强度计算

岩体抗压强度与岩石抗压强度关系［9］如下：

σmc=Kσc（1）

式中：σmc为岩体抗压强度，MPa；

σc为岩石试件抗压强度，MPa；

K为岩体的完整性系数。

根据原岩室内抗压强度试验成果，采用式（1），计算得到隧洞埋深部位断裂带岩体的抗压强度，见表1。

3.2  深部岩体抗剪强度、变形模量分析

由于穿过闹中断裂带引水隧洞埋深110～210 m，常规勘察方法难以对深埋于地下百余米的洞身段断裂带岩体力学性质作出准确判断。为了给引水隧洞穿越断裂带的结构设计、断裂带缺陷处理提供地质依据，在浅层现场试验的基础上，分别采用专家会议法和Hoek-Brown经验公式计算，并对断裂带深部岩体的力学特性进行初步分析。

（1） 浅层岩体现场试验成果。碎裂岩结构破碎，胶结差，不具备制样条件，因此，在闹中断裂带露头部位开挖坑槽，只对碎裂片状岩进行现场抗剪、变形试验，试验成果见表2。