復雜變形區(qū)工程地質解析方法探討——以丹巴水電站為例

程萬強，楊坤光，段偉鋒

(1.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310006;2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029;3.中國地質大學(武漢)地球科學學院，湖北武漢 430074)

根據(jù)國際地質巖土工程學會聯(lián)合會(FIGS)約定的分工，工程地質做出地質建模，巖土力學進行計算分析，巖土工程開展設計和施工。對工程區(qū)地質結構的研究精度直接決定了巖土力學計算精度和穩(wěn)定性評價結果［1～2］，繼而影響設計施工方案。早在20世紀70年代，谷德振先生就意識到地質體的構造形貌是控制巖體穩(wěn)定性的關鍵因素［3］。近幾十年的大型工程實踐主要在構造相對簡單穩(wěn)定的中東部地區(qū)，工程地質問題通過適當?shù)难a救方案即可滿足施工要求，因此對地質構造問題重視不夠。隨著大型工程，尤其是水電建設向西南部的挺進［4］，復雜和強烈的構造環(huán)境越來越成為制約工程建設的壁壘。對復雜構造的準確解析不僅為大型工程建設的安全提供保障，還可以極大程度地節(jié)約工程成本。

1 工程地質概況

丹巴水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內的大渡河干流上，為大渡河干流22級梯級開發(fā)中的第8級梯級電站，初擬裝機容量1196.6MW，構造位置位于有“地質百慕大”之稱的松潘-甘孜造山帶東南側的丹巴弧形滑脫構造帶內［5］(圖1)。區(qū)內巖石普遍經(jīng)歷了多期強烈變形和高達角閃巖相的變質作用，構造組合復雜，疊加置換強烈。工程設計引水隧洞長逾17km，其中約10km斷續(xù)經(jīng)過二云母片巖(軟巖)區(qū)，地表見軟巖單斜層最厚可達1～2km，軟巖洞段最大埋深達1220m，開挖后有可能出現(xiàn)較嚴重的大變形破壞現(xiàn)象，遇水也易發(fā)生軟化現(xiàn)象，對工程穩(wěn)定性影響巨大。因此軟巖層實際厚度，空間延伸和分布規(guī)律成為制約工程設計方案和經(jīng)濟成本的重要因素。對此，利用綜合構造解析方法對引水線路區(qū)及其臨區(qū)進行了高精度地質建模，以期明確軟巖層和主要結構面空間展布規(guī)律。

2 非史密斯巖層序列的重建方式

地層層序的建立是巖體區(qū)域結構解析的基礎也是關鍵問題之一。研究區(qū)主要由志留系至泥盆系含藍閃石榴石二云母片巖、石榴石云母石英片巖、變粒巖、石英巖和大理巖組成，夾偉晶巖脈和斜長角閃巖透鏡體，變質級別為低-高角閃巖相。區(qū)域上以傾向NE或NW，傾角40～70°的單斜層為主。由于巖層已普遍經(jīng)歷構造置換，恢復原始沉積層面費時費力，且可靠度低?；诠こ痰刭|研究特點［6］，提出以主期片理面代替沉積層面，以巖性組代替古生物地層組進行地質建模。查明巖層的構造置換方式和有序性，明確片理面原始產狀形態(tài)成為首要任務。

圖1 (a)丹巴地區(qū)大地構造位置示意圖;(b)丹巴及鄰區(qū)地質簡圖Fig．1 (a)Sketch map showing tectonic location of Danba;(b)Regional geologic map of the Danba area

對工區(qū)三百多個地質點的詳細觀察證實工區(qū)內片理在百米尺度上延伸穩(wěn)定，但在公里尺度上具有透鏡體狀特征。軟巖層中強硬巖層較平直延伸，其延伸方向與片理平行。軟巖層內石英脈形成的鞘褶皺和無根褶皺等隨處可見，并發(fā)育指示向南順層滑脫的滑脫型褶皺。另外，在能干性相對較強的片麻巖和云母石英片巖中多處可見層內掩臥褶皺，軸面與片理面近平行，為相似緊閉或不協(xié)調褶皺。軟弱巖層相間的地區(qū)則多發(fā)育指示巖層疊置的逆沖斷層，斷層面與片理面近平行。上述現(xiàn)象充分證實研究區(qū)層狀變質巖片理形成于橫向構造置換過程。區(qū)域內廣泛發(fā)育的層內掩臥褶皺、滑脫不協(xié)調褶皺和層內低角度逆掩斷層等構造現(xiàn)象與中下地殼剪切型堆垛層代表構造樣式一致，因此工區(qū)內似層狀變質巖應形成于剪切型構造置換下的構造堆垛作用(圖2)?；谏鲜稣J識，工區(qū)內構造-巖層建造具有如下特征:

圖2 丹巴縣地層大套有序、小套無序的地層堆垛演化模式Fig．2 Tectonic stacking modeling of Danba indicating“l(fā)ong-range order，short-long disorder”

(1)區(qū)域片理在形成之始產狀近水平，片理面在百米尺度上具有穩(wěn)定性。這是由于造山過程中中下地殼剪切運動方向為近水平［7］。現(xiàn)今百米級宏觀褶皺主要形成于片理化之后的構造活動。因此考慮區(qū)域巖層展布幾何形態(tài)時，可近似為層狀巖層考慮，從而簡化了區(qū)域幾何構造形態(tài)。

(2)構造堆垛導致巖層重復。擠壓應力作用下強硬巖層易沿低角度逆沖斷層(滑脫面)相互疊置，從而造成巖層的重復(圖2)。而強硬巖層間的軟弱巖層則起到良好滑脫面作用。因此工區(qū)內巖層在空間上的重復不一定代表褶皺作用。根據(jù)對工區(qū)巖層露頭的詳細觀察，認為由構造堆疊導致的地層重復尺度在公里以下，公里及以上尺度的地層重復則應由褶皺作用所致。

(3)工區(qū)巖層是由有限個具有一定延伸規(guī)模的基本巖性段以某種“遠程有序，近程無序”的模糊狀序列存在。公里尺度上總體遵循新老地層疊覆關系，但百米尺度上可出現(xiàn)基本巖性段的無序重復堆垛。

3 強變質區(qū)沉積環(huán)境重建

查明研究區(qū)沉積環(huán)境和沉積相有助于指導巖層的空間分布規(guī)律。除大理巖和斜長角山片巖等較易識別其變質前原巖類型外，工區(qū)內主要的變粒巖、二云母片巖等只能通過礦物學結合地球化學方法進行原巖類型恢復。本次研究采用KAF圖解結合區(qū)域大地構造背景對工區(qū)內30塊采自不同地點的變質巖進行原巖類型恢復。該方法首先在顯微鏡下統(tǒng)計主要造巖礦物含量，并根據(jù)公式計算相應A、K、F值，然后投點即可。該方法簡單快捷，且準確度較高［8］。

式中:A巖、K巖、F巖——所研究巖石的A、K、F值;

a、b、……i——組成巖石的各種礦物;

Na、Nb……Ni——巖石中各種礦物的含量;

Aa、Ka、Fa、Ab、Kb、Fb……Ai、Ki、Fi——各種礦物的A、K、F 值;

Sa、Sb……Si——各種礦物的 SiO2分子數(shù)。

基于AKF圖解的巖石組合類型顯示該區(qū)沉積環(huán)境屬淺海-半深海穩(wěn)定被動陸源沉積環(huán)境(圖3)。原始沉積層在公里尺度空間上應有一定延伸規(guī)模［9］。據(jù)此參考變形較弱的鄰區(qū)小金和金湯棒打地區(qū)志留系-泥盆系地層剖面格架［10］，利用受剪切變形影響較弱的厚層石英巖作為標志層對研究區(qū)層序進行了控制，將巨厚二云母片巖劃分為三個次級巖性段，并在單斜層中識別出三向夾兩背褶皺，將軟巖層原始層厚確定為328m，與鄰區(qū)粉砂質、泥質板巖或千枚巖可對比。在此基礎上建立了該區(qū)巖層序列格架，將研究區(qū)地層劃分為兩個巖性組和8個基本巖性段。野外巖層是8個基本巖性段以某種模糊有序的方式組合。

圖3 丹巴工區(qū)角閃巖相變質巖變質巖原巖類型恢復KAF圖解Fig．3 Protolith KAF Diagram of Danba metamorphic rocks of amphibolite facies

4 復雜變形區(qū)深埋構造解析

丹巴引水隧洞最大埋深達1220m。預測隧洞沿線巖體結構是本次研究的重點。根據(jù)地表構造推斷深部地質結構的主要依據(jù)是構造幾何模型。不同溫壓條件下褶皺和斷裂的幾何模型迥異。因此選擇合適的構造模型是深埋構造預測的關鍵。

變質礦物溫壓計指示研究區(qū)主期構造形成于15～20km 的中地殼(0.5 ～ 0.6 GPa，500 ～ 600℃)［11］。該深度構造特征以緩傾角的流塑性剪切滑動為主，缺少脆性斷裂活動［12］。野外觀測也證實了上述構造模式。二云母片巖內部，尤其是片巖與強硬巖層交界部位普遍發(fā)育規(guī)模不等的近平行片理的剪切滑動帶。褶皺形態(tài)強硬層相對開闊而軟巖層基本為緊閉甚至同斜褶皺，層間滑脫作用明顯，軟弱巖層向褶皺核部等弱變形區(qū)匯集。區(qū)內發(fā)育的脆性斷裂主要為后期淺層變形所致，同時切穿了主期剪切帶和褶皺，斷層面平整，傾角多在60～70°，斷層泥厚度在15～30cm，平面延伸多在幾百米至幾公里，逆斷層和正斷層均有發(fā)育。后期褶皺變形不強烈，以開闊-中常褶皺為主，主要是對早期褶皺形態(tài)進行擾動。而節(jié)理等則局限于厚層強硬巖層內部，且間距在1～2m甚至更大，對巖體穩(wěn)定性影響不大。因此丹巴地區(qū)構造變形是以不同層次的剪切滑脫變形為主，主滑脫面位于志留系巖層與震旦系巖層之間。與工程相關的主滑脫面上部巖系以緊閉甚至同斜褶皺為主，強弱巖層間和軟巖層內部發(fā)生順層滑脫，并被后期脆性變形改造?；讕r系則以平緩褶皺為主，變形相對簡單(圖4)。

圖4 丹巴水電站引水隧洞沿線剖面略圖Fig．4 Simplified geologic section along the water diversion route of the Danba Hydropower Station

5 討論

長期以來，工程地質勘查一直沿用區(qū)域地質調查的思路，首先建立沉積層序，再根據(jù)地表實測剖面和史密斯地層法則推測深部地質結構?？辈殡A段開展的鉆探和洞探等也僅能對關鍵部位地質結構進行檢驗，工程區(qū)地質模型的建立仍主要依靠平面地質調查。造山帶地區(qū)普遍經(jīng)歷了中深程度的變質和多期構造事件的疊加。巖層的原始層理和沉積序列早已蕩然無存。此時，再遵循填圖法則，首先恢復原始沉積層面和沉積序列然后再進行地質填圖，不僅費時費力，其準確性也令人質疑。地層的工程地質調查不同于區(qū)域地質調查，主要關心巖石建造、構造面發(fā)育程度和幾何規(guī)律，借以判斷工程地質環(huán)境的穩(wěn)定性?，F(xiàn)今構造形貌是歷史構造演化的集中展現(xiàn)。對此，本文嘗試在深變質和構造變形復雜區(qū)區(qū)域巖體結構解析中以構造解析為主線，回避次要矛盾(原始沉積序列)，“以辯證唯物的高度活動的地球構造觀為指導，以分析地質構造的矛盾為核心，應用當代先進的構造分析方法”［13］，為重建復雜變形區(qū)較為準確的地質結構提供依據(jù)。

“遠程有序、近程無序”，是亞穩(wěn)定場幾何結構的普遍規(guī)律，構造活躍區(qū)也不例外?；谏鲜鎏攸c，綜合利用地球化學、變質地質學，結合區(qū)域構造環(huán)境，對主要變質巖的原巖類型進行復原，可以推知大致的沉積環(huán)境和沉積相，從而對巖層的原始空間延伸范圍進行推測。如陸相環(huán)境地層橫向變化快(常為百米尺度)、厚度變化大，可用楔形塊模型表征，而海相地層往往擁有較廣的延伸范圍，可與鄰區(qū)進行對比。片理面與原始層面的構造置換方式則是明確片理幾何結構和片巖巖石序列的主要參考，主要有兩種:縱彎型構造置換和剪切型構造置換［13］。

構造相和構造層次是制約構造變形樣式的主要因素［12～13］。不同構造相的褶皺和斷層組合差異明顯，如造山帶地區(qū)多以近水平的高溫剪切變形和緊密線狀縱彎褶皺為主，而板塊穩(wěn)定區(qū)則以寬緩褶皺和X型節(jié)理為主。向地下深處溫壓條件和巖石性質的改變對變形機制和構造樣式同樣具有決定性作用［13］。

工程巖體的現(xiàn)今構造形態(tài)是歷史構造變形演化的集中展現(xiàn)。不對研究區(qū)構造歷史進行解析，以演化的觀點看待構造問題就很難理解和把握研究區(qū)構造格架［14］。遵循構造研究的歷史反演法則，借助構造幾何學的研究對工程區(qū)構造變形歷史進行恢復有助于系統(tǒng)理解和檢驗建立的構造模型(圖5)。

圖5 復雜變形區(qū)地質構造解析思路Fig．5 An guide line for complex structural analysis

丹巴地區(qū)位于松潘-甘孜造山帶東側，經(jīng)歷了角閃巖相變質，構造置換徹底，構造變形強烈。沿底部滑脫面的強烈滑脫形成的同斜褶皺造成單斜層的假觀。用傳統(tǒng)史密斯填圖法則對研究區(qū)進行建模則軟巖層單套厚度在1km以上，嚴重危害地下洞室穩(wěn)定性，且地質模型過于簡單，無法指導工程設計。根據(jù)工程地質勘查特點，基于構造解析法則，以野外實測數(shù)據(jù)為依據(jù)確定了研究區(qū)巖層的基本厚度，延伸穩(wěn)定性和地層堆垛模式，在此基礎上建立了丹巴工區(qū)三維地質結構，將軟巖層總厚度限制在3km以內。為工程設計和施工提供了較為可靠的參考，并節(jié)約了不必要的預算成本。并在此基礎上建立了對工程地質穩(wěn)定性評價和設計施工具有重要參考意義。

6 結論

(1)工程巖體現(xiàn)今結構是地質體多期次、多層次、多機制的沉積-變質-構造歷史作用的集中展現(xiàn)。遵循構造歷史解析原則，綜合利用沉積地層學、巖石礦物學、變質地質學和構造地質學進行系統(tǒng)解析有助于最大程度查明工程巖體的三維結構，為地質工程設計提供可靠參考。

(2)丹巴復雜變形區(qū)區(qū)域片理形成于15～20km深度的高溫剪切滑脫作用下，是剪切型構造置換的構造堆垛體。原始片理產狀近水平，巖層序列則以構造堆垛機制下的模糊有序序列為特征。在遠程有序、近程無序的背景下，巖體結構可由有限基本巖性段以不同方式組合而成。從而解決了巖層的混亂無序問題。

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