兩河口水電站壩區(qū)巖體的淺表生改造及對工程的影響

聶衍釗,劉阜羊,覃云飛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都　610072)

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兩河口水電站壩區(qū)巖體的淺表生改造及對工程的影響

聶衍釗,劉阜羊,覃云飛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都610072)

淺表生結構的研究，對認識河谷巖體的巖體結構特征、工程巖體結構建模及穩(wěn)定性評價等具有重要意義。對兩河口水電站壩區(qū)淺表生變形破裂形跡空間發(fā)育規(guī)律及淺表生結構組合型式的調查，結合地質地貌演化機制分析，探討了壩區(qū)淺表生改造的機制模式。研究表明，淺表生改造與河谷地貌演化密切相關，改造方式有垂向卸荷和側向卸荷兩種。慶大河背斜的結構和空間展布特征導致雅礱江左、右岸巖性層的出露連續(xù)性和對應性出現極大的差異。采取合理的工程布局及施工措施對于壩區(qū)工程來說是至關重要的。

巖體結構;淺表生改造;卸荷拉裂;危險源;工程布局

1　概　　述

巖體結構的淺表生改造是指挽近期來的地貌演化過程，巖體受卸荷引起地應力的時效變形破裂形跡稱之為巖體的淺表生結構或淺表生構造。這一改造既與巖性、巖體結構等巖體自身性質有關，又與巖體所處地應力場等地質環(huán)境有關，也取決于引起地質環(huán)境發(fā)生改變的各種因素，如新構造活動的性質和強度、河谷地貌演化史及河谷地貌形態(tài)等[1]。淺表生結構因發(fā)育于地殼淺表部，且多具張性或張扭性，很大程度上控制著巖體的穩(wěn)定狀況，因此，對其研究，尤其在大型水電工程建設方面，對揭示壩區(qū)巖體結構的空間發(fā)育規(guī)律，評價工程巖體的穩(wěn)定性，壩型選取，水電工程布局設計，防滲處理等問題的解決具有重要意義[2]。

擬建的兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內雅礱江干流上。最大壩高295 m，水庫正常蓄水位2 865 m,庫容101.54億m3，電站裝機300萬kW。

2　近庫、壩區(qū)淺表生改造的地質背景

工程區(qū)位于青藏高原東南部，地貌區(qū)劃屬川西高原，緊鄰川西南高山區(qū)。區(qū)內地勢呈現東西側高，中部相對較低的態(tài)勢。地貌基本形態(tài)是具夷平面(或山麓剝夷面)的大起伏高山。區(qū)內山頂面海拔一般3 900～4 800 m。區(qū)域斷裂和褶皺構造控制了區(qū)內主要山脊的總體走向，區(qū)域上呈現出“構造地貌”山體的特征，其中一級山脊受大區(qū)域分區(qū)構造、川西高原抬升作用的控制，二級山脊受掀斜作用、區(qū)域褶皺構造以及區(qū)域斷裂的控制。

庫壩區(qū)雅礱江、鮮水河及其支流，河道下切十分強烈，河谷峽窄、谷坡陡峻，沿河嶺谷高差懸殊，相對高差一般在500～1 500 m，為典型的高山峽谷。雅礱江兩岸地形起伏和相對高差無明顯差異，具左岸較右岸略低的特征。區(qū)內冰川地貌和冰川活動遺跡主要零星殘留于4 200 m以上的山脊地區(qū)，以冰斗及冰川谷較為典型，古冰川懸谷多在4 000 m以上，區(qū)內終磧最低位多在海拔3 600 m左右。雅礱江、鮮水河河谷屬典型的侵蝕峽谷，間夾寬谷地貌，寬谷中一般可見4～5級階地，局部可見6級階地，階地多為基座和侵蝕階地。

2.1地層巖性

兩河口水電站地處雅江弧形構造帶，按照現行的地層區(qū)劃方案(四川省地礦局，1997)，本區(qū)屬巴顏喀拉地層區(qū)瑪多—馬爾康地層分區(qū)雅江地層小區(qū)，以發(fā)育一套三疊紀濁積相碎屑巖建造為特色。

本區(qū)地層出露較齊全，從前震旦系至第四系，除缺失寒武系、侏羅系、白堊系、第三系外，其它各系地層均有出露。工程區(qū)出露地層以三疊系上統(tǒng)為主，屬淺變質巖系，具有巖性相對單一、巖層延展變化較大、分布面積廣的特點。印支期～燕山期二長花崗巖、石英閃長巖、輝綠巖等局部可見，以小型巖株、巖枝及巖脈形式產出。

2.2地質構造

第四系沉積物，主要有崩坡積、殘積、沖洪積與冰積、冰水積。沖洪積沿各水系帶狀分布，冰磧和冰水堆積物零星分布于高山區(qū)，崩坡積主要在溝谷兩側山坡坡腳附近。兩河口水電站處松潘—甘孜造山帶，在大地構造部位上，工程區(qū)位于鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶和金沙江—紅河斷裂帶所圍限的“川滇巨型菱形斷塊”之次級塊體“雅江—理塘”菱形斷塊(其邊界斷裂為鮮水河斷裂帶、甘孜—理塘斷裂帶、玉龍希(八窩龍)斷裂帶、理塘—德巫斷裂帶)內部偏南。斷塊整體性好，塊內斷裂構造不發(fā)育，構造格局為弧頂向南凸出的雅江弧形褶皺構造帶，弧形構造帶變形形式以緊閉復式褶皺為主，構造變形組合以弧形褶皺為特征。

3　淺表生改造特征

3.1慶大河口背斜

壩區(qū)主體構造由一個樞紐向SE陡傾伏的倒轉背斜(3級褶皺)以及發(fā)育在該背斜NW翼(局部倒轉)的縱向逆斷層構成。該背斜軸部位位于慶大河與雅礱江的交匯口，我們稱之為“慶大河口背斜”。而與之密切相關的縱斷層緊鄰背斜的北東側，則稱之為“慶大河口斷層”(f1)。它們是壩區(qū)構造的核心組成部分，壩區(qū)的基本構造輪廓和特征、巖性層的展布規(guī)律基本上是受慶大河背斜和慶大河口斷層的控制。背斜主要卷入兩河口組中下段地層(T3lh1和T3lh2)。背斜樞紐向南東傾伏，傾伏角大于50°。背斜的兩翼極不對稱，南西翼完整，優(yōu)勢產狀為N60°W/SW∠66°，北東翼大部分被f1斷層所截，優(yōu)勢產狀為N60°W/NE∠78°。這一區(qū)域性褶皺特殊的幾何學特征導致了褶皺巖層在空間展布上(包括平面軸跡方向上和剖面上)的急劇變化，加之深切河谷的地形影響，直接導致雅礱江左、右岸巖性層的出露連續(xù)性和對應性出現極大的差異。

3.2斷層

壩區(qū)斷裂構造主要以北西西向即區(qū)域主構造線方向(f1～f6、f8～f14、f17～f21、f25～f29)為主，次為北東東向f7、f16、f30及近南北向的f15、f22、f23及北北東向的f24等。斷層多沿巖體中較薄弱的層面發(fā)育，斷層以順層擠壓為主，斷層產狀與地層產狀基本一致；斷層破碎帶寬度不大，以幾厘米～五十厘米為主，不同露頭斷層帶的寬度變化大，時寬時窄；斷層充填物以片狀巖為主，碳化、糜棱化強烈。平面上斷層的一些部位可切層發(fā)育，略顯彎曲狀，這與巖相在空間上的變化有關。斷層帶物質電子自旋共振(ESR)及石英形貌掃描分析表明，最新活動距今84.2～93.8萬年的早更新世晚期。

3.3裂隙

對壩區(qū)調查的5 386條裂隙統(tǒng)計分析表明(見圖1)：緩傾角裂隙902條、中傾角裂隙2 179條、陡傾角裂隙2 305條。中、陡傾角裂隙占總裂隙的80%以上，緩傾角裂隙僅占17%左右。

圖1　壩區(qū)裂隙等密示意

依發(fā)育程度從大到小，優(yōu)勢方向有下列5組(占統(tǒng)計總數的70%)：

①N55°～90°W/SW∠55°～85°(層面);②N0°～30°E/SE(NW)∠40°～60°;③N40°～60°E/NW(SE)∠10°～45°;④N0°～30°E/SE(NW)∠70°～85°;⑤N40°～75°E/SE(NW)∠65°～85°。

壩區(qū)裂隙主要特征是：

(1)裂隙組數規(guī)律性強。走向北北東的裂隙普遍發(fā)育，形成左右岸的順坡和反坡裂隙，順坡裂隙組發(fā)育程度明顯比反坡裂隙組高；垂河裂隙組較順河裂隙組穩(wěn)定且發(fā)育程度略高。順河裂隙組存在由低到高減弱的趨勢。

(2)在不同的巖性段中裂隙的發(fā)育程度有一定差異。一般而言，厚度較大、均質的巖性層中裂隙規(guī)模較大，方向相對穩(wěn)定，頻度低。巖性軟弱、均質性差、厚度較小的巖性層，裂隙規(guī)模短小、方向性相對較差，頻度相對較高。

3.4物理地質現象

3.4.1巖體風化

根據巖體中風化巖石的類型及其組合特征、巖體宏觀結構、完整性及水文地質條件等，將風化巖體自上而下劃分為：全強風化、強風化、弱風化、微風化和新鮮五種。根據工程需要，弱風化又進一步分為弱風化上帶(簡稱弱上)和弱風化下帶(簡稱弱下)。風化特征如下：

(1)壩址區(qū)主要為砂、板巖，巖石自身抗風化的能力較強。風化作用主要沿斷層、錯動帶和裂隙等弱面進行，以裂隙式風化和夾層狀風化為主要特點。風化程度受地形切割情況、巖性、巖體結構、巖體卸荷和地下水等因素影響表現出一定差異性，總體上呈現由表及里風化程度趨弱的規(guī)律。

(3)風化程度在空間分布上極不均勻。河床基巖風化明顯弱于兩岸，河床中不存在全強風化和弱風化上帶，僅有弱風化下帶，風化深度10～20 m。岸坡不同地帶巖體的風化深度變化較大，垂直深度弱風化上帶0～33 m、弱風化下帶10～85 m，水平深度弱風化上帶0～76 m、弱風化下帶10～135 m。

(4)壩址區(qū)風化與卸荷往往具有一定的對應關系，弱風化上段往往對應于強卸荷巖體，弱風化下段對應于弱卸荷巖體，微新巖體對應于無卸荷巖體。

3.4.2巖體卸荷

壩址區(qū)巖體卸荷主要沿已有構造結構面進行，部分追蹤已有結構面或形成新的順坡向卸荷裂隙。主要表現為：

(1)強卸荷帶內主要沿順坡向中、陡傾角裂隙普遍張開，順坡向裂隙普遍充填次生泥、巖屑；隱裂隙顯現，裂隙多松弛張開0.5～15 cm，滲滴水；平硐常有塌頂、硐口垮塌等現象。弱卸荷帶中裂隙張開較少，局部充填泥膜。

(2)卸荷帶深度隨岸坡結構、局部地形地貌差異變化較大。岸坡弱卸荷水平深度10～129 m，強卸荷在岸坡局部出現，水平深度0～79 m。岸坡卸荷的總體規(guī)律是，隨著高程的增加，卸荷深度增大。如壩址Ⅲ線左岸岸坡下部無強卸荷，弱卸荷帶深66 m，岸坡中部(2 750 m高程)強卸荷帶為39 m，弱卸荷帶深達110 m。

3.4.3壩址區(qū)地應力特征

壩址區(qū)河谷深切，谷坡陡峻臨河坡高500～1 000 m。勘探平硐深部及河床鉆孔可見與高地應力相關的片幫、不規(guī)則盞壯餅芯現象。通過現場試驗得出，河床主應力區(qū)方向與區(qū)域最大主應力方向基本一致，壩區(qū)兩岸測點范圍內主應力方向與區(qū)域最大主應力方向差異較大。

左岸實測最大主應力σ1=20 MPa，σ1方向為N50.4°～89.6°E，傾向坡外，傾角與岸坡相近。右岸實測最大主應力σ1=30.44 MPa，最大主應力方向N20.3°～57.7°E，傾向坡外，略緩于岸坡。工程區(qū)屬構造與重力疊加的應力場。

由于左右岸局部地形地貌差異導致兩岸巖體應力場存在一定差異。左右岸相同埋深的測點σ1量值右岸高于左岸2.45～6.08 MPa。右岸σ1方向較穩(wěn)定，左岸σ1方向隨埋深增大向NNE偏轉，埋深400 m、500 m兩測點σ1方向與右岸基本一致。左岸相應的應力分區(qū)比右岸要深50～100 m，相對河谷與山頂高差而言,兩岸各測點埋深還相對較淺，測點巖體應力尚未進入應力穩(wěn)定區(qū)。

4　巖體結構

淺表生改造作為巖體的再變形再破壞過程，其改造受先成構造結構的控制，特別是構造錯動帶對其起了重要的控制作用。淺表生結構面除卸荷裂隙外，往往繼承或追蹤先成結構面發(fā)育而成。兩河口壩區(qū)巖體的構造結構主要為由各種緩傾和陡傾斷裂組合而成的塊裂結構體，局部見陡傾板裂體、碎裂結構體。它們在河谷下切過程中具有不同的改造方式及淺表生結構形式。

具塊裂結構的巖體表現為集中式的卸荷，斜坡巖體往往沿平行于河谷的中陡傾結構面發(fā)生離面卸荷回彈，并繼承或追蹤較普遍發(fā)育的中緩傾角斷裂發(fā)生向河谷臨空方向的差異回彈錯動，垂直于岸坡的斷裂構成差異回彈的側向控制面。在河谷兩側，與岸坡斜交的NW向斷裂也參與了這一組合(見圖2a)。緩傾角斷裂產出狀態(tài)不同，改造方式也有差異，當其切出坡面時，主要發(fā)生滑移拉裂式卸荷(見圖2b)；未切出坡面時，發(fā)生滑移壓致拉裂，使其底端部的順坡陡傾斷裂擴展拉裂、貫通，使岸坡巖體順坡向板裂化，并發(fā)生滑移彎曲(見圖2c)。

對于陡立板裂結構巖體，河谷下切的側向卸荷，主要沿陡傾斷裂發(fā)生離面卸荷回彈。由于回彈量的垂向差異，引起板裂結構體向河谷方向的傾倒(見圖2d)；陡傾板裂結構體，卸荷過程主要沿陡傾結構面發(fā)生滑移彎曲變形(見圖2e)；碎裂結構巖體，主要沿十分發(fā)育的裂隙發(fā)生體積膨脹式均勻卸荷(見圖2f)[3]。

圖2　壩區(qū)斜坡巖體的淺表生結構形式

壩區(qū)軟弱夾層以層間擠壓帶為主，巖體以中陡傾角為主，與緩傾角裂隙共同組合，這一組合靠近地表部分形成傾倒變形，這是慶大河變形體的特征之一。砂板巖的巖體結構特征淺表生改造明顯受這一巖體結構控制，緩傾角裂隙構成滑脫錯動面或向河谷方向的差異回彈錯動面，近平行岸坡的陡傾角斷裂構成回彈拉裂面，構成了“階梯狀”的回彈錯動型式(見圖3)，這是壩區(qū)岸坡巖體淺表生結構的典型組合型式。

圖3　“階梯狀”淺表生結構型式

5　對工程的影響

淺表生結構因發(fā)育于地殼淺表部，且多具張性或張扭性，很大程度上控制著巖體的穩(wěn)定狀況，自然邊坡表層巖體受各種結構面節(jié)切割，在外動力地質作用下，使巖體結構發(fā)生破壞，形成一系列不穩(wěn)定巖體，對工程及工程的修建是一個巨大的安全隱患，施工時應采取必要的措施和合理的工程布局。

5.1壩址區(qū)危險源

水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險源按成因及變形破壞類型分為兩大類：一類是邊坡表層巖體受各種結構面切割后，在孔隙水壓力、自重應力等作用下沿一組或多組結構面產生拉裂(或剪切)破壞，而使被切割的結構體處于極限平衡狀態(tài)，按規(guī)模大小定義為“危巖體”；另一類為自然邊坡沖溝內的塊碎石土，在暴雨情況下，順勢而下，定義為“溝谷堆積塊碎石”。

兩河口水電站樞紐區(qū)為高山峽谷地貌，河谷深切，谷坡陡峻，天然地應力較高，河谷強烈下切導致谷坡向臨空方向產生較強卸荷，經長期侵蝕,谷坡現狀基本穩(wěn)定，但在構造、物理地質作用下，邊坡表淺部存在局部危石及危巖體等，施工及運行期間安全隱患較大。

5.2慶大河變形體

陡傾角卸荷裂隙通常構成了坡體的后沿節(jié)割面，從而為巖體的破壞變形提供了邊界條件。受巖體結構控制，慶大河左岸進水口邊坡淺表部普遍存在沿巖層面及板理面產生傾倒-彎曲拉裂變形，邊坡上部坡頂一帶順坡層狀結構部位存在滑移拉裂型及滑移彎曲型變形。在變形體以里邊坡深部也存在一定的沿緩傾角結構面的滑移拉裂及滑移壓致拉裂變形。根據前期對此變形體的勘察成果，選擇最優(yōu)進水口邊坡開挖坡比和高度、優(yōu)化進水口建筑物基礎的處理措施。

5.3左岸卸荷拉裂巖體

表生改造使坡體一定范圍內的構造應力釋放，應力釋放過程中坡體不斷的自我調整達到新的平衡狀態(tài)。

左岸1號卸荷拉裂巖體位于左岸中便道PD11-PD05平硐一帶，由3個NE向拉張裂隙帶與順層擠壓帶組合形成的楔形卸荷拉裂巖體組成(見圖4)。

圖4　左岸中便道1號卸荷拉裂巖體平切

2號卸荷拉裂巖體位于左岸低便道PD13-PD09平硐一帶，由PD13-PD09連通硐X1(N30°E/NW∠42°)、X2、X3(N25°E/NW∠45°)等NE向拉張裂隙帶與f10斷層(g13-09(2)：N59°W/SW∠66°；g13-09(3)：N65°W/SW∠63°)構成潛在楔形卸荷拉裂巖體(見圖5)，其中X1、X2、X3等NE向拉張裂隙帶為潛在底滑面，f10斷層為側滑面。

圖5　左岸低便道2號卸荷拉裂巖體平切

1、2號卸荷拉裂體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著開挖的進行，會產生應力的自適應調整，達到一個新的狀態(tài)，這就要求在開挖施工過程中，需對其進行相應的處理，采取合適的開挖方式和支護處理措施。

6　結　　語

淺表生改造的實質是地貌演化過程因剝蝕卸荷引起環(huán)境應力場變化的結果。這一改造受巖體的建造、巖體結構、所處的地應力場環(huán)境、新構造活動特征、地貌演化史及河谷地貌形態(tài)等因素的控制[4]。壩區(qū)具有發(fā)生強烈淺表生改造的地質地貌條件。受地貌演化控制，壩區(qū)既受早期區(qū)域性夷平過程的垂向卸荷改造(淺生改造)，又受河谷下蝕過程的側向卸荷改造(表生改造)。

壩區(qū)陡傾板裂狀結構對淺表生改造起了重要控制作用，緩傾角斷裂構成滑脫錯動面或向河谷臨空方向的差異回彈錯動面，并與平行岸坡的陡傾角斷裂組合形成“階梯狀” 回彈錯動型式。

壩區(qū)淺表生結構具有一定的空間發(fā)育規(guī)律。受構造斷裂控制，淺表生結構往往具有分層發(fā)育特征；受地貌演化控制，淺表生結構的發(fā)育程度及錯動改造強度具有隨高程增高不斷增強，由邊坡表面向內逐漸減弱的特點，一般在斜坡50～70 m以外較發(fā)育，該深度以內發(fā)育程度較低。對壩區(qū)淺表生改造特征、特點認識了解清楚，為有關水電工程地質問題的解決及水電工程布局設計提供了基礎。

[1]王蘭生.地殼的淺表生改造與時效變形論[M].中國工程地質世紀成就,55-60.

[2]黃潤秋，張倬元，王士天.論巖體結構的表生改造[J].水文地質與工程地質,1994，21(4):1-6.

[3]沈軍輝，王蘭生，趙其華，等.官地水電站壩區(qū)巖體的淺表生結構[J].工程地質學報，2002，10(1):26-32.

[4]沈軍輝.川西南玄武巖巖體結構的淺表生改造與水電工程[D].成都：成都理工大學，2000.

2014-08-15

聶衍釗(1972-)，男，湖北潛江人，高級工程師，從事水電工程地質勘測工作。

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1003-9805(2016)03-0037-05