沙坪一級水電站壩址左岸F10斷層滲透性及全巖和黏土礦物分析

張俊林，林金洪，王磊，鞏貴彥，閆天

(1.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司，福州，350003；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都，610059)

引言

雖然我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展，且地下工程建設(shè)在規(guī)模及速度上已經(jīng)位居世界前列，但是在工程安全建設(shè)方面仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。如因斷層引起的隧道突水突泥[1]，斷層造成的壩肩和繞壩滲漏導(dǎo)致水庫無法蓄水的問題也極易發(fā)生[2-5]，不僅會造成工期延誤，還會造成壩體變形破壞和人員傷亡。

斷層帶的滲透率控制著斷層巖石的滲透能力，但斷層中含有的黏土礦物導(dǎo)致動力變質(zhì)作用明顯，加上斷層帶中巖石的破碎程度較高，導(dǎo)致室內(nèi)試驗測量滲透率較為困難，此次使用的測量方法為鉆孔壓水試驗，但測量值為鉆孔深度范圍內(nèi)巖石滲透率的平均值[6-7]，補(bǔ)充滲透試驗，并進(jìn)行全巖及黏土礦物X射線衍射分析，對礦物及黏土進(jìn)行定性定量研究，分析斷層帶中碎粉巖的滲透特征，為斷層滲漏問題采取有效的防滲措施提供一定的參考。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1 基本地質(zhì)條件

擬建的沙坪一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)境內(nèi)，屬大渡河干流的中游河段，是沙坪梯級水電站的第1級。壩址區(qū)左岸有成昆鐵路，右岸有G245公路。

壩址區(qū)河谷寬度大，兩岸山體雄厚，邊坡較陡，左岸地形相對略緩，坡度約為35°～40°，右岸邊坡略陡，坡度約為40°～50°。地層巖性較復(fù)雜，巖性除第四系松散層外，基巖巖性從老到新依次為下元古界峨邊群第一段中的灰綠色蝕變玄武巖、第二段中的灰黑色細(xì)粒砂狀鈣泥質(zhì)石英粉砂巖與含綠泥石板巖互層、震旦系上統(tǒng)燈影組灰、灰白色塊狀細(xì)～微晶狀白云巖及澄江期脈巖蝕變輝綠巖和中條期花崗斑巖。壩址區(qū)位于NE向構(gòu)造帶內(nèi)，斷層相對較發(fā)育，壩址區(qū)共發(fā)育有35條斷層。壩址區(qū)左岸鐵路路基與大壩之間發(fā)育有區(qū)域大斷層F10，受F10斷層的影響，巖體較破碎～破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，地表覆蓋層較松散，自然邊坡總體性狀較差，左岸壩肩邊坡地形地貌如圖1。

圖1 左岸壩肩邊坡地形地貌

1.2 F10斷層工程地質(zhì)條件

左岸壩基發(fā)育的斷層F10屬Ⅰ級結(jié)構(gòu)面，貫穿壩址上、下游，走向與河流流向大致相同，傾向左岸山體內(nèi)側(cè)，傾角約為60°～80°。在斷層呈現(xiàn)明顯的壓性特征，局部基性巖脈侵入，估測形成于下元古界變質(zhì)巖與震旦系之間，ERS測定斷層年齡為58×104a。鉆孔揭示壩址區(qū)F10斷層的寬度為25m～39m，其中上盤影響帶寬度為4m～13m，下盤影響帶寬度為6m～16m，主斷層寬度為10m～22m。上、下盤影響帶主要為弱風(fēng)化微晶白云巖，呈碎裂～碎塊狀；主斷層為碎裂巖、碎粉巖及砂狀全風(fēng)化物，夾有少量角礫巖、黃色斷層泥及透鏡體巖。由于斷層中的碎粉巖的滲透系數(shù)相較于碎裂巖較低，控制斷層帶導(dǎo)水特性。因此，對斷層內(nèi)白色碎粉巖和黃色碎粉巖進(jìn)行研究。

圖2 斷層帶內(nèi)白色碎粉巖壓扭性特征

2 鉆孔壓水試驗及室內(nèi)滲透試驗

2.1 F10斷層壓水試驗

壓水試驗時，將一定長度的鉆孔用專門的設(shè)備隔離出來，并用固定的水頭向這段鉆孔內(nèi)壓水，水從孔壁裂縫向巖體內(nèi)部滲透，滲水量趨于穩(wěn)定值。根據(jù)壩址區(qū)內(nèi)鉆孔ZK101、ZK105、ZK108、ZK116、ZK123、ZK133、ZK145、ZK162及ZK171壓水試驗成果揭示：主斷層帶的透水率q為1.8Lu～9.0Lu，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8-9]，屬于弱透水，由于斷層泥及碎粉巖粒徑相對較小，斷層泥、碎粉巖段透水率偏小，透鏡體巖段透水率偏大；斷層上盤影響帶中透水率q為34Lu～41Lu，屬于中等透水；斷層下盤影響帶的透水率q為1.3Lu～12Lu，屬于弱～中等透水。

通過鉆孔ZK123壓水試驗可發(fā)現(xiàn)：斷層部位最大靜水頭為45.5m，水庫蓄水后，F(xiàn)10斷層帶部位的地下水位高程將從562m壅高至577m，壅高后的地下水面線低于鐵路軌面21.5m。地下水位升高后，地基土在地下水的浸泡下，強(qiáng)度和變形模量降低，使地基土壓縮變形并產(chǎn)生不均勻沉降。由于鐵路軌面離壅高后地下水面線垂直相距20.5m，地基土產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，鐵路運行時產(chǎn)生的線性荷載傳至深度20m以下地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力已很小，附加沉降更小，因此水庫建成蓄水后，F(xiàn)10斷層帶中的地下水位升高不會威脅到鐵路路基正常運行。

2.2 室內(nèi)顆分及滲透試驗

對左壩肩F10斷層帶物質(zhì)取樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)面顆粒分析試驗，編號ZKP2試樣為白色碎粉巖，編號ZK162試樣為黃色碎粉巖，試驗結(jié)果如表1。試驗成果表明：斷層帶黏粒(粒徑小于0.005mm)的質(zhì)量百分率小于10%，結(jié)構(gòu)面類型屬巖屑夾泥型。

表1 構(gòu)面顆粒分析試驗

滲透試驗時，通過在試驗裝置中記錄滲流量和不同點的水頭高度，計算出滲流速度的水力梯度，進(jìn)而計算滲透系數(shù)。滲透系數(shù)可從10-1cm/s變化到10-8cm/s，土的滲透系數(shù)的測定方法應(yīng)根據(jù)不同的土質(zhì)情況進(jìn)行選擇，室內(nèi)常用的方法有常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗。變水頭滲透試驗適用于滲透系數(shù)較小(k=10-6cm/s～10-3cm/s)的細(xì)粒土，由于黃色碎粉巖及白色碎粉巖顆粒較小，故采取變水頭滲透試驗。

圖3 滲透試樣

試驗設(shè)備主要設(shè)備：環(huán)刀和透水石(見圖3)、變水頭裝置(有滲透容器)、變水頭管、供水瓶、進(jìn)水管等(見圖4)。將裝有試樣的環(huán)刀試樣裝入滲透容器，旋緊螺母保證密封至不漏氣不漏水。將滲透容器進(jìn)水口與變水頭管連接，利用供水瓶中的水注滿進(jìn)水管，滲入滲透容器，打開排水閥，排出滲透容器底部的空氣，排出容器內(nèi)氣泡，關(guān)閉排水閥，將滲透容器放平，關(guān)閉進(jìn)水管夾。向變水頭管內(nèi)注純水使水升至預(yù)定高度，水頭高度根據(jù)試樣結(jié)構(gòu)的疏松程度而定，一般不大于2m，待水位穩(wěn)定后，關(guān)閉水源開關(guān)，打開進(jìn)水管夾，使水通過試樣。當(dāng)出水口有水溢出時，記錄變水頭管中起始水頭高度和起始時間，按預(yù)定時間間隔測記水頭高度和時間的變化。實驗室測得兩種斷層碎粉巖滲透系數(shù)平均值如表2。

表2 斷層碎粉巖滲透系數(shù)

根據(jù)F10斷層帶內(nèi)兩種碎粉巖的室內(nèi)滲透試驗成果表可知，主斷層帶中：白色碎粉巖滲透系數(shù)k為5.88×10-5cm/s，屬弱透水；黃色碎粉巖滲透系數(shù)k為1.87×10-6cm/s，屬微透水。

3 全巖及黏土礦物X射線衍射試驗分析

每種巖石中的礦物都對應(yīng)特定的X射線光譜，X衍射線的位置及強(qiáng)度可以區(qū)分不同種類的礦物，因此，可以對礦物進(jìn)行定性分析。試樣中特定礦物的含量與光譜中衍射峰及強(qiáng)度成正相關(guān)，可以對礦物進(jìn)行定量分析，通過礦物含量對巖石進(jìn)行定性[10]。采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Ultima系列中第四代最新型組合的多功能高分辨衍射儀UltimaⅣ，分別對白色碎粉巖及黃色碎粉巖試樣的物相定性與定量分析。

測量儀器結(jié)構(gòu)為：高穩(wěn)定度的X射源(X射線為Cu靶，波長為0.154056nm)、試樣及試樣位置取向的調(diào)整機(jī)構(gòu)(試樣為粉末狀)、射線檢測器(通過計算機(jī)記錄衍射強(qiáng)度及衍射方得到衍射圖譜)、衍射圖的處理分析系統(tǒng)(通過計算機(jī)分析軟件進(jìn)行自動化和智能化識別)。定性定量分析的不同礦物含量如表3。

表3 不同樣品中全巖及黏土礦物X射線衍射試驗數(shù)據(jù)

由表3可知，ZKP2鉆孔中白色碎粉巖石英、鉀長石和斜長石的平均含量分別為55.43%、15.76%和13.90%，ZK162鉆孔中的黃色碎粉巖石英、鉀長石和斜長石的平均含量分別為17.81%、2.03%和1.22%，白色碎粉巖中的含量均大于黃色碎粉巖；白色碎粉巖中方解石、白云石和黏土總量分別為5.39%、4.09%和5.35%；黃色碎粉巖中方解石、白云石、菱鐵礦、赤鐵礦、滑石和黏土總量分別為25.77%、15.94%、0.16%、0.72%、11.68%和26.38%，均大于白色碎粉巖中的礦物含量，黏土總量約為白色碎粉巖中的4.5倍。驗證了壓水試驗及滲透試驗中黃色碎粉巖的滲透系數(shù)小于白色碎粉巖。

4 結(jié)論

本文對大渡河下游某水電站壩址左岸F10斷層進(jìn)行壓水試驗、篩分試驗、滲透試驗及全巖及黏土礦物X射線衍射分析，得到以下結(jié)論：

(1)壓水試驗測得F10斷層帶內(nèi)主斷層帶透水率q為1.8Lu～9.0Lu，屬弱透水；斷層上盤影響帶透水率q為34Lu～41Lu，屬中等透水；斷層下盤影響帶透水率q為1.3Lu～12Lu，屬于弱～中等透水。結(jié)構(gòu)面篩分試驗結(jié)果表明F10斷層帶結(jié)構(gòu)面類型屬巖屑夾泥型。

(2)在滲透試驗中，主斷層帶中白色碎粉巖滲透系數(shù)為5.88×10-5cm/s，屬弱透水；黃色碎粉巖滲透系數(shù)為1.87×10-6cm/s，屬微透水。全巖及黏土礦物X射線衍射分析結(jié)果表明黃色碎粉巖中的黏土總量約為白色碎粉巖中的4.5倍。

(3)由于壩址左岸邊坡穩(wěn)定性較差，受成昆鐵路限制，邊坡開挖范圍有限，為保證大壩安全運行，除了對坡進(jìn)行清坡和支護(hù)外，還需對斷層等不良地質(zhì)部位采取分區(qū)置換等措施并加強(qiáng)防滲帷幕處理，防止斷層帶中產(chǎn)生滲透變形破壞。