信陽牢山寨花崗巖巖體節(jié)理發(fā)育特征及構(gòu)造應(yīng)力分析

王伯林， 黃肖瀟， 孟令超， 吳琦， 李亞軍， 袁廣祥， 趙貴章， 冉濤， 任明浩

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450046)

花崗巖是酸性巖漿侵入冷凝固結(jié)而成的深成巖體，一般具有較好的巖石力學(xué)性質(zhì)和較低的滲透性[1-3]，因此，大型水利水電工程、抽水蓄能電站和高放處置工程往往選取花崗巖作為基巖，如長江三峽水利水電工程，其壩址基巖為閃云斜長花崗巖[4]；湖南平江抽水蓄能電站庫址選于花崗巖巖體之上[5-6]；北山高放廢物處置侯選庫也選取花崗巖作為基巖[7-8]。然而，花崗巖易受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)生剪切和張性變形，形成節(jié)理和微裂隙，導(dǎo)致其巖石力學(xué)性質(zhì)顯著降低，滲透性顯著增加。袁廣祥等[9]研究了微裂隙對花崗巖的力學(xué)性質(zhì)的影響，認(rèn)為存在微裂隙線密度閾值，當(dāng)微裂隙線密度大于該閾值，花崗巖力學(xué)性質(zhì)明顯減弱；任紅磊等[10]認(rèn)為，在各級法向應(yīng)力下，節(jié)理連通率的增大使得巖體破壞時的峰值抗剪強(qiáng)度均呈下降趨勢；張帆等[11]研究表明，張拉、壓剪裂隙在不同水壓下其影響花崗巖滲流的程度是不同的；張強(qiáng)等[12]研究了高應(yīng)力下花崗巖節(jié)理剪切時滲透性，認(rèn)為花崗巖高應(yīng)力下的滲透性是受節(jié)理剪漲、壓縮的共同影響；李永壽等[13]研究表明，節(jié)理裂隙是巖體內(nèi)部損傷，并對損傷模型進(jìn)行了驗證，證明了裂隙巖體滲流模型的合理性；孔洋等[14]通過室內(nèi)試驗提出了三向不等應(yīng)力作用下節(jié)理巖體的滲流-應(yīng)力耦合方程，還原了節(jié)理的天然應(yīng)力狀態(tài)。以上對花崗巖力學(xué)性質(zhì)和滲透特征的研究，主要基于實驗室。但實際工程中，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、多期次，導(dǎo)致花崗巖中節(jié)理的分布、產(chǎn)狀、密度和連通性復(fù)雜多變，加之風(fēng)化和卸荷的影響，致使花崗巖巖體的滲透性呈現(xiàn)非均質(zhì)性和各向異性，導(dǎo)致查明花崗巖體中的滲漏裂隙和通道較為困難。Wang等[15]采用三維流動模型進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮斷層、大結(jié)構(gòu)面對滲流場的影響，但未深入考慮節(jié)理特征對滲流的影響。Dusabemariya等[16]采用高密度電法檢測抽水蓄能電站的滲漏通道，確定斷層、大裂縫及巖性接觸界面為潛在滲流通道。但高密度電法分辨率較低，無法精確反映節(jié)理和微裂隙對滲流的影響。

構(gòu)造應(yīng)力是控制區(qū)域構(gòu)造發(fā)育和局部斷裂的重要因素之一。在構(gòu)造應(yīng)力場下巖體會形成特殊的構(gòu)造形跡，如節(jié)理。不同期次構(gòu)造應(yīng)力場作用，導(dǎo)致節(jié)理的疊加、組合。因此，研究節(jié)理的分期和配套，能夠明確研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力演化史。研究表明，在低應(yīng)力水平下，節(jié)理粗糙度(JRC值)、連通率對節(jié)理的滲流特性有較大影響[17-18]，通過對花崗巖節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計和分析，可以明確花崗巖節(jié)理的粗糙度、張開度、連通率、填充度等特征，對評價花崗巖巖體滲透性具有重要的意義。因此，查明花崗巖節(jié)理發(fā)育特征，不僅可以反演構(gòu)造應(yīng)力的方向和演化期次[19-26]；還能較為準(zhǔn)確地揭示工程區(qū)花崗巖巖體滲透性，為工程設(shè)計施工提供決策依據(jù)。

研究區(qū)位于秦嶺-大別造山帶，區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育燕山末期花崗巖。在研究區(qū)內(nèi)，擬建設(shè)一座抽水蓄能電站上水庫，設(shè)計正常蓄水位347.50 m，死水位311.50 m，有效庫容927×104m3，大壩壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高為128.2 m(壩軸線處)，主副壩壩頂中心線總長1 249.10 m。通過統(tǒng)計該水庫范圍內(nèi)351條節(jié)理發(fā)育特征，利用節(jié)理分析軟件和水壓致裂法試驗，理清研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力演化史和構(gòu)造應(yīng)力大小，并通過壓水試驗，探究研究區(qū)花崗巖巖體透水性隨深度的變化規(guī)律。研究結(jié)果為研究區(qū)上水庫防滲設(shè)計和施工提供意見和建議，同時為花崗巖巖體上同類型工程建設(shè)提供參考和方法。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)地處河南省信陽市光山縣殷棚鄉(xiāng)和羅山縣定遠(yuǎn)鄉(xiāng)境內(nèi)的牢山寨北坡的山間谷地，距信陽市直線距離約70 km。抽水蓄能電站上水庫擬建于研究區(qū)花崗巖巖體之上，在牢山寨北坡近頂部天然“V”型溝谷內(nèi)筑壩修挖成庫，集雨面積0.311 km2。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

研究區(qū)在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造中，位于秦嶺-大別造山帶地區(qū)。該造山帶是秦嶺-大別-蘇魯造山帶的組成部分，位于揚(yáng)子板塊向華北板塊俯沖碰撞的過渡帶，是揚(yáng)子板塊向華北板塊碰撞后經(jīng)歷多階段構(gòu)造演化的產(chǎn)物[27]。大別造山帶西起河南桐柏山，向西以南陽盆地為界與秦嶺造山帶相望；東側(cè)以郯城-廬江斷裂為界。南北向的商城-麻城斷裂將大別山造山帶分為東大別和西大別兩部分。東大別造山帶自北向南以曉天-磨子譚斷裂、五河-水吼斷裂和太湖-馬廟斷裂為界劃分為4個巖石構(gòu)造單元：北淮陽構(gòu)造帶、北大別雜巖帶、南大別高壓-超高壓變質(zhì)帶、宿松雜巖帶[28]，如圖2所示。

大別造山帶斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，深大斷裂不僅是不同構(gòu)造單元的邊界，而且還與次級斷裂共同控制著區(qū)域內(nèi)各個期次的巖漿分布。區(qū)域內(nèi)深大斷裂基本均沿NWW向展布，由北向南主要為明港崗固始斷裂、龜梅斷裂、桐商斷裂、八里畈斷裂、白洼斷裂；次級斷裂主要沿NE向近等距展布，由西向東分別為信陽斷裂、澀港斷裂、竹竿斷裂、陡山河斷裂、商麻斷裂如圖3所示。區(qū)域內(nèi)巖漿巖分布廣泛，同位素年齡指示該地區(qū)燕山期巖漿活動最為頻繁[29-30]，且規(guī)模較大。其活動順序可分為早晚兩期。晚期又可分為三次不同形式的侵入活動，以第一次侵入活動最為強(qiáng)烈，形成的巖漿巖主要分布于桐商斷裂以南。區(qū)域內(nèi)分布靈山、新縣、商城三大花崗巖基和若干派生小巖株[31]。研究區(qū)位于桐柏-商城斷裂北側(cè)，該斷裂西與陜西省山陽大斷裂相連，東側(cè)交于安徽境內(nèi)的郯廬斷裂[32]。受大別山造山帶構(gòu)造運(yùn)動控制，該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力方向為SSW-NNE向。

圖1 研究區(qū)地理位置圖及航拍圖Fig.1 Schematic diagram of the study area and aerial photos

Ⅰ為華北地塊南緣構(gòu)造帶；Ⅱ為北淮陽構(gòu)造帶；Ⅲ為北大別變質(zhì)雜巖變質(zhì)帶；Ⅳ為南大別高壓-超高壓變質(zhì)帶； Ⅴ為宿松雜巖帶；Ⅵ為前陸沖斷褶帶和推覆前鋒變形帶圖2 大別造山帶構(gòu)造單元簡圖Fig.2 Schematic diagram of structural units in the Dabie orogenic belt

圖3 大別山北麓構(gòu)造綱要簡圖Fig.3 Schematic diagram of structural outline of northern Dabie Mountain

研究區(qū)的牢山花崗巖體位于靈山花崗巖基西部，屬燕山晚期第一次侵入的小花崗巖株，其巖性主要為中粒二長花崗巖、似斑狀花崗巖。巖石手標(biāo)本主要呈粉白-肉紅色但由于輕微風(fēng)化帶有淺黃色如圖4(a)、圖4(b)所示，中粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物成分為：斜長石約40%，鉀長石為30%～35%，石英20%～30%，含少量黑云母，可見輕微的蝕變，如圖4(c)～圖4(e)所示。鉀長石呈半自形粒狀-它形粒狀，發(fā)育卡爾斯巴雙晶(接觸雙晶010面)，顆粒直徑2～3 mm，鉀長石有明顯的絹云母化如圖4(f)所示。斜長石呈自形板狀，發(fā)育聚片雙晶，顆粒一般較為粗大約5 mm。石英主要呈它形粒狀，粒度1～2 mm，偶見波狀消光。黑云母主要呈半自形片狀，多色性明顯。

Qt為石英；Bt為黑云母；Pl為斜長石；Kfs為鉀長石；Kfs-Srt為鉀長石絹云母圖4 研究區(qū)中粒二長花崗巖手標(biāo)本與巖相學(xué)特征Fig.4 Hand specimens and petrographic characteristics of medium-grain monzonitic granite in the study area

2 構(gòu)造節(jié)理分析

野外調(diào)查顯示，研究區(qū)花崗巖主要發(fā)育NE、NW、NNW、NEE向節(jié)理。區(qū)域內(nèi)X型剪節(jié)理(平面、剖面)發(fā)育，節(jié)理面平直光滑；偶見節(jié)理之間發(fā)育張扭性節(jié)理如圖5所示。

圖5 研究區(qū)張扭性節(jié)理Fig.5 Tensile-torsional joints in the study area

2.1 節(jié)理發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)，節(jié)理間距較小，為20～50 cm；延伸長度為2～4 m，少數(shù)可達(dá)到4～10 m。節(jié)理性質(zhì)以剪節(jié)理為主，節(jié)理張開度平均為2～4 mm少量大于4 mm；填充物主要為碎屑和泥質(zhì)，少量節(jié)理被石英脈填充如圖6(a)所示，并發(fā)育鉀長石化如圖6(b)所示。在研究區(qū)對節(jié)理進(jìn)行野外觀察和測量，野外工作如圖7所示；對研究區(qū)內(nèi)14個露頭(其位置分布如圖8所示)，以及一個典型剖面的燕山期晚期第一次侵入花崗巖進(jìn)行了節(jié)理的野外觀察和測量，共計觀察統(tǒng)計剪節(jié)理351條，節(jié)理面平直光滑，產(chǎn)狀總體穩(wěn)定，用于應(yīng)力分析較為可靠。

圖8 研究區(qū)節(jié)理測點分布及節(jié)理走向玫瑰花圖Fig.8 Distribution of joints and rose diagram of joint-strike in the study area

圖9 研究區(qū)節(jié)理玫瑰花圖及傾角統(tǒng)計Fig.9 Rose diagram and dip angle statistics of joints in the study area

2.2 節(jié)理統(tǒng)計

對野外節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行赤平投影，得到節(jié)理走向玫瑰花圖[圖9(a)]。結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)節(jié)理的優(yōu)勢方位為NNW-SSE向，還發(fā)育NWW-SEE向、近S-N和NW-SE節(jié)理，節(jié)理詳細(xì)特征如表1所示。

研究區(qū)的節(jié)理間距平均為0.2～0.5 m。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面間距工程分級，研究區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理間距主要為窄間距類型，為0.06～0.2 m，其次為中等間距類型為0.2～0.6 m，而極窄間距和很窄間距類型在研究區(qū)內(nèi)較為少見。研究區(qū)內(nèi)節(jié)理整體延伸長度短，主要集中在1～3 m范圍，占節(jié)理總數(shù)75%以上。野外統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，90%以上的節(jié)理張開度小于5 mm，節(jié)理張開度主要是微張的，其次為閉合。節(jié)理充填物主要為石英脈、巖屑和泥質(zhì)。其中，泥質(zhì)充填最為發(fā)育，其次為無充填型和巖屑型。石英脈雖然分布范圍較廣，但規(guī)模和占比較小，發(fā)育長度一般在1～5 m。節(jié)理傾角統(tǒng)計結(jié)果顯示，研究區(qū)節(jié)理以陡傾角節(jié)理為主[圖9(b)]，說明該區(qū)域大主應(yīng)力方向角度較小，近乎水平。

圖6 研究區(qū)節(jié)理充填與蝕變情況Fig.6 Filling and alteration of joints in the study area

圖7 野外節(jié)理統(tǒng)計Fig.7 Joints investigation during the field work

3 節(jié)理配套與分期

3.1 節(jié)理配套

在研究區(qū)14個點共測得節(jié)理351條。通過節(jié)理分析軟件繪制出節(jié)理的走向玫瑰花圖[圖9(a)]，該地區(qū)NNW和NWW向節(jié)理最為發(fā)育。根據(jù)共軛剪節(jié)理的配套原則：共軛剪節(jié)理一般均呈X形相交。由于同一期應(yīng)力場中形成的共軛剪節(jié)理具有特定的剪切滑動關(guān)系，野外一般通過剪節(jié)理面擦痕和節(jié)理羽列確定其共軛關(guān)系；還可通過剪節(jié)理的尾端變化(如折尾)和菱形結(jié)環(huán)確定其共軛關(guān)系。根據(jù)此配套原則，對研究區(qū)具有此特征的節(jié)理進(jìn)行配套，將研究區(qū)節(jié)理分為三套共軛節(jié)理(表2)。

第1套共軛節(jié)理：由NE向與NWW向節(jié)理組成如圖10(a),圖10(b)所示，該套共軛節(jié)理較發(fā)育，產(chǎn)狀陡立，傾角近乎直立。兩組節(jié)理傾向分別為284°～304°、180°～200°，兩節(jié)理走向夾角的銳角角平分線近NEE向。第2套共軛剪節(jié)理：由NNW向與NE向節(jié)理組成如圖10(c)所示，該套共軛節(jié)理發(fā)育，節(jié)理傾角較為陡立，兩組節(jié)理傾向分別為230°～360°、305°～325°，兩組節(jié)理走向夾角的銳角角平分線近NNE向。第3套共軛剪節(jié)理：由NNE向與NWW向節(jié)理組成如圖10(d)所示，兩組節(jié)理傾向分別為103°～133°、5°～35°，兩組節(jié)理走向夾角的銳角角平分線近EW向。3套共軛剪節(jié)理呈相互切割、限制等規(guī)律，存在相對的時間先后關(guān)系。將3套典型共軛剪節(jié)進(jìn)行赤平投影和構(gòu)造應(yīng)力反演，結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明3套節(jié)理屬于不同的構(gòu)造期次，反映了3個方向的構(gòu)造應(yīng)力，可以用于節(jié)理的分期和構(gòu)造應(yīng)力分析。

表1 節(jié)理統(tǒng)計Table 1 Statistics of joints

表2 X型共軛剪節(jié)理特征Table 2 X-type conjugate shear joint characteristics

圖10 研究區(qū)共軛剪節(jié)理圖Fig.10 Diagram of conjugate shear joint in the study area

σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力圖11 3套典型共軛剪節(jié)理赤平投影及應(yīng)力反演圖Fig.11 Stereographic projection and stress inversion of three sets of typical conjugate shear joints

3.2 節(jié)理分期

根據(jù)節(jié)理配套結(jié)果，結(jié)合典型剖面(圖12)，利用節(jié)理的錯開、限制、互切、追蹤、利用和改造等節(jié)理分期原則，確定節(jié)理分期。剖面所示的節(jié)理切割關(guān)系為：節(jié)理A被節(jié)理B和節(jié)理C所切割，所以節(jié)理A比節(jié)理B和節(jié)理C早形成，又根據(jù)節(jié)理的交切關(guān)系，節(jié)理B被節(jié)理C所錯開，所以節(jié)理B比節(jié)理C形成早。綜上可知，節(jié)理形成的次序為A-B-C。節(jié)理A為NWW向剪節(jié)理，節(jié)理B為NNW向剪節(jié)理，節(jié)理C為NWW向剪節(jié)理，分別屬于第1套共軛剪節(jié)理、第2套共軛剪和第3套共軛剪節(jié)理。所以第1套共軛剪節(jié)理形成時間最早，第2套共軛剪節(jié)理次之，第3套共軛剪節(jié)理最晚。

A為NWW向剪節(jié)理;B為NNW向剪節(jié)理;C為NWW向剪節(jié)理圖12 研究區(qū)典型剖面Fig.12 Typical cross-section of study area

4 構(gòu)造應(yīng)力分析及大小

4.1 構(gòu)造應(yīng)力方向

根據(jù)節(jié)理配套和節(jié)理分期結(jié)果，利用構(gòu)造應(yīng)力分析軟件對研究區(qū)三期X型共軛剪節(jié)理進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力反演，得出研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力演化史。研究區(qū)自燕山期末到喜山期構(gòu)造應(yīng)力場共發(fā)生了3次轉(zhuǎn)變，即NEE-SWW向、NNE-SSW向及近E-W向3次不同方向的構(gòu)造應(yīng)力作用，從而形成了能反應(yīng)構(gòu)造應(yīng)力變化的3套X型共軛節(jié)理。

σ1為最大主應(yīng)力圖13 研究區(qū)X型共軛剪節(jié)理及構(gòu)造應(yīng)力場反演Fig.13 X-shaped conjugate shear joints and inversion of tectonic stress field in the study area

(1)NEE-SWW向擠壓。近NE向與NWW向X型共軛剪節(jié)理在此構(gòu)造應(yīng)力下形成如圖13(a)所示，可以看出，最大主應(yīng)力方向變化范圍為59°～70°(平均為65°)，傾角變化范圍為10°～23°(平均為18°)。

(2)NNE-SSW向擠壓：NNW向與NE向X型共軛剪節(jié)理在此構(gòu)造應(yīng)力下形成如圖13(b)所示，可以看出，最大主應(yīng)力方向變化范圍為10°～20°(平均為15°)，傾角變化范圍為4°～10°(平均為7°)。

(3)近E-W向擠壓：NNE向與NWW向X型共軛剪節(jié)理在此構(gòu)造應(yīng)力下形成如圖13(c)所示，可以看出，最大主應(yīng)力方向變化范圍為240°～267°(平均為255°)，傾角變化范圍為9°～20°(平均為15°)。

研究表明，研究區(qū)在燕山中期-燕山晚期進(jìn)入以NNE-近NS向構(gòu)造為主、近EW向構(gòu)造為次的構(gòu)造動力大轉(zhuǎn)換時期。晚侏羅世為擠壓構(gòu)造背景，造山帶陸殼堆疊、增厚；早白堊世早期由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換，造山帶陸殼維系增厚狀態(tài)；早白堊世中期為伸展背景，造山帶拆沉去根，巖石圈伸展減薄，造山后伸展崩塌；早白堊世晚期向板內(nèi)環(huán)境過渡；中白堊世由NW-SE向伸展構(gòu)造，轉(zhuǎn)為統(tǒng)一的中國東部構(gòu)造環(huán)境；中國東部燕山期中期-喜山期構(gòu)造應(yīng)力演化進(jìn)程為：燕山早期，近S-N向；燕山晚期，為近E-W；喜山期，為近E-W向[28,31,33]。本次研究得出的結(jié)論與區(qū)域大地構(gòu)造背景相符。

4.2 構(gòu)造應(yīng)力大小

在庫區(qū)內(nèi)布置了3組斷面，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力測試；Ⅰ斷面：ZK2～ZK4，Ⅱ斷面：ZK4～ZK6，Ⅲ斷面：ZK1、ZK6、ZK7，3條斷面分布如圖7所示，所采用的方法為水壓致裂法。為得到巖體空間三維應(yīng)力狀態(tài)，采用的是多孔測試法，每組地應(yīng)力測試均布置3個不同方向的鉆孔，傾角分別為60°、90°、45°。測試時考慮了巖體的完整性、透水率和鉆孔的實際深度等因素，測試過程中盡量將同一斷面的3個測孔的測試段布置于同一高程，以利于成果的比較分析，同時還考慮了風(fēng)化和卸荷對巖體初始應(yīng)力的影響，將測段的深度置于孔深15 m以下，每個測試段進(jìn)行2～3次循環(huán)加壓。從測試的結(jié)果來看，巖體破裂壓力與深度有較明顯的對應(yīng)關(guān)系，隨著深度的增加，破裂壓力值一般呈增大的趨勢。測試的最大壓力位于Ⅲ斷面ZK7孔的59.3 m處(與地面垂直深度)，破裂壓力值達(dá)17.65 MPa，如圖14(a)所示；最小壓力位于Ⅰ斷面ZK3的26.5 m處，壓力值為8.47 MPa，如圖14(b)所示。測試成果表明工程區(qū)最大主應(yīng)力均小于10 MPa如表3所示，為低地應(yīng)力區(qū)，實測的垂直向上的應(yīng)力分量σz略大于自重應(yīng)力理論計算值，并且小于最大主應(yīng)力值，表明測試部位的地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力場為主。通過水壓致裂法試驗所得的主應(yīng)力方向與通過節(jié)理反演所得處的結(jié)論較為一致，證明了利用節(jié)理反演構(gòu)造應(yīng)力的可行性和可靠性。

5 研究區(qū)花崗巖透水性

巖體透水性不僅與巖性條件、構(gòu)造破壞程度和風(fēng)化卸荷狀況等因素關(guān)系密切，還受圍壓大小的影響。一般來說，地表受風(fēng)化、構(gòu)造影響較大的部位巖體透水性較大，深部新鮮、完整的巖石透水性小。

研究區(qū)ZK1和ZK2巖芯節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)花崗巖隨埋深的增加節(jié)理數(shù)量整體呈下降趨勢，但在部分深度節(jié)理數(shù)量變化顯著如圖15所示。壓水試驗結(jié)果顯示，ZK1和ZK2巖體最大透水率分別為10.5 Lu和11.4 Lu[水壓為1 MPa時，每米試段長度L(單位：m)每分鐘注入水量Q(單位：L/min)為1 L時，稱為1 Lu]。接近地表區(qū)域，巖體透水率均大于10 Lu，屬于中等透水巖體；在20 m深度范圍內(nèi)，花崗巖巖體透水率隨著埋深增加顯著降低；埋深超過20 m，巖體透水率均小于3 Lu且趨于穩(wěn)定，屬于弱透水巖體。但在超過20 m深部，巖石透水率隨節(jié)理發(fā)育程度發(fā)生較明顯變化，在節(jié)理發(fā)育部位，巖石透水率有所增大如圖15所示。這表明在花崗巖深部，節(jié)理發(fā)育程度是巖石透水率的控制因素。然而，對比ZK1中20～50 m段和60～90 m段發(fā)現(xiàn)，節(jié)理數(shù)量大幅度變化并未引起透水率顯著改變，特別是60～90 m段。該變化特征的原因應(yīng)是，隨著深度的增加，花崗巖巖體所承受的自重應(yīng)力和圍壓增大，迫使巖體節(jié)理張開度減小和連通性降低，導(dǎo)致節(jié)理透水性顯著降低。這表明在花崗巖深部，巖石透水率不僅受節(jié)理數(shù)目控制，還受節(jié)理張開度和連通性影響。

圖15表明，巖體透水率與節(jié)理隨深度變化的趨勢大致吻合，但在局部位置出現(xiàn)隨節(jié)理條數(shù)減少而巖體透水率增大的趨勢。其原因可能是巖體在該位置NNW和NWW節(jié)理發(fā)育并且節(jié)理張開度和連通率較好從而導(dǎo)致透水率有局部增大的趨勢。

Pb為破裂壓力；T為時間圖14 工程區(qū)鉆孔地應(yīng)力測試曲線Fig.14 Ground stress test curves of borehole in engineering area

6 結(jié)論

(1)通過對研究區(qū)節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計和分析，查明了節(jié)理的優(yōu)勢方位為NNW-SSE向，傾角均為大傾角；節(jié)理面在淺部風(fēng)化較為強(qiáng)烈，多為綠泥石化；節(jié)理面風(fēng)化程度呈現(xiàn)隨深度增加而降低的趨勢；節(jié)理張開度主要是微張—閉合，平均為2～4 mm，充填物主要為石英脈、巖屑和泥質(zhì)，透水性較差。節(jié)理密度較大，為20～30 cm/條。巖體結(jié)構(gòu)面間距級別表現(xiàn)為窄的間距類型；節(jié)理整體延伸長度短，主要集中在1～3 m范圍。研究區(qū)節(jié)理發(fā)育，密度大、延伸較段，近地表風(fēng)化較為嚴(yán)重，對花崗巖巖體的結(jié)構(gòu)完整性和巖體強(qiáng)度影響較大。

(2)通過對節(jié)理的分期和配套，得出研究區(qū)發(fā)育三套X型共軛剪節(jié)理。利用共軛剪節(jié)理反演得出研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力演化史：燕山晚期主應(yīng)力方向為NEE-SWW，至喜山期主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰-W向；此兩期構(gòu)造應(yīng)力與大別山地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動應(yīng)力方向一致。在喜山期之后，研究區(qū)主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE-SSW，此為該地區(qū)小范圍的構(gòu)造應(yīng)力場特征。水壓致裂法試驗測試得出研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場均小于10 MPa，在量值上略大于自重應(yīng)力，表明研究區(qū)屬于低應(yīng)力場區(qū)域。因此在修建上水庫時，應(yīng)在充分考慮工區(qū)環(huán)境的前提下適當(dāng)避免壩軸線和重要設(shè)施與NNE-SSW向主應(yīng)力垂直或者大角度相交，進(jìn)而避免構(gòu)造應(yīng)力對工程帶來的不利的影響。

表3 各測試斷面三向巖體應(yīng)力平均值成果Table 3 Average data of three-dimensional rock mass stress

圖15 巖體透水率、節(jié)理條數(shù)隨深度變化Fig.15 Variation of rock mass permeability and joint number

(3)通過對節(jié)理的統(tǒng)計和特征分析，表明研究區(qū)近地表花崗巖節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化程度較高、卸荷嚴(yán)重，致使巖體破碎，從而導(dǎo)致近地表花崗巖巖體透水率較大。這表明近地表巖體透水率是由風(fēng)化、卸荷和節(jié)理共同決定的；但隨著深度的增加，一方面巖體的風(fēng)化程度降低，卸荷減弱；另一方面由于自重應(yīng)力和圍壓增加迫使巖體節(jié)理張開度減小，加之節(jié)理裂隙充填較為發(fā)育，從而導(dǎo)致花崗巖巖體透水性有隨埋深增大而減小的現(xiàn)象?；◢弾r體透水率水隨深度的變化趨勢與節(jié)理條數(shù)隨深度變化趨勢相符，由此說明，在深部花崗巖巖體中，節(jié)理是影響花崗巖巖體透水性的主要因素。所以在研究區(qū)修建上水庫時，應(yīng)進(jìn)行開挖，將近地表的風(fēng)化層和卸荷層清除；并充分考慮優(yōu)勢節(jié)理方位進(jìn)行防滲補(bǔ)漏處理；如，對優(yōu)勢節(jié)理進(jìn)行針對性的混凝土灌漿，基巖采取噴射混凝土形成防滲帷幕等。