充填膠結(jié)碎裂結(jié)構(gòu)巖體的成因機(jī)制及工程地質(zhì)特性研究

周洪福,聶德新,韋玉婷

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川成都 610059;3.四川省地質(zhì)工程勘察院,四川成都 610072)

充填膠結(jié)碎裂結(jié)構(gòu)巖體的成因機(jī)制及工程地質(zhì)特性研究

周洪福1,聶德新2,韋玉婷3

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川成都 610059;3.四川省地質(zhì)工程勘察院,四川成都 610072)

本文以工程實(shí)例為依托,在現(xiàn)場(chǎng)大量調(diào)查、測(cè)試、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)一種新型碎裂結(jié)構(gòu)巖體—充填膠結(jié)碎裂巖體的工程地質(zhì)特性和成因機(jī)制進(jìn)行了分析。此類巖體表觀碎裂,但是由于巖塊之間被鈣質(zhì)充填、膠結(jié),使得表觀碎裂的巖體在原位狀態(tài)沒(méi)有受到大的擾動(dòng)的情況下具有較高的力學(xué)性能,其可以用作壩基巖體,與普通的碎裂巖體有著本質(zhì)上的差別。該類巖體一旦受到外界大的擾動(dòng),其力學(xué)性能迅速降低,在施工中應(yīng)該特別注意。

充填膠結(jié)碎裂巖體;巖體結(jié)構(gòu);成因機(jī)制;工程地質(zhì)

1 引 言

隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入進(jìn)行,我國(guó)西部的各類工程建設(shè)活動(dòng)也推進(jìn)到了一個(gè)新的高度。我國(guó)西部地區(qū)、特別是青藏高原東南緣地區(qū)地形陡峻,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各類工程建設(shè)不僅遇到了巖體風(fēng)化、卸荷、高地應(yīng)力、邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題,而且不少工程建設(shè)場(chǎng)地因?yàn)闃?gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)面發(fā)育而遇到塊裂、鑲嵌、碎裂等結(jié)構(gòu)類型較差巖體的利用問(wèn)題,特別是在水電工程中,此類問(wèn)題更加突出。

碎裂巖體作為工程中常見(jiàn)的一種巖體,行業(yè)內(nèi)的許多學(xué)者對(duì)此有過(guò)較多的研究[2～7]。多數(shù)研究集中在工程處理措施等方面的研究,對(duì)于特殊類型碎裂巖體的成因機(jī)制和工程特性的研究較少。按照國(guó)標(biāo) GB50287-2006中的規(guī)定 (表 1),碎裂結(jié)構(gòu)分為塊裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)兩種類型,劃分的標(biāo)準(zhǔn)主要是巖塊之間嵌合的緊密程度和結(jié)構(gòu)面的間距。其中碎裂結(jié)構(gòu)巖塊之間嵌合較松弛-松弛,結(jié)構(gòu)面的間距小于10cm,按照水電工程的分類方法,一般對(duì)應(yīng)為Ⅳ-Ⅴ級(jí)巖體,對(duì)于水電工程壩基而言,在沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊處理之前,屬于不可利用巖體。

表 1 巖體結(jié)構(gòu)類型(據(jù) GB50287-2006)[1]Table 1 Types of rock mass structures

2 問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

怒江中游某水電站位于云南省保山市隆陽(yáng)區(qū),水電站壩型為混凝土重力壩,初定壩高85m。整個(gè)壩址區(qū)河谷為典型的U型谷,壩址區(qū)巖體一共有三種,分別是右岸石炭系玄武巖和左岸三疊系白云巖以及玄武巖和白云巖接觸部位的斷層破碎帶巖體(圖 1),怒江深大斷裂東西兩支分別從壩址區(qū)外圍通過(guò),區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,根據(jù)勘探揭露可知:左岸白云巖中細(xì)微裂隙極為發(fā)育,現(xiàn)場(chǎng)平硐和路邊可觀察到巖體被裂隙強(qiáng)烈切割,裂隙間距普遍為數(shù)厘米,甚至在1cm以下,巖體表觀結(jié)構(gòu)呈碎裂狀,鉆孔巖芯RQD值多在10%以下;右岸玄武巖巖體完整性也較差,鉆孔巖心較為破碎,平均 RQD僅為33%。

圖 1 壩址區(qū)地形地貌Fig.1 Topographic and geomorphological features of the dam area in the middle reaches of the Nujiang River

如此破碎的碎裂結(jié)構(gòu)白云巖大面積地分布于左岸壩肩,左岸壩肩應(yīng)該出現(xiàn)明顯的垮塌或者變形破壞現(xiàn)象,但是從現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查情況來(lái)看,左岸壩肩邊坡地形整齊,無(wú)任何垮塌破壞,在壩肩邊坡上也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的拉裂縫等邊坡正在變形破壞的現(xiàn)象(圖 2)。而且左岸所有的平硐揭露的白云巖巖塊之間嵌合緊密,在沒(méi)有任何支護(hù)措施的情況下,在平硐頂和邊墻處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的掉塊、塌方等現(xiàn)象,平硐內(nèi)整體干燥,在斷層處也未見(jiàn)滴水或者滲水現(xiàn)象。在左岸的一個(gè)平硐底部挖掘了一個(gè)邊長(zhǎng)在10m以上近似矩形的試驗(yàn)硐,在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間無(wú)任何支撐的放置后,試驗(yàn)硐頂部也沒(méi)有出現(xiàn)任何的塌方、掉塊等變形破壞現(xiàn)象。這一切都說(shuō)明左岸的白云巖力學(xué)性能較好,巖體具有較好的整體穩(wěn)定性,這與一般的碎裂結(jié)構(gòu)巖體有著本質(zhì)的區(qū)別。出現(xiàn)這種現(xiàn)象預(yù)示這這種巖體必定有著特殊的成因機(jī)制和工程特性。

3 成因機(jī)制分析

左岸白云巖巖體中雖然微裂紋非常發(fā)育,呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu)巖體特征,但是巖體的整體穩(wěn)定性較好,與通常的碎裂巖體完全不同。出現(xiàn)這種情況必定有其特殊的原因。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的全面調(diào)查以及室內(nèi)的資料整理,從白云巖和玄武巖的形成時(shí)代、其自身的特性和所處的構(gòu)造環(huán)境等方面綜合分析,認(rèn)為白云巖出現(xiàn)這種特殊性質(zhì)的原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)壩址右岸的玄武巖形成于石炭紀(jì),而左岸的白云巖形成于三疊紀(jì),形成時(shí)間晚于右岸的玄武巖。而白云巖屬于深海沉積,因此,在早期的沉積過(guò)程中,白云巖近水平狀沉積于玄武巖之上;

圖 2 左岸壩肩一坡到頂?shù)恼R地形Fig.2 Terrain features of the dam shouder at the left bank of the Nujiang River

(2)壩址區(qū)鄰近怒江斷裂構(gòu)造帶,斷裂較發(fā)育,在較強(qiáng)的構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境下,性脆的白云巖在受到強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)沖擊時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的碎化,形成類似剛化玻璃受沖擊時(shí)的碎裂狀況并產(chǎn)生大量破劈理、細(xì)裂紋,而剛度相對(duì)較大的玄武巖僅有較多的裂隙而未碎裂,這也正是玄武巖中裂隙較多、RQD較低的原因;

(3)經(jīng)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后,碎裂的白云巖在后期溶液介質(zhì)帶入鈣質(zhì)的作用下,當(dāng)鈣質(zhì)向下滲流到玄武巖與白云巖接觸的部位時(shí),由于玄武巖滲透系數(shù)較小,屬于相對(duì)的隔水層,鈣質(zhì)在白云巖底部靠近玄武巖的部位淀積下來(lái),充填于裂紋中,愈合了巖體中的裂紋(圖 3)。使原來(lái)碎裂的巖體向連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變,成為具有充填膠結(jié)碎裂結(jié)構(gòu)的巖體。

從上面的分析中可知,雖然白云巖中發(fā)育大量的微裂紋,導(dǎo)致裂隙間距很小,巖體被切割成小塊狀,但是由于這些微裂紋之間被鈣質(zhì)充填粘結(jié),使得這些被切割成小塊的白云巖能夠相互之間被較好的連接在一起,巖體呈現(xiàn)一種看似碎裂、實(shí)質(zhì)較完整的特點(diǎn),對(duì)這一類新的巖體,本文將其定名為“充填膠結(jié)碎裂巖體”。

4 工程地質(zhì)特性研究

圖 3 左岸白云巖巖芯中大量鈣質(zhì)粘結(jié)的裂紋,巖芯保持柱狀a.鈣質(zhì)充填粘結(jié)的大量裂紋;b.鈣質(zhì)充填粘結(jié)的大量裂紋;c.Zk128#111.1m～111.37m巖芯保持柱狀;d.Zk128#116.08m～116.3m巖芯保持柱狀Fig.3 Abundant filling-bounded cracks by calcium carbonate observed in dolostone coresa.Filling-bounded cracks by calcium carbonate;b.Filling-bounded cracks by calcium carbonate;c.Columnar cores,111.1 m to 111.37 m,ZK-128 well;d.Columnar cores,116.08 m to 116.3 m,Zk-128 well

正是由于左岸白云巖的特殊成因機(jī)制,導(dǎo)致其工程特性與其它碎裂結(jié)構(gòu)巖體有著較大的差別。清楚地了解這種特殊性質(zhì)白云巖的工程性質(zhì),對(duì)于研究其可利用性以及未來(lái)施工中應(yīng)該注意的問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的調(diào)查、試驗(yàn)、測(cè)量以及鉆孔巖芯揭露,可以得到左岸白云巖“充填膠結(jié)碎裂巖體”的一些基本工程地質(zhì)特征:

(1)具有很小的裂隙間距:從左岸大量的勘探平洞現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)量可知,“充填膠結(jié)碎裂巖體”大部分裂隙間距僅為 1厘米到數(shù)厘米,部分地方裂隙間距甚至小于1cm,從表面觀察巖體處于極度破碎狀態(tài);

(2)處于自然狀態(tài)原位條件下白云巖體的結(jié)構(gòu)面 (裂紋、裂隙)膠結(jié) (或充填粘結(jié))較好,巖體呈現(xiàn)一定的整體性,但是在受到外界的撓動(dòng)后,鈣質(zhì)膠結(jié)易被破壞,巖體的整體性迅速下降,這一點(diǎn)可以從左岸白云巖鉆孔中打出大量的破碎白云巖得到證實(shí)。正是由于這個(gè)特點(diǎn),未來(lái)在施工過(guò)程中應(yīng)該提前做好工程應(yīng)對(duì)措施,避免強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)碎裂白云巖的破壞作用;

(3)觀察左岸白云巖鉆孔取出的巖芯可知,雖然經(jīng)鉆探撓動(dòng)大部分巖芯破碎,但仍有不少巖芯粘結(jié)較好,保持其完整、柱狀特征 (圖 3);

(4)具有似完整性特征:由于微裂隙之間鈣質(zhì)膠結(jié)較好,在未發(fā)生錯(cuò)位和強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況下,巖石類似“破碎的擋風(fēng)玻璃”或“碎瓷”(圖 3),盡管微裂隙存在,但仍呈“似完好狀”,裝水不漏,因而巖體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一種“似完整”特征;

(5)具有較低的滲透性和較高的力學(xué)指標(biāo):在進(jìn)入弱風(fēng)化帶以后,巖體的滲透性迅速降低,特別是在進(jìn)入微風(fēng)化帶后,巖體的呂容值普遍小于 1Lu單位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,白云巖的完整性系數(shù)絕大部分在0.35以上,內(nèi)聚力在0.5MPa以上,內(nèi)摩擦系數(shù)在0.8以上,變形模量則普遍在5GPa以上,對(duì)應(yīng)為Ⅲ級(jí)及以上巖體,這與巖體中大量發(fā)育的微裂隙形成了鮮明的對(duì)比 (圖 4)。而通常的碎裂巖體完整性系數(shù)普遍在0.35以下,內(nèi)聚力在0.5MPa以下,內(nèi)摩擦系數(shù)則在0.8以下,對(duì)應(yīng)的為Ⅳ級(jí)巖體。因此,無(wú)論是巖體的呂容值、完整性系數(shù)、變形模量還是抗剪強(qiáng)度參數(shù)都與通常認(rèn)為的碎裂巖體有著根本的區(qū)別。

5 結(jié) 論

圖 4 左岸白云巖力學(xué)指標(biāo)與波速、呂容值對(duì)應(yīng)關(guān)系1.覆蓋層;2.強(qiáng)風(fēng)化;3.弱風(fēng)化上;4.弱風(fēng)化下;5.微新巖體;6.強(qiáng)卸荷帶下限;7.相對(duì)隔水層頂?shù)装錐ig.4 Relationship be tween mechanicsindex,wave velocity and lugeon of dolostones1=overburden;2=strong weathering;3=weak weathering(upper);4=weak weathering(lower);5=small and new rock mass;6=threshold of strong stress-release zone;7=roof and footwall of impe rmeable formation

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)、分析的基礎(chǔ)上,本文提出了一種特殊的碎裂結(jié)構(gòu)巖體—充填膠結(jié)碎裂巖體,這種特殊的碎裂巖體與通常的碎裂巖體有著本質(zhì)的不同,通過(guò)詳細(xì)的分析論證,對(duì)于這種特殊的碎裂巖體,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)充填膠結(jié)碎裂巖體中發(fā)育大量的微裂紋,使其表觀極度破碎的原因是由于受到強(qiáng)大的構(gòu)造沖擊作用;

(2)充填膠結(jié)碎裂巖體裂隙間距普遍為數(shù)厘米,甚至1cm以下。但是通過(guò)大量的試驗(yàn)可知,在沒(méi)有受到外界大的擾動(dòng)情況下,巖體的力學(xué)性能較好,可以用作壩基巖體。這與巖體中微裂隙普遍被鈣質(zhì)充填、膠結(jié)有密切的關(guān)系,使碎裂結(jié)構(gòu)的巖體具有連續(xù)介質(zhì)的特點(diǎn),巖體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一種“似完整”特征;

(3)應(yīng)該看到,充填膠結(jié)碎裂巖體畢竟是有著“內(nèi)傷”的巖體,一旦受到外界大的擾動(dòng),其力學(xué)性能迅速降低,在施工過(guò)程中應(yīng)該特別注意這一點(diǎn)

[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 GB50287-2006[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

[2] 崔銀祥.碎裂巖體用作高混凝土重力壩壩基的可能性評(píng)價(jià)[D].成都:成都理工大學(xué),2005.

[3] 周洪福,韋玉婷,聶德新.對(duì)碎裂結(jié)構(gòu)巖體似連續(xù)介質(zhì)特征的一點(diǎn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(1):17-21.

[4] 唐樹(shù)名.碎裂結(jié)構(gòu)巖體路塹邊坡錨固機(jī)理分析及其應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2003.

[5] 胡夏嵩,趙法鎖.低地應(yīng)力區(qū)碎裂結(jié)構(gòu)圍巖基本特征研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2004,12(4):396-400.

[6] 晏鄂川,戴光忠,劉昌雄.碎裂巖石路塹邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與安全防護(hù)設(shè)計(jì)[J].巖土力學(xué),2005,10(26):257-260.

[7] 曾祥勇,唐樹(shù)名,鄧安福.錨索加固邊坡碎裂結(jié)構(gòu)巖體模型試驗(yàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2004,8(8):128-135.

Filling-cemented cataclastic rock masses: Geneticmechanis m and engineering geology

ZHOU Hong-fu1,N IE De-xin2,WEI Yu-ting3
(1.Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu610081,Sichuan,China;2.College of Environm ent and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,Sichuan,China;3.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation,Chengdu610072,Sichuan,China)

The filling-cemented cataclastic rock masses are introduced in this study as a new type of cataclastic rock masses.The filling and cementation by calcium carbonate between rockmasses lead to the highmechanical strength of the cataclastic rock masses in situ under certain circumstance of external disturbance.Unlike the common cataclastic rock masseswith low mechanical strength under certain circumstance of external disturbance,they may be designed as dam-foundation rock masses.Care should be taken to distinguish them in engineering construction.

filling-cemented cataclastic rock mass;rock mass structure;genetic mechanis m;engineering geology

1009-3850(2010)02-0108-05

2010-04-20

周洪福,男,博士,主要從事工程巖土體穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究工作。E-mail:zhf800726@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (40372127),中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地震滑坡災(zāi)害編圖方法示范研究 (1212010914011)

P642

A