兩河口水電站壩址區構造節理裂隙成因機制淺析

吳 章 雷

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上,為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2km河段。壩址處多年平均流量 670m3/s,水庫正常蓄水位 2865m,相應庫容 101.54億m3,具有多年調節能力。樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、泄洪、放空、地下廠房等建筑物組成。礫石土心墻堆石壩最大壩高 295.00m,電站裝機容量 300萬 kW,多年平均發電量 114.91億 kW·h。

2 壩址區基本條件

2.1 地形地貌

壩址區位于雅礱江與鮮水河匯合口(即兩河口)以下,慶大河口以下約 1.8km河段上(見圖1),枯水期水面高程約 2600m。壩址為橫向谷,兩岸山體雄厚,谷坡陡峻。左岸呈弧形凸向右岸,地形平均坡度 30°～45°,局部溝梁相間,發育數條小沖溝;右岸為凹岸,平均坡度 25°～45°,壩址下游有阿農溝切割,其余為淺表沖溝。

2.2 地層巖性

壩址區基巖為兩河口組中、下段。兩河口組下段總體特征以變質砂巖夾粉砂質板巖為主,據巖性組合特征可進一步分為五層,總厚度約 769m。兩河口組中段巖性以粉砂質板巖向上漸變為粉砂質板巖夾絹云母板巖及粉砂質板巖與絹云母板巖互層,可細分為五個層,總厚度大于725m。壩址區巖層總體產狀 N60°～ 70°W/SW∠60°～ 70°。

圖1 兩河口水電站壩址位置示意

2.3 地質構造

壩址區處于瓦多復背斜南翼次級的兩河口背斜的南翼,宏觀上為一單斜地層,地層層序正常。兩河口背斜南翼完整,北翼受斷層切割不完整,軸面的走向與層面基本一致。根據壩區斷裂破碎帶的寬度及延伸情況,可分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結構面,Ⅲ級結構面主要為壩區發育的規模比較大的斷層,壩區大多探洞都有揭示,在平面圖上有反映;Ⅳ級結構面為小斷層,局部探洞有揭示;Ⅴ級結構面為節理裂隙。壩址區主要構造見圖2。

圖2 兩河口水電站壩址區構造示意

2.3.1 斷層(Ⅲ、Ⅳ級結構面)

探洞揭示 ,壩區主要發育 f1、f4、f7、f15、f24、f25、f30等斷層(Ⅲ級結構面),斷層的分布情況見圖2,各斷層的性狀特征見表1。按斷層走向可以劃分北西西向,包括 f1、f4、f25斷層,該組斷層多沿巖體中較薄弱的層面發育,斷層以順層擠壓為主,斷層產狀與地層產狀基本一致,延伸多大于 1100m;其次北東東向,包括 f7斷層,延伸長度大于 650m;再次為近南北向,包括 f15斷層,延伸長度約 450m;最后為北北東向,包括斷層 f24斷層,延伸長度多大于250m。

以上四組斷層破碎帶在不同露頭出露的寬度變化大,時寬時窄,以幾公分～一米不等,充填物以片狀巖、石英脈、糜棱巖、斷層泥等為主,北西西向斷層碳化、糜棱化強烈。

壩址區的小斷層(Ⅳ級結構面)發育,方向分散,延伸 50～100m不等,錯動帶寬度以 1～10cm為主,主要由壓碎巖、碎裂巖和少量糜棱巖組成。

表1 壩址區主要斷層性狀特征

2.3.2 節理裂隙(Ⅴ級結構面)

對壩區 13287條節理裂隙所作的統計分析表明(見圖3):緩傾角結構面 2354條、中傾角結構面5717條、陡傾角結構面 5216條。中、陡傾角結構面占總裂隙的 82%,緩傾角結構面僅占 18%左右。

通過對壩區地表及探洞內節理裂隙的統計,按發育程度從大到小,結構面優勢方向有以下九組:①N60°～90°W/SW(NE)∠60°～ 85°(層面、板理);② -1 N0°～ 30°E/SE∠40°～60°,② -2 N0°～ 30°E/NW∠40°～60°;③-1 N 40°～60°E/NW∠10°～45°;③ -2 N40°～ 60°E/SE10°～ 45°;④N0°～ 30°E/SE(NW)∠70°～85°;⑤N50°～80°E/SE(NW)∠65°～85°;⑥ -1N0°～ 30°E/SE∠5°～ 35°,⑥ -2 N0°～ 30°E/NW∠5°～ 35°;⑦ -1 N30°～ 50°W/SW∠5°～ 30°;⑦ -2 N30°～ 50°W/NE∠5°～ 30°;⑧近 EW/N(S)∠5°～ 45°;⑨N45°～ 50°W/NE(SW)∠60°～ 75°。

據現場結構面的延伸及填充物觀測:①組節理裂隙延伸長大,起伏粗糙。該組節理裂隙在砂巖里為層面,在板巖里為板理,顯壓性。②、③、⑤、⑥、⑦、⑨組節理裂隙較平直,延伸長度 5～20m,間距0.7～1.5m,顯扭性。④組節理裂隙,起伏粗糙,延伸可達 30m,充填石英脈,多為地下水出露點,顯張性。⑧組節理裂隙延伸長度 3～8m,間距 0.5～2m,傾 S的起伏粗糙,充填石英脈,顯張扭性,傾 N的顯壓扭性。

圖3 壩區節理裂隙等密圖

壩區結構面的發育特征主要以順河向和橫河向的為主,由于巖性的不均一,砂巖內裂隙較發育,而板巖中裂隙發育程度較低。

3 節理裂隙成因分析及分期配套

3.1 成因分析及分期配套

壩區發育的兩河口背斜,軸面的走向與層面近于平行,加之主要的壓性結構面的走向基本與層面一致,因此壩區構造線的方向近 EW,壩區構造主應力σ1的方向近 SN。在地層近水平時,在近 SN向σ1的作用下,首先形成一組 NE或 NW方向的陡傾扭節理,即早期平面“X”,壩區發育的②組節理裂隙 ,走向 N0°～30°E,傾角 40°～ 60°,在壩區很發育 ,產狀穩定,顯扭性,正是早期平面“X”發展演變形成的。②組節理裂隙的產狀與早期平面“X”相比,都發生了改變。

壩區的④組節理裂隙,走向 N0°～30°E,傾角大于 70°,顯張性,是追蹤早期的平面 “X”發育而成。該組節理裂隙的產狀受地層變化的影響較小。

隨著壩區地層傾角的逐漸變大,兩河口背斜形成,由⑧組節理裂隙組成的剖面“X”形成。

由⑤、⑨組節理裂隙組成的平面“X”及⑥組節理裂隙組成的剖面“X",是在方向為 N 75°W的σ1作用下擠壓形成;③組節理裂隙組成的剖面“X”,是在方向為 N40°W的σ1作用下擠壓形成;⑦組節理裂隙組成的剖面“X”,是在σ1方向為 N50°E的作用下擠壓形成。

根據成因機制的分析,壩區①、②、④、⑧組節理裂隙是在方向為 N 0°～30°E的σ1作用下形成,為第Ⅰ期應力場;⑤、⑨及⑥組節理裂隙是在方向為 N75°W的σ1作用下擠壓形成,為第Ⅱ期應力場;③組節理裂隙是在方向為 N40°W的σ1作用下形成,為第Ⅲ期應力場;⑦組節理裂隙是在方向為 N50°E的σ1作用下形成,為第Ⅳ期應力場。結構面分期配套見表2。

3.2 構造組合形式

壩區發育的節理裂隙按走向、傾向、傾角分為 9組。從走向上看,N60°～90°W即近 EW向包括了①、⑧組;N0°～30°E即近 SN向包括了 ②、④、⑥組;N40～75°E包括了③、⑤組;N 30°～50°W包括了⑦、⑨組。因此按走向可以歸納為 4組。這 4組節理裂隙的方向在平面上的分布形態似“米”字形。

表2 結構面的分期配套

由此可見,壩區節理裂隙的構造組合形式為“米”字形。據此可作抗滑模式的分析。

4 結論及意義

通過對壩址區節理裂隙的力學成因及其分期配套分析,可以得出以下結論:

(1)壩區發育的節理裂隙分為 9組,壓性、張性及扭性都有發育;根據相互切割,可分為先后 4期找出對水工建筑最有利和不利的節理組合結構面,利于水工設計及工程處理。

(2)兩河口壩址區巖層產狀 N60°～70°W/SW∠60°～70°,構造線方向與層面平行,構造應力σ1方向為 N0°～ 30°E。

(3)早期的扭節理,即早期的平面“X”,地層傾角變為 60°～70°后 ,它的走向夾角為 0°～ 30°,傾角變為 40°～60°,隨地層傾角變大而變小;追蹤早期平面“X”的張裂,地層傾角變為 60°～70°后,它的走向 0°～30°,傾角變為大于 70°,地層傾角變大后,對張節理的影響不大。

(4)從壩區節理裂隙發育情況看,壩區至少經歷了 4期構造應力場影響,第Ⅰ期σ1方向為 N 0°～30°E;第Ⅱ期σ1方向為 N75°W;第 Ⅲ期σ1方向為N40°W;第Ⅳ期σ1方向為 N50°E。

(5)壩區節理裂隙的構造組合形式為“米”字形。

通過對壩址區節理裂隙的力學成因分析表明,看似雜亂無章、隨機分布的結構面是有規律可循的,它們的發育分布符合一般的力學規律。在對壩基和壩肩的抗滑穩定等作出抗滑模式分析、邊坡的穩定性分析、洞室的軸線選擇及穩定性分析時,能作出地質上的宏觀判斷。因此對壩址區節理裂隙力學成因及分期配套分析的最終目的和意義是為工程服務,確保工程安全。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社,1994.

[2]徐開禮,朱志澄.構造地質學[M].北京:地質出版社,1989.