繼陽山風電場地質構造對地基穩(wěn)定的影響

蘭艇雁，郝常安

（1. 龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司，北京 100034；2. 山西龍源風力發(fā)電有限公司，神池 034000）

0 引言

山西陸臺構造格架是在中生代形成時，由于經歷了不同方向、不同時期的構造應力場，在神池縣繼陽山風電場風電機組基礎開挖后，揭露了大量的構造形跡，這些構造形跡，有些成為巖溶發(fā)育的通道；有些對地基承載力、變形和均勻性發(fā)生了改變；有些對抗滑穩(wěn)定產生影響。通過對這些構造形跡的觀察整理，對本區(qū)域地質構造主應力的方向、場次進行了回歸配套分析，對風電場不良地質作用的成因做出了比較合理的解釋，并有針對性地提出了處理建議。

1 地質背景

1.1 區(qū)域地層

區(qū)域內地層有太古界呂梁群、震旦亞界長城系、古生界寒武系、石炭系和二迭系、中生界三迭系、新生界上第三系和第四系地層，與工程關系較為密切的是古生界奧陶系灰?guī)r。

1.2 區(qū)域構造

區(qū)域構造處于山西陸臺西部北中段，屬于祁呂賀蘭山字型構造東翼前弧中段，北東向褶皺帶在區(qū)域內較為發(fā)育，褶皺帶是由一系列走向NE30°－50°的褶皺以及平行這些褶皺的斷裂組成，風電場場址屬于寧靜向斜的北東翼。

山西陸臺主要構造格架是中生代燕山期形成的，曾經歷了SE－NW向擠壓和逆時針剪切力偶作用，先后形成了NW－SN和NE向復式背、向斜及壓扭性斷裂構造帶，并使得山西陸臺整體上處于抬升運動狀態(tài)。

在中生代隆起的構造背景基礎上，喜山運動改變了中生代構造運動的方向，以順時針方向剪切力偶作用為主，使得隆起區(qū)軸部產生了一系列由張性斷裂控制的類似神池八角、長征等山間新生代斷陷盆地。這些張性斷裂繼承了燕山期規(guī)模較大的壓性斷裂和仰沖斷裂帶，同時伴隨有新的斷裂產生。繼陽山風電場的構造形跡就是在此區(qū)域構造背景下形成的[1]。

2 場址區(qū)構造

為了搞清風電場址區(qū)各種構造形跡的時空關系，試根據區(qū)域構造控制下的場址區(qū)構造形跡進行配套分析。

2.1 場址區(qū)構造形跡

整個場址區(qū)都是在最早西東向主應力作用下，形成X構造節(jié)理，在此基礎上，由于空間位置不同而形成不同力學性質的構造剪切面,如圖1所示。

69號和63號基坑由于受區(qū)域右旋剪切力偶作用，產生NE－SW方向的等效擠壓，NW－SE向等效張構造主應力作用，形成近南北向和東西向組合X構造節(jié)理。在基坑揭露的構造擠壓帶，巖體總體傾向北，局部傾向北東20°，構造線上的巖體傾向南西255°，傾角30°。構造帶寬度：南北向的構造節(jié)理寬0.5m至2m，東西向構造帶，東側寬約2m，構造帶內有傾向不規(guī)則的巖體；西側構造帶節(jié)理寬30cm至40cm。63號巖體北南、南東向張節(jié)理切割更為明顯，使得巖體支離破碎，如圖2、圖3所示。

59號機位為構造強烈擠壓形成的斷層帶，斷層寬10m,走向60°－70°，組成物質為黃、紅色粘土夾角礫，南側巖體巖層傾向東，傾角30°，同方向地形坡度約40°左右，地形坡度大于巖層傾角，巖層中存在軟弱夾層，如圖4所示。北側巖層巖體完整，產狀平滑，屬于先壓扭后張拉性質。

67號風電機組位基坑開挖后揭露，巖壁上有風化的斷層角礫出露，南東方向有約5m寬的完整基巖出露，傾向110°，傾角10°左右，北西側有角礫土，寬度12m，貫穿整個基坑，帶內巖層傾向250°，傾角22°。巖體與碎石土強度懸殊，經初步分析，角礫夾土是張性斷裂的充填物，如圖5所示。

2.2 構造成因分析

本區(qū)地質構造形跡表現在南北向、北東向、北西向的斷層和褶皺較發(fā)育，其形成過程是經過多期構造運動形成的，簡析之：

在印支－燕山早期從區(qū)域傳遞到場區(qū)的構造力方向是西東向，使奧陶系灰?guī)r在未形成褶皺前出現早期平面“X”剪切斷面，即西北、東北垂直節(jié)理，如圖1所示。同時產生北南、西東向剪切面，如圖2所示。

此四組剪切面為本區(qū)奧陶系灰?guī)r控制性構造面。繼陽山風電場區(qū)以近北南、西東向結構面發(fā)育尤甚。燕山運動強烈時期形成南東向的褶皺曲伴隨北南向斷裂形成，同時派生出西北向的應力場形成東北向的褶曲,如圖6、圖7所示。

對前述四組構造結構面在新的應力場作用下，力學性質的迭加，發(fā)生不同性質的構造結構面。燕山運動后期－喜山期伴隨山西臺地掘起，本區(qū)再次出現NW－SE向構造應力場。前述各組構造面再次出現應力迭加，形成如圖8、圖9 、圖4和圖5所示的構造形跡。

通過對繼陽山場址區(qū)100多個基坑開挖構造形跡產狀量測和對各種地質現象的詳細觀察后進行綜合分析，得出了場址區(qū)構造應力場方向、構造應力場期次、構造產狀和性質的一般規(guī)律。

3 構造對建筑物地基影響分析

繼陽山風電場項目共有風電機組基礎100個，經驗槽，認為工程地質條件較好，不需要進行地基處理的有53個，占53%；需要進行刻槽處理的40個，占 40%；建議移位的 3個（J92、J59、J67）占 3%，其中：J92已經移位；需要進一步深挖確認地基情況的有1個（J75）占 1%；受構造作用擠壓破碎較明顯的有（J74、J81、J83）占 3%。

由于構造的影響，對建筑物的不良地質作用主要是斷裂構造及其構造張節(jié)理粘土充填形成的不均勻地基，以及傾斜巖層間的軟弱夾層與特殊地形組合，在動荷載條件下地基的抗滑穩(wěn)定問題[2]。

3.1 不均勻變形問題

如67號機位基坑開挖后，建基面上斷層帶充填的黃、紅色粘土寬度達12m，59號基坑建基面粘土條帶寬10m，顯而易見，粘土的變形模量、承載力特征值等參數與基巖懸殊，因此容易發(fā)生地基的不均勻變形，有的學者主張地基整體下挖1m，換填毛石混凝土，但其泥質條帶類型、成因、深度、分布范圍、發(fā)展趨勢和危害尚需補充勘察。況且處理需要增加15萬元投資，因此采取了移位，如圖10、圖11所示。

對于基巖內由于構造作用產生的構造張節(jié)理，在風化和溶蝕共同作用下形成的深槽，槽內充填黃紅色粘土，變形模量較低，如J60號基坑，J77號基坑。對于這類地質現象，如寬度小于0.5m，可不予處理；對于寬度大于0.5m的基槽，應開挖寬度的1.5倍深度，刻梯形槽置換毛石混凝土。或者采取橋跨式處理。應根據具體情況進行受力分析后，提出適當的處理措施,如圖12、圖13所示。

3.2 抗滑穩(wěn)定分析

92號基坑地貌上處于一山脊末端，山體坡面傾向西及南北。開挖揭露有一南北向展布的寬約3-4m的粘土條帶，其東側是產狀近于水平的厚層灰?guī)r，巖體較為完整，粘土條帶西側是薄片狀灰?guī)r，其傾向西及西南，傾角20°～30°左右。巖體較為破碎，并有3條走向近于東西向的20～30cm的粘土條帶與南北向泥質條帶貫通，薄片狀灰?guī)r平面上可見近于南北向展布的約10cm錯距的小錯臺，如圖14所示。

經初步分析，該巖層泥質條帶東側巖層產狀近于水平，西側巖層傾向近于西，傾角30°左右，是經東西向構造應力作用下形成的地質構造形跡，泥質條帶是斷層構造線，大氣降水滲透過程中不斷對構造線風化溶蝕形成寬約2-3m寬，深度大于10m的溶槽，（前期勘察鉆孔20m深仍為黃色粘土和18號基坑溶蝕條帶如圖15所示）后期又充填粘土。由于有深槽側壁的臨空面發(fā)生卸荷回彈，形成泥槽西側巖體走向近于南北的小錯臺，與此同時，在構造應力作用下，形成了近于東西向的構造節(jié)理，沿構造節(jié)理風化作用加強，使節(jié)理加寬后充填粘土。這樣，該風電機組主要有三方面的工程地質問題：其一，因為東西向和南北向的泥槽構成了切割面，地貌上處于山脊末端三面臨空構成了臨空面，構造運動過程中，巖層之間會發(fā)生層間錯動，接觸面之間的摩擦系數根據經驗值約0.4左右，如果有泥質灰?guī)r組成軟弱夾層遇水飽和后抗滑系數約0.20左右，那么風電機組在運行過程中，有抗滑穩(wěn)定問題。如圖16所示。[1]

其二，由于處于山脊末端，三面臨空，開挖的地基上面有拉開的裂縫，這些裂縫成因，屬于巖體卸荷作用形成，則卸荷裂隙必然影響穩(wěn)定。其三是地基不均勻沉降問題。如圖17所示。

59號機位為構造強烈擠壓形成的斷層帶，斷層寬10m,走向60°－70°，組成物質為黃、紅色粘土夾角礫，南側巖體巖層傾向東，傾角30°，同方向地形坡度約40°左右，地形坡度大于巖層傾角，巖層中存在軟弱夾層，具備滑動面、臨空面和切割面巖體滑動三要素，基礎置于其上有滑動失穩(wěn)之虞，如圖18所示。

如果不想移動機位，補充勘察至少應搞清楚粘土槽分布的成因、范圍、（長、寬、深）對工程的影響；粘土槽兩側巖層產狀不一致的原因，分析斷層性質、對傾斜巖層中的軟弱夾層，還應取樣進行抗滑穩(wěn)定性計算；對拉開裂隙及所有地質現象都應有正確的解釋并做出穩(wěn)定性評價。而這些勘察工作尚待時日。根據風電機組地基基礎設計規(guī)定, 對于下臥基巖表面坡度較大的地基由于壓縮變形相差較大，宜調整基礎位置，盡量避開此類地基。以及地基應盡量避開對其直接或間接危害的斷層。因此，對于斷層形成的對建筑物穩(wěn)定構成威脅的不良地質作用，移動機位是最合理的選擇[3]。

對于J81號、83號基坑揭露的構造擠壓破碎帶，雖然巖體十分破碎，產狀陡立，但不存在抗滑穩(wěn)定、不均勻沉降問題，且變形和承載力能夠滿足要求，是比較理想的天然地基。

3.3 卸荷崩塌

J75號機位在微地貌上處于繼陽山主峰的二級臺地，基坑開挖到設計高程后，基底巖體產狀雜亂無章，與粘土條帶相間呈條帶狀出露，下部巖體之間有較大空隙，具架空結構，由于地形處于山脊末端，初步判定是邊山卸荷崩塌物。屬于不均勻或不穩(wěn)定地基,如圖19、圖20所示。

由于巖體上有錯動擦痕，經后期進一步開挖，判斷是巖體錯落崩塌時產生的擦痕。該機位采取了移位措施。

4 結論

區(qū)域地質構造控制著場址區(qū)的地形地貌和構造形跡，場址區(qū)的構造形跡也反映了區(qū)域構造特征。由于區(qū)域內經歷了燕山期NW－SE向擠壓應力作用的同時伴隨逆時針方向旋轉的剪應力，形成一系列走向NE30°－55°的復式背、向斜和壓扭性斷裂以及壓性結構面。喜山運動以來，區(qū)域主壓應力方向與前期相反，方向為NE－SW，并伴隨著區(qū)域內順時針旋轉的剪應力。在復合區(qū)域應力場的作用下，內出現不對稱的傾伏背斜、向斜，局部表現出不協(xié)調的現象，燕山期形成的壓性結構面，被后期喜山期構造改造成了張性或張扭性結構面。反映到場區(qū)表現出在X結構面的基礎上，壓性結構面較嚴重地形成擠壓破碎帶，張性結構面形成張節(jié)理或張性平移或斜移斷層，斷層帶和張節(jié)理內充填斷層泥及斷層角礫巖，形成不均勻地基或不穩(wěn)定地基。其中3個機位需要移位，40個機位需要進行常規(guī)刻槽換填等處理。

[1] 張倬元等.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社, 1981.

[2] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質手冊（第四版）[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[3] 水電水利規(guī)劃設計總院.風電機組地基基礎設計規(guī)定（試行）FD003—2007[s].北京: 中國水利水電出版社,2007.