大崗山巖體風(fēng)化研究

2014-03-20 02:14:40鄧忠文

水電站設(shè)計 2014年1期

鄧忠文

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

大崗山水電站位于大渡河中游峽谷地段，是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積6.27萬km2，占全流域的81%，電站正常蓄水位1 130.00m，壩頂高程1 135.00m，最大壩高210.00m，總庫容7.42億m3，電站裝機(jī)容量2 600MW。電站樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，泄洪建筑物由壩身四個深孔和一條右岸開敞式泄洪洞組成，引水發(fā)電建筑物布置于左岸，為地下廠房。自2006年9月導(dǎo)流洞施工以來，大崗山水電站建設(shè)進(jìn)展順利，目前正值大壩混凝土澆筑高峰，最高壩段已澆筑到1 072m高程，計劃2015年發(fā)電。

在大渡河丹巴—漢源一帶，沿康滇地軸大面積分布晉寧—澄江期花崗巖，出露于磨西斷裂帶以東地區(qū)，有黑云二長花崗巖、正長花崗巖、花崗斑巖等，大崗山峽谷區(qū)主要為中粒黑云二長花崗巖，由于礦物結(jié)晶顆粒粗大，澄江運動后隨揚子古陸形成即岀露于地表，暴露時間長，加之經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，淺表巖體風(fēng)化強烈。研究花崗巖的風(fēng)化特征，對壩基巖體質(zhì)量分類和巖體穩(wěn)定性研究具有重要意義。

2 巖體風(fēng)化的影響因素

勘察表明，壩區(qū)巖體風(fēng)化主要受巖性、構(gòu)造、蝕變、地形等影響。

2.1 巖性

大崗山地區(qū)花崗巖按巖石的結(jié)構(gòu)和生成序列進(jìn)一步劃分，黑云二長花崗巖可分為似斑狀角閃黑云二長花崗巖(γ23)、中粒黑云二長花崗巖(γ24-1)、粗粒黑云二長花崗巖(γ24-2)三類，正長花崗巖可分為細(xì)粒正長花崗巖(γk24-3)、中粒正長花崗巖(γk24-4)兩種。

灰白色、微紅色黑云二長花崗巖在樞紐區(qū)分布較廣，自侵入后構(gòu)成康滇地軸的主體，古陸形成后巖體暴露于地表的時間長，礦物結(jié)晶顆粒較粗大，以中粒結(jié)構(gòu)為主，抗風(fēng)化能力較弱的黑云母含量大于3%，巖石風(fēng)化相對較強。

肉紅色正長花崗巖主要分布在桃坪至銅槽溝以西一帶，或呈透鏡體分布于黑云二長花崗巖之中，具中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，風(fēng)化相對較弱。

輝綠巖脈(β)和蝕變花崗巖(γ2s)局部分布，輝綠巖脈主要形成于印支-燕山期，巖石致密，總體屬細(xì)、微粒結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)化能力強，風(fēng)化微弱。

2.2 構(gòu) 造

大崗山壩址距離區(qū)域斷裂較近，壩址位于黃草山地塊西側(cè)邊緣地帶，西側(cè)約4km和4.5km處分別有大渡河斷裂和磨西斷裂通過，巖體遭受多期構(gòu)造運動，斷層、裂隙的發(fā)育，為局部巖體風(fēng)化加劇提供了條件。

勘探表明，沿脈巖發(fā)育有斷層的部位，風(fēng)化較強。在弱風(fēng)化巖體，沿小斷層、裂隙密集帶發(fā)育強風(fēng)化夾層；在弱風(fēng)化下段—微新巖體中，沿小斷層、裂隙密集帶發(fā)育弱風(fēng)化上段夾層。

2.3 巖體蝕變

經(jīng)過后期強烈的構(gòu)造-熱液作用，壩基巖石產(chǎn)生了不同類型和不同程度的蝕變及變質(zhì)作用。按其作用的動力來源可分為：由巖漿期后熱液對巖體進(jìn)行自交代和脈巖侵入時熱液對圍巖的交代作用而形成的原生熱液蝕變，構(gòu)造動力蝕變，以及風(fēng)化蝕變。

樞紐區(qū)黑云二長花崗巖有鈉黝簾石化、綠泥石-伊利石化、綠簾石化、鉀長石化和硅化等五種熱液蝕變類型，肉紅色正長花崗巖以硅化蝕變?yōu)橹鳎x綠巖脈以綠泥石-伊利石化蝕變?yōu)橹鳎渲锈c黝簾石化、綠泥石-伊利石化及綠簾石化的巖石具有吸水性偏高、抗風(fēng)化能力降低的特點。

2.4 地形地貌

分水嶺地帶和突出地形有利于巖體風(fēng)化。如左岸壩頂以上邊坡1 400m高程以上全風(fēng)化水平深度大于50m；在左岸下游馬頸子山脊一帶巖體風(fēng)化水平深度相對較大；兩岸1 250m高程以上的斜坡地形較緩，分布全風(fēng)化，而其下陡坡地段分布弱風(fēng)化上段和強風(fēng)化巖體(見圖1)。

圖1 樞紐區(qū)典型剖面示意

3 巖體風(fēng)化特征

3.1 宏觀特征

巖體風(fēng)化表現(xiàn)為整體風(fēng)化。新鮮巖體斷口較致密，錘擊聲清脆；風(fēng)化巖體斷口粗糙，隨風(fēng)化程度的增加，礦物顆粒之間連接變?nèi)酰N擊聲變啞，弱風(fēng)化上段—強風(fēng)化巖體中的黑云母具鐵銹色，全風(fēng)化巖體除石英顆粒外，云母、長石等礦物已風(fēng)化蝕變，結(jié)構(gòu)疏松，局部呈砂礫狀。

根據(jù)巖體風(fēng)化特征，可將壩址區(qū)巖體由表向內(nèi)劃分為全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化—新鮮，其中弱風(fēng)化帶可進(jìn)一步劃分為弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段(見表1、圖1)。

勘察表明，巖體風(fēng)化的水平、垂直分帶性明顯，具有總體隨高程增加而逐漸增強的規(guī)律，且受微地形、巖性及構(gòu)造等影響具一定程度的不均一性特點。一般地形越平緩、相對高度越大、巖石抗風(fēng)化能力越差、礦物顆粒越粗大、巖石中長石和云母等易蝕變礦物含量越高、遭受構(gòu)造作用越強烈，巖體風(fēng)化越強烈，風(fēng)化深度亦較大。

風(fēng)化強烈的巖體卸荷松弛也明顯，巖體卸荷后有利于風(fēng)化作用的深入。大崗山兩岸強風(fēng)化巖體同時產(chǎn)生了強烈卸荷；弱風(fēng)化上段巖體有卸荷松弛現(xiàn)象。

同其它花崗巖地區(qū)的水電工程相比較，大崗山巖體風(fēng)化深度相對較大，與其獨特的巖性和構(gòu)造背景不無關(guān)系。

表1 巖體風(fēng)化特征

3.2 微觀特征

磨片鑒定表明花崗巖由于風(fēng)化而引起的變化主要表現(xiàn)為風(fēng)化隱微裂隙的發(fā)育和部分礦物蝕變?yōu)轲ね恋V物，如長石類的高嶺土化、絹云母化，黑云母的綠泥石化、蛭石化等。

花崗巖中的裂隙據(jù)磨片觀察，普遍較發(fā)育，據(jù)成因和特征分為兩類：早期隱微構(gòu)造裂隙以輕微的半定向構(gòu)造裂隙為主；后期風(fēng)化隱微裂隙以不規(guī)則微裂隙為主，分布沒有明顯規(guī)律，且具有張性裂隙性質(zhì)。

石英風(fēng)化裂隙的發(fā)育程度和長石、黑云母蝕變程度大體上與風(fēng)化分帶相符，總體上隨深度加大而發(fā)育程度減弱(見表2、圖2)。

圖2 巖石風(fēng)化隱微裂隙、蝕變與深度關(guān)系

巖體風(fēng)化程度石英風(fēng)化裂隙發(fā)育程度條/ mm斜長石蝕變程度微新花崗巖<1<2 弱風(fēng)化下段花崗巖1～1.51.5～2.5弱風(fēng)化上段花崗巖1.5～3.52～3 強風(fēng)化花崗巖>3.5>3

3.3 物理力學(xué)指標(biāo)特征

樞紐區(qū)巖石物理力學(xué)試驗表明，微風(fēng)化-新鮮黑云二長花崗巖密度大、吸水率低、彈性模量和濕抗壓強度較高，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與風(fēng)化程度密切相關(guān)，具有以下特征：

(1)巖石的密度、濕抗壓強度隨風(fēng)化程度加深而明顯降低，微風(fēng)化-新鮮巖石屬堅硬巖石；弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段巖石為中硬巖。

(2)隨風(fēng)化程度加深，巖石的吸水率顯著增加，其軟化系數(shù)逐漸降低。

(3)輝綠巖等脈巖，巖石致密，抗風(fēng)化能力強，為高強度的堅硬巖石。

可見，巖體風(fēng)化構(gòu)成了壩基巖體質(zhì)量分類的主要地質(zhì)因素。

4 風(fēng)化對巖體質(zhì)量的影響

巖體風(fēng)化對大崗山拱壩的影響，主要體現(xiàn)在對建基巖體質(zhì)量的制約，對施工安全也有一定的影響。

4.1 風(fēng)化對壩基巖體質(zhì)量的影響

根據(jù)巖體風(fēng)化卸荷、巖質(zhì)類型、巖體結(jié)構(gòu)、巖體緊密程度、地下水等因素，進(jìn)行了壩基巖體質(zhì)量詳細(xì)分類(見表3)。

表3 巖體風(fēng)化與巖體質(zhì)量分類

不同風(fēng)化狀態(tài)的巖體其巖體質(zhì)量差異明顯[4-6]，全、強風(fēng)化巖體破碎，屬Ⅴ類巖體；弱風(fēng)化上段巖體較破碎，屬Ⅳ類巖體；弱風(fēng)化下段、弱卸荷花崗巖屬Ⅲ2類巖體；弱風(fēng)化下段、無卸荷花崗巖屬Ⅲ1類巖體；微新花崗巖以Ⅱ類巖體為主。

根據(jù)拱壩對建基面的要求，結(jié)合實際工程地質(zhì)條件，在滿足拱壩壩體應(yīng)力控制條件和拱座穩(wěn)定控制條件的前提下，確定拱壩建基面原則為：挖除覆蓋層、強風(fēng)化Ⅴ1類花崗巖體、弱風(fēng)化上段Ⅳ類花崗巖體、弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖體，建基于微新—弱風(fēng)化下段無卸荷的Ⅱ、Ⅲ1類巖體上；1 080m高程以上壩基局部利用弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類巖體。

4.2 對壩基風(fēng)化巖體的處理

因樞紐區(qū)巖體風(fēng)化較強烈，開挖揭示，壩基局部分布弱風(fēng)化上段Ⅳ類花崗巖體、弱風(fēng)化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖體，構(gòu)成地質(zhì)缺陷，為保證巖體穩(wěn)定，采取了工程處理措施。

(1)左岸壩基QL13號地質(zhì)缺陷。左岸壩基QL13號地質(zhì)缺陷為弱風(fēng)化上段花崗巖，出露于962～972m高程壩基下游，建基面出露面積約160m2，呈塊裂結(jié)構(gòu)，較松弛。結(jié)合其下部的β41(f46)巖脈破碎帶一起，采取開挖置換混凝土處理(見圖3)。

圖3 左岸QL13號地質(zhì)缺陷置換處理

(2)右岸壩基QR1號地質(zhì)缺陷。右岸壩基QR1號地質(zhì)缺陷分布于1 135～1 128m高程，為弱風(fēng)化上段、弱卸荷Ⅳ類花崗巖，巖體呈塊裂-鑲嵌結(jié)構(gòu)，面積232m2，Vp=2 845m/s。結(jié)合其下部的β4(f5)巖脈破碎帶一起，采取開挖置換，設(shè)置混凝土墊座處理(見圖4、圖5)。