杨房沟水电站左岸坝基断层蚀变岩蚀变特征与工程特性研究

段伟锋，燕俊松，杨日昌，沈军辉

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

1 引言

近年来，国内一些大型水电、隧道工程建设频繁遇到岩体蚀变问题[1-4]。作为一种特殊的岩石，蚀变岩的矿物组成和微观结构在成岩后期构造、热液、浅表生改造等内外动力地质作用下发生了显著改变，造成其工程性状较原岩显著不同。研究蚀变岩的矿物岩石学特征是理解其工程性状发生变化的关键。苗朝等[5]对大岗山坝区辉绿岩蚀变泥化特征进行了研究，结果表明蚀变岩含大量黏土矿物，且具有多孔隙空洞的微观结构特征，其力学性质较原岩显著劣化；魏伟等[6]将孟底沟水电站黏土化蚀变岩与断层泥物质进行了对比研究，结果表明黏土化蚀变岩和断层泥具有相似的物质组成和力学性状；史永跃等[7]对某地下油库蚀变岩进行了研究，结果表明蚀变在岩石内部形成了蒙脱石，使岩石具有弱膨胀性；Zhang等[8]研究Denghuazhai隧道花岗岩、凝灰岩接触变质带的岩石蚀变特征，并针对蚀变带涌水突泥灾害提出了防治建议。然而这些研究未能很好地展现不同蚀变程度下，岩石矿物组成、微观结构以及工程性质的变化。

杨房沟水电站是雅砻江中游河段规划的第6级梯级电站。该电站由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成，最大坝高155 m，装机容量1 500 MW，为一类大(1)型工程。然而左岸坝基岩体内发育的f27断层蚀变带构成了主要的地质缺陷。本文就该蚀变带岩石蚀变特征及工程特性进行研究，针对不同蚀变程度岩石开展了系统的矿物岩石学和物理力学性质测试，在此基础上提出了蚀变带工程处理方案，并采用三维有限元数值模拟对处理方案进行了论证，其结果对于保证大坝安全建设和运行具有重要的现实意义，同时也丰富了岩石蚀变及其工程影响方面的认识。

2 蚀变岩宏观特征

杨房沟水电站地处青藏高原东缘的松潘-甘孜造山带南部(图1)，坝基岩体为燕山期侵入的灰白色花岗闪长岩。坝区构造简单，以中小型断层和节理为主。完整新鲜的花岗闪长岩工程性状良好，然而钻探、开挖揭示，左岸坝基岩体内沿断层f27发育中等规模蚀变带。蚀变带宽1.5～3.9 m，在高程1 947～2 000 m之间斜切左岸坝基。通过现场调研，根据蚀变岩宏观地质特征(颜色、变形程度、锤击声等)可将蚀变带划分为中等蚀变和强蚀变两个亚带(图2)。

图1 区域构造纲要图

图2 蚀变岩分带性示意图

中等蚀变岩分布于蚀变带的靠外侧部位，在断层下盘发育宽度0.6～2 m，上盘发育宽度仅0.2～0.6 m，与原岩花岗闪长岩以断层同组长大节理分界。中等蚀变岩呈灰绿色，碎裂变形，节理裂隙发育，锤击声多较脆，局部声闷(图3)。中等蚀变岩向内侧过度为强蚀变岩。强蚀变岩在断层两侧均有分布，总宽度一般为0.2～0.4 m，较宽处0.6 m，呈深绿色，碎裂变形强烈，局部劈理化，锤击声闷-哑。

图3 蚀变岩宏观特征

基于对蚀变岩宏观地质特征的认识，在坝基开挖面上采集新鲜岩样用于室内矿物岩石学和物理力学性质测试。采集样品包括花岗闪长岩原岩、中等蚀变岩及强蚀变岩，块度一般在0.2～0.4 m左右。样品采集后立即用塑料薄膜密封，并小心运往实验室。

3 蚀变岩矿物岩石学特征

制备岩石薄片，在光学显微镜下对各样品的岩石学特征进行观察，重点关注矿物蚀变特征以及岩石微观结构的变化，各样品岩石学特征描述如下：

(1) 原岩花岗闪长岩

原岩为中细粒各向同性岩石，主要矿物组成为石英(20%～30%)、斜长石(30%～40%)、钾长石(10%～20%)、黑云母(5%～10%)及角闪石(10%～15%)，半自形嵌晶结构；可见斜长石轻微绢云母化，黑云母少量绿泥石化，晶体颗粒紧密焊接，边界清晰锐利；仅石英、钾长石晶体内部发育少量微裂隙(图4a)。

(2) 中等蚀变岩

中等蚀变岩以暗色矿物的强烈绿泥石化为特征，黑云母和角闪石几乎完全被绿泥石所代替，仅残留原矿物假象(图4b)。可见斜长石发生较强烈的绢云母化和绿泥石化(图4c)。原岩结构大部分保留，矿物晶体大多紧密焊接但边界稍显模糊。受构造变形影响，微裂隙数量大幅增加，大部分微裂隙穿晶发育，闭合且无填充。岩石微孔隙较发育，微孔隙在晶体内部、晶体边界部位以及微裂隙中均有分布(图4d)。

(3) 强蚀变岩

强蚀变岩呈微观碎裂结构，原岩结构特征部分或完全消失。矿物晶体破碎强烈(图4e)，但蚀变类型与中等蚀变岩无明显差异。常见宽大微裂隙，大部分微裂隙张开且填充矿物碎片或黏土矿物。矿物晶体间接触松散，微孔隙大量发育(图4f)。

Qtz=石英；Kfs=钾长石；Am=角闪石；Chl=绿泥石；Bt=黑云母；Ser=卷云母。(a)原岩结构特征；(b)黑云母和角闪石被绿泥石交代；(c)斜长石被绿泥石交代；(d)中等蚀变岩的微观结构；(e)矿物破碎强烈；(f)强蚀变岩内微孔隙发育图4 岩石薄片鉴定照片(正交偏光)

基于岩石学特征研究，采用X射线粉晶衍射对各样品的矿物组成进行定量分析，典型XRD图谱见图5。可以看到，从原岩到蚀变岩，绿泥石所对应的特征峰趋于明显，而黑云母所对应的特征峰急剧减弱，且在强蚀变岩中完全消失，表明黑云母的绿泥石化最为强烈。各样品矿物组成定量分析结果见表1，除表中所列矿物外，蚀变岩中也含有少量浊沸石和高岭土。如表1所示，随着蚀变程度的提高，绿泥石含量迅速增加，原岩、中等蚀变岩和强蚀变岩中绿泥石含量分别为3.2%、15.2%和27.5%，而黑云母含量急剧降低，同时角闪石和斜长石含量也有显著下降。这些结果与岩石薄片鉴定结果一致。

表1 原岩及蚀变岩的矿物组成

图5 不同蚀变程度样品典型XRD图谱

4 蚀变岩工程特性

蚀变作用导致了岩石矿物组成和微观结构的变化，必然引起工程特性的改变。因此针对不同蚀变程度样品进行室内物理力学性质测试，测试按《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)[9]进行，物理性质测试包括：颗粒密度(Gs)、干密度(ρd)、吸水率(Wa)、有效孔隙度(ne)和总孔隙度(nt)；力学测试主要为饱和单轴抗压强度(σ0)和弹性模量(E0)，测试结果见表2。

表2 原岩及蚀变岩的物理力学性质

如表2所示，各样品颗粒密度均为2.78，表明蚀变作用对岩石颗粒密度无明显影响。随着蚀变程度的提高，岩石干密度从2.7 g/cm3逐渐降低至2.66 g/cm3，而吸水率则由0.36 %增大至1.17 %。岩石孔隙率也随蚀变程度发生明显变化，原岩中微孔隙不发育，有效孔隙率和总孔隙率仅分别为0.99%和1.71%，随着蚀变程度的提高，岩石孔隙率迅速增大，中等蚀变岩的有效孔隙率和总孔隙率分别为2.35%和2.8%，而强蚀变岩的对应数值为3.11%和4.45%。值得注意的是，随着蚀变程度的提高，有效孔隙率和总孔隙率的比值也明显增大，表明岩石中孔隙连通度的增大。总体而言，物理性质测试结果显示，蚀变作用使岩石内部结构趋于松散。

力学测试结果表明，蚀变作用使岩石强度、刚度发生了显著劣化。原岩花岗闪长岩饱和单轴抗压强度为86.42 MPa，根据《工程岩体分级标准》(GB-50218-94)[10]，其属坚硬岩类；中等蚀变岩饱和单轴抗压强度为34.39 MPa，属中硬岩类；而强蚀变岩饱和单轴抗压强度仅为25.34 MPa，较原岩降低达71%，属较软岩类。从岩石弹性模量来看，原岩为16.45 GPa，而强蚀变岩仅为1.72 GPa，降幅达89%，可见蚀变作用对岩石刚度的影响比强度更为显著。大量次生黏土矿物绿泥石的生成，以及岩石微结构趋于松散，是导致岩石力学性质显著劣化的根本原因。

5 处理方案及数值模拟验证

蚀变带构成了左岸坝基岩体主要的地质缺陷，设计采用刻槽回填混凝土的方法进行处理，具体方案如下：在左岸坝基蚀变岩发育部位刻槽(图6)，挖除部分蚀变岩体，刻槽高程范围为1 947～2 000 m，开口宽度2.4～10.8 m，深3～4 m；槽挖后回填C30混凝土，同时加强固结灌浆、帷幕灌浆等措施。

图6 刻槽全貌图

采用三维有限元分析计算蚀变带处理前后坝基、坝体应力和位移，验证地质缺陷处理方案可行性。计算模型顺河向长700 m(4.5倍坝高)，横河向宽770 m(5倍坝高)，高300 m(2倍坝高)，总单元数157 845(图7)。蚀变带及加固处理区域与坝体位置关系见图8，由于强蚀变岩分布宽度较小，蚀变带以均一的中等蚀变岩近似代替。各材料均采用线弹性模型，重度均取24 kN/m3，原岩及中等蚀变岩弹性模量取试验值(参见表2)，泊松比取常用计算值0.25；混凝土弹性模量取22 GPa，泊松比取0.167。荷载条件为一倍水压。

图7 三维有限元计算模型

图8 蚀变带及加固处理区域与坝体位置关系图(1 960 m平切)

蚀变带地质缺陷处理前后，坝基应力、位移结果见表3。从位移角度来看，随着蚀变带的处理，左岸坝基蚀变带附近切向、法向位移均有小幅降低；而从应力角度来看，主拉应力有较为明显的降低，且随着高程的增大，主拉应力降低幅度增大，在高程1 947 m处，主拉应力降低17.9%，而在高程1 980 m处，主拉应力降低52.5%。蚀变带处理前后，左岸坝基蚀变带附近主压应力明显增大，这是由于槽挖回填混凝土模量相对基础有较大幅度提高。蚀变带处理后，坝体最大主压应力、顺河向位移分别见图9、图10。可以看到，坝体应力、位移分布对称，处于较为理想的状态。因此，采用槽挖回填混凝土的方法处理蚀变带，可以起到较好的效果。

表3 蚀变带处理前后坝基应力、位移计算结果对比

图9 坝体主压应力分布

图10 坝体顺河向位移分布

6 结论

(1) 蚀变作用导致原岩花岗闪长岩矿物组成和微观结构的变化。随着蚀变程度的提高，岩石中的黑云母、角闪石和斜长石迅速蚀变为次生黏土矿物绿泥石，同时在构造变形等作用影响下，岩石微观结构趋于松散。

(2) 蚀变岩较原岩干密度降低，而孔隙率明显增大，蚀变岩物理性质的变化是其微观结构改变的宏观表现。蚀变作用对岩石力学性质劣化显著，随着蚀变程度的提高，岩石饱和单轴抗压强度可降低70%以上，而蚀变对岩石变形性质的影响较强度更为显著。

(3) 在坝基蚀变带发育部位刻槽，挖除部分蚀变岩体，回填混凝土并加强局部固结灌浆、帷幕灌浆等措施，是处理蚀变带等带状地质缺陷的有效方法。数值模拟计算表明，处理后坝基应力、应变较处理前均有改善，同时坝体应力、位移更趋合理。