周洪福,聶德新,韋玉婷

(1.成都地質礦產研究所,四川成都 610081;2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,四川成都 610059;3.四川省地質工程勘察院,四川成都 610072)

充填膠結碎裂結構巖體的成因機制及工程地質特性研究

周洪福1,聶德新2,韋玉婷3

(1.成都地質礦產研究所,四川成都 610081;2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,四川成都 610059;3.四川省地質工程勘察院,四川成都 610072)

本文以工程實例為依托,在現場大量調查、測試、試驗的基礎上,對一種新型碎裂結構巖體—充填膠結碎裂巖體的工程地質特性和成因機制進行了分析。此類巖體表觀碎裂,但是由于巖塊之間被鈣質充填、膠結,使得表觀碎裂的巖體在原位狀態(tài)沒有受到大的擾動的情況下具有較高的力學性能,其可以用作壩基巖體,與普通的碎裂巖體有著本質上的差別。該類巖體一旦受到外界大的擾動,其力學性能迅速降低,在施工中應該特別注意。

充填膠結碎裂巖體;巖體結構;成因機制;工程地質

1 引 言

隨著西部大開發(fā)的深入進行,我國西部的各類工程建設活動也推進到了一個新的高度。我國西部地區(qū)、特別是青藏高原東南緣地區(qū)地形陡峻,地質構造復雜,各類工程建設不僅遇到了巖體風化、卸荷、高地應力、邊坡穩(wěn)定性問題,而且不少工程建設場地因為構造復雜、結構面發(fā)育而遇到塊裂、鑲嵌、碎裂等結構類型較差巖體的利用問題,特別是在水電工程中,此類問題更加突出。

碎裂巖體作為工程中常見的一種巖體,行業(yè)內的許多學者對此有過較多的研究[2～7]。多數研究集中在工程處理措施等方面的研究,對于特殊類型碎裂巖體的成因機制和工程特性的研究較少。按照國標 GB50287-2006中的規(guī)定 (表 1),碎裂結構分為塊裂結構和碎裂結構兩種類型,劃分的標準主要是巖塊之間嵌合的緊密程度和結構面的間距。其中碎裂結構巖塊之間嵌合較松弛-松弛,結構面的間距小于10cm,按照水電工程的分類方法,一般對應為Ⅳ-Ⅴ級巖體,對于水電工程壩基而言,在沒有經過特殊處理之前,屬于不可利用巖體。

表 1 巖體結構類型(據 GB50287-2006)[1]Table 1 Types of rock mass structures

2 問題的發(fā)現

怒江中游某水電站位于云南省保山市隆陽區(qū),水電站壩型為混凝土重力壩,初定壩高85m。整個壩址區(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,區(qū)內斷裂構造發(fā)育,根據勘探揭露可知:左岸白云巖中細微裂隙極為發(fā)育,現場平硐和路邊可觀察到巖體被裂隙強烈切割,裂隙間距普遍為數厘米,甚至在1cm以下,巖體表觀結構呈碎裂狀,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

如此破碎的碎裂結構白云巖大面積地分布于左岸壩肩,左岸壩肩應該出現明顯的垮塌或者變形破壞現象,但是從現場的調查情況來看,左岸壩肩邊坡地形整齊,無任何垮塌破壞,在壩肩邊坡上也沒有發(fā)現任何的拉裂縫等邊坡正在變形破壞的現象(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,在沒有任何支護措施的情況下,在平硐頂和邊墻處沒有發(fā)現任何的掉塊、塌方等現象,平硐內整體干燥,在斷層處也未見滴水或者滲水現象。在左岸的一個平硐底部挖掘了一個邊長在10m以上近似矩形的試驗硐,在經歷了長時間無任何支撐的放置后,試驗硐頂部也沒有出現任何的塌方、掉塊等變形破壞現象。這一切都說明左岸的白云巖力學性能較好,巖體具有較好的整體穩(wěn)定性,這與一般的碎裂結構巖體有著本質的區(qū)別。出現這種現象預示這這種巖體必定有著特殊的成因機制和工程特性。

3 成因機制分析

左岸白云巖巖體中雖然微裂紋非常發(fā)育,呈現碎裂結構巖體特征,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。出現這種情況必定有其特殊的原因。通過現場的全面調查以及室內的資料整理,從白云巖和玄武巖的形成時代、其自身的特性和所處的構造環(huán)境等方面綜合分析,認為白云巖出現這種特殊性質的原因主要有以下幾點:

(1)壩址右岸的玄武巖形成于石炭紀,而左岸的白云巖形成于三疊紀,形成時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 左岸壩肩一坡到頂的整齊地形Fig.2 Terrain features of the dam shouder at the left bank of the Nujiang River

(2)壩址區(qū)鄰近怒江斷裂構造帶,斷裂較發(fā)育,在較強的構造動力環(huán)境下,性脆的白云巖在受到強烈的構造運動沖擊時發(fā)生強烈的碎化,形成類似剛化玻璃受沖擊時的碎裂狀況并產生大量破劈理、細裂紋,而剛度相對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)經受構造運動后,碎裂的白云巖在后期溶液介質帶入鈣質的作用下,當鈣質向下滲流到玄武巖與白云巖接觸的部位時,由于玄武巖滲透系數較小,屬于相對的隔水層,鈣質在白云巖底部靠近玄武巖的部位淀積下來,充填于裂紋中,愈合了巖體中的裂紋(圖 3)。使原來碎裂的巖體向連續(xù)介質轉變,成為具有充填膠結碎裂結構的巖體。

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充填粘結,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,巖體呈現一種看似碎裂、實質較完整的特點,對這一類新的巖體,本文將其定名為“充填膠結碎裂巖體”。

4 工程地質特性研究

圖 3 左岸白云巖巖芯中大量鈣質粘結的裂紋,巖芯保持柱狀a.鈣質充填粘結的大量裂紋;b.鈣質充填粘結的大量裂紋;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制,導致其工程特性與其它碎裂結構巖體有著較大的差別。清楚地了解這種特殊性質白云巖的工程性質,對于研究其可利用性以及未來施工中應該注意的問題具有重要的現實意義。通過現場大量的調查、試驗、測量以及鉆孔巖芯揭露,可以得到左岸白云巖“充填膠結碎裂巖體”的一些基本工程地質特征:

(1)具有很小的裂隙間距:從左岸大量的勘探平洞現場觀察測量可知,“充填膠結碎裂巖體”大部分裂隙間距僅為 1厘米到數厘米,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構面 (裂紋、裂隙)膠結 (或充填粘結)較好,巖體呈現一定的整體性,但是在受到外界的撓動后,鈣質膠結易被破壞,巖體的整體性迅速下降,這一點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。正是由于這個特點,未來在施工過程中應該提前做好工程應對措施,避免強烈震動對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,雖然經鉆探撓動大部分巖芯破碎,但仍有不少巖芯粘結較好,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膠結較好,在未發(fā)生錯位和強烈擾動的情況下,巖石類似“破碎的擋風玻璃”或“碎瓷”(圖 3),盡管微裂隙存在,但仍呈“似完好狀”,裝水不漏,因而巖體結構呈現一種“似完整”特征;

(5)具有較低的滲透性和較高的力學指標:在進入弱風化帶以后,巖體的滲透性迅速降低,特別是在進入微風化帶后,巖體的呂容值普遍小于 1Lu單位。根據現場試驗結果,白云巖的完整性系數絕大部分在0.35以上,內聚力在0.5MPa以上,內摩擦系數在0.8以上,變形模量則普遍在5GPa以上,對應為Ⅲ級及以上巖體,這與巖體中大量發(fā)育的微裂隙形成了鮮明的對比 (圖 4)。而通常的碎裂巖體完整性系數普遍在0.35以下,內聚力在0.5MPa以下,內摩擦系數則在0.8以下,對應的為Ⅳ級巖體。因此,無論是巖體的呂容值、完整性系數、變形模量還是抗剪強度參數都與通常認為的碎裂巖體有著根本的區(qū)別。

5 結 論

圖 4 左岸白云巖力學指標與波速、呂容值對應關系1.覆蓋層;2.強風化;3.弱風化上;4.弱風化下;5.微新巖體;6.強卸荷帶下限;7.相對隔水層頂底板Fig.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

在現場調查及室內試驗、分析的基礎上,本文提出了一種特殊的碎裂結構巖體—充填膠結碎裂巖體,這種特殊的碎裂巖體與通常的碎裂巖體有著本質的不同,通過詳細的分析論證,對于這種特殊的碎裂巖體,可以得到以下幾點結論:

(1)充填膠結碎裂巖體中發(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大的構造沖擊作用;

(2)充填膠結碎裂巖體裂隙間距普遍為數厘米,甚至1cm以下。但是通過大量的試驗可知,在沒有受到外界大的擾動情況下,巖體的力學性能較好,可以用作壩基巖體。這與巖體中微裂隙普遍被鈣質充填、膠結有密切的關系,使碎裂結構的巖體具有連續(xù)介質的特點,巖體結構呈現一種“似完整”特征;

(3)應該看到,充填膠結碎裂巖體畢竟是有著“內傷”的巖體,一旦受到外界大的擾動,其力學性能迅速降低,在施工過程中應該特別注意這一點

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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)定性和地質災害調查研究工作。E-mail:zhf800726@163.com

國家自然科學基金項目 (40372127),中國地質調查局地震滑坡災害編圖方法示范研究 (1212010914011)

P642

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