蘭艇雁，郝常安

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

0 引言

山西陸臺構(gòu)造格架是在中生代形成時，由于經(jīng)歷了不同方向、不同時期的構(gòu)造應(yīng)力場，在神池縣繼陽山風(fēng)電場風(fēng)電機組基礎(chǔ)開挖后，揭露了大量的構(gòu)造形跡，這些構(gòu)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(chǎn)生影響。通過對這些構(gòu)造形跡的觀察整理，對本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主應(yīng)力的方向、場次進行了回歸配套分析，對風(fēng)電場不良地質(zhì)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(zhì)背景

1.1 區(qū)域地層

區(qū)域內(nèi)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(guān)系較為密切的是古生界奧陶系灰?guī)r。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造處于山西陸臺西部北中段，屬于祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼前弧中段，北東向褶皺帶在區(qū)域內(nèi)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(fēng)電場場址屬于寧靜向斜的北東翼。

山西陸臺主要構(gòu)造格架是中生代燕山期形成的，曾經(jīng)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(fù)式背、向斜及壓扭性斷裂構(gòu)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(gòu)造背景基礎(chǔ)上，喜山運動改變了中生代構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生。繼陽山風(fēng)電場的構(gòu)造形跡就是在此區(qū)域構(gòu)造背景下形成的[1]。

2 場址區(qū)構(gòu)造

為了搞清風(fēng)電場址區(qū)各種構(gòu)造形跡的時空關(guān)系，試根據(jù)區(qū)域構(gòu)造控制下的場址區(qū)構(gòu)造形跡進行配套分析。

2.1 場址區(qū)構(gòu)造形跡

整個場址區(qū)都是在最早西東向主應(yīng)力作用下，形成X構(gòu)造節(jié)理，在此基礎(chǔ)上，由于空間位置不同而形成不同力學(xué)性質(zhì)的構(gòu)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(chǎn)生NE－SW方向的等效擠壓，NW－SE向等效張構(gòu)造主應(yīng)力作用，形成近南北向和東西向組合X構(gòu)造節(jié)理。在基坑揭露的構(gòu)造擠壓帶，巖體總體傾向北，局部傾向北東20°，構(gòu)造線上的巖體傾向南西255°，傾角30°。構(gòu)造帶寬度：南北向的構(gòu)造節(jié)理寬0.5m至2m，東西向構(gòu)造帶，東側(cè)寬約2m，構(gòu)造帶內(nèi)有傾向不規(guī)則的巖體；西側(cè)構(gòu)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(gòu)造強烈擠壓形成的斷層帶，斷層寬10m,走向60°－70°，組成物質(zhì)為黃、紅色粘土夾角礫，南側(cè)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(cè)巖層巖體完整，產(chǎn)狀平滑，屬于先壓扭后張拉性質(zhì)。

67號風(fēng)電機組位基坑開挖后揭露，巖壁上有風(fēng)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(cè)有角礫土，寬度12m，貫穿整個基坑，帶內(nèi)巖層傾向250°，傾角22°。巖體與碎石土強度懸殊，經(jīng)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(gòu)造成因分析

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形跡表現(xiàn)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(jīng)過多期構(gòu)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(gòu)造力方向是西東向，使奧陶系灰?guī)r在未形成褶皺前出現(xiàn)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(chǎn)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(gòu)造面。繼陽山風(fēng)電場區(qū)以近北南、西東向結(jié)構(gòu)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(yīng)力場形成東北向的褶曲,如圖6、圖7所示。

對前述四組構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在新的應(yīng)力場作用下，力學(xué)性質(zhì)的迭加，發(fā)生不同性質(zhì)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)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(xiàn)NW－SE向構(gòu)造應(yīng)力場。前述各組構(gòu)造面再次出現(xiàn)應(yīng)力迭加，形成如圖8、圖9 、圖4和圖5所示的構(gòu)造形跡。

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

3 構(gòu)造對建筑物地基影響分析

繼陽山風(fēng)電場項目共有風(fēng)電機組基礎(chǔ)100個，經(jīng)驗槽，認為工程地質(zhì)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(jīng)移位；需要進一步深挖確認地基情況的有1個（J75）占 1%；受構(gòu)造作用擠壓破碎較明顯的有（J74、J81、J83）占 3%。

由于構(gòu)造的影響，對建筑物的不良地質(zhì)作用主要是斷裂構(gòu)造及其構(gòu)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(shù)與基巖懸殊，因此容易發(fā)生地基的不均勻變形，有的學(xué)者主張地基整體下挖1m，換填毛石混凝土，但其泥質(zhì)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(nèi)由于構(gòu)造作用產(chǎn)生的構(gòu)造張節(jié)理，在風(fēng)化和溶蝕共同作用下形成的深槽，槽內(nèi)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(zhì)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)根據(jù)具體情況進行受力分析后，提出適當?shù)奶幚泶胧?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(cè)是產(chǎn)狀近于水平的厚層灰?guī)r，巖體較為完整，粘土條帶西側(cè)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(zhì)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(jīng)初步分析，該巖層泥質(zhì)條帶東側(cè)巖層產(chǎn)狀近于水平，西側(cè)巖層傾向近于西，傾角30°左右，是經(jīng)東西向構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的地質(zhì)構(gòu)造形跡，泥質(zhì)條帶是斷層構(gòu)造線，大氣降水滲透過程中不斷對構(gòu)造線風(fēng)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(cè)壁的臨空面發(fā)生卸荷回彈，形成泥槽西側(cè)巖體走向近于南北的小錯臺，與此同時，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，形成了近于東西向的構(gòu)造節(jié)理，沿構(gòu)造節(jié)理風(fēng)化作用加強，使節(jié)理加寬后充填粘土。這樣，該風(fēng)電機組主要有三方面的工程地質(zhì)問題：其一，因為東西向和南北向的泥槽構(gòu)成了切割面，地貌上處于山脊末端三面臨空構(gòu)成了臨空面，構(gòu)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(shù)根據(jù)經(jīng)驗值約0.4左右，如果有泥質(zhì)灰?guī)r組成軟弱夾層遇水飽和后抗滑系數(shù)約0.20左右，那么風(fēng)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(gòu)造強烈擠壓形成的斷層帶，斷層寬10m,走向60°－70°，組成物質(zhì)為黃、紅色粘土夾角礫，南側(cè)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(chǔ)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(yīng)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(cè)巖層產(chǎn)狀不一致的原因，分析斷層性質(zhì)、對傾斜巖層中的軟弱夾層，還應(yīng)取樣進行抗滑穩(wěn)定性計算；對拉開裂隙及所有地質(zhì)現(xiàn)象都應(yīng)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(jù)風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)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(diào)整基礎(chǔ)位置，盡量避開此類地基。以及地基應(yīng)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(gòu)成威脅的不良地質(zhì)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(gòu)造擠壓破碎帶，雖然巖體十分破碎，產(chǎn)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(shè)計高程后，基底巖體產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(jīng)后期進一步開挖，判斷是巖體錯落崩塌時產(chǎn)生的擦痕。該機位采取了移位措施。

4 結(jié)論

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制著場址區(qū)的地形地貌和構(gòu)造形跡，場址區(qū)的構(gòu)造形跡也反映了區(qū)域構(gòu)造特征。由于區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷了燕山期NW－SE向擠壓應(yīng)力作用的同時伴隨逆時針方向旋轉(zhuǎn)的剪應(yīng)力，形成一系列走向NE30°－55°的復(fù)式背、向斜和壓扭性斷裂以及壓性結(jié)構(gòu)面。喜山運動以來，區(qū)域主壓應(yīng)力方向與前期相反，方向為NE－SW，并伴隨著區(qū)域內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)的剪應(yīng)力。在復(fù)合區(qū)域應(yīng)力場的作用下，內(nèi)出現(xiàn)不對稱的傾伏背斜、向斜，局部表現(xiàn)出不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象，燕山期形成的壓性結(jié)構(gòu)面，被后期喜山期構(gòu)造改造成了張性或張扭性結(jié)構(gòu)面。反映到場區(qū)表現(xiàn)出在X結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上，壓性結(jié)構(gòu)面較嚴重地形成擠壓破碎帶，張性結(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社, 1981.

[2] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)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(shè)計總院.風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）FD003—2007[s].北京: 中國水利水電出版社,2007.