李 銳，李 琦，張方濤，杜治洲*，黃淦成，方 彬

(1. 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

層間剪切帶通常是指夾在硬巖之間的軟弱巖石由于受構(gòu)造擠壓作用，發(fā)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)使原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞而形成的一種工程性狀差的軟弱結(jié)構(gòu)面[1-5]。作為一種特殊的軟弱結(jié)構(gòu)面，因直接威脅到水利水電工程壩基、邊坡、洞室圍巖的穩(wěn)定性而受到了工程人員及科研學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文針對姚家平水利樞紐壩址區(qū)具典型特征且對壩基、邊坡等穩(wěn)定性有重要影響的層間剪切帶，采用理論分析、室內(nèi)及原位試驗(yàn)和工程類比等手段，研究了其發(fā)育特征、分布情況及力學(xué)性質(zhì)，研究成果為姚家平水利樞紐各種水工建筑物的設(shè)計(jì)提供了詳盡的地質(zhì)資料，對今后類似水利水電工程的建設(shè)也有重要的參考價(jià)值。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況

姚家平水利樞紐工程位于湖北省恩施市屯堡鄉(xiāng)馬者村，距下游恩施市約38 km，工程采用對數(shù)螺旋線形雙曲拱壩，建基面高程575.0 m，最大壩高175.0 m。工程的開發(fā)任務(wù)為防洪和發(fā)電，工程建成后，通過與清江下游水庫、堤防工程聯(lián)合運(yùn)用，可有效控制洪水、削減洪峰，是解決恩施州城區(qū)防洪問題不可替代的控制性工程，已列入水利部近3年擬開工建設(shè)的150項(xiàng)重大水利工程名錄。

姚家平水利樞紐工程壩址位于尖山坪向斜的北東揚(yáng)起端，為單斜構(gòu)造(見圖1)，清江流向NE55°。受黃陵地塊阻擋，折轉(zhuǎn)為近東西向構(gòu)造，與北北東向構(gòu)造帶同屬新華第三隆起帶的西南部分。區(qū)內(nèi)褶皺屬典型的“隔擋式”褶皺的組合形態(tài)，即背斜緊閉、向斜平緩開闊。近場區(qū)主要發(fā)育一組NNE-NE向斷裂，并且多集中于近場區(qū)東部一帶，其中屯堡-建始斷裂、恩施斷裂規(guī)模較大，構(gòu)成中新生代盆地邊界，基本控制白堊紀(jì)紅層堆積，地震危險(xiǎn)性對工程壩址有一定影響。其他斷裂分布零散，規(guī)模不大，在壩址區(qū)未見規(guī)模較大的斷層。

圖1 姚家平水利樞紐工程壩址區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖

壩區(qū)出露的地層除第四系外，基巖地層主要為二疊系上統(tǒng)大隆組(P2d)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)和三疊系下統(tǒng)嘉陵江組下段(T1j1)。其中T1d是壩區(qū)主要的建基巖體，總厚大于900 m，按巖性組合特征可分為三段。其中，T1d上段(T1d3)厚550 m，上部為灰色中厚層及厚層狀微晶灰?guī)r，下部為灰色中厚夾厚層狀微晶灰?guī)r及泥灰?guī)r條帶；T1d中段(T1d2)厚184 m，為灰色薄層夾中厚層微晶灰?guī)r，層間多夾極薄層泥灰?guī)r條帶和少量鈣質(zhì)頁巖；T1d下段(T1d1)厚174.5 m，為灰色薄層—極薄層微晶灰?guī)r夾泥灰?guī)r條帶和少量極薄層鈣質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖，偶夾中厚層微晶灰?guī)r。該段下部頁巖含量較多，局部呈互層狀。

2 層間剪切帶發(fā)育特征

壩址區(qū)兩岸岸坡形態(tài)差異較大，左岸相對平緩開闊，右岸相對陡峭險(xiǎn)峻，但760 m高程以下，兩岸呈基本對稱的“V”型谷，高寬比約為1∶2。姚家平壩址區(qū)主要沉積T1d薄～中厚層微晶灰?guī)r夾泥灰?guī)r、頁巖、炭質(zhì)頁巖條帶，泥灰?guī)r、頁巖、炭質(zhì)頁巖屬軟巖，灰?guī)r屬中硬巖，巖層總體傾向SWW，傾角8°～12°，主要為緩傾角巖層。壩址區(qū)大冶組灰?guī)r巖質(zhì)軟硬不均，在后期構(gòu)造作用下巖體內(nèi)軟弱夾層易沿軟巖與硬巖界面、或軟巖自身層面產(chǎn)生層間擠壓錯(cuò)動(dòng)，并經(jīng)風(fēng)化和地下水作用而形成寬窄不一、性狀各異的構(gòu)造型軟弱夾層，即層間剪切帶。

2.1 層間剪切帶分類

根據(jù)姚家平壩址區(qū)巖體沉積特征及層間剪切帶發(fā)育性狀，主要將層間剪切帶分為原生型夾層與構(gòu)造型夾層，其中構(gòu)造型夾層根據(jù)夾層內(nèi)泥化發(fā)育特征又分為三類，主要特征如下：

(1)構(gòu)造型

泥化夾層(Ⅰ)。主要分為泥型(Ⅰ1)和泥夾巖屑型(Ⅰ2)。Ⅰ1型：主要分布于T1d1層，為順層剪切錯(cuò)動(dòng)形成，帶寬大于20 cm，剪切作用充分、發(fā)育完全帶內(nèi)可分為節(jié)理帶、劈理帶和泥化帶，泥化帶貫通性好；Ⅰ2型：主要分布于T1d1-2層，帶內(nèi)為泥化的頁巖及泥灰?guī)r條帶夾片狀、角礫狀巖屑，泥化層厚度不均，且分布不連續(xù)，總體性狀較差。

巖屑夾泥型(Ⅱ)。主要分布于T1d1-3層，帶內(nèi)為角礫狀泥灰?guī)r或片狀頁巖夾泥質(zhì)，局部充填方解石脈，剪切面不連續(xù)、斷續(xù)附泥膜，總體性狀較好。

(2)原生型(Ⅲ)

層面閉合緊密，主要分布于T1d1-3層，為巖層中巖性界面，微經(jīng)構(gòu)造破壞，結(jié)合緊密，較平直，局部地下水活躍或卸荷裂隙發(fā)育段性狀略差，遍布整個(gè)壩址區(qū)。

根據(jù)平硐測繪及鉆孔揭示成果，壩區(qū)主要的剪切帶發(fā)育特征見表1，剪切帶實(shí)景圖見圖2。

表1 壩址區(qū)主要剪切帶特征一覽表

圖2 剪切帶實(shí)景圖

除以上6條規(guī)模較大剪切帶外，壩址區(qū)兩岸平硐(高程600～760 m)尚揭露了其他規(guī)模不等的小型剪切帶，剪切帶厚度多在1～3 cm左右，帶內(nèi)巖性主要為極薄層灰?guī)r、頁巖或泥灰?guī)r條帶，剪切帶貫穿性較差，僅局部泥化，剪切帶兩側(cè)巖體未見明顯錯(cuò)動(dòng)痕跡，結(jié)合良好，均屬剪切發(fā)育不完全的Ⅱ類及Ⅲ類原生泥灰?guī)r或頁巖夾層。

綜合分析以上成果，壩址區(qū)層間剪切帶呈現(xiàn)以下特征：

1)層間剪切帶在各巖性分界處呈密集產(chǎn)出。壩址區(qū)高程600 m、高程780 m分別為T1d1與T1d2、T1d1與T1d3的巖性分界處，兩個(gè)高程處均因沉積環(huán)境的變化而形成以層間剪切帶為標(biāo)志的分界線，其中，高程600 m處的剪切帶多成組出現(xiàn)，單層厚度大于2 cm。

2)層間剪切帶發(fā)育程度與巖體結(jié)構(gòu)、巖質(zhì)軟硬程度息息相關(guān)，具體表現(xiàn)為：巖層越薄，頁巖及泥灰?guī)r條帶等軟弱夾層含量越高的剪切帶越發(fā)育。壩址區(qū)T1d1(出露高程600 m以下)為薄層灰?guī)r夾頁巖，軟巖含量局部可達(dá)40%，層厚一般6～10 cm，剪切作用發(fā)育完全的Ⅰ類主要發(fā)育其中；而T1d2(出露高程610～780 m)為薄～中厚層灰?guī)r夾頁巖，軟巖含量約10%～20%，主要發(fā)育Ⅱ類；T1d3(出露高程780 m以上)為中厚層灰?guī)r夾泥灰?guī)r條帶，主要發(fā)育Ⅱ類；工程地質(zhì)條件較好的Ⅲ類原生型夾層則遍布壩址區(qū)。

2.2 層間剪切帶礦物成分

為了進(jìn)一步從微觀方面了解層間剪切帶的基本特征，對具代表性的剪切帶的擾動(dòng)樣品，采用美國伊諾斯便攜式X射線衍射儀XRD-Terra進(jìn)行了巖礦成分分析，主要結(jié)論如下：

1)Ⅰ1和Ⅰ2類的礦物成分基本相同，為石英、鈉長石、伊利石及方解石，其中Ⅰ2類不含高嶺石；Ⅰ2類的礦物成分主要以石英和方解石為主，占總含量64.7%～73.7%，含量明顯高于Ⅰ1類；

2)Ⅱ類均含有石英和方解石，但發(fā)育在不同位置的Ⅱ類其礦物成分也不盡相同，且同一剪切帶的礦物成分分布不均，取樣位置不同，礦物成分差異較大；Ⅲ類的礦物成分較為單一，其主要成分為方解石(占總含量的63.0%～67.9%)，石英和高嶺石次之；

3)不同類型層間剪切帶的成分結(jié)晶度總體呈如下規(guī)律：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ2>Ⅰ1，巖層工程地質(zhì)性狀越好，其礦物成分結(jié)晶度越高。

3 層間剪切帶物理力學(xué)性質(zhì)

通過對代表性的層間剪切帶采取原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合規(guī)范推薦以及工程類比兩種途徑，綜合確定了姚家平水利樞紐區(qū)層間剪切帶的剪切強(qiáng)度參數(shù)。

3.1 原位試驗(yàn)及成果分析

參考《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T264-2020)中7.3章節(jié)巖體直剪試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程，采用平推法針對發(fā)育在壩址河床左岸PD2、PD23、PD1平硐的工程性狀較差的Ⅰ類進(jìn)行了剪切帶抗剪斷強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)剪切帶為T1d1地層中的J311、J314和J315，其巖性主要為遭受了剪切破壞的頁巖與炭質(zhì)頁巖，試驗(yàn)結(jié)果如下：

J311：Ⅰ2類，其抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)峰值為f′=0.418，C′=0.09 MPa；屈服值為f′=0.296，C′=0.045 MPa?？辜魪?qiáng)度f=0.388，C=0.78 MPa；屈服值為f=0.245，C=0.031 MPa。

J314：Ⅰ1類，其抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)峰值為f′=0.354，C′=0.053 MPa；屈服值為f′=0.249，C′=0.042 MPa?？辜魪?qiáng)度f=0.311，C=0.044 MPa；屈服值為f=0.203，C=0.035 MPa。

J315：Ⅰ1類，其抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)峰值為f′=0.259，C′=0.042 MPa；屈服值為f′=0.189，C′=0.025 MPa?？辜魪?qiáng)度f=0.240，C=0.03 MPa；屈服值為f=0.173，C=0.02 MPa。

因此，姚家平壩址區(qū)層間剪切帶剪切強(qiáng)度參數(shù)取值如下：①Ⅰ1類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.26～0.35，C′=0.048 MPa；抗剪強(qiáng)度為f=0.188，C=0.028 MPa。②Ⅰ2類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.418，C′=0.09 MPa；抗剪強(qiáng)度為f=0.245，C=0.031 MPa。

層間剪切帶地質(zhì)特征、礦物組成及力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析：

試驗(yàn)結(jié)果可得，Ⅰ1類的抗剪(斷)強(qiáng)度要差于Ⅰ2類，很可能是由于Ⅰ1類泥化層連續(xù)發(fā)育且厚度較大，Ⅰ2類礦物組成中石英及方解石這種強(qiáng)度較好的成分含量更高，且結(jié)晶度更好，因此Ⅰ2類的工程地質(zhì)性狀更好，其力學(xué)強(qiáng)度也更高。

J314和J315均為Ⅰ1類，帶內(nèi)巖性均為深灰、灰黑色炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r，巖體風(fēng)化程度相當(dāng)，地下水不活躍，但J315帶內(nèi)可見2層順層發(fā)育的軟塑狀泥化夾層，相對于J314來講工程地質(zhì)性狀更差，因此抗剪(斷)強(qiáng)度更低。

3.2 規(guī)范推薦值

參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄表E.0.5推薦的軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值，得出姚家平水利樞紐工程壩址區(qū)各類結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值，如下：

Ⅰ1類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.18～0.25，C′=0.005～0.01 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.18～0.22。

Ⅰ2類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.26～0.30，C′=0.03 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.25。

Ⅱ類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.40，C′=0.06 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.32。

3.3 工程類比取值

為更有針對性的確定姚家平水利樞紐壩址區(qū)層間剪切帶強(qiáng)度參數(shù)，收集了省內(nèi)部分水利水電工程相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)取值進(jìn)行類比(見表2)。

表2 部分工程實(shí)例層間剪切帶強(qiáng)度參數(shù)表

由表2可知車壩河一級水庫層間剪切帶成分為泥化的頁巖夾層，與本工程Ⅰ1類成分相似，類比依據(jù)較充分，據(jù)此，本工程Ⅰ1類可類比車壩河一級水庫泥化頁巖夾層的強(qiáng)度指標(biāo)，即抗剪斷強(qiáng)度f′=0.24，C′=0.01 MPa；抗剪強(qiáng)度f=0.20，C=0.005 MPa。宣恩洞坪電站與姚家平水利樞紐同位于三疊系大冶組薄～中厚層灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖中，其層間剪切帶在

地質(zhì)背景、形成機(jī)制等方面較為相似，類比依據(jù)較充分。據(jù)此，本工程Ⅰ2類可類比洞坪電站泥化夾層的強(qiáng)度指標(biāo)，即抗剪斷強(qiáng)度f′=0.31，C′=0.13 MPa；抗剪強(qiáng)度f=0.24，C=0.02 MPa。

綜合以上三種參數(shù)分析方法，最終確定姚家平水利樞紐壩址區(qū)三類層間剪切帶強(qiáng)度參數(shù)建議值如下：

Ⅰ1類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.20～0.26，C′=0.02 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.20，C=0.01 MPa。

Ⅰ2類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.26～0.30，C′=0.07 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.25，C=0.01 MPa。

Ⅱ類：抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值為f′=0.31～0.40，C′=0.08 MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.28，C=0.01 MPa。

4 結(jié) 語

通過對姚家平水利樞紐壩址區(qū)具典型特征的層間剪切帶進(jìn)行了全面的工程地質(zhì)特性研究，主要得出以下結(jié)論：

1)層間剪切帶在各巖性分界處呈密集產(chǎn)出，其發(fā)育程度與巖體結(jié)構(gòu)、巖質(zhì)軟硬程度息息相關(guān)，具體表現(xiàn)為巖層越薄，頁巖及泥灰?guī)r條帶等軟弱夾層含量越高的剪切帶越發(fā)育；

2)對工程建筑物有重要影響的層間剪切帶主要分為泥化夾層型(泥型和泥夾碎屑型)和巖屑夾泥型，巖屑夾泥型的物理力學(xué)強(qiáng)度要強(qiáng)于泥化夾層型。