劉大慶 張丙先 李建華 朱忠

收稿日期：2023-09-09

基金項目：

中國大唐集團公司科研項目（DTXZ-02-2021）

作者簡介：

劉大慶，男，高級工程師，碩士，主要從事工程管理工作。E-mail：706948395@qq.com

引用格式：

劉大慶，張丙先，李建華，等.

西藏扎拉水電站鬧中斷裂帶巖體工程地質(zhì)特性研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：16-21.

摘要：

西藏扎拉水電站引水隧洞穿過鬧中斷裂帶長度達305 m，是圍巖失穩(wěn)的易發(fā)地段，常規(guī)勘察方法難以對深埋于地下百余米的洞身段斷裂帶巖體性質(zhì)作出準確的判斷。為了給引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在勘探、室內(nèi)試驗和淺層現(xiàn)場試驗的基礎上，分析了斷裂帶巖體的性狀及物理性質(zhì)，采用巖體強度計算公式、專家會議法和Hoek-Brown強度準則對斷裂帶深部巖體的力學特性進行了分析計算。研究表明：鬧中斷裂帶巖性軟弱，結(jié)構(gòu)較破碎，預測坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象較突出，成洞困難，會發(fā)生一定程度的塑性變形；專家會議法主要考慮巖體性狀的異同，Hoek-Brown經(jīng)驗公式主要基于聲波縱波速隨深度的變化，兩種方法獲得的斷裂帶深部巖體的力學參數(shù)值相差不大，可作為初步設計的依據(jù)。研究成果及方法可供類似工程借鑒。

關鍵詞：

斷裂帶巖體； 工程地質(zhì)特性； 專家會議法； Hoek-Brown強度準則； 扎拉水電站； 西藏

中圖法分類號：P642.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.003

文章編號：1006-0081（2024）06-0016-06

0? 引? 言

西藏扎拉水電站為Ⅱ等大（2）型工程，采用混合式開發(fā)，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高70 m。引水發(fā)電建筑物主要由引水隧洞和地面電站廠房組成，引水線路長約5.5 km。

鬧中斷裂是西藏扎拉水電站樞紐工程區(qū)的主干斷裂，引水隧洞穿過鬧中斷裂帶長度達305 m，設計洞徑為6.0 m。各類斷層巖構(gòu)成的破碎巖體，工程地質(zhì)性質(zhì)不良，往往給工程帶來困難和問題［1］。鬧中斷裂帶也是引水隧洞圍巖失穩(wěn)的突出地段。地質(zhì)條件對于隧洞的結(jié)構(gòu)設計、施工開挖、圍巖支護及運行維護將產(chǎn)生重大影響，需科學合理地開展勘察研究工作。

斷層巖的地面調(diào)查方法主要有航空、航天遙感和地面物探，地下勘探手段主要有鉆探、平洞和鉆孔電視、聲波測井等［2］。西藏扎拉水電站工程區(qū)內(nèi)鬧中斷裂大部分呈隱伏通過，僅局部出露，引水隧洞穿過斷裂帶處洞身埋深110～210 m，溝底覆蓋層厚達60 m，增大了勘察研究的難度。在勘察階段，由于斷層帶巖體破碎、鉆探取樣擾動大、孔內(nèi)原位測試適用性差，現(xiàn)場試驗只能在淺層進行。然而，斷層巖是原巖經(jīng)過斷裂作用形成的一類特殊巖石，空間分布不穩(wěn)定［2］，性狀變化較大，因此淺層巖體試驗成果不能代表隧洞埋深處的斷裂巖體強度。目前，對隧洞深部圍巖的研究主要基于鉆孔取樣［3］、開挖后的現(xiàn)場監(jiān)測［4-5］、超前地質(zhì)預報與掌子面圍巖調(diào)查［6］等，對于還未施工開挖且不具備采取原狀樣的情況鮮有研究成果。

為了給西藏扎拉水電站引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在勘探、室內(nèi)試驗和淺層現(xiàn)場試驗的基礎上，分析了斷裂帶巖體的性狀及物理性質(zhì)，采用巖體強度計算公式、專家會議法和Hoek-Brown強度準則對斷裂帶深部巖體的力學特性進行了分析計算。根據(jù)斷裂帶巖體的物理力學性質(zhì)，分析了斷裂帶巖體作為隧洞圍巖的工程特性，作為初步設計的依據(jù)。

1? 鬧中斷裂基本特征

1.1? 空間展布及地質(zhì)結(jié)構(gòu)

鬧中斷裂呈NE向展布，NE端與巴塘斷裂相接，SW端與其西南方向延伸的斷裂相接，長度約51 km。鬧中斷裂橫穿扎拉水電站樞紐工程區(qū)，在地貌上形成溝槽、埡口等線性負地形，主要呈隱伏通過，局部出露［7］。電站引水隧洞于鬧中溝，近垂直穿過鬧中斷裂帶，隧洞埋深110～210 m?？碧浇沂?，引水隧洞穿過鬧中斷裂帶寬度為305 m，斷層巖為碎裂片狀巖和碎裂巖，東盤為二疊系板巖，西盤為三疊系變質(zhì)流紋斑巖（圖1）。

1.2? 地應力場及斷裂運動特征

引水隧洞沿構(gòu)造線方向330°～30°，與區(qū)域構(gòu)造背景基本一致。根據(jù)板塊運動、新構(gòu)造運動特征，基于震源機制解、地形變等資料分析，該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應力場最大主應力方向為NE～NEE向。在現(xiàn)場鉆孔中采用水壓致裂法進行地應力測試，測試成果表明：地應力場中水平應力起主導作用，最大水平主應力σH為自重應力σZ的1.3～1.4倍，最小水平主應力σh為自重應力σZ的0.8～0.9倍。根據(jù)GNSS速度場結(jié)果和跨鬧中斷裂GPS速度剖面，區(qū)域整體向南東向運動，并由近東西向逐步向東南方向偏轉(zhuǎn)，鬧中斷裂帶的擠壓、拉張變形不顯著，運動特征以右旋走滑為主［7］。根據(jù)安德森模式，鬧中斷裂的應力狀態(tài)及力學形成機制如圖2所示。

2? 斷裂帶巖體物理性質(zhì)

2.1? 斷裂帶巖體性狀

引水隧洞部位鬧中斷裂帶巖體由碎裂片狀巖和碎裂巖組成，其中，碎裂片狀巖位于斷裂破碎帶東段，寬約260 m。碎裂片狀巖呈深灰色、灰黑色，系原巖板巖受構(gòu)造剪切作用，進一步發(fā)生片理化和碎裂化，形成的斷層巖巖性軟弱，結(jié)構(gòu)較破碎（圖3（a））。鉆探施工時，干鉆鉆進較困難，采用植物膠護壁，半合管取芯多呈碎塊、角礫夾巖屑、巖粉（圖3（b）），鉆孔采取率50%～100%；獲得率為0～88%，平均值29%；RQD為0～70%，平均值13%。

碎裂巖位于斷裂破碎帶西段，寬約45 m。碎裂巖呈灰白色、灰色，裂隙密集發(fā)育，巖體被切割成大小不等的碎塊和角礫，其原巖成分為大理巖。坑槽揭示，碎塊和角礫基本保留著原巖結(jié)構(gòu)和成分特征，碎塊和角礫含量＞90%，多呈棱角狀，定向性較差。碎塊和角礫的節(jié)（劈）理面中有少量（＜10%）的泥質(zhì)和碎粒、碎粉物質(zhì)充填，膠結(jié)疏松（圖4（a））。采用植物膠護壁，半合管取芯呈角礫或碎石狀（圖4（b）），采取率一般為92%～100%；獲得率為0～26%，平均值6%；RQD為0。

2.2? 礦物組構(gòu)及化學成分

在鉆孔中取引水隧洞埋深附近斷裂帶巖體試樣進行礦物成分和化學成分分析，分析成果如下。

2.2.1? 碎裂片狀巖

采用透射-反射光學顯微鏡進行巖礦鑒定，結(jié)果顯示碎裂片狀巖呈鱗片-粉砂狀結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，礦物顯微特征見圖5。

（1）? 石英粉砂屑（Qtz）。含量35%～63%，平均值51.8%，次角狀-次圓狀，零散均勻分布，局部略定向分布，砂屑大小為0.01～0.05 mm。

（2）? 伊利水云母-絹云母（Ⅲ+Ser）。含量約16%～45%，平均28.8%，微細鱗片狀，較低干涉色-鮮艷干涉色，零散略定向分布在砂屑間隙中，片徑為0.01～0.05 mm。

（3）? 方解石（Cal）。含量10%～20%左右，不規(guī)則細粒狀，高級白干涉色，遇茜素紅試劑染紅色，零散分布在砂屑間隙中，或聚集呈細脈狀沿碎裂隙分布，粒徑為0.01～0.10 mm。

（4）? 黑云母、蒙脫石、碳質(zhì)、鐵質(zhì)等礦物含量≤10%，零散分布在砂屑間隙中，或水云母集合體中。

X衍射分析結(jié)果表明：碎裂片狀巖破碎帶石英和伊利石礦物含量較高，平均值分別為35%和30.8%；綠泥石含量次之，平均值為14.8%；長石、方解石、白云石等礦物含量一般小于10%；無蒙脫石礦物。

光度計分析結(jié)果表明：化學成分中SiO2含量最高，平均值為41%；CaO含量次之，平均值為21.5%；Al2O3含量平均值為8.4%；Fe2O3含量平均值為3.6%；其他成分含量小于2%。

2.2.2? 碎裂巖

采用透射-反射光學顯微鏡進行巖礦鑒定，結(jié)果顯示：碎裂巖呈中-粗粒變晶結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，礦物成分主要為方解石，含量為96%～98%，礦物顯微特征見圖6。

（1）? 中-粗晶方解石（Cal1）。含量為77%～80%，半自形或它形粒狀，鋸齒狀邊緣，兩組菱形解理發(fā)育，受動力作用部分解理彎曲變形，局部晶粒略拉長定向分布，粒徑為0.30～1.20 mm，集合體中碎裂隙發(fā)育，被晚期細-微晶方解石呈網(wǎng)脈狀充填。

（2） 細-微晶方解石（Cal2）。含量約16%～80%，呈細粒狀，多聚集呈細網(wǎng)脈狀沿碎裂隙分布，或沿粗晶方解石晶粒邊緣分布，粒徑為0.005～0.15 mm。

（3）? 極少量的白云石、熱液石英、白云母、鐵泥質(zhì)（含量≤2%），零星分布在碎裂隙中。

2.3? 巖體膨脹性

室內(nèi)膨脹性試驗成果顯示，自由膨脹率范圍值為22%～27%，平均值為24.3%，不具膨脹性。

2.4? 聲波縱波速及完整程度

根據(jù)聲波測井成果，碎裂片狀巖破碎帶聲波縱波速為2 250～3 510 m/s，碎裂巖破碎帶聲波2 020～3 543 m/s，二者差別不大。以碎裂片狀巖為例，自上而下隨深度增大，聲波縱波速總體呈增大的趨勢，但存在峰谷（圖7），反映了碎裂介質(zhì)的不均勻性和聲波效應的差異性。碎裂片狀巖原巖板巖的巖石聲波縱波速平均值為5 080 m/s，則碎裂片狀巖的巖體完整性系數(shù)為0.20～0.48，巖體完整程度屬較破碎-完整性差。碎裂巖的原巖、板巖、大理巖的巖石聲波縱波速平均值為5 740 m/s，則碎裂片狀巖的巖體完整性系數(shù)為0.12～0.38，巖體完整程度主要屬較破碎。

2.5? 巖體物理性質(zhì)分析

鬧中斷裂帶的擠壓、拉張變形不顯著，屬扭性斷裂。斷裂帶中，碎裂片狀巖原巖為板巖，屬軟質(zhì)巖，呈薄層狀板裂結(jié)構(gòu)，原巖受構(gòu)造剪切作用進一步發(fā)生片理化和碎裂化，形成的斷層巖礦物成分主要為石英、伊利石、綠泥石，巖性軟弱，呈鱗片-粉砂狀結(jié)構(gòu)，巖體完整程度屬較破碎-完整性差。碎裂巖原巖為大理巖，屬硬質(zhì)巖，礦物成分主要為方解石，原巖受構(gòu)造剪切作用，巖體被切割成大小不等的碎塊和角礫，碎塊和角礫基本保留著原巖結(jié)構(gòu)和成分特征，巖體較破碎。相對而言，碎裂巖主要發(fā)生脆性破裂，其破碎程度大于碎裂片狀巖，反映了不同強度原巖受構(gòu)造剪切作用后的破裂特性。

3? 斷裂帶巖體力學特性

軟弱破碎圍巖空間效應作用距離比一般巖體大，達3.5～4.0倍洞徑［8］，同時考慮隧洞頂部以上巖體對隧洞穩(wěn)定性的關鍵作用，斷裂帶深部巖體力學參數(shù)的分析范圍為洞頂以上3.5倍洞徑。洞室開挖后，圍巖應力重分布程度隨著遠離洞壁逐漸減弱，而斷裂帶巖體聲波縱波速和巖體完整性系數(shù)隨深度增大呈總體增大的趨勢，因此深部巖體力學參數(shù)的計算值以平均值作為代表值。

3.1? 深部巖體抗壓強度計算

巖體抗壓強度與巖石抗壓強度關系［9］如下：

σmc=Kσc（1）

式中：σmc為巖體抗壓強度，MPa；

σc為巖石試件抗壓強度，MPa；

K為巖體的完整性系數(shù)。

根據(jù)原巖室內(nèi)抗壓強度試驗成果，采用式（1），計算得到隧洞埋深部位斷裂帶巖體的抗壓強度，見表1。

3.2? 深部巖體抗剪強度、變形模量分析

由于穿過鬧中斷裂帶引水隧洞埋深110～210 m，常規(guī)勘察方法難以對深埋于地下百余米的洞身段斷裂帶巖體力學性質(zhì)作出準確判斷。為了給引水隧洞穿越斷裂帶的結(jié)構(gòu)設計、斷裂帶缺陷處理提供地質(zhì)依據(jù)，在淺層現(xiàn)場試驗的基礎上，分別采用專家會議法和Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算，并對斷裂帶深部巖體的力學特性進行初步分析。

（1） 淺層巖體現(xiàn)場試驗成果。碎裂巖結(jié)構(gòu)破碎，膠結(jié)差，不具備制樣條件，因此，在鬧中斷裂帶露頭部位開挖坑槽，只對碎裂片狀巖進行現(xiàn)場抗剪、變形試驗，試驗成果見表2。