中国西南水电工程区峨眉山玄武岩岩体结构特性及其工程应用研究

【摘要】： 川滇地区二叠系上统峨眉山玄武岩分布范围为一近南北向的菱形，覆盖面积约30×10~4 km~2，露头面积约37538km~2，平均厚度达705m，具有南西厚、北东薄的特点，且为多个喷发旋回。根据喷出相与岩石组合系列等时空变化的规律性，将玄武岩划为三个分区：东岩区、中岩区、西岩区。金沙江白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、以及大渡河铜街子水电站处于东岩区；雅砻江二滩水电站处于中岩区；雅砻江官地水电站、金沙江龙开口水电站、金安桥水电站处于西岩区。本文以白鹤滩水电站坝区岩体结构特性为研究主线，结合其它水电工程岩体结构特性的研究成果，开展中国西南已有水电工程区峨眉山玄武岩岩体结构特性的研究，在理论和工程实践均具有重要意义。考虑到岩体结构对岩体风化、卸荷所起的控制作用，论文中对岩体的风化、卸荷进行了专题研究，并取得了以下主要研究成果： (1)从原生建造、构造改造和表生改造三方面研究了白鹤滩坝区岩体结构的成因；通过对柱状节理玄武岩的岩浆喷出环境、柱状外形态、裂隙面粗糙度的现场调查和玄武岩的化学成分分析，表明柱状节理是由于岩浆的冷却收缩作用形成。在演化过程中，经历了多期次的构造改造，和河谷下切时的卸荷回弹作用，从而形成现今的柱状节理形态。 (2)通过对不同风化程度玄武岩的表观特征、矿物特征、化学特征的研究，表明峨眉山玄武岩岩体的风化作用是沿各类结构面向岩体内部发展，以物理风化为主，化学风化不明显。通过对白鹤滩水电站坝区岩体风化界限的划分，结合溪洛渡、铜街子、官地等水电站坝区岩体风化界限的划分标准，提出了峨眉山玄武岩岩体风化带划分的量化指标。 (3)峨眉山玄武岩的岩体结构体系通常为层间错动带、层内错动带、基体裂隙和柱状节理，层间、层内错动带和断层控制了岩体的宏观结构，构成了工程岩体结构的骨架，节理裂隙影响了岩体的局部结构及完整性。而白鹤滩水电站坝区岩体结构与同区其它坝区相比，有其特殊性，除发育上述结构面外，还发育陡倾角断层。按照结构面的规模作为分级依据，即层间错动带、控制性断层为Ⅱ类结构面，层内错动带、一般性断层作为Ⅲ级结构面，挤压带、小断层为Ⅳ级结构面，基体裂隙、柱状节理为Ⅴ级结构面。 (4)通过大量资料统计，提出了白鹤滩坝区岩体结构划分方案，将裂隙间距作为控制性指标，裂隙条数作为参考指标。结合溪洛渡水电站、金安桥水电站、二滩水电站坝区岩体结构类型的划分方案，建立了玄武岩地区划分岩体结构类型的量化指标。 (5)根据对白鹤滩坝区玄武岩卸荷分带的量化指标研究，结合溪洛渡、龙开口、官地等水电工程区岩体卸荷带的划分标准，以及相关文献中岩体卸荷带量化指标的研究成果，提出了峨眉山玄武岩岩体卸荷分带的量化指标。 (6)应用岩体质量分级的最新成果(修正的Q系统，2002)，综合考虑白鹤滩坝区层间、层内错动带及断层等构造形迹，风化、卸荷界限等地质因素，得出了符合实际情况的岩体质量分级结果。对于柱状节理玄武岩分别运用RMR分类和《工程岩体分级标准》(GB50218-94)进行岩体质量分级，结果表明：按BQ值划分的岩体质量级别较按RMR划分的岩体质量类别高，说明对于坝基柱状节理玄武岩的岩体质量综合分级的指标应有别于非柱状节理玄武岩，即柱状节理玄武岩应重点考虑其力学完整性，而非柱状节理玄武岩不仅考虑其力学完整性，还应考虑其几何完整性。 (7)白鹤滩水电站坝区非柱状节理玄武岩岩体质量分级主要通过岩体纵波波速、完整性系数以及岩石质量指标(RQD)来量化；鉴于该坝区柱状节理玄武岩是一种特殊类型的碎裂-镶嵌结构岩体，其外观表现破碎，确定岩体质量级别时，其量化指标选择了岩体的纵波波速、完整性系数、岩体的透水率(吕容值)。并从坝基岩体风化分带、岩体质量类别以及岩体渗透性三个方面综合确定了白鹤滩高拱坝建基面的位置。 (8)以白鹤滩水电站高拱坝为例，选择了各拱圈有代表性的块体，并分别计算了稳定性系数，结果表明：坝肩抗力体无论是在一般荷载还是特殊荷载作用下，其稳定性系数均满足设计要求，且具有一定的安全储备。