聂衍钊,刘阜羊,覃云飞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都　610072)



两河口水电站坝区岩体的浅表生改造及对工程的影响

聂衍钊,刘阜羊,覃云飞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都610072)

浅表生结构的研究，对认识河谷岩体的岩体结构特征、工程岩体结构建模及稳定性评价等具有重要意义。对两河口水电站坝区浅表生变形破裂形迹空间发育规律及浅表生结构组合型式的调查，结合地质地貌演化机制分析，探讨了坝区浅表生改造的机制模式。研究表明，浅表生改造与河谷地貌演化密切相关，改造方式有垂向卸荷和侧向卸荷两种。庆大河背斜的结构和空间展布特征导致雅砻江左、右岸岩性层的出露连续性和对应性出现极大的差异。采取合理的工程布局及施工措施对于坝区工程来说是至关重要的。

岩体结构;浅表生改造;卸荷拉裂;危险源;工程布局

1　概　　述

岩体结构的浅表生改造是指挽近期来的地貌演化过程，岩体受卸荷引起地应力的时效变形破裂形迹称之为岩体的浅表生结构或浅表生构造。这一改造既与岩性、岩体结构等岩体自身性质有关，又与岩体所处地应力场等地质环境有关，也取决于引起地质环境发生改变的各种因素，如新构造活动的性质和强度、河谷地貌演化史及河谷地貌形态等[1]。浅表生结构因发育于地壳浅表部，且多具张性或张扭性，很大程度上控制着岩体的稳定状况，因此，对其研究，尤其在大型水电工程建设方面，对揭示坝区岩体结构的空间发育规律，评价工程岩体的稳定性，坝型选取，水电工程布局设计，防渗处理等问题的解决具有重要意义[2]。

拟建的两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内雅砻江干流上。最大坝高295 m，水库正常蓄水位2 865 m,库容101.54亿m3，电站装机300万kW。

2　近库、坝区浅表生改造的地质背景

工程区位于青藏高原东南部，地貌区划属川西高原，紧邻川西南高山区。区内地势呈现东西侧高，中部相对较低的态势。地貌基本形态是具夷平面(或山麓剥夷面)的大起伏高山。区内山顶面海拔一般3 900～4 800 m。区域断裂和褶皱构造控制了区内主要山脊的总体走向，区域上呈现出“构造地貌”山体的特征，其中一级山脊受大区域分区构造、川西高原抬升作用的控制，二级山脊受掀斜作用、区域褶皱构造以及区域断裂的控制。

库坝区雅砻江、鲜水河及其支流，河道下切十分强烈，河谷峡窄、谷坡陡峻，沿河岭谷高差悬殊，相对高差一般在500～1 500 m，为典型的高山峡谷。雅砻江两岸地形起伏和相对高差无明显差异，具左岸较右岸略低的特征。区内冰川地貌和冰川活动遗迹主要零星残留于4 200 m以上的山脊地区，以冰斗及冰川谷较为典型，古冰川悬谷多在4 000 m以上，区内终碛最低位多在海拔3 600 m左右。雅砻江、鲜水河河谷属典型的侵蚀峡谷，间夹宽谷地貌，宽谷中一般可见4～5级阶地，局部可见6级阶地，阶地多为基座和侵蚀阶地。

2.1地层岩性

两河口水电站地处雅江弧形构造带，按照现行的地层区划方案(四川省地矿局，1997)，本区属巴颜喀拉地层区玛多—马尔康地层分区雅江地层小区，以发育一套三叠纪浊积相碎屑岩建造为特色。

本区地层出露较齐全，从前震旦系至第四系，除缺失寒武系、侏罗系、白垩系、第三系外，其它各系地层均有出露。工程区出露地层以三叠系上统为主，属浅变质岩系，具有岩性相对单一、岩层延展变化较大、分布面积广的特点。印支期～燕山期二长花岗岩、石英闪长岩、辉绿岩等局部可见，以小型岩株、岩枝及岩脉形式产出。

2.2地质构造

第四系沉积物，主要有崩坡积、残积、冲洪积与冰积、冰水积。冲洪积沿各水系带状分布，冰碛和冰水堆积物零星分布于高山区，崩坡积主要在沟谷两侧山坡坡脚附近。两河口水电站处松潘—甘孜造山带，在大地构造部位上，工程区位于鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带和金沙江—红河断裂带所围限的“川滇巨型菱形断块”之次级块体“雅江—理塘”菱形断块(其边界断裂为鲜水河断裂带、甘孜—理塘断裂带、玉龙希(八窝龙)断裂带、理塘—德巫断裂带)内部偏南。断块整体性好，块内断裂构造不发育，构造格局为弧顶向南凸出的雅江弧形褶皱构造带，弧形构造带变形形式以紧闭复式褶皱为主，构造变形组合以弧形褶皱为特征。

3　浅表生改造特征

3.1庆大河口背斜

坝区主体构造由一个枢纽向SE陡倾伏的倒转背斜(3级褶皱)以及发育在该背斜NW翼(局部倒转)的纵向逆断层构成。该背斜轴部位位于庆大河与雅砻江的交汇口，我们称之为“庆大河口背斜”。而与之密切相关的纵断层紧邻背斜的北东侧，则称之为“庆大河口断层”(f1)。它们是坝区构造的核心组成部分，坝区的基本构造轮廓和特征、岩性层的展布规律基本上是受庆大河背斜和庆大河口断层的控制。背斜主要卷入两河口组中下段地层(T3lh1和T3lh2)。背斜枢纽向南东倾伏，倾伏角大于50°。背斜的两翼极不对称，南西翼完整，优势产状为N60°W/SW∠66°，北东翼大部分被f1断层所截，优势产状为N60°W/NE∠78°。这一区域性褶皱特殊的几何学特征导致了褶皱岩层在空间展布上(包括平面轴迹方向上和剖面上)的急剧变化，加之深切河谷的地形影响，直接导致雅砻江左、右岸岩性层的出露连续性和对应性出现极大的差异。

3.2断层

坝区断裂构造主要以北西西向即区域主构造线方向(f1～f6、f8～f14、f17～f21、f25～f29)为主，次为北东东向f7、f16、f30及近南北向的f15、f22、f23及北北东向的f24等。断层多沿岩体中较薄弱的层面发育，断层以顺层挤压为主，断层产状与地层产状基本一致；断层破碎带宽度不大，以几厘米～五十厘米为主，不同露头断层带的宽度变化大，时宽时窄；断层充填物以片状岩为主，碳化、糜棱化强烈。平面上断层的一些部位可切层发育，略显弯曲状，这与岩相在空间上的变化有关。断层带物质电子自旋共振(ESR)及石英形貌扫描分析表明，最新活动距今84.2～93.8万年的早更新世晚期。

3.3裂隙

对坝区调查的5 386条裂隙统计分析表明(见图1)：缓倾角裂隙902条、中倾角裂隙2 179条、陡倾角裂隙2 305条。中、陡倾角裂隙占总裂隙的80%以上，缓倾角裂隙仅占17%左右。

图1　坝区裂隙等密示意

依发育程度从大到小，优势方向有下列5组(占统计总数的70%)：

①N55°～90°W/SW∠55°～85°(层面);②N0°～30°E/SE(NW)∠40°～60°;③N40°～60°E/NW(SE)∠10°～45°;④N0°～30°E/SE(NW)∠70°～85°;⑤N40°～75°E/SE(NW)∠65°～85°。

坝区裂隙主要特征是：

(1)裂隙组数规律性强。走向北北东的裂隙普遍发育，形成左右岸的顺坡和反坡裂隙，顺坡裂隙组发育程度明显比反坡裂隙组高；垂河裂隙组较顺河裂隙组稳定且发育程度略高。顺河裂隙组存在由低到高减弱的趋势。

(2)在不同的岩性段中裂隙的发育程度有一定差异。一般而言，厚度较大、均质的岩性层中裂隙规模较大，方向相对稳定，频度低。岩性软弱、均质性差、厚度较小的岩性层，裂隙规模短小、方向性相对较差，频度相对较高。

3.4物理地质现象

3.4.1岩体风化

根据岩体中风化岩石的类型及其组合特征、岩体宏观结构、完整性及水文地质条件等，将风化岩体自上而下划分为：全强风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜五种。根据工程需要，弱风化又进一步分为弱风化上带(简称弱上)和弱风化下带(简称弱下)。风化特征如下：

(1)坝址区主要为砂、板岩，岩石自身抗风化的能力较强。风化作用主要沿断层、错动带和裂隙等弱面进行，以裂隙式风化和夹层状风化为主要特点。风化程度受地形切割情况、岩性、岩体结构、岩体卸荷和地下水等因素影响表现出一定差异性，总体上呈现由表及里风化程度趋弱的规律。

(3)风化程度在空间分布上极不均匀。河床基岩风化明显弱于两岸，河床中不存在全强风化和弱风化上带，仅有弱风化下带，风化深度10～20 m。岸坡不同地带岩体的风化深度变化较大，垂直深度弱风化上带0～33 m、弱风化下带10～85 m，水平深度弱风化上带0～76 m、弱风化下带10～135 m。

(4)坝址区风化与卸荷往往具有一定的对应关系，弱风化上段往往对应于强卸荷岩体，弱风化下段对应于弱卸荷岩体，微新岩体对应于无卸荷岩体。

3.4.2岩体卸荷

坝址区岩体卸荷主要沿已有构造结构面进行，部分追踪已有结构面或形成新的顺坡向卸荷裂隙。主要表现为：

(1)强卸荷带内主要沿顺坡向中、陡倾角裂隙普遍张开，顺坡向裂隙普遍充填次生泥、岩屑；隐裂隙显现，裂隙多松弛张开0.5～15 cm，渗滴水；平硐常有塌顶、硐口垮塌等现象。弱卸荷带中裂隙张开较少，局部充填泥膜。

(2)卸荷带深度随岸坡结构、局部地形地貌差异变化较大。岸坡弱卸荷水平深度10～129 m，强卸荷在岸坡局部出现，水平深度0～79 m。岸坡卸荷的总体规律是，随着高程的增加，卸荷深度增大。如坝址Ⅲ线左岸岸坡下部无强卸荷，弱卸荷带深66 m，岸坡中部(2 750 m高程)强卸荷带为39 m，弱卸荷带深达110 m。

3.4.3坝址区地应力特征

坝址区河谷深切，谷坡陡峻临河坡高500～1 000 m。勘探平硐深部及河床钻孔可见与高地应力相关的片帮、不规则盏壮饼芯现象。通过现场试验得出，河床主应力区方向与区域最大主应力方向基本一致，坝区两岸测点范围内主应力方向与区域最大主应力方向差异较大。

左岸实测最大主应力σ1=20 MPa，σ1方向为N50.4°～89.6°E，倾向坡外，倾角与岸坡相近。右岸实测最大主应力σ1=30.44 MPa，最大主应力方向N20.3°～57.7°E，倾向坡外，略缓于岸坡。工程区属构造与重力叠加的应力场。

由于左右岸局部地形地貌差异导致两岸岩体应力场存在一定差异。左右岸相同埋深的测点σ1量值右岸高于左岸2.45～6.08 MPa。右岸σ1方向较稳定，左岸σ1方向随埋深增大向NNE偏转，埋深400 m、500 m两测点σ1方向与右岸基本一致。左岸相应的应力分区比右岸要深50～100 m，相对河谷与山顶高差而言,两岸各测点埋深还相对较浅，测点岩体应力尚未进入应力稳定区。

4　岩体结构

浅表生改造作为岩体的再变形再破坏过程，其改造受先成构造结构的控制，特别是构造错动带对其起了重要的控制作用。浅表生结构面除卸荷裂隙外，往往继承或追踪先成结构面发育而成。两河口坝区岩体的构造结构主要为由各种缓倾和陡倾断裂组合而成的块裂结构体，局部见陡倾板裂体、碎裂结构体。它们在河谷下切过程中具有不同的改造方式及浅表生结构形式。

具块裂结构的岩体表现为集中式的卸荷，斜坡岩体往往沿平行于河谷的中陡倾结构面发生离面卸荷回弹，并继承或追踪较普遍发育的中缓倾角断裂发生向河谷临空方向的差异回弹错动，垂直于岸坡的断裂构成差异回弹的侧向控制面。在河谷两侧，与岸坡斜交的NW向断裂也参与了这一组合(见图2a)。缓倾角断裂产出状态不同，改造方式也有差异，当其切出坡面时，主要发生滑移拉裂式卸荷(见图2b)；未切出坡面时，发生滑移压致拉裂，使其底端部的顺坡陡倾断裂扩展拉裂、贯通，使岸坡岩体顺坡向板裂化，并发生滑移弯曲(见图2c)。

对于陡立板裂结构岩体，河谷下切的侧向卸荷，主要沿陡倾断裂发生离面卸荷回弹。由于回弹量的垂向差异，引起板裂结构体向河谷方向的倾倒(见图2d)；陡倾板裂结构体，卸荷过程主要沿陡倾结构面发生滑移弯曲变形(见图2e)；碎裂结构岩体，主要沿十分发育的裂隙发生体积膨胀式均匀卸荷(见图2f)[3]。

图2　坝区斜坡岩体的浅表生结构形式

坝区软弱夹层以层间挤压带为主，岩体以中陡倾角为主，与缓倾角裂隙共同组合，这一组合靠近地表部分形成倾倒变形，这是庆大河变形体的特征之一。砂板岩的岩体结构特征浅表生改造明显受这一岩体结构控制，缓倾角裂隙构成滑脱错动面或向河谷方向的差异回弹错动面，近平行岸坡的陡倾角断裂构成回弹拉裂面，构成了“阶梯状”的回弹错动型式(见图3)，这是坝区岸坡岩体浅表生结构的典型组合型式。

图3　“阶梯状”浅表生结构型式

5　对工程的影响

浅表生结构因发育于地壳浅表部，且多具张性或张扭性，很大程度上控制着岩体的稳定状况，自然边坡表层岩体受各种结构面节切割，在外动力地质作用下，使岩体结构发生破坏，形成一系列不稳定岩体，对工程及工程的修建是一个巨大的安全隐患，施工时应采取必要的措施和合理的工程布局。

5.1坝址区危险源

水电站枢纽区自然边坡危险源按成因及变形破坏类型分为两大类：一类是边坡表层岩体受各种结构面切割后，在孔隙水压力、自重应力等作用下沿一组或多组结构面产生拉裂(或剪切)破坏，而使被切割的结构体处于极限平衡状态，按规模大小定义为“危岩体”；另一类为自然边坡冲沟内的块碎石土，在暴雨情况下，顺势而下，定义为“沟谷堆积块碎石”。

两河口水电站枢纽区为高山峡谷地貌，河谷深切，谷坡陡峻，天然地应力较高，河谷强烈下切导致谷坡向临空方向产生较强卸荷，经长期侵蚀,谷坡现状基本稳定，但在构造、物理地质作用下，边坡表浅部存在局部危石及危岩体等，施工及运行期间安全隐患较大。

5.2庆大河变形体

陡倾角卸荷裂隙通常构成了坡体的后沿节割面，从而为岩体的破坏变形提供了边界条件。受岩体结构控制，庆大河左岸进水口边坡浅表部普遍存在沿岩层面及板理面产生倾倒-弯曲拉裂变形，边坡上部坡顶一带顺坡层状结构部位存在滑移拉裂型及滑移弯曲型变形。在变形体以里边坡深部也存在一定的沿缓倾角结构面的滑移拉裂及滑移压致拉裂变形。根据前期对此变形体的勘察成果，选择最优进水口边坡开挖坡比和高度、优化进水口建筑物基础的处理措施。

5.3左岸卸荷拉裂岩体

表生改造使坡体一定范围内的构造应力释放，应力释放过程中坡体不断的自我调整达到新的平衡状态。

左岸1号卸荷拉裂岩体位于左岸中便道PD11-PD05平硐一带，由3个NE向拉张裂隙带与顺层挤压带组合形成的楔形卸荷拉裂岩体组成(见图4)。

图4　左岸中便道1号卸荷拉裂岩体平切

2号卸荷拉裂岩体位于左岸低便道PD13-PD09平硐一带，由PD13-PD09连通硐X1(N30°E/NW∠42°)、X2、X3(N25°E/NW∠45°)等NE向拉张裂隙带与f10断层(g13-09(2)：N59°W/SW∠66°；g13-09(3)：N65°W/SW∠63°)构成潜在楔形卸荷拉裂岩体(见图5)，其中X1、X2、X3等NE向拉张裂隙带为潜在底滑面，f10断层为侧滑面。

图5　左岸低便道2号卸荷拉裂岩体平切

1、2号卸荷拉裂体目前处于稳定状态，随着开挖的进行，会产生应力的自适应调整，达到一个新的状态，这就要求在开挖施工过程中，需对其进行相应的处理，采取合适的开挖方式和支护处理措施。

6　结　　语

浅表生改造的实质是地貌演化过程因剥蚀卸荷引起环境应力场变化的结果。这一改造受岩体的建造、岩体结构、所处的地应力场环境、新构造活动特征、地貌演化史及河谷地貌形态等因素的控制[4]。坝区具有发生强烈浅表生改造的地质地貌条件。受地貌演化控制，坝区既受早期区域性夷平过程的垂向卸荷改造(浅生改造)，又受河谷下蚀过程的侧向卸荷改造(表生改造)。

坝区陡倾板裂状结构对浅表生改造起了重要控制作用，缓倾角断裂构成滑脱错动面或向河谷临空方向的差异回弹错动面，并与平行岸坡的陡倾角断裂组合形成“阶梯状” 回弹错动型式。

坝区浅表生结构具有一定的空间发育规律。受构造断裂控制，浅表生结构往往具有分层发育特征；受地貌演化控制，浅表生结构的发育程度及错动改造强度具有随高程增高不断增强，由边坡表面向内逐渐减弱的特点，一般在斜坡50～70 m以外较发育，该深度以内发育程度较低。对坝区浅表生改造特征、特点认识了解清楚，为有关水电工程地质问题的解决及水电工程布局设计提供了基础。

[1]王兰生.地壳的浅表生改造与时效变形论[M].中国工程地质世纪成就,55-60.

[2]黄润秋，张倬元，王士天.论岩体结构的表生改造[J].水文地质与工程地质,1994，21(4):1-6.

[3]沈军辉，王兰生，赵其华，等.官地水电站坝区岩体的浅表生结构[J].工程地质学报，2002，10(1):26-32.

[4]沈军辉.川西南玄武岩岩体结构的浅表生改造与水电工程[D].成都：成都理工大学，2000.

2014-08-15

聂衍钊(1972-)，男，湖北潜江人，高级工程师，从事水电工程地质勘测工作。

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