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惠州蓄能电站岩体破裂体系及其对工程稳定性影响研究 摘要 广东惠州抽水蓄能电站是广东省内兴建的第二座大型高水头大容量纯抽水 蓄能电站，设计总装机容量2 4 0 0 m w 。研究厂房区岩体的破裂体系，包括断裂和 节理的发育特征及其对电站地下厂房的工程稳定性和水文地质条件的影响，对于 电站的建设无疑有重要的实用意义。 电站厂房区范围内发育了北东东、北北西、北西硒、近南北向( 弧形构造) 四组断裂。作者在参加导师主持“惠州抽水蓄能电站f 3 0 4 断裂及其相关地质体 研究”项目过程中，对区内断裂做了系统做了较系统的了解。在此基础上，着重 研究电站厂房区岩体节理体系的发育特征。通过对厂房区地质探洞十个统计窗口 的节理测量，得到了2 4 6 m 标高平面上节理体系的空间和产状分布，并利用分形 几何方法，对厂房区岩体节理网络的发育特征进行分析，求出厂房区岩体节理网 络分维值，并据此探讨了工程岩体的力学性质。 在上述研究的基础上，结合以往对区内断裂的研究成果，文章进一步探讨了 破裂体系的发育特征对厂房区的工程稳定性和水文地质条件的影响，得到如下主 要认识： ( 1 ) 厂房区断裂可以分为北东东、北西、北北西及近南北向的四组断裂。以f 3 0 4 为代表的北北东向断裂属于新华夏系主干构造，北北西向断裂为北东东向 断裂的配套构造；近南北向的弧形构造属于区域性的横河环形旋扭构造的 组成部分；上述构造均形成或定型于中生代，而北西西向断裂则形成较晚， 可能为中生代末期或新生代的产物。 ( 2 ) 横河环形旋扭构造在距今约1 5 万年发生过较显著的活动，导致本区的近 南北向弧形断裂发生顺时针扭动。区内各组断裂所表现的后期活动特征大 都与近南北向弧形构造的此次活动有关； ( 3 ) 厂房区节理网络具有分形性质，其平均分维值为1 1 7 7 5 ，表明厂区岩体 工程地质条件良好。 ( 4 ) 近南北向弧形构造中的t 0 0 2 与f 0 0 3 所夹持的中间地块作逆时针旋转，造 成地块边缘发生局部拉裂，此为地块边缘的破裂面多渗漏，而地块中心鲜 见渗漏破裂面的原因。 ( 5 ) f 0 0 3 和f 3 0 4 两断面相交，交线附近岩石破碎，从而成为地下水的补给“管 道”和储水空间。此为探硐p d o i 挖穿t 3 0 4 时发生大量涌水原因。 关键词：惠州抽水蓄能电站破裂体系岩体节理网络分形几何分维 i i s t u d i e so nh u i z h o u h y d r o e l e c t r i c p o w e rs t a t i o n r o c km a s sf r a c t u r e s y s t e m a n di t se f f e c to n e n g i n e e r i n gs t a b i l i t y m a j o r ：t e c t o n i cg e o l o g y ( a c t i v es t r u c t u r ea n d f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g ) n a m e ：g ej u n h u i s u p e r v i s o r ：p m c h e ng u o n e n g a b s t r a c t h u i z h o uh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o ni st h es e c o n dl a r g e - s c a l ep o w e rs t a t i o nf o r p u m p i n g a n d s t o r a g ew i t hh i g hh y d r a u l i ch e a da n dl a r g ec a p a c i t y , t h ed e s i g n e dg r o s s c a p a c i t yi s2 4 0 0m e g aw a t t u n d o u b t e d l y , t h es t u d yo f t h er o c km a s sf r a c t u r es y s t e m i np o w e r h o u s ea r e a , i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n tf e a t u r eo ff a u l t sa n d j o i n t sa n dt h e i r e f f e c to nu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ee n g i n e e r i n gs t a b i l i t ya n dh y d r o l o g i c a l g e o l o g y c o n d i t i o n s ，i se s s e n t i a lt ot h eb u i l d i n go f t h ep o w e r s t a t i o n f o u rs e t so ff a u l t d e v e l o p e d i nt h e p o w e r h o u s e a r e aw i mt h eo r i e n t a t i o n s r e s p e c t i v e l y o fn e e ，n n w , n w w ：a l m o s tn o r t h s o u t h t h ea u t h o ra t t e n d e dt h e p r o j e c t s t u d i e so nf 3 0 4f a u l ta n d i t sr e l a t i v eg e o l o g yb o d i e so fh u i z h o u h y d r o e l e c t r i c p o w e rs t a t i o n h o l db ys u p e r v i s o r , b yd o i n gt h a t ，s t u d i e dt h ed e v e l o p m e n tf e a t u r eo f f a u l t ss y s t e m b a s e do nt h a t ，t h ea u t h o re m p h a s i z e do nt h es t u d yo ft h ed e v e l o p m e n t f e a t u r e so ft h er o c km a s sj o i n t s s y s t e m b ym e a s u r i n gt h ej o i n t si n 10s t a t i s t i c a l w i n d o w si nt h et u n e r , u s i n gf r a c t a l g e o m e t r ym e t h o dt oa n a l y z et h ed e v e l o p m e n t f e a t u r e so ft h ej o i n t e dr o c km a s sn e t w o r k s ，w o r ko u tt h ef r a c t a ld i m e n s i o nd o ft h e j o i n t e dr o c km a s sn e t w o r k s ，a n dd i s c u s s e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h er o c km a s s b a s e do nt h e s es t u d i e sa n dc o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c hf i n d i n g so ft h ef a u l t si nt h e s t u d ya r e a ，t h ea u t h o rf u r t h e rs t u d i e dt h ef r a c t u r es y s t e md e v e l o p m e n tf e a t u r e sa n d 1 1 1 t h e i re f f e c to ne n g i n e e r i n gs t a b i l i t ya n dh y d r o l o g i c a lg e o l o g yc o n d i t i o n sc a m e t ot h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ef a u l t s i nt h ep o w e r h o u s ea r e ac a nb ed i v i d e di n t o 5s e t sw i t ht h e o r i e n t a t i o n sr e s p e c t i v e l yo fn e e ，n n w , n w w ，a l m o s tn o r t h - s o u t h n es e t f a u l t s i n c l u d i n g1 3 0 4b e l o n gt on e o c a t h a y s i a nt r u n ks t r u c t u r e s ，n n e s e t f a u l t sa r et h em a t c h i n gs t r u c t u r e so fn e es e t ；a l m o s ts ns e ta r cf a u l t s b e l o n g t ot h e h e n g h er e g i o n a l r o u n dw h i r l s t r u c t u r e ；t h em e n t i o n e d s t r u c t u r e sf o r m e di nm e s o z o i c ，a n dn w ws e tf a u l t sf o r m e dl a t e rt h a nt h e m ， t h i ss e to f f a u l t sm a yf o r m e di nt h el a t em e s o z o i co rc e n o z o i c h e n g h er e g i o n a l r o t m dw h i r ls t r u c t u r e r e m a r k a b l y m o v e da b o u t15 0 t h o u s a n dy e a r s a g o ，l e a dt o t h ea l m o s ts na r cf a u l t sc l o c k w i s ew r e n c h m o v e d ，t h eu p p e ra c t i v ef e a t u r eo fa l ls e t so ff a u l t si ns t u d ya r e ar e l a t e dt o t h i sm o v e m e n t t h e j o i n t e dr o c km a s s n e t w o r k si ns t u d ya r e aa r eo b v i o u s l yf r a c t a l ，a n dt h e i r a v e r a g ef r a c t a ld i m e n s i o nd i s1 1 7 7 5 ，t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eq u a l i t y o fr o c km a s si np o w e r h o u s ea r e ai sp r e f e r a b l y t h er o c km a s sb l o c kb e t w e e nf 0 0 2a n df 0 0 3c o u n t e r - c l o c k w i s em o v e d m a d et h ee d g eo fr o c km a s sb l o c k r i p p e d ，t h i si st h er e a s o no f t h a tt h e r ea r e l o t s o f l e a k a g e f a u l t s i n t h ee d g eo fr o c k m a s s b l o c k b u t f e w l e a k a g e f a u l t s i n t h ec e n t e l t h ei n t e r s e c t i n go ff 0 0 3a n dt 3 0 4m a d et h er o c kc r a s hn e a rb yt h ei n t e r s e c t l i n e s ot h ei n t e r s e c tl i n eb e c a m e s u p p l yc h a n n e l w a y a n d s t o r a g e o f u n d e r g r o u n dw a t e r t h a t sw h y t h e r ew a sa b u n d a n c ei n r u s ho fw a t e rw h e n e x e a v a t e dt h ef 3 0 4f a u l tb e l t k e y w o r d s ：h u i z h o uh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n f r a c t u r e s y s t e mj o i n t e d r o c km a s sn e t w o r k sf r a c t a lg e o m e t r yf r a c t a ld i m e n s i o n 中山大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章 、 绪论 惠州抽水蓄能电站位于博罗县罗阳镇，是广东省内兴建的第二座大型高水头 大容量纯抽水蓄能电站。电站距广州市1 1 2 k m ，距惠州市2 0 k m ，距深圳市7 7 k m 。 出广东省广电集团有限公司、广东核电投资公司和国家开发投资公司共同投资建 设。建成后服务于广东省电网，电站主要工程任务是，优化广东电网结构，提高 系统运行可靠性。电站分上下两个蓄水库，设计总装机容量2 4 0 0 姗。上水库位于 范家田，下水库位于上、下礤。上、下库自然高差约5 3 0 m ，范家田上库的地理坐 标为n 2 3 。1 3 2 2 ”，e 1 1 4 。2 1 7 2 6 ”；礤头下库的地理坐标为n 2 3 。1 6 7 0 7 ”， e 1 1 4 。1 8 3 4 ”。电网要求2 0 0 8 年6 月第一台机组发电，2 0 1 1 年3 月工程全面 竣工投产。工程静态投资7 0 4 亿元人民币“。 图1 1 研究区交通位置图 惠州蓄能电站岩体破裂体系及j 对t 程稳定性影响研究 地下厂房位于输水发电系统的中下游，分a 、b 两厂。每套地下厂。房洞室群主 要包括有地下厂房、主变洞、尾水闸门廊道、高压翁管、高压支管、尾水岔管、 尾水支管、尾水调压井等，占据面积约4 0 0 x5 0 0m 2 。此外还有交通洞、排风洞、 高压电缆洞、母线洞和排水廊道等与厂房和主变洞相连。每个地下厂房长15 2 m ， 宽2 1 5 m ，高4 9 4 m ，设计厂房拱顶高程1 6 9 9 0 m ，机组安装高程1 2 4 ，2 0 m ；高压 翕管直径巾= 8 0 3 5 m ，中心高程1 3 5 6 2 5 1 3 7 8 7 5 m ，最大内水静水头高= 6 2 2 7 5 m 。 图卜2厂房探洞布置图 厂房区探硐在平面上大致呈“井”字形( 图卜2 ) 。p d 0 1 、p d 0 1 4 、p d 0 1 5 为北东向，p d 0 1 1 、p d 0 1 2 走向东西、p d 0 1 3 与p d 0 1 6 走向近似东西。结合尾 调通气洞开挖布置的厂房区长探洞，其中尾调通气洞长9 5 8 。4 6 m ，利用作为厂房区 探洞长约2 9 0 m 。在尾调通气洞的末端布置了a 厂主探洞( p d 0 1 ) ，p d 0 1 在a 厂房 洞室群顶上中部穿过，方向n 1 0 。e ，与厂房轴线近正交，长4 1 5 0 9 2 m ；沿a 厂房 轴线布置西支洞p d 0 1 - 2 长1 5 0 m ，a 厂主变洞至b 厂主厂房东支洞p d 0 1 一l 长 4 0 0 m ( 位于b 厂房轴线上游3 0 m ) ，a 厂高岔支洞p d 0 1 3 长2 0 0 m ，累计长度约 2 1 2 3 5 6 m ，其中探洞长1 1 6 5 0 9 2 m 。探洞开挖尺寸宽高= 2 5 m 3 o m ，底板高 程2 4 5 6 2 4 7 。4 m ，距厂房顶拱7 5 7 0 7 7 5 m 。为查明b 厂下平洞、高压岔管、支 中山大学硕士学位论文 管、主变洞和尾水调压井等位置的工程地质条件，及1 3 0 4 往b 厂方向延伸的位置 及性状，布置了b 厂主探洞( p d 0 1 4 及p d 0 1 5 ) ，方向为n 2 5 。e ，即平行高压 引水支管，位置在5 撑高压引水支管正上方一上二游向穿过t 3 0 4 断裂破碎带约4 0 m ， 下游向穿过尾水调压井约3 0 m ，主探洞长度8 0 4 9 m ，并将a 厂高分支洞p d 0 1 3 延长2 0 9 1 6 m 交于p d 0 1 4 ；为查明b 厂高压岔管段的工程地质条件，在b 厂高压 岔管部位布置支探洞p d 0 1 6 ，洞长1 0 1 3 m ；为查明b 厂房东边界的工程地质条 件，东支洞p d 0 1 1 向东延长9 0 m ，针对b 厂房区及t 3 0 4 断裂勘察，累计布置探 洞长度1 2 0 5 3 6 m 。 1 2研究意义 电站地下厂房拟建于燕山晚期的上礤花岗岩体内。岩体内部破裂体系的发育 特征和相互关系，以及它们对岩体工程力学性质和地下水运移的影响，对电站地 下厂房的设计与建设至关重要。2 0 0 2 年4 月3 日，地质探硐掘进在桩号1 + 1 9 7 3 m 处，遇到了北东东向的1 3 0 4 断裂。探硐击穿f3 0 4 断裂面后，直径约3 0 c m 的强 劲水流从钻孔喷射而出，射距6 m ，单位时间流量达l m 3 s ；整个喷水过程为1 3 个小时，总涌水量达7 5 6 0 0m 3 ，而该处下方，正是设计中的电站地下厂房的所在 位置。为此，广东省水利水电勘测设计研究院与中山大学地球科学系陈国能教授 组织课题组，围绕1 3 0 4 的地表出露、空间展布、破碎带特征、活动期次与方式、 分枝派生构造，以及1 3 0 4 与其它方向的断裂及地质体的关系等问题展开研究。本 论文是该项研究的组成部分。 在查明区内断裂的基础上，本研究着重研究由不同方向断裂所夹持的地块中 的次级破裂、亦即节理体系的发育特征。由于岩体内的节理裂隙是多期地质构造 作用得产物，纵横交错，关系关系，时而平行产出，时而相互切割，其空间分布 也具有随机性。节理体系的发育大大降低岩体的强度和刚度，岩体工程中出现的 地质事故，绝大部分与软弱结构面有关。工程岩体的强度与稳定性主要取决于节 理的发育程度与节理的方位和力学性质，因此研究节理体系的发育特征、节理体 系的发育与断裂的关系，以及节理体系的发育对地下工程建设以及地下水运移等 方面的影响，对于电站地下工程设计和施工无疑具有重要实用的意义。 惠州蓄能电站岩体破裂体系及其对工程稳定性影响研究 1 3 研究内容与技术方案 在抽水蓄能电站选址过程中，广东省水利电力勘测设计研究院及其他相关单 位，对这一地区的区域构造，工程地质条件，区域稳定性，地震安全性，地应力 场，水文地质条件等，已进行过较多的研究“。陈国能教授领导的广东省水 利电力勘测设计研究院与中山大学地球科学系组成了联合课题组，着重对厂房区 内断裂的空间展布、破碎带特征、活动期次与方式、分枝派生构造，以及断裂与 地质体的关系等问题展开研究。该项研究发现了区域性的横河环形旋扭构造，并 确定该环形旋扭构造的形成主要与博罗断裂有关，与罗浮山断裂无关；旋扭构造 的扭动方向为右旋，最新一次活动高峰期可能发生在距今1 5 万年前左右；发现 电站所处的上礤花岗岩体不是单一的燕山中期岩体，而是由燕山中期和燕山晚期 岩体组成的复式岩体；区内混合岩的形成与早白垩世岩体的形成有关，与此相关 的尚有部分往往呈单脉产出的煌斑岩脉；而成群产出的中基性岩脉、沿断裂贯入 的石英一萤石方解石脉、以及断裂构造岩的硅化、黄铁矿化等，主要与晚白垩 世的岩浆活动有关；发现了电站厂房区范围内存在一个由三条向东突起的弧形断 裂组成的帚状旋扭构造，并证实该弧形构造主干断裂之一的f 0 0 3 与北东向的f 3 0 4 断裂相交，是探洞所见t 3 0 4 发育角砾岩带并曾大量涌水的主要原因。研究还查清 了研究区内五组主要断裂的力学性质、形成顺序和后期活动特征，以及各组断裂 与区内主要地质体，包括不同期次的花岗岩体、混合岩体、中基性岩脉和热液脉 体等的关系，同时，对近南北向弧形断裂的晚期活动特征及其所引起的构造和水 文地质效应，作了较系统的评价9 。 在上述研究的基础上，作者在导师指导下，重点研究厂房区岩体节理网络特 征及其工程稳定性的影响。通过断裂的野外调查和对地质探洞内不同区段节理体 系的实地测量和统计，应用分形理论，借助计算机分析厂房区岩体破裂体系的发 育特征，以及破裂体系对厂房区工程稳定性和水文地质条件的影响。对节理网络 分维值的计算是在s u r f e r 、a r c v i e w 、e x c e l 等软件的支持下完成。 论文研究的主要内容与基本思路见下图( 图1 3 ) 。 4 田堪曝*臻唧媳茁硬长_【田 惠州蓄能电站岩体破裂体系搜其对工程稳定性影响研究 1 4 节理体系研究方法的现状与进展 岩体节理体系的发育特征对岩体的工程力学性质和工程水文地质条件影响 甚大。所谓节理特征是指节理裂隙的方位、形态、规模、间距或密度、裂隙宽度、 粗糙度、壁面强度和充填性等1 2 ，自2 0 世纪7 0 年代以来，众多学者对此进行了 大量的研究，大大地推动了岩体力学和工程地质学科的发展【3 _ 1 2 】。从研究方法上 看，节理体系的研究方法主要有两种，即为统计学方法和分形几何方法 3 1 。 1 4 1 统计学方法 a 经典统计学参数 岩体节理表面粗糙不平，描述节理表面形态是一个纯几何问题。经典统计学对 节理表面形态的描述通常包括节理凸台高度、形状、倾角、以及分布等参数。 经典统计学的描述参数可分为三类 1 3 - 1 钉： ( 1 ) 振幅参数：主要反映节理凸台高度的变化，如中线均值c 、凸台高 度的均方值m 和均方根r ，以及绝对粗糙度k ； ( 2 ) 斜率参数：主要反殃接力凸台的形状，如凸台高度一阶导数即斜率 z 2 、二阶导数即曲率z 3 、凸台斜率为正的基线长度与凸台斜率为负 的基线长度之差与整个基线长度的比值z 4 、粗糙度指数r d 和平均 微角i 等； ( 3 ) 混合参数：既涉及振幅变化又涉及凸台变化，如结构函数s 、自相关 函数a c 和谱密度函数。 上述参数大多是从机械制造行业的摩擦学中引进的，如此多的参数似乎足以 掐写岩体节理的表面形态了，但实际情况并非如此。b a h a t ( 1 9 9 1 ) 甚至引进了 1 4 个参数来描述节理形态【2 0 1 ，几乎涉及了节理几何形态的方方面面，但结果并 未得到学术界和工程界的认同。 b 节理粗糙度系数 经典统计学对该问题的研究日益深入的同时，b a r l o n 等( 1 9 7 3 ) 从工程角 6 中山大学硕士学位论文 度出发提出节理粗糙度的综合参数 2 1 , 2 2 ，其中最具影响的是节理粗糙度系数j ， 该参数直到今天仍被广泛应用在工程实际中，其测试方法之一就是将实际节理剖 线与标准曲线进行比较，然后取值；另一种方法是对节理进行压剪实验，将实验 结果参照强度的经验公式进行反分析获得。 c 地质统计学参数 在统计学对节理表面形态定量描述的研究过程中，另一值得注意的研究成果 是地质统计学的方法。地质统计学的基本函数是所谓的经验方差或半经验方差函 数，定义为振幅变化的均方值。研究表明，节理形态可根据地质统计学的有关参 数如基台值、变程等进行描述。f e r r e o ( 1 9 9 0 ) 等发现了方差函数和j 问存在某 种联系叫，r o k o 等( 1 9 9 7 ) 的研究表明，通过在方差函数中引进方位角后，即 可用极坐标描述节理表面的各向异性伫4 1 。 1 4 2 分形几何方法 统计学方法对节理表面形态的描述比较复杂，且带有一定的主观性，其参数 也受到样本测量和步距仪器测量精度的影响【25 1 ，为此需要寻求独立于测量尺度 的参数来表征节理几何性质的方法。 m a n d e l b r o t ( 1 9 6 7 ) 创立分形几何学理论【2 t 2 ”，提供了一种描述自然界错综 复杂的无序事物的有效方法，被应用于众多学科领域。过去十几年间，分形几何 已广泛应用于岩体节理研究中口8 - 4 4 。对岩石节理裂隙的分形研究，早期主要集中 于对节理裂隙分形分布的验证、以及分维维数的计算等方面，近年来则主要集中 于探讨岩石变形规律和岩体质量评价等方面【5 3 】。 分维作为描述自然现象复杂程度的定量指标，可用于描述节理表面的复杂程 度。目前计算维数的方法有分割法、覆盖法、谱密度法以及方差函数法。分形几 何在节理剖线的描述中最令人关注的成果是建立了分形维数与j 间的关，不少研 究者都计算过标准节理粗糙度曲线的分形维数d 4 5 - 4 9 ，结果证实j 值越大，分维 越高，表明分维确实定量刻画了节理剖线的粗糙度。 尺度是分形测量中十分重要的概念，b r o w n 与s c h o l z ( 1 9 8 5 ) 最早提出了节 理分形测量中的尺度问题【50 1 ，发现并不是所有的尺度区域内都存在单一的分形 惠卅j 蓄能屯站岩体破裂体系及j 对工程稳定性影响研究 维数，而某一分维仅存在于一定的尺度区域内。其后，通过不少研究者的系统研 究，在这方面取得了众多重要进展 2 5 , 5 1 , 5 2 1 。与尺度效应相对应，各向异性也是 节理表面形态的重要特征之一 4 3 , 4 4 , 5 2 。 在岩石变形规律方面，h i r a t a ( 1 9 8 7 ) 等人研究了实验室条件下对岩石加力 后形成的微裂隙的分布分形1 5 4 ；b a r t o n ( 1 9 8 9 ) 等系统地研究了岩石露头上破 裂和节理的统计规律，在用数盒子法研究了内华达亚喀山附近熔岩的中新世凝灰 岩露头的裂隙后，发现裂隙具有分形分布的特点，并得出了d = i 7 的平均分维数 p 5 】；谢卫红( 1 9 9 7 ) 等运用“分形实验法”人为地生成具有分形结构的节理试 件进行实验分析，发现分维数能较好地表征节理的粗糙性，节理面的分维数是影 响节理变形特征的一个重要因素：在单压情况下，最大剪应力与节理面分维数d 呈非线性正比关系，而在压剪情况下，最大剪应力与节理面分维数d 成非线性 反比关系；分维数较小的节理，随着荷载的增大，最大剪应力最大值点的位置基 本上不变，而对于分维数较高的节理，随着荷载的增大，最大剪应力最大值点的 位置发生明显的变化【5 “。牛志仁等( 1 9 9 2 ) 的研究表明，岩石破裂是岩石内部 微裂隙成核、形成和传播的非平衡过程，岩石的分维是决定岩石脆性的一个重要 因素，分维值愈小，岩石愈脆【5 7 】。施行觉等( 1 9 9 2 ) 通过演示单轴受压破裂与 断裂面分形特征关系的研究，提出分维数的大小与岩石破裂时受力的方向及采样 的步长有关，而与样品的大小无关；沿作用力方向断面剖线分维值较高，垂直于 作用力方向分维值较低，因此有可能用分维值得大小来判断岩石破裂时原始作用 力的方位口”。 由于岩石节理裂隙的分形特征可以客观地反映这些线性构造的分布规律，而 这些线性构造又与岩体的稳定性密切相关，因此不少学者试图用节理裂隙的分形 特征来评价岩体的稳定性，例如易顺民( 1 9 9 4 ) 等人提出，岩体的分维可以比较 全面地反映了岩体的坚硬程度，完整程度、形成环境与工程地质特征，体现了岩 体质量的差异性，应用于岩体工程分类具有直观性强，物理意义明确、实用化程 度高等特点，并给出了据结构面迹长分维、结构面隙宽分维和结构面网络分维进 行岩体工程分类的方案【5 9 1 。杜时贵( 1 9 9 7 ) 等指出，分维数d 比岩石质量指标 r q d 更能客观地表征结构面呈不规则分布的岩体的完整性特征，可以直接用于 工程岩体质量分类，同时也给出了用分维数d 进行工程岩体质量分类的方案【6 0 】。 中山大学硕士学位论文 从上可见，分形理论应用于节理体系的研究中已经取得了重要进展，是一种行 之有效的方法，节理统计则是节理分形研究的基础。因此，在节理体系的研究中， 应该将两种方法紧密结合。 9 惠州蓄能电站岩体破裂体系及典对工程稳定性影响研究 第二章研究区区域地质地貌特征 2 1区域地形 本区地形总体表现为周边为中一高山。中部为平缓起伏的低山丘陵及冲积盆 地3 。主要盆地有东侧的惠( 阳) 一紫( 盒) 凹陷盆地和南侧的东江中下游冲积 平原。主要山脉则为西北部的罗浮山山脉。惠州抽水蓄能电站位于罗浮山山脉东 南端象头山。罗浮山最高点飞云顶高程为1 2 8 1 5 m ，象头山海拔高度一般7 0 0 9 0 0 m ，其最高点蟹眼顶高程为1 0 2 3 7 m ；分水岭延伸方向不规则，呈放射状及椭 圆形，水系由中心向四周分散；分水岭山坡陡峻，深谷峻岭交错剧烈，呈深割切 形态，河谷对称，横断面大都呈“v ”形：山脊起伏较大，坡度一般在2 0 3 0 0 ， 个别地方形成陡壁；山坡及山脊坡残积层发育，岩石出露程度约为3 0 ，大部 分出露在山顶和谷坡上。 区内山体大多浑圆雄厚，山顶较平坦，存在明显的剥蚀夷平现象，从分布高程 上看，主要分布有 1 0 0 0 r m7 0 0 8 0 0 m ；3 0 0 5 0 0 m ；1 0 0 2 0 0 m 等四级夷平 面。 2 2区域地质特征 2 2 1 区域地层 区内出露的地层包括震旦系、寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、 三叠系、侏罗系、白垩系、第三系及第四系。早期沉积岩均有不同程度的变质作 用。现将区内地层分述如下： 震旦系( z ) ： 主要出露于本区的中部及西南部，为一套浅海相类复理石建造：岩石深度变 质，主要岩性为石英片岩、变粒岩、石英岩、混合岩和花岗斜长片麻岩等。 早古生界( - 0 ) ： 1 0 中山大学硕十学位论文 主要有寒武系的八村群( b c ) 、奥陶系下黄坑组( o 。x h ) 和龙头寨组0 2 + 。i n ) ， 为一套滨海一浅海相的浅变质岩系，主要岩性为变质细粒石英砂岩、石英粉砂岩 和绢云母页岩等，主要分布于本区东部的平原丘陵区。 晚古生界( d - p ) ： 分布于本区东南部的平原丘陵地带。出露地层包括泥笳系桂头群( d 2 9 t ) 、 鼎湖山群( d 。d h ) 、天子岭组( d 。t ) 和帽子峰组( d 棚) ，石炭系龙江组( c 1 ) 、石 磴子组( c d s ) 、测水组( c 。d c ) 、黄龙群( c ：h n ) 和船山群( c 。c h ) ，二叠系栖霞 组( p q ) 、孤峰组( p 。g ) 和龙潭组( p ：1 ) ，属地台型沉积，以滨海一浅海陆源碎 屑建造和浅海碳酸盐岩建造为主。 中生界( t - 1 ) ： 出露的地层包括上三叠统艮口组( t 3 9 n ) ，为浅海相的碎屑岩建造，呈零星 小片分布于东南部；侏罗系金鸡组( j 。j ) 、漳平组( 山z h ) 、高基坪群( j 。g ) 以 及白垩系的官草湖群( k l g n ) 和大朗山组( k 。d ) 。侏罗一白垩系地层主要为滨浅 海一陆源碎屑岩建造及火山岩建造，广泛出露于南部和东北部丘陵地区。 新生界( e - q ) ： 主要沿东江和东部盆地分布，其中第三系为陆相红色类磨拉石建造，第四系 则为松散砂或砂砾，以洪积、冲积和坡积物为主。 根据地层的记录，本区地壳显然经历了三个不同的构造发展阶段，即从震旦 纪开始自早古生代的地槽发展阶段，晚古生代的地台发展阶段，以及中、新生代 的地洼发展阶段。 2 2 2 岩浆岩 区内出露的岩浆岩主要为花岗岩，有少量中、基性脉岩。绝大部分的花岗岩 形成于中生代。总的来说，印支旋回岩浆活动表现较弱，区内仅在博罗县西侧的 良用水库周围见有印支期的小岩体( y “”) ，岩性为细一中粒花岗斑岩，围岩为 震旦系的石英云母片岩。 燕山旋回岩浆活动强烈，活动次数频繁，尤其是在燕山中、晚期，形成了众 惠 k i - j 蓄能屯站岩体破裂体系及其对 程稳定性影响研究 多的燕山第三期( r ? ”) 和第四期( y ；“) 的花岗岩体。较大者如罗浮山岩体 ( 照片2 1 ) 、尖吉顶岩体、沙帽顶岩体等。电站厂房附近的象头山、礤头岩体 等也属于燕山晚期( 照片2 2 ) 。岩体群总体呈近东西或略北东东方向展布，与 燕山期的构造线的总体走向大体一致。燕山四期的岩性主要为细一中粗粒黑云母 花岗岩，晚期( y ；“) 则多为细粒一中细粒花岗岩和花岗斑岩。 照片2 - 1 罗浮山中粗粒斑状黑云母花岗岩 照片2 - 2 礤头中细粒花岗岩 中山大学砸+ 学位论文 除花岗岩外，区内还发育有少量中、基性岩脉( 照片2 3 ) ，岩性以煌斑岩 和闪长玢岩为主。 2 2 3 变质岩 照片2 - 3 侵入于花岗岩中的煌斑岩脉 区内变质岩可分为深变质岩和浅变质岩。浅变质岩系多分布于博罗断裂以东 地区，岩性以千枚状页岩、千枚岩以及浅变质砂页岩为主，原岩主要为寒武一奥 陶系的碎屑岩系。 深变质岩为混合岩，广泛分布于在博罗大断裂以西地区，原岩主要为震旦系 的沉积岩以及加里东期的岩浆岩。 2 3区域构造 根据卫星遥感图像的解译 ，惠州抽水蓄能电站主要区域断裂构造属于北东 向的新华夏构造系和环形( 旋扭) 构造系( 图2 1 ) 。 惠州蓄能电站岩体破裂体系及其对工程稳定性影响研究 图2 - 1 惠州抽水蓄能电站区域构造卫星遥感解译图( 文献) 黄色方框为惠州抽水蓄能电站所在位置；红色粗实线为博罗断裂。虚线为罗浮 山断裂；红色细线为环形旋扭断裂系和北西向断裂系 2 3 1 北东向构造系 北东向构造系主要断裂有博罗断裂和罗浮山断裂。电站位于这两条大断裂之 间，南东方向距博罗断裂约1 2 k m ，北西方向距罗浮山断裂约l o k m ( 图2 一1 ) 。 ( 1 ) 博罗断裂：断裂总体走向北东6 0 0 ，在卫星影像图上显示的线性特征甚 为清晰，其南东盘为丘陵或冲积平原，北西盘为中低山地形。据现有资 料，断裂倾向s e ，倾角4 0 - - 7 0 。；破碎带宽度2 0 - - 8 0 米，带内岩石强 烈挤压破碎，硅化、绿泥石化现象普遍；破碎带的物质来自前新生代的 1 4 中山大学硕士学位论文 岩石地层，下第三系未受显著影响，表明断裂压扭性质的活动主要发生 于中生代；在新生代，该断裂有过正断裂性质的活动，在其上盘( 南东 盘) 形成了多个新生代的断陷盆地，且沿断裂带发育有众多的断裂三角 面及断裂崖。与广东沿海众多断裂的最新活动时间一样，该断裂最新一 次的显著活动发生于晚更新世，在惠州农科所北侧，获得该断裂的热释 光年龄为1 5 4 9 0 + 0 0 7 0 万年。 ( 2 ) 罗浮山断裂：走向大体平行于博罗断裂，断裂所经部位也主要表现为负 地形，但在卫星影像图上，其显示远不如博罗断裂清晰。博罗断裂线性 特征明显，而且构成了两种地貌单元的分界线，而在罗浮山断裂带上， 表征断裂存在的沟谷多呈短线状，且方向变化不定，构成锯齿状折线。 究其原因，极有可能是该断裂横穿环形旋扭构造，从而被后者切割和叠 加的结果。 2 3 2 环形( 旋扭) 构造系 在图2 1 的中部和西北部，可以见到一个十分清晰的环形旋扭构造。环形旋 扭构造的旋涡中心大体位于博罗横河一带。据1 2 0 万区测资料【65 1 ，旋涡中心的 圆形或椭圆形地块主要由花岗岩和混合岩组成，其外围为一系列走向不同的弧形 断裂所围绕。惠州抽水蓄能电站位于环形构造的南东侧、由博罗断裂和罗浮山断 裂所夹持的长条形地块内( 图2 1 中的黄色方框) ；电站南东侧距博罗断裂的水 平距离约为l o 公里，北西侧距罗浮山断裂的水平距离约为1 2 公里；电站范围内 发育的近南北向弧形断裂应属于环形旋扭构造主旋回面的派生构造。 卫星影像图上的断裂构造，除上述北东向( 新华夏) 构造系和环形旋扭构造 系外，尚发育有一系列的北西向构造。该组构造规模不大，平面上呈直线分布， 走向为北西3 2 0 0 左右，主要发育于博罗断裂向南东凸起的弧形拐弯处的内侧，即 惠州抽水蓄能电站及其北东、南西两侧( 图2 1 ) 。 患卅l 蓄能电站岩体破裂体系及j e 对工程稳定性影响研究 第三章厂房区断裂发育特征 电站厂房区范围内发育有北东东、i k ：l v , 西、北西西、近南北( 弧形构造) 向 四组断裂。北东东向断裂与博罗断裂、罗浮山断裂及沿海地区众多的北东东向大 断裂一样，属于新华夏系的主干构造；i l ；i k 西向断裂为北东向断裂的配套构造， 构造岩常有硅化或其它类型的热液蚀变，而且沿断裂常有石英脉充填；北西西向 断裂规模不大，形成时代较新：近南北向弧形断裂属于区域性恒河旋扭构造的组 成部分，其主干断裂北段走向北北西，南段走向北北东至北东，构成一个向北收 敛、向东凸起、向南散开的弧形帚状构造( 图3 1 ) 。现将各组断裂分述如下： 图3 - 1 惠州抽水蓄能电站地下厂房断裂地质图c 据文献) 3 1 北东东向断裂 1 6 中山大学硕士学位论文 本组断裂走向一般为北东6 0 7 0 。，多倾向南东，少数倾向北西，倾角多 数在6 0 8 0 。间。 f 3 0 4 为厂房区主要的北东东向断裂，对地下厂房洞室群及高压隧洞的布置 影响甚大。地表所见的f 3 0 4 破碎带出露宽度 3 0 m ；总体走向n e7 0 0 ，倾向s e ， 倾角6 5 7 0 0 ：整个破碎带可分为上、下挤压透镜体带和中部碎裂岩带三部分。： ( 1 ) 上部挤压透镜体带 宽度1 - 2 m ，带内岩石强烈破碎，形成一系列大小不等的挤压透镜体和挤压 片理：构造透镜体长轴的延伸方向平行于断裂走向；构造岩后期硅化强烈，其内 分布有众多不规则石英团块和石英细脉，后者的宽度一般为o 2 5 c m 。硅化后的 挤压透镜体和挤压片岩质地坚硬，整体性好，抗水流切割能力强，在冲沟底部形 成跌水地形( 照片3 1 ) 。 照片3 - 1 f 3 0 4 上部挤压透镜体带，构造岩硅化强烈；硅化后的构造岩整体性好 质地坚硬，形成跌水地形( 镜头向北东) ( 2 ) 中部碎裂花岗岩带 1 7 惠州蓄能电站岩体破裂体系及其对工程稳定性影响研究 宽度约2 5 m ，位于上、下两个挤压破碎带之间，其内发育有一系列与断裂总 体走向平行或近乎平行的节理，节理密度多为1 0 3 0 条m ，局部更密，甚至形成 小规模的挤压破碎带( 照片3 2 ) 。碎裂花岗岩带也有较明显的硅化现象，裂隙内 时见有脉幅一般小于5 m m 石英细脉充填。 照片3 - 2 碎裂花岗岩带中部的密集节理带和小规模的挤压破碎带( 水流处) ( 镜头 向北东) ( 3 ) 下部挤压透镜体带 宽度3m 左右。 与上部带一样，岩石强烈破碎，形成挤压透镜体和挤压片 理( 照片3 3 ) ，但挤压透镜体带后期硅化更为强烈，尽管表面看来，挤压带内的 岩石十分破碎，但经硅化后，破碎的岩石已经胶结成为一个整体，十分坚硬。破 碎带下盘未受硅化作用的花岗岩，经河流水流此冲刷后已形成深坑，而硅化破碎 带则形成岩壁，从而使河流在两者之间形成瀑布( 照片3 3 ) 。 1 8 中山大学硕士学位论文 照片3 - 3 下部硅化挤压透镜体带全貌。断裂下界面( 照片右下角人坐处) 呈弧形 扭动，其上由强烈挤压破碎的岩石组成了一个大的透镜体，大透镜体内又发育一系 列次一级的透镜体，并有石英脉充填；照片中部为一个( 铁锤敲击处) 较为完整的 大透镜体，其上的岩石同样呈透镜状破碎；右下角的水潭为一级瀑布的水潭，其下 上发育有规模比其稍大的二级瀑布。 北东东向的压扭性断裂旁侧，发育有与其呈锐角相交的北东向张断裂，其内 长为后期脉体( 主要为石英脉、石英一萤石一方解石脉) 所充填( 照片3 4 ) ， 指示北东东向断裂形成时期力学性质应为左旋压扭性( 图3 2 ) 。 1 9 照片3 4p d 0 1 3 北东东向f 3 0 4 分枝断裂 破碎带，走向n 1 1 5 0 。，倾向南东，倾角6 0 6 5 。： 断面锯齿状；带内岩石呈角砾状破碎，并为 后期石英一萤石一方解石脉充填 惠州蓄能电站岩体破裂体系及其对工程稳定性影响研究 图3 2f 3 0 4 与其派生构造的力学关系示意图( 据文献) 从上可见，区内以t 3 0 4 为代表的北东东向断裂，与沿海地区的众多北东向 大断裂一样，同属于李四光所指的“新华夏系”构造。从构造岩有强烈的蚀变或 被脉体充填等现象，推测该组断裂应形成或定形于中生代。根据地表出露的情况， f 3 0 4 破碎带经受硅化作用之后，断裂两盘应没有发生过显著的相对运动。 3 2北北西向断裂 本组断裂走向多在3 3 0 - - 3 6 0 。之间，倾向北东，倾角较陡。断裂面宽度一般 几厘米至几十厘米，个别可达一米以上。在探洞中见到得北北西向断裂，多表现 为具有一定宽度的密集剪切裂隙带，并常有较强的