（地质工程专业论文）大岗山拱坝坝基（肩）控制性岩体结构的系统工程地质研究.pdf

摘要 大岗山拱坝坝基( 肩) 控制性岩体结构的系统工程地质研究 作者简介：覃礼貌，男，1 9 7 6 年1 0 月出生，2 0 0 3 年9 月师从于成都理工大学许模 教授，于2 0 0 7 年1 2 月获博士学位。 摘要 拱坝坝基( 肩) 的抗滑稳定和变形稳定性问题是引发拱坝安全事故的主要原因，对 坝基岩体的工程地质特征，尤其是对影响坝基( 肩) 抗滑稳定和变形稳定性的“控制性 岩体结构”的系统工程地质研究是拱坝设计和各项基础处理技术的关键。 拟建的大渡河大岗山拱坝，设计最大高度2 1 0 m ，总装机容量为2 6 0 0 m w 。坝区及 其区域工程地质条件复杂，坝基花岗岩体内缓倾断裂极为发育，而且还穿插多条辉绿岩 脉。缓裂和陡倾的辉绿岩脉及其组合特征是控制坝基( 肩) 抗滑稳定和变形稳定的“控 制性岩体结构”。 本文通过对大岗山拱坝坝基“控制性岩体结构”进行系统的工程地质研究，在把握 其建造一改造过程的基础上，按照改造机制和程度对其中的缓裂和辉绿岩脉主控裂面进 行工程地质分类，讨论其工程地质特性，评价其对坝肩抗滑稳定性的影响；根据辉绿岩 脉的变形破坏特征，讨论岩脉的岩体结构类型及其工程地质特性，评价其对坝基变形稳 定性的影响。通过这一系统研究，以期得到一套可为相似的或其它复杂地质条件下的工 程地质问题研究提供理论指导和实践借鉴的分析评价方法。 本论文对大岗山拱坝坝基中缓裂和辉绿岩脉及其组合形成的“控制性岩体结构”的 系统工程地质研究主要取得以下认识和成果： ( 1 ) 坝区区域地质构造背景复杂，先后经历了地槽、地台及地台活化三个阶段。 坝区花岗岩体形成于地槽期，强烈改造于地台活化期。中、新生代的地台活化期，长期 受劳亚陆块、羌塘一昌都陆块和扬子陆块不均匀的联合作用，构造一热液活动复杂。地 壳强烈隆升，花岗岩上覆地层及其本身遭受巨厚剥蚀。 ( 2 ) 坝区花岗岩位于黄草山花岗岩体的过渡相带，侵入成岩期的应力环境复杂， 既有区域的水平挤压应力，还受到底部岩浆自下而上的多期脉动式不均匀推挤作用，故 花岗岩体内部结构构造复杂，各种原生节理发育，是控制坝区花岗岩内缓裂发育的主要 因素。 ( 3 ) 通过对坝区缓裂的分布规律、几何形态和运动学特征等的构造解析，查明坝 区缓裂的成因一改造机制和过程。其总的成因机制主要有：原生建造、构造作用和浅表 生作用等机制，各大类中还可细分为几种具体的力学机制。其中，原生建造是主要成因 类型，控制缓裂的发育程度；构造和浅表生改造也可形成部分缓裂，但主要是起到“改 成都理t 大学博十学位论文 造”的作用，体现在缓裂规模的加大、力学性质的复合及性状的变化等，是控制坝区缓 裂工程地质特征的主要因素。 ( 4 ) 浅成的辉绿岩脉在快速冷凝中，内部矿物结晶习性不同，造成结构构造的不 均匀，受同期热液及后期构造动力蚀变作用强烈改造，形成绿泥石化蚀变岩，后期吸水 软化，形成坝基岩体中的软弱面( 夹层) ，控制拱坝坝基( 肩) 抗滑稳定性和变形稳定 性。 ( 5 ) 系统的研究了各类缓倾结构面和辉绿岩脉的工程地质特征，分别从“结构面” 和“岩体结构”的角度对其力学性状进行研究。 ( 6 ) 对坝肩抗滑稳定性进行计算评价，结果表明坝区辉绿岩脉和缓倾结构面对坝 肩抗滑稳定性具有重要影响，主要体现在右坝肩内存在三个块体，其剪摩抗滑稳定系数 为2 8 1 、2 7 6 和3 4 5 ，低于规范要求的3 5 ，须作适当处理，保证右坝肩岩体的整体稳定。 相对而言左岸稍好。 ( 7 ) 通过三维有限元( a n s y s ) 模拟分析坝肩岩体的变形稳定性，结果表明辉绿 岩脉对拱坝荷载作用下的坝肩变形稳定性也有重要影响，具体体现如下： 辉绿岩脉b 4 自身的变形量占右岸最大位移量的3 2 9 。 坝下穿过的辉绿岩脉b 8 内产生拉张应力，必然对拱坝的应力分布造成影响，需对 其进行一定的工程措施，确保拱坝的安全稳定。 关键词：大岗山拱坝，控制性岩体结构，缓倾裂隙，辉绿岩脉，成因一改造机制，坝基 ( 肩) 岩体稳定 i i a b s t r a c t s t u d y o ns y s t e m a t i c a le n g i n e e r i n gg e o l o g yo f c o n t r o l l i n gr o c k m a s ss t r u c t u r ei nd a g a n g s h a na r c h d a mf o u n d a t i o n i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：q i nl i m a o ，w a sb o mo no c t o b e r , 1 9 7 6 u n d e rt h eg u i d a n c eo f p r o f x um o h ew a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g ee n v i r o n m e n to fa n dc i “le n g m e e r i n 岛 c h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ea r c hd a mf o u n d a t i o ns t a b i l i t yo fs l i d i n ga n dd e f o r m a t i o ni st h em a i nc a u s ef o rt h e a c c i d e n to f t b ea r c hd a m 耵1 er e s e a r c ho ne n g i n e e r i n gg e o l o g i e a lp r o p e r t i e so f t h er o c km a s s i nd a mf o u n d a t i o n , e s p e c i a l l yo f “c o n t r o l l i n gr o c km a s ss t r u c t u r e c o n t r o l l i n ga b o v e s t a b i l i t y , i st h ek e y t od e s i g na n de a c hf o u n d a t i o nt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo f a r c hd a m 1 1 1 em a x i m a lh e i g h tp r o p o s e dd a g a n g s h a na r c hd a mi s2 1 0 ma n dt h ei n s t a l lc a p a c i t yi s 2 6 0 0 m w 1 1 1 ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nd a ms i t ea n di t sr e g i o na r ec o m p l e x t h e r en o to n l yw e l lg r e wl o wa n g l ef a u l t s ，b u ti n t e r p e n e t r a t e dl o t so fd i a b a s ed y k e si nt h e g r a n i t e 1 1 l el o wa n g l ef a u l t s d i a b a s od y k e sa n dt h e i rc o m p o u n dm o d ei n t h ed a mf o u n d a t i o n a r et h e “c o n t r o l l i n gr o c km a s ss t n a c t u r e ”，c o n t r o l l i n gt h es t a b i l i t yo f t h ed a mf o u n d a t i o n t h r o u g ht h es t u d yo ns y s t e m a t i c a le n g i n e e r i n gg e o l o g y ( s e g ) o fc o n t r o l l i n gr o c km a s s s t r u c t u r ei nd a g a n g s h a na r c hd a m ，b a s e do nk n o w l e d g eo fi t sf o r m a t i o n r e f o r m a t i o np r o c e s s ， t h i sp a p e rm a k e sae n g i n e e r i n gg e o l o g yc l a s s i f i c a t i o nf o rt h el o wa n g l ef a u l t sa n dt h e c o n t r o l l i n gp l a n e so ff r a c t u r ei nd i a b a s ed y k e sa c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n dg r a d eo f t h e r e f o r m a t i o n , d i s c u s s e si t se n g i n e e r i n gg e o l o g yc h a r a c t e r i s t i ca n dm a k e se v a l u a t i o no ft h e i r i m p a c tt os l i d i n gs t a b i l i t yi nd a ma b u t m e n t a c c o r d i n gt ot h ed e f o r m a t i o nf a i l u r ef e a t u r eo f d i a b a s ed y k e s ，t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h e i rs t r u c t u r et y p e s ，e n g i n e e r i n gg e o l o g y e h a r a e t e r i s t i ca n di m p a c tt ot h ed e f o r m a t i o ns t a b i l i t yi nd a mf o u n d a t i o n b a s e do nt h i s s y s t e m a t i cr e s e a r c h ，t h i sp a p e rs e a r c h e sf o ra na n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nm e t h o dt ot h es a m eo r t h eo t h e rc o m p l e xe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e m si ng u i d et h e o r ya n dp r a c t i c a lw o r k t h r o u g ha b o v er e s e a r c h , t h i sp a p e ra c h i e v e st h ef o l l o w i n g r e s u l t s ： 1 n 把d a ms i t ew i t hc o m p l e xr e g i o n a lt e c t o n i cb a c k g r o u n dh a se x p e r i e n c e d3t e c t o n i c s t a g e si n c l u d i n gg e o s y n c l i n es t a g e p l a t f o r ms t a g ea n dp l a t f o r ma c t i v a t i o ns t a g e 1 1 1 eg r a n i t e i nd a ms i t ew a sf o r m e di nt h ep e r i o do ft h eg e o s y n c l i n ea n ds t r o n g l yr e f o r m e di nt h ep e r i o d o fp l a t f o r ma c t i v a t i o n d u r i n gt h ep e r i o do fp l a t f o r ma c t i v a t i o ni nm e s o z o i ce r aa n d c e n o z o i ce r a , t h et e c t o n i c h y d r o t h e r m a la e t i v i t yi sc o m p l e xb e c a u s eo f t h eu n e v e na c t i o no f l a u r a s i al o n g t e r ml a n dm a s s ，t h eq i a n g t a n g - q a m d ol a n dm a s sa n dy a n g t z el a n dm a s s b e c a u s eo fs t r o n g l yc i l l s t a lu p l i f t i n g g r a n i t ea n di t so v e r l y i n gs t r a t ah a v eb e i n g 1 i c k b e d d e d d e n u d e dh ad a g a n g s h a na r c hd a ms i t e i l l 2 t h eg r a n i t ei nd a ms i t ei si nt h et r a n s i t i o nz o n eo fh u a n g c a o s h a ng r a n i t e 、i t l lc o m p l e x s t r e s se n v i r o n m e n td u r i n gt h ed i a g e n e t i cs t a g e b e c a u s eo ft h ea c t i o no ft h eh o r i z o n t a l d i r e c t i o np r e s sf r o mr e g i o n a lt e c t o n i cs t r e s sa n du n e v e np u s h i n gs t r e s sf r o mb o t t o mt ou p c a u s e db yt h ep u l s a t o r ym a g m a t i ci n t r u s i o n , t h e r eg r e wl o t so fp r i m a r yj o i n t si ng r a n i t ea n d t h u sc o n t r o l l e dt h ed e v e l o p m e n to f t h el o wa n g l ef a u l t s 3 b yt h es t r u c t u r ea n a l y s i st ot h ed i s t r i b u t i o n , g e o m e t r ya n dk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h el o wa n g l ef a u l t s ，m e c h a n i s ma n dp r o c e s so fg e n e s i s r e f o r m a t i o no ft h e mh a db e e n i d e n t i f i e d 1 1 1 em a j o rg e n e s i sm e c h a n i s mi n c l u d e sp r i m a r yf o r m a t i o n , t e c t o u l s ma n d e p i g e n e t i ca c t i o n a n de a c ho ft h e mc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lt y p e sa c c o r d i n gt ot h e i r m e c h a n i c a lm e c h a r f i s m t h ep r i m a r yf o r m a t i o ni s 廿l em a i nm e c h a n i s ma n dc o n t r o l l e dt 1 1 e d e v e l o p m e n to ft h el o wa n g l ef a u l t s a n dt h et e c t o n i s ma n de p i g e n e t i ea c t i o nc a u s e ds m a l l p a r to fl o wa n g l ef a u l t sa l s o ，b u ti tm a i n l yp l a y st h e “r e f o r m a t i o n r o l ea n dc o n t r o l st h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o wa n g l ef a u l t s ，s u c ha si n c r e a s i n gs c a l e ， m u l t i p l i c i t yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h ec h a n g eo f c h a r a c t e ra n ds oo n 4 b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tm i n e r a lc r y s t a l l i z a t i o nd u r i n gt h er a p i dc o n d e n s a t i o ns t a g e ， c a u s i n gi t su n e v e ns t r u c t u r e a n d f a b r i c ，h a v i n ge x p e r i e n c e d t h e s t r o n gs y n c h r o n o u s h y d r o t h e n n a la l t e r a t i o na n dt e c t o n i cd y n a m i cm e t a m o r p h i s m ，h y p a b y s s a ld i a b a s ed y k e s b e c o m et h ep l a n e so fw e a k n e s so rw e a ki n t e r c a l a t e dl a y e r sa n dc o n t r o lt h es l i d i n ga n d d e f o r m a t i o ns t a b i l i t yi nt h ed a mf o u n d a t i o n ( a b u t m e n t s ) 5 t 1 1 i sp a p e rg a v eas y s t e m a t i cs t u d i e so nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u st y p e so fl o wa n g l ef a u l t sa n dd i a b a s ed y k e s ，a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st r e a t i n gt h e m 嬲 w e a k n e s sp l a n e a n d r o c km a s ss t n l c t u r e 6 n l er e s u l t so ft h ed a ma b u t m e n ts l i d i n gs t a b i l i t yc a l c u l a t i o ns h o wt h ei i l l p o r t s m i n f l u e n c eo ft h ed i a b a s ed y k e sa n dl o wa n g l ef a u l t st ot h ed a ma b u t m e n ts l i d i n gs t a b i l i t y t h e r ea r et h r e eb l o c k si nr i g h td a ma b u t m e n tw i t hs h e a r - f r i c t i o nf a c t o ro f 2 8 1 ，2 7 6a n d3 4 5 ， w h i c ha r el o w e rt h a nt h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f3 5 ，a n ds h o u l db ed e a l tw i t hp r o p e r l y t oe n s u r et h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h er i g h ta b u t m e n t t h es l i d i n gs t a b i l i t yo ft h el e f td a m a b u t m e n ti sb e l f t e rr e l a t i v e l y 7 t kr e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i sb y3 df e m ( a n s y s ) s h o wt h a td i a b a s ed y k e s h a v ea ni m p o r t a n ti n f h e n c et ot h ed e f o r m a t i o ns t a b i l i t yo fd a mf o u n d a t i o n , a st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ea m o u n to f d e f o r m a t i o no fp 4o w n st h el a r g e s td i s p l a c e m e n to f r o c km a s si nr i g h t d a ma b u t m e n to f3 2 9 ( 2 ) t h e r et a k e sp l a c et e n s i o ns t r e s si np 8u n d e rt h ed a m , w h i c hw i l li n f l u e n c ed i s t r i b u t i o n o ft h es t r e s si nt h ed a m s o m ee n g i n e e r i n gm e a s u r e sm u s tb et a k e nt oe n s u r et h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo f a r c hd a m k e y w o r d s ：d a g a n g s h a na r c hd a m , c o n t r o l l i n gr o c km a s ss t r u c t u r e ，l o wa n g l ef a u l t ，d i a b a s e d y k e ，m e c h a n i s mo f g e n e s i s - r e f o r m a t i o n , r o c ks t a b i l i t yo f d a mf o u n d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：力仗 学位论文作者签名吖j 磊涉如。 年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡至太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签 2 p 7 年7 月日 ， 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据与研究意义 1 1 1 研究背景 我国地势西高东低，主要河流发源于世界屋脊青藏高原，向东奔流入海，蕴藏 着得天独厚的水能资源。据统计，我国水电理论蕴藏容量为世界之最，水能资源非常丰 富，但开发利用程度较低，仅为可开发容量的1 7 ，较世界各工业发达国家4 0 以上l l j 的均值水平仍有一定差距。 随着我国国民经济的不断发展，能源和环境问题将是制约我国经济健康、快速和持 续发展的重要因素【2 j 。由于水电资源具有“可再生和清洁”的突出特点和我国巨大的水 电资源开发潜力，因此，开发水电资源将是我国实现经济腾飞和民族振兴的必然选择。 同时，我国水力资源的分布极不均匀，主要集中在西南地区，其中大渡河、雅砻江、金 沙江、澜沧江和怒江等五大江河水能蕴藏量占全国可开发水能资源的6 8 3 1 。且本区多 处川滇横断山脉的高山峡谷地区，是修建高坝、大库、巨型水电枢纽工程的理想场所。 然而，西南地区处欧亚板块和印度板块的接壤地带，构造一岩浆活动历史悠久，且 新生代以来一直受到青藏高原抬升构造运动控制，新构造变动强烈【4 】，是我国自然环境 和地质背景极为复杂的一个地区。主要体现在：“地壳长期抬升，河流急剧下切，物理 地质作用发育，河谷岸坡及山体稳定性差；现今构造运动剧烈、地壳持续变形、地震成 带分布，震级大、烈度高、发震频繁，区域稳定性问题突出；有多期构造运动作用，地 应力高，深大断裂发育，地质构造复杂，工程地质条件不均一，很多地段工程岩体稳定 性有问题”【5 1 。 在这样一种迫切的社会经济发展需求和复杂的自然地质条件下，我国西南地区水 电开发任务艰巨、前景光明，同时也面l 临着巨大的困难与挑战。目前，西南地区金沙 江、大渡河、澜沧江和雅砻江等主要干流各梯级水电开发工程的勘测、设计和施工都 在不同程度的进行着，所遇到的各种工程地质问题也越来越多，越来越复杂。 在这些已建的和待修建的水电工程中，拱坝工程以其特殊的结构特性而倍受青 睐，如溪洛渡、锦屏一级、小湾、二滩和龙滩等巨型水电工程都为拱坝工程。拱坝是 一种超静定结构，具有较强的超载和抗震能力，而且还是一种节省材料的经济坝型 州。同时，由于拱坝稳定性主要由两岸基岩承担，对坝基岩体的均一性、承载能力 以及坝肩岩体的稳定性也有较高的要求 7 , 9 - 1 1 】。根据国际大坝委员会世界大坝登记 ( 1 9 8 8 ) 一书统计，截至1 9 8 6 年，全世界已建成坝高5 1 5 m 的拱坝有1 6 0 0 余座，真 正溃坝的只有2 座，即中国梅花坝和法国m a l p a s s e t 坝，前者为设计失误 1 2 3 3 】，后者 主要是由于坝基岩体失稳滑动造成的”。此外，我国的梅山连拱坝事故也和坝基岩 体变形破裂有关 1 3 , 1 8 】。这些经验教训使人们清醒的认识到必须加强对拱坝坝基及两岸 坝肩岩体工程地质特性的研究。而在地质环境条件独特而复杂的西南地区，这种研究 成都理工大学博十学位论文 将更为迫切，技术要求和难度也更大。 1 1 2 大岗山拱坝工程概况及其主要工程地质问题 1 1 2 1 工程概况 拟建的大岗山拱坝位于四川省雅安市石棉县挖角乡境内的大渡河中游上段的中 高山峡谷地区，上游与规划的硬梁包电站尾水相接，下游与规划的龙头石水库相接， 是大渡河干流规划的2 2 个梯级中的第1 4 个梯级电站，为近期开发的大型水电工程之 一。坝址距下游石棉县城约4 0 k m ，上游距泸定县城约7 2 k i n ，有泸定一石棉公路经 过，交通较为方便( 图1 一1 ) 。 图1 1 大岗山水电站交通位置图 大岗山水电站控制流域面积达6 2 7 万平方公里，占全流域的8 1 。设计坝型为 混凝土双曲拱坝，正常蓄水位1 1 3 0 m ，坝顶高程为1 1 3 5 r n ，最大坝高2 1 0 m ，总库容 7 4 2 亿m 3 ，电站装机容量为2 6 0 0 m w ( 4 x 6 5 0 m w ) 。引水发电建筑物由进水e l 、4 条压力管道、地下厂房、主变室、尾水调压室和两条尾水洞组成。泄洪建筑物由坝身 4 个深孔和右岸1 条泄洪洞组成。根据其工程规模、效益、在国民经济中的地位，本 工程为i 级工程，主要建筑物为l 级，次要建筑物为3 级【6 】。 1 1 2 2 勘察研究进展 大岗山水电站工程地质勘察始于1 9 7 7 年，经历了规划阶段( 1 9 7 7 1 9 8 3 年) 、预 可行性研究阶段( 2 0 0 3 2 0 0 4 ) 、可行性研究阶段( 2 0 0 4 2 0 0 5 ) 和初步设计阶段 2 第1 章前言 ( 2 0 0 5 2 0 0 6 ) 四个阶段，先后完成了坝区区域构造地震安全性评价、坝址及坝型选 择等，同时还重点对坝基岩体中存在的工程地质问题提出了各种意见及建议。 ( 1 ) 规划阶段1 9 7 7 年1 9 8 3 年，主要完成大岗山水电站规划阶段工程地质勘 察和开发研究工作，推荐大岗山水电站为近期开发的水电工程之一。 ( 2 ) 预可行性研究阶段2 0 0 3 年初2 0 0 4 年1 0 月，主要完成预可行性研究阶 段的工程地质勘测工作，初步选定坝址，主要涉及区域构造稳定性和坝基岩体稳定性 问题。其中影响坝基岩体稳定性的工程地质条件包括：岩体风化卸荷强烈；岩体破碎， 各类结构面较为发育，尤其是缓倾角裂隙及断层发育；岩体蚀变；辉绿岩脉的绿泥石 化蚀变和挤压破碎，形成断层( 坝区较具规模的断层多与辉绿岩脉有关) ，而且其走 向非常不利于拱坝的坝肩抗滑和抗变形压缩等。 ( 3 ) 可行性研究阶段2 0 0 4 年1 1 月2 0 0 5 年5 月，经过进一步的勘测研究工 作，完成了坝址及枢纽布置选择和工程区域稳定安全评价工作，并针对超过2 0 0 米的 特高拱坝1 2 0 j 对坝基的高要求，重点提出了对大岗山拱坝坝基岩体工程地质特性进一步 研究的要求，主要包括：坝区小断层及缓裂的统计分析和勘探工作；两岸坝肩抗滑稳 定的边界条件和相应的力学参数，细化坝基岩体分类等。 ( 4 ) 初步设计阶段2 0 0 5 年5 月2 0 0 6 年3 月，在可行性研究阶段选定的坝址 和建筑物场地上，查明水库及建筑物区的工程地质条件，进行选定坝型枢纽布置的地 质论证和提供建筑物设计所需的工程地质资料。 1 1 2 3 坝基( 肩) 主要工程地质问题 随着各项研究工作的不断深入，勘察设计单位和科研单位都认识到坝区古老的晋 宁一澄江期花岗岩体经历了复杂的构造一岩浆活动，作为特高拱坝坝基( 肩) 工程岩 体，存在着一系列工程地质问题： ( 1 ) 坝基( 肩) 古老的花岗岩体在复杂的自然地质环境中，经历了长期频繁的 构造一热液活动和浅表生改造作用，岩体( 石) 物理力学性质较差，明显低于很多工 程场区同类岩石( 表1 1 ) 。 ( 2 ) 坝基( 肩) 花岗岩体中穿插的辉绿岩脉脉体破碎，常伴生断层，破碎岩体 遇水软泥化，极大降低岩脉的抗变形强度及相关结构面的抗剪强度。 ( 3 ) 坝基( 肩) 岩体中裂隙发育，尤其是缓倾角结构面最为发育，不仅破坏了 岩体的完整性，影响坝肩抗滑稳定，还造成工程岩体力学性质的各向异性。 上述工程地质问题是坝区复杂的岩体结构特征的具体体现，都将不同程度的影响 坝基( 肩) 岩体的变形破坏特征和力学特性，进而影响坝基( 肩) 岩体的稳定。 因此，如何面对坝区错综复杂的岩体结构特征，采取有效的研究思路及方法，科 学评价其工程影响，不仅为大岗山拱坝本身的勘察设计施工工作提供科学依据，同时 也对西南地区复杂地质环境条件下的其它重大水电工程的工程地质问题研究具有重 要理论指导意义和实践借鉴价值。 基于此，作者以导师负责的“大渡河大岗山水电站枢纽区岩体特性及其工程适宜 性研究”课题为依托，在导师指导下，抓住拱坝坝基( 肩) 岩体内的主要敏感工程地 质问题，对坝基( 肩) 岩体内的缓倾结构面和辉绿岩脉及其组合形成的“控制性岩体 成都理1 = 大学博十学位论文 结构”( 详见第三章) 特征进行系统的工程地质研究。 表1 1 国内部分花岗岩地区水电工程坝区岩石物理力学参数对比 i 样成岩 岩石性状 容重吸水率抗压强度( m p a )e 抗剪强度 备注 名称时期 g c m ( ) 干抗压湿抗压 g p af c ( k p a ) 中细粒，新鲜 2 6 20 2 32 4 3 1 2 0 9 5 5 42o 5 6 51 1 3 5 东江 燕山糖l 粒，新鲜 2 6 20 2 61 8 5 7 1 7 3 5 lo 5 34 2 细粒，新鲜5 50 5 27 3 粗1 粒，新鲜 2 5 20 9 91 8 3 41 3 7 1 紧水滩燕山 j l 粒弱风化 2 5 20 5 l1 4 5 8 9 9 95 4 中粒，微新风化 2 6 10 3 41 1 2 58 53 9 31 1 l 2 2 3 0 三轴 广州莆 燕山 中粒弱风化2 5 5 0 69 06 33 5 能电站 机粒，蚀变 2 4 42 4 72 3 31 07 6o 4 13 2 0 强风化2 43 i3 31 5 4 9 梅山 燕山细粒，微风化 0 0 0 61 0 4 51 0 00 6 51 0 0 水库 燕山 弱风化2 5 90 4 12 0 21 4 6 75 3 9 棉花滩 1 7 3 早期新鲜 2 5 90 3 7 1 3 6 7 5 3 2 2 1 59 2 明0 1 21 5 61 1 0 2o 9 3 *4 0 0 三轴 拉西瓦印支 中细粒，新鲜 2 6 80 1 38 0 * 三轴 中粗粒弱风化 2 6 1o 41 4 251 1 80 7 2 2 车5 7 5 * 缓节理 龚嘴 澄江 面、饱水 中辑l 粒微风化 2 60 2 71 4 9 61 2 7 41 _ 3 1 4 9 0 * 十现场值 微新 2 6 30 31 0 38 1 63 8 80 9 弱风化下段 2 6 20 5 3 7 0 4 5 22 6 50 7 5 大岗山 澄江 弱下、弱卸荷 2 6 lo 5 56 0 64 3 82 3 90 6 5 弱风化上段 2 60 6 55 5 83 8 12 1 70 6 全强风化2 5 11 7 l1 7 5 1 0 8 57 10 3 5 注：除丈岗山坝区外，其余坝区花岗岩体物理力学参数均取自文献 2 1 1 2 国内外研究历史及现状 人类修建拱坝始于古罗马时期，有着悠久的历史【7 j 2 。经过长期的拱坝建设实践， 人们逐步形成了各种拱坝设计和坝体应力分析的理论，如：簿壁圆筒公式、固端拱法、 拱梁荷载法、伏格特地基法和试载法等，为拱坝建设作出了重要贡献。但在早期，人 们往往忽视坝基岩体对拱坝安全稳定性的影响，只强调坝身的设计和优化，尤其在欧 洲，各国修建了一大批又高又薄的拱坝。直到1 9 5 9 年1 2 月2 日，法国马尔帕赛拱坝 溃坝，造成巨大的生命财产损失。此次失事，在拱坝史上具有重要地位，是人们对拱 坝整体稳定性分析评价思路的一个重要转折田】由重视坝工上部结构研究转向重 视坝基( 肩) 岩体工程研究。坝基( 肩) 岩体工程及其其它相关理论的研究也得到不 断的发展和运用。 4 第1 章前言 1 2 1 工程地质的系统观 工程地质研究是一个复杂的系统工程，涉及多种学科、多个专业和多种方法，忽视 其系统功能，就会造成系统内部各学科间的脱节现象，如忽视上部工程结构特征和规模 的地质勘察，其结果往往不能满足工程设计的需要，造成大量的人力物力资源的浪费， 甚至在地质勘察中出现无的放矢、避重就轻、本末倒置等现象，造成设计失误，工程失 效等重大事故。因此，目前工程地质研究发展的一个重要趋势就是如何有效的集中其它 学科的新理论和新方法去解决工程建设中出现的各种复杂地质问题1 2 4 1 。 在国外，首先出现了“岩土工程”的概念，代表人为奥地利的缪勒教授等，其共同 特点是除了上层建筑由专业设计师负责设计外，边坡和地下结构等勘察与设计、甚至包 括施工设计全部由地质师和岩石力学专家共同负责，按照这种方式，地质师的任务不仅 是勘察，而且还有亲自参加设计，解决了地质与工程的脱节问题。 崔政权大师 2 4 1 ( 1 9 9 2 ) 提出“系统工程地质( s e g ) ”理论，认为在传统的工程地 质研究中，工程地质勘察与设计施工存在一些不协调情况，这只能通过以优化为最终目 标的系统工程理论来解决，在这个目标前提下，考虑到各个专业的侧重点有所不同，具 有相对的独立性，所以还需相互协调，体现了s e g 的整体性与协调性原则。其首要任 务就是协调地质学观点与工程学观点的关系，即在统一的目标下，前者提供地质问题形 成的条件和过程，后者侧重于这类地质问题在附加形变渗流场中所起的作用。这又体现 了对地质体认知的从被动态到主动态的转变过程。s e g 的基础及核心工作就是如何将 地质现象描述转化为形变渗流场特性描述，并建立可供工程设计直接依据的地质数学模 型( g m m ) ，具体而言就是用地质参数、岩体力学参数、岩体水力学参数和地球物理参 数等四大参数描述地质体固有特性的不同表现形式，建立g m m 。 张倬元，王士天，王兰生教授【2 5 1 ( 1 9 9 2 ) 提出了机制分析、过程模拟、定量评价 的研究思想，认为地质体有其自身发生、发展、变化的过程，将对地质现象的研究与现 代岩体力学、数学力学、测试技术和计算技术结合在一起，实现地质参量或岩体力学参 量的定量描述和表达，实现对地质体演变全过程的模拟再现，以发展的眼光和系统工程 地质学的观点对地质体变形破坏演变过程及其所代表的稳定性状态和未来的发展趋势 做出评价和预测。 孙广忠教授1 2 6 ( 1 9 9 6 ) 提出“地质工程”理论，认为这是工程地质学的发展方向 之一，也是重点解决工程地质勘察与设计的脱节问题。他提出地质工程的基础是地质， 地质对地质工程具有控制作用，即“地质构造控制论”。地质构造不仅是一种过程，主 要包括地质体的发生、发展到现状和宏观上的预测未来，还是一种运动结果的表现形式， 即工程岩体的结构及性状特征和其它工程地质环境等。其对工程的控制作用是通过岩体 结构及其工程力学效应来体现，即“岩体结构控制论”，主要体现在岩体结构对岩体变 形、岩体破坏和岩体力学性质规律的控制。上述两个“控制论”总称“地质控制论”， 是地质工程的基本理论。自此基础上，可通过地质工程的技术理论对地质进行改造。 黄润秋教授等1 3 1 通过多年水利水电岩体工程的研究实践，以系统工程理论为基础， 建立了一套工程岩体稳定性评价理论及方法。这一体系认为复杂环境下工程岩体稳定性 研究是一个系统工程问题，应采用现代科学的主导思维方法一“系统分析法”作为解 成都理丁大学博十学位论文 决这一问题的主导思想方法论。在研究中强调“动态”，突出历史观、工程观、系统观 和非线性观；倡导地质过程的机制分析；强调地质与工程的结合，定性分析与定量评价 的结合，系统思维与不确定思维的结合，科学的世界观与辩证的方法论的统一，传统与 现代的统一。 成勘院【2 3 】结合二滩工程的研究，在不断总结实践经验和吸收新的技术方法的基础 上，提出坝基岩体工程研究体系，即“分层多元系统分析法”，形成坝基岩体工程研究 的总体技术路线，也是系统工程理论在坝基岩体工程研究中的具体化。所谓“分层”即 是在研究思路和方法上要分层次分步骤进行，由基础做起，层层深入；“多元”则是对 制约和影响岩体工程特性的各主要因素进行深入研究；“系统”就是在分层、多元研究 的基础上，将众多因素纳入一个系统进行研究，即重视各组的特点，又强调彼此间的耦 合作用和影响，纵横联系形成系统认识和完整概念。“分层多元系统分析法”从广义上 建立岩体和环境模型、岩体力学模型、工程岩体模型、岩体工程优化模型、监测反馈模 型的研究层次和彼此关联的体系。 1 2 2 岩体结构工程地质特征 岩体结构就是结构面和结构体两大岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式1 2 6 1 。 岩体结构的研究对于工程岩体变形和破坏规律、力学特征及其强度预测，以及分析岩 体变形和破坏对工程结构稳定的影响都具有重要作用。其中结构面是岩体