金沙江鹤滩水电站工程玄武岩柱体结构面特征

金沙江鹤滩水电站工程玄武岩柱体结构面特征

1抗构造变形特性与工程地质鹤滩水库位于四川省宁南县马陆乡与云南省乔家县苗族水库交界处的峡谷中。这是金沙江下游四个级水电站中的第二个，距离西洛渡水库195公里。电站由混凝土双曲拱坝、地下厂房、两岸山体泄洪洞等建筑物组成，坝高约289m，总库容205×108m3，初拟电站装机容量14004MW，是我国西电东送的骨干电源点，也是我国继长江三峡工程、溪洛渡水电站之后开展前期工作的又一座千万千瓦级的水电站。柱状节理是玄武岩特有的构造，它往往将玄武岩切割成六棱柱状或其他形状不规则的棱柱状。白鹤滩水电站坝址区玄武岩部分岩层中不仅发育柱状节理，而且在柱状节理切割的柱体内发育不规则的纵向(平行柱体)与横向(垂直柱体)微裂隙，岩体中还发育较多的缓倾角结构面，柱状节理及微裂隙切割后岩体中岩块的直径一般为10cm左右，这也是白鹤滩柱状节理玄武岩的特点，从传统工程地质和岩体质量分类角度看，属于完整性较差岩体。柱状节理玄武岩的变形性能是否满足高拱坝坝基严格的变形要求，是金沙江白鹤滩水电站的主要工程地质问题之一。R.Mallet在1875年开始的对玄武岩柱状节理特征和形成机制的研究可能是人类历史上对柱状节理玄武岩最早开始的科学研究，自此有很多学者进行了柱状节理成因机制的研究。由于在柱状节理玄武岩地区进行工程建设的需要，柱状节理玄武岩工程特性的研究也得到开展。近年来，就玄武岩的一些特定问题开展了专题研究工作。比如，V.Moon和J.Jayawardane采用地球化学方法进行了玄武岩风化特征的研究，黄国明等对一般玄武岩(非柱状节理)的力学与变形特性等进行了研究。而对柱状节理玄武岩的力学与变形特性研究较少。一般来说，柱状节理玄武岩铅直向的变形模量要大于水平向，而白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量，表现出变形性能明显的各向异性，其原因值得研究。宁宇等对白鹤滩柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度进行了研究。柱状节理玄武岩作为坝基岩体的工程较少见，作为高拱坝坝基岩体的尚未见报道。本文在深入研究白鹤滩柱状节理玄武岩的特点后，以大量的测试和现场试验工作为基础，对白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩的物理力学特性进行了系统的研究，分析了影响柱状节理玄武岩岩体变形特性的因素和变形性能各向异性的原因。2抗混质充填体状况下岩体特征白鹤滩水电站坝区属中山峡谷地貌，金沙江总体由南向北流。坝址为单斜地层，岩层主要为二叠系上统峨眉山组玄武岩，可划分为11个岩流层，岩层走向N30°～50°E，倾向SE，倾角15°～25°。玄武岩岩性主要分为斜斑玄武岩、隐晶玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩等6种。右岸岸坡顶部出露三叠系下统飞仙关组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及少量砂岩。柱状节理的发育是不均匀的，柱体大小、长度也不相同，可以将柱状节理玄武岩分为3类。其中一类柱状节理发育的密度较大，柱状节理面呈起伏状，较粗糙，大多未切割岩体成完整的柱体，柱体长度为2～3m，直径为13～25cm，岩石呈灰黑色，其内微裂隙发育，岩块直径为5cm左右，但未完全切断，呈柱状镶嵌结构，主要分布在P2β32,P2β33两个亚层内；二类柱状节理发育不规则，未切割成完整的柱体，柱体长度为0.5～2.0m，直径为25～50cm，其内微裂隙较发育，但相互咬合，未完全切断，岩块直径为10cm左右，主要分布在P2β32,P2β61,P2β71,P2β82亚层；3类柱状节理发育程度更差，对岩体工程特性影响较小，按非柱状节理玄武岩对待。P2β32,P2β33两亚层柱状节理最发育，为一类柱状节理玄武岩，其厚度分别为24和55m，是研究的重点，其剖面分布情况如图1所示，典型的一类柱状节理玄武岩如图2所示。岩体特性主要受3个方面因素的影响，即岩石条件、岩体中结构面条件、岩体所处的应力环境。柱状节理玄武岩岩块本身为致密的隐晶质玄武岩，岩石室内试验成果表明，岩石块体密度为2.90g/cm3，颗粒密度为2.93g/cm3，岩块自然状态下单轴抗压强度平均值在100MPa以上，岩块自然状态下变形模量平均值为65.1GPa，强制饱和条件下的变形模量平均值为51.6GPa。这些指标说明柱状节理玄武岩中的岩块本身具有良好的强度和刚度，属坚硬岩，不成为弱化岩体力学特性的因素。因此，岩体结构面发育特征和岩体受力条件成为影响柱状节理玄武岩基本力学特性的重要因素，特别地，结构面状态与岩体受力条件密切相关，即二者之间的相互关系是需要注意的环节。柱状节理玄武岩中的结构面主要是柱状节理、微裂隙和缓倾角结构面，缓倾角结构面包括缓倾角错动带(剪切带)和缓倾角裂隙。柱状节理和微裂隙具有典型的刚性特征和起伏特征，岩体没有扰动条件下呈闭合状，扰动以后张开显现。缓倾角错动带则为软弱结构面，缓倾角裂隙大多为硬性结构面，较平直，切断柱体。工程地质研究结果表明，白鹤滩坝址区柱状节理及柱体内的微裂隙应为冷却收缩作用形成，属于与岩石同期形成的原生构造。缓倾角结构面则是地质构造作用形成的。这些原生和构造结构面在河谷下切过程中受到了不同程度和方式的改造。在坝址区两岸采用水压致裂法和应力解除法进行了地应力测试，左岸第一主应力平均值为15.6MPa，右岸第一主应力平均值为21.8MPa，方向均以NEE为主，倾角近水平，属中等偏高应力水平。地应力测试成果表明，坝区以构造应力为主，水平主应力起主导作用。深切河谷地区特殊的地应力场分布，使得在某些部位布置的勘探平洞可以显著地改变洞周地应力分布。调查结果表明，低高程勘探平洞在岩体相对完整洞段出现了顶拱片帮现象，揭示了平洞开挖改变围岩应力分布，二次应力场中水平应力占主导地位，并可以导致围岩出现高应力型破坏。在柱状节理玄武岩段，由于岩体完整性或围岩应力的原因，开挖后围岩中没有剧烈的片帮破坏，节理张开显现是主要的响应方式，它可能影响洞壁岩体力学试验的结果。3柱结理玄武岩力学特性测试针对白鹤滩柱状节理玄武岩的特点，采用了声波测试、地震波测试、经验估计、室内试验、现场试验等多种手段来研究其基本力学特性。3.1抗波测试成果对坝址区揭露的柱状节理玄武岩平洞，进行了洞壁岩体地震波测试和声波测试，声波孔一般位于下游壁，距洞底板约1m，孔深1.8m，水平布置。柱状节理玄武岩弹性波测试成果统计如表1所示，柱状节理玄武岩声波速度一般高于地震波速度的14%左右。因此，单从岩体弹性波波速较高看，岩体似乎应具有良好的物理力学特性。另外，为了研究洞壁岩体的松弛，选择2个断面对洞周岩体进行了声波测试。根据波速随孔深分布曲线判断，洞周岩体松弛明显，松弛厚度一般小于0.5m，且洞底和洞顶的松弛厚度大于两侧洞壁。3.2岩体微新状态变形模量岩体的变形模量是高拱坝设计的一个重要岩体力学指标，确定岩体变形模量的方法很多，经验方法可以帮助宏观了解岩体的基本变形特征。白鹤滩柱状节理玄武岩目前还没有哪种岩体质量分类方法完全适用，采用多种方法比较后进行综合分类。微新状态的二类柱状节理玄武岩为II类岩体，微新状态的一类柱状节理玄武岩为III1类岩体，弱风化下段的一类柱状节理玄武岩为III2类岩体。表2给出了柱状节理玄武岩变形模量的经验估计。其中，III1类岩体的变形模量均在11GPa以上。岩体基本质量分级和基于E-Vp关系一样，采用了岩体声波波速指标，RMR经验公式计算岩体变形模量建立在岩体质量RMR分级基础上。由于声波波速较高，岩体基本质量分级和基于E-Vp关系估计的岩体变形模量均较高。利用勘探平洞进行围岩RMR分类时，平洞开挖导致结构面张开显现得到充分考虑，影响围岩分类结果，从而导致基于RMR经验公式计算的变形模量偏低。3.3钻孔弹模测试方法柱状节理玄武岩变形模量现场试验采用了传统的刚性承压板法、柔性枕中心孔法和钻孔弹模测试。刚性承压板法是通过建立压力与承压板以下岩体变形的关系而获得岩体的变形模量。图3给出了刚性承压板法试验点的荷载–变形曲线，图中拟合直线的斜率即为岩体的变形模量。柔性枕中心孔法是在承压板中心进行钻孔，埋设位移计，加载后可以测到不同孔深岩体的变形，通过建立荷载与变形的关系而获得岩体变形模量。钻孔弹模测试是在钻孔内不同孔深的孔壁上进行小型刚性承压板法试验，从而获得不同孔深的岩体变形模量。表3汇总了柱状节理玄武岩变形模量的试验结果，其中的水平向变形模量是指试验点位于平洞侧壁，加载方向为水平，即与柱体基本垂直而获得的变形模量；铅直向变形模量是指试验点位于平洞底板，加载方向为铅直向下，即与柱体近于平行而与缓倾裂隙近于垂直而获得的变形模量。表3中中心孔法岩体变形模量是指孔深1m以下岩体的变形模量。钻孔弹模测试变形模量是指孔深1m以下岩体的变形模量，且表中的数据是多个试验点获得的数据的算术平均值。相对于刚性承压板而言，中心孔法和钻孔弹模测试方法很大程度上消除了洞周围岩表层松弛的影响，表现在表3中刚性承压板法获得的铅直向变形模量低于其他两种方法。从表3中还可以看出，中心孔法和刚性承压板法水平向变形模量都明显大于铅直向变形模量，表现出明显的两向异性。钻孔弹模测试成果则未表现，可能与钻孔弹模测试方法不适用于柱状节理玄武岩有关，本文不作深入讨论。3.4试验结果分析综合岩石室内试验、弹性波测试、现场地质调查、经验估计、现场变形试验等几方面的成果，既揭示了柱状节理玄武岩的一些基本特性，也反映了较特殊的现象。(1)柱状节理玄武岩的岩块具有良好的岩石力学特性，当岩块发挥较大的作用时，岩体就可以表现出较好的力学特性，包括取得较高的波速、变形模量、强度指标；反之，当结构面发挥较大的作用时，岩体表现出较差的力学特性，获得的变形模量较低。(2)柱状节理、微裂隙和缓倾角结构面是主要结构面，对试验成果影响最大。水平和铅直加载条件下试验结果的显著差别，表明了不同类型结构面在这2种加载方式下所起的不同作用。一般情况下，垂直于柱体加载(水平加载)条件下获得的岩体变形模量要低于平行于柱体加载(铅直加载)时的结果，而白鹤滩柱状节理玄武岩则相反，值得深入讨论。4岩石变形特性的综合分析4.1压密阶段ab段岩体(岩块和结构面)的基本应力–应变关系可以通过图4所示的曲线得到描述，岩体在加载过程中，首先经历一个压密阶段(“上凹”的OA段)，它表示岩体内存在结构面(微裂缝)的压密过程，此后岩体进入以线弹性为主要特征的线性阶段(AB段)，曲线斜率增大，压密以后的岩体变形模量增高。现场试验受到试验条件和设备的限制，试验曲线一般只能反映岩体的压密阶段和部分线弹性阶段。如果试验过程中岩体结构面的压密效应非常突出，而加载压力相对不高，则可能出现整个试验过程都在压密阶段进行，获得的变形模量可以很低。柱状节理玄武岩的一个基本特点是岩石坚硬但节理裂隙发育，岩体具备产生显著压密效应的基本条件，是否出现和出现的程度则取决于结构面的受力条件及由受力条件决定的结构面接触状态。4.2试样的水平加载特征图5给出了刚性承压板法试验的应力–变形曲线，其中的试样1#，2#，3#为铅直加载(平洞底板试验)，试样4#，5#，6#为水平加载(洞壁试验)，前者的曲线斜率(表征变形模量)显著低于后者。比较图4的一般形式，铅直加载的试样1#，2#，3#曲线呈现“上凹”特征，符合一般规律。而试样4#，5#，6#曲线呈某种程度的“上凸”特点，与一般规律不符。图6给出了水平加载的试样6#加载过程曲线，该曲线反映的2个典型特征值得注意：其一是随着试验压力的增大，不可恢复变形显著增大；其二是第一级试验荷载(1.6MPa)下曲线段斜率最大，线性特征明显，此后在第二级荷载(1.6～3.2MPa)和第三级荷载(3.2～4.8MPa)下曲线斜率逐渐降低，并在第三级荷载以后保持相对稳定。这3个变化明显阶段的曲线斜率比例关系大致为10∶4∶1，这种比例关系说明压力增大岩体变模下降，与图4表示的压力增大压密结构面、岩体变模不断增高的认识相反。上述2个基本特征实际上是柱状节理玄武岩特征的真实反映，由于岩石坚硬，8MPa的峰值试验压力不可能导致岩块出现不可恢复变形，图6中的不可恢复变形显然是结构面的贡献。注意图6中每一个循环荷载条件下、卸荷以后的加载过程曲线斜率基本相当，说明在这一过程中岩块起到主要作用，而突破上一循环的最大试验荷载以后，结构面变形才开始起主导作用，从而出现压力增大、曲线斜率下降的特征。4.3试验压力作用下的岩体响应以N.Barton为代表的一批研究者从20世纪60年代开始对岩体结构面状态与岩体力学特性之间的关系展开了全面和详细的研究工作，到20世纪70年代后期获得的一个基本认识是结构面的接触状态对岩体特性具有重要影响，白鹤滩坝址区柱状节理玄武岩在外荷作用下岩体的变形机制很好地反映了这一基本认识。白鹤滩柱状节理玄武岩的基本特征和赋存条件为：(1)岩石坚硬，不是弱化岩体力学特性的因素；(2)柱状节理和缓倾结构面是最主要的结构面，决定了岩体力学特性的弱化程度；(3)勘探平洞断面上最大主应力近水平状，最大、最小主应力之差明显，平洞顶底围岩受到强烈的高水平应力作用(二次应力)，并可以导致完整岩体的片帮破坏，因此，平洞顶或底围岩中缓倾角结构面容易张开，岩体易松弛。图7给出了勘探平洞围岩条件和试验荷载下的结构面响应方式示意图，平洞开挖以后的顶底围岩出现应力集中现象，受到高水平应力的作用，底板起伏的柱状节理此时受到更高法向应力的作用可以保持良好的咬合状态，其作用受到抑制，铅直施加的试验荷载(几兆帕)相对围压应力(几十兆帕)显著偏低，试验过程中柱状节理不起主导作用。而较高的水平应力的作用可以使缓倾结构面由压致拉而张开、扩展，甚至形成新的缓倾裂缝，从而使岩体松弛，声波测试成果也证实了这点，张开的缓倾角结构面对于铅直施加的试验荷载很敏感，缓倾裂隙的压密表现为试验曲线呈“上凹”状(见图3)。只有当试验压力增加到一定水平、缓倾裂隙闭合到一定程度后，岩体的真实变形特性才能被揭示出来。因此，平洞底板上刚性承压板法获得的变形模量在很大程度上反映的是松弛层的变形模量，明显低于原位岩体。平洞开挖后洞壁围岩也会产生一定程度的松弛，但由于平洞规模不大(断面尺寸2m×2m)，围岩总体变形量不会很大。在洞壁进行刚性承压板法试验时，缓倾结构面不起主要作用，而柱状节理起主导作用。在现场可以比较清楚地观察到张开状的柱状节理，但也可以观察到密闭的柱状节理。柱状节理在洞壁的这种状态主要取决于节理的强烈起伏特性，对于某一条起伏节理而言，如图7(b)所示，它可以在某些部位张开，也可以在一些接触部位呈闭合状。因此，柱体在受到较小的水平压力作用时，如果接触部位可以承受外荷，岩块发挥主要作用。图6中第一级试验压力作用下岩体的响应就是典型实例，此时岩体可以取得很高的变形模量和很好的线弹性特征，岩体的力学行为明显受到岩块的控制。试验压力增大时，一方面浅部柱状节理的接触可以被破坏，接触面积增大，节理开始起作用(结构面接触的尺寸效应)；另一方面刚性特征明显的柱体可以将外荷传到其他柱状节理，使得更多的节理发挥作用，因此，图6中岩体的不可恢复变形随试验压力增大而增大，岩体变形模量随之降低。洞壁围岩声波波速较高主要是由柱状节理和微裂隙的断续特征决定的，声波在岩体中传播时，首先寻找的是最快捷的途径，岩桥传播的声波旅行时间相对最短，能量损失也最小。因此，柱状节理和微裂隙的断续特征、刚性接触程度和风化状态决定了弹性波的传播速度，也决定了柱状节理