金沙江旭龙水电站坝址区的岩体工程地质力学分析
摘要：本文以金沙江旭龙水电站施工的工程实例为依据，进行坝址区的岩体工程地质力学分析，是根据岩体工程地质力学知识进行实例分析的方法展示。本文介绍了金沙江旭龙水电站坝址区工程环境地质条件，通过岩石组合的工程地质分析，构造体系的工程地质分析和初始地应力及其工程地质分析等分析方法不但结合工程实例，还提出新观点和建议，本文仅仅只分析金沙江旭龙水电站坝址区工程地质条件，具体的坝址区边坡稳定问题还是需要进行数值模拟分析求解。
关键词：金沙江旭龙水电站； 环境地质条件；岩体工程地质力学分析； 中图分类号：TU472.3
1岩体工程地质力学分析法简介
工程地质力学分析的原理是认为地质体具有特定的结构性，地质体结构由结构面和结构体组合构成。地质体结构具有分级性、多样性，而且对岩体的变形、破坏起主导的控制作用。工程地质力学研究的方向是地质学和力学的结合对工程地质条件进行综合分析和研究。其研究分析方法可分为：岩石组合的工程地质分析，构造体系的工程地质分析，初始地应力及其工程地质分析，岩体结构面及其力学属性，岩体结构类型及其特性，水文地质结构与渗流分析以及不良地质力学分析。结合以上分析原理，对工程地质环境条件进行工程地质力学分析，有利于对工程地质环境进行整体把握，有利于指导施工和预防相关灾害的发生。
2坝址区环境地址条件
2.1工程区域简介
旭龙水电站工程区域地跨川、滇、藏两省一区，属青藏高原强烈隆起区，区域构造十分复杂，断裂发育、规模大、活动性较强，新构造运动及现今构造活动强烈，地震活动频繁且强度较大，是我国西南地区的强震区之一。旭龙水电站地处横断山山地，为我国地势第一阶梯的西藏、川、滇高原区，呈明显台阶状下降，属峡谷地貌类型。总体上呈现出东南低西北高的地势。丘状高原面或者分割山顶面作为地貌结构的“基面”，基面之上是正地形，比如山岭、残山，基面之下是负地形，比如河谷和盆地。大致以锦屏山-丽江线为界，高原面高程降低，最高山地海拔达 7556m。 2.2地形地貌
旭龙水电站地处横断山山地，为我国地势第一阶梯的西藏、川、滇高原区，呈明显台阶状下降，属峡谷地貌类型，其总体地势为西北高东南低。坝址区所在河谷为深切型的峡谷地形，横断面是比较典型的“V”型谷如（如图 2.1），河谷的两岸地形比较对称，两侧为高耸的走向与金沙江流向基本一致的多级山脊，第一级山脊高程在 4000m 以上。
图2.1：坝址区金沙江河流形态和两岸地形特征
2.3地层岩性
旭龙坝址区及其附近出露的基岩从老至新有中元古界雄松群三段斜长角闪片岩和混合岩，以及三叠纪印支期侵入的花岗岩。综合分析钻探、平硐以及工程地质测绘的成果，旭龙坝址区坝轴线下游约 2km 处旭龙冲沟附近至上游 20km 范围内的地层主要为雄松群三段，主体岩性有斜长角闪片岩和混合岩。
根据现场调查结果，坝址区左岸边坡坡面倾向为 240o，坡角为 40-60°。旭龙坝址左岸坝肩出露的主要岩性为中元古界雄松群三段斜长角闪片岩和三叠纪印支期侵入的花岗岩。坝址区左岸边坡出露的斜长角闪片岩片理一般不发育。局部片理比较发育，片理间距为 1mm～2mm，片理面呈紧密接触。片理倾向 250°～270°，倾角一般在 60°～80°，其与花岗岩岩体接触界面的产状和片理方向基本一致，产状比较稳定，在空间上具有较好的延展性。坝址区左岸岸坡岩体主要为花岗岩夹少量片岩。因此，左岸岸坡结构整体为块状结构，局部为陡倾坡外顺向坡结构。
混合岩旭龙坝址混合岩中的基体主要是灰黑色的斜长角闪片岩，局部黑云母含量较高，甚至集中分布；脉体以浅白色长英质为主。脉体多以条带状、网状、角砾状为主要形态，少量不规则形状。
根据混合岩中基质与脉体比例，坝址区的混合岩较为复杂，根据勘探平硐揭露，混合岩均呈坚硬状，局部在裂隙或岩性界面处会出现黑云母富集现象。地表混合岩的主体分布在坝轴线右岸上游，其边界总体产状为南北向，中陡倾西。在与花岗岩体交界部位，局部有少量透镜状、条带状混合岩穿插分布，连续性较差。 2.4断层
通过地质测绘，旭龙坝址区地表共发现 70 条断层，断层多数较小，宽度多在 0.20m～
0.50m，长度一般小于 100m，断层倾角多数较大，仅十余条倾角较小。
按断层走向分，坝区主要发育断层可分为四组：即 NE～NEE 组、NWW 组、NNE 组和 NNW-NW 组。 2.5裂隙
两岸缓倾角裂隙总体发育特征是以倾向河床为主，左岸倾向河床偏下游，高高程处的平硐揭露的缓倾角裂隙优势方向明显，裂隙从坡表向坡里发育程度总体上逐渐降低，裂面多平直稍粗，充填铁钙质或无充填，靠坡外有张开现象，如图，部分碎屑充填。硐内及地表所见到的裂隙如图，长度一般在 5m～15m，部分延伸长度大于 50m。
图2.2：平硐内缓倾角裂隙
2.6水文地质条件 2.6.1岩体的透水性
坝址区基岩的透水性特征总体上具有从地表往下逐渐变差的规律。
一般而言，从地表往下 30m～60m 范围内的岩体呈弱透水～中等透水，并以弱透水性的岩体居多；30m～60m 以下的岩体大多数呈微～弱透水，120m～150m以下大多数呈微透水性。河床部位基岩大部分为微透水岩体，只有局部为弱透水岩体。 2.6.2河床砂石卵石层的透水性
在河床中心某孔中曾做过 2 段抽水试验，渗透系数 k 值为 2.10～3.05×10-2cm/s。 2.6.3地下水类型
坝址区的地下水类型主要有孔隙水和裂隙水。孔隙水主要在第四系松散堆积物中，但是由于坝址区第四系松散堆积物覆盖层较少，并且大多为碎块石，孔隙水赋存条件差；裂隙水则主要存于基岩的裂隙中，坝址区地下水多以裂隙水的形式存在。坝址区未见泉点，平硐也多为半干或稍湿，偶有渗透滴水，仅在个别平硐深 300m 左右有裂隙水集中渗流，流量约 2L/min。
2.6.4地下水的补径排
大气降水和高山冰雪融水为地下水的主要补给源，降水和冰雪融水多以地表径流的形式排入金沙江，但部分大气降水和冰雪融水渗入地下形成地下水，在一定的地形地貌和岩性环
境下，少部分地下水以泉水的形式出露，金沙江是地下水的最低排泄基准面。 2.6.5地下水化学特征及侵蚀性评价
为了解坝址区地表水、地下水的侵蚀性，在金沙江江水、右岸孔地下水分别取样进行了水质简分析，结果表明根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006），坝址区江水及地下水对混凝土均无腐蚀性。 坝肩的岩体工程地质力学分析
3岩体工程地质力学分析
3.1岩石组合的工程地质力学分析
坝址区的岩石组合类型是构造运动形成构造岩建造和以风化作用为主要变化的风化岩岩组，经过分析发现坝址区微风化花岗岩多为整体结构和块状结构；次块状结构在弱风化岩体中分布较多，微风化岩体分布较少；而断层影响带、裂隙密集带、局部卸荷带以及局部弱风化带的岩体中大多发育碎裂结构和镶嵌结构；碎裂结构的岩体分布相对较少，其中包含软弱构造岩和含疏松～半疏松碎屑物。以上都属于工程地质性状差，一般是工程处理加固的重点。选址应避开。
坝址区因为处于地质活跃带，位于亚欧板块和印度洋板块的交界处，多地震，构造应力强，会在断层或者褶皱区域出现构造破碎结构，比如断层泥，糜棱岩，角砾岩，压碎岩等，选择坝址时应尽量避开断层破碎带区域，如果避开不了则应该选择加固处理，比如打土钉入边坡加固或边坡支护。 3.2构造体系的地质力学分析
褶皱形成以后，使岩层产生一系列波状弯曲，同时，在褶皱的转折端，一般张裂隙发育，岩层较破碎，在褶皱两翼，岩层中易产生剪裂隙。由于褶皱构造中存在着不同的裂隙，导致岩层 的完整体受到破坏，因此，褶皱区岩层的强度及稳定性较之原有岩层有所降低。另外由于转折 端更易遭受风和作用的影响，因此，工程应避免布置在转折端。
在旭龙坝址区分布的 70 条断层中，绝大多数断层的走向与金沙江岸坡相交角度较大，只有 9 条（占12.9%）断层走向与金沙江岸坡的交角小于 30°，且延伸长度和宽度均小。而平硐内，根据勘探平硐揭露，断层大部分为裂隙性的小断层，宽度一般只有 0.10m～0.30m，
因此在两翼布设工程应尽量使开挖形成边坡的倾斜方向与岩层倾斜方向相反；如果边坡 倾斜方向与岩层倾斜方向一致，应使边坡的倾角小于岩层倾角，否则应采取相应的加固措施。
褶皱核部岩层由于受水平挤压作用，产生许多裂隙，直接影响到岩体的完整性和强度，在褶皱翼部布置坝基时，如果开挖边坡的走向近于平行岩层走向，且边坡倾向于岩层倾向一致，边坡的坡角大于岩层倾角，则容易造成顺着层面滑动的现象。 3.3初始地应力及其工程地质分析
地应力是岩石中存在的天然应力，地质构造运动等因素使岩体中产生内应力效应。旭龙水电站处于怒江、澜沧江、金沙江三江地区，该区域是挤压、褶皱最强烈的地带，也是松潘
-甘孜褶皱系、唐古拉-昌都-兰坪-思茅褶皱系的交接部位。区域构造极为复杂，区域构造基本特征以断裂构造为主，以南北向的深大断裂为主体构成醒目的“川滇南北向构造带”，也是划分大地构造单元的边界条件。
钻孔岩芯的饼化现象多出现于河谷低高程钻孔或岸坡钻孔的深部，右岸地下厂房部位的平硐开挖深度达 350m，坝址区所有平硐施工过程中均未出现岩爆且基本未见洞壁岩体有剥离或掉块。根据测段成果的对比来看，在埋深 170m 以下，地应力量值逐渐增大，测深范围内地应力属中等应力水平。 3.4岩体结构面及其力学属性
该坝基区域的岩体结构面属于变质结构面和构造结构面，断层为规模较大的构造结构面，有显著位移，并形成构造岩，原生软弱夹层经构造运动影响而会产生层间滑动，并拥有沿薄层软弱夹层或其顶部发育，受错动成为碎屑或鳞片。选址必须避开断层等不稳定构造结构面的地方。
3.5岩体结构类型及其特性
坝址区的岩体结构类型为整体结构和块状结构居多，考虑到风化地质作用影响，经分析发现坝址区各岩性及风化带内的岩体结构具如下发育规律：
混合岩的完整性较花岗岩稍差，弱风化带内的混合岩多为次块状～块状结构，微风化带内的混合岩多为块状结构，另有少量呈次块状和整体结构。弱风化带内的斜长角闪片岩则多呈次块状结构，其次为块状等结构形式，少数部位其片理极发育，片理间距 2mm 左右，且片理间胶结不紧密，岩体的完整性差，呈镶嵌甚至碎裂结构；微风化带内的斜长角闪片岩则大多为块状结构，另有少量呈次块状和整体结构，偶有因片理极发育而呈镶嵌甚至碎裂结构。
对碎裂结构的山体，局部岩体十分破碎，需要进行必要的固结灌浆处理才能满足混泥土坝坝基的要求。同时也需要注意这些区域往往是构造应力集中的部位，岩石性脆易碎，需要修筑防护或支挡结构。 3.6水文地质结构与渗流分析
通过分析水文地质条件，分析岩体的透水性，河床砂卵石层的透水性，地下水类型，地下水的补径排和地下水化学特征及侵蚀性等。经分析该坝基出的水文地质条件相对良好，对
坝基影响较小，施工时注意做好防渗处理即可。 3.7岩体风化与卸荷规律
在岩体的风化与卸荷的共同作用下，岩体呈现岩体出现结构面开裂，岩体卸荷回弹、力学强度降低等现象。对于深切的河谷，就是风化卸荷作用，使得河谷不断扩宽从而形成，这是一个压力不断释放的过程。
坝址区呈现的“山坡陡峻、高山峡谷”型的地形地貌特点，决定了岸坡岩体普遍存在往临空方向卸荷的特点，卸荷带岩体的完整性降低、渗透系数变大，对建基面和防渗下限的选择
均存在直接影响。岩体基本质量的现场定性判定未考虑岩体的卸荷情况，而综合判定则是在定量判定与现场定性判定的基础上，并充分考虑了岩体的卸荷情况与宏观地质特征而进行判定的。
4结论
（1）河谷为典型的“V”型谷，建基岩体主要为印支期侵入的花岗岩和少量的斜长角闪片岩。两岸断裂构造较发育，构造组合与构造变形形式相对简单，山体雄厚，工程地质条件总体较好。断层规模多较小，宽度一般仅 0.20m～0.50m，裂隙不甚发育，多呈平直稍粗、闭合无充填状。勘探平硐揭露微风化带内的岩体多为Ⅰ、Ⅱ类围岩，声波均值在 5.2km/s 左右。
（2）根据两岸地形下陡上缓、岩质总体坚硬、较大的断层皆与岸坡走向呈大角度相交的地形地质条件，部分呈小交角相交。经宏观地质分析判断旭龙左岸坝肩自然高边坡整体稳定性较好。坝肩边坡的变形破坏形式主要是受中～缓倾角结构面（倾向坡外）和陡倾角结构面共同控制，破坏以平面滑移破坏和楔形体破坏模式。
（3）对于比较薄弱的地方应该采取适当工程措施加以治理。要判定旭龙水电站左坝肩边坡是整体是否稳定，还要通过数值模拟分析得到如下特征：受地形、卸荷、风化、岩体变形等因素影响。
（4）在边坡开挖之前，首先应该对左岸坝肩边坡顶部的危险岩体做好防治措施，建议在清除表部危岩体以后，再对左岸坝肩边坡开挖，开挖时应该从高高程向低高程开挖，防止开挖过程中导致卸荷裂隙出露于边坡表部，从而降低边坡的稳定性或者导致其垮塌。
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金沙江旭龙水电站左岸坝肩边岩体工程地质分析 - 图文
