2.4　枢纽边坡岩体结构工程地质特征

岩体是由结构体(完整岩石)和分割它们的不连续面或结构面组成的地质体,结构面在空间的分布与产出状态构成了岩体的结构。岩体中结构面的展布及其组合特征决定了岩体的工程地质性质和力学性状,同时也构成了各类岩体工程地质问题的重要控制因素。

2.4.1　岩体结构类型划分

坝址区岩体按其结构、构造特征,分为两大岩类,即具块状构造特征的花岗岩体和具层状构造特征的沉积岩类。由于沉积岩的岩性以砂岩类为主,多为中厚层状,层理不甚发育,且节理裂隙发育大大超过层理,若用层状结构来表示沉积岩的结构,就不能真实地反映岩体的结构状况,因此本工程的岩体结构分类不划分层状类岩体结构,均按块状岩体进行结构分类。根据坝址区岩体的不同特点,结合本工程的实际情况,并根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)的规定,将坝址区岩体结构划分为三大类,七个亚类,其划分标准详见表2.4.1。有些强风化岩体的块度尽管很大,但其强度很低,一般划分为碎裂结构。

2.4.2　结构面的工程地质分级

在工程荷载作用下,各类结构面的力学效应及其对工程岩体稳定性的影响主要受控于两大因素——规模和工程地质性状。结构面工程地质分级是根据结构面的规模、工程地质性状及其工程地质意义而对结构面进行的级别划分。结构面工程地质分级是进一步深入研究结构面特性的基础,好的分级系统应能最简单明了地反映结构面性状的差异性特征。一般情况下,结构面工程地质分级的原则是根据规模进行一级划分,然后再根据工程地质性状进行二级划分。

本次研究中,主要围绕枢纽区边坡的稳定性分析开展岩体结构的调查和分析,见表2.4.2,共分为五类,各类总体特征如下:

Ⅰ类:研究区无Ⅰ级结构面,属Ⅰ级结构面的区域性澜沧江断裂从坝址区以西17km处通过。

Ⅱ类:贯穿性大断层,对边坡工程布局有较大影响,构成岩体力学作用边界,控制岩体变形破坏的演化方向。延伸长度在1000m以上,断层破碎带宽5m以上,其主要特征是结构面具有连续分布的破裂面、一定厚度的软弱充填物,且其岩体力学效应和强度特征主要受充填物的性质和厚度控制。与坝区七大边坡稳定性相关的Ⅱ类断层结构面主要有:F1、F2、F3、F35。

Ⅲ类:主要为一般性贯穿性断层和挤压带,延伸100～1000m,破碎带宽度0.5～5m,其主要特征是具有连续或断续分布的破裂面、有一定厚度的软弱充填物,构成岩体力学作用边界,控制岩体变形破坏的演化方向,对边坡的稳定性有明显的影响,且其岩体力学效应和强度特征主要受充填物的性质和厚度控制。

Ⅳ类:包括坝区揭露的小断层、张性破裂带、层间错动带、挤压破碎带及软弱夹层。这类结构面一般具有断续分布的破裂面、或者充填物较薄,故其岩体力学性质受结构面壁几何特性与充填物性质共同控制,主要影响边坡岩体结构,控制边坡块体稳定,可能对块体的剪切边界形成起一定的控制作用。

Ⅴ类:主要包括各类断续延伸的裂隙类结构面,在岩体内大量出现,且分布具有一定的随机性。这类结构面一般为完全无充填的硬性结构面或断续充填且厚度极小(<1mm)的半硬性结构面。由于出现几率大,因此岩体力学特性及岩体稳定性的控制性意义均较大。根据其规模及工程力学效应,这类结构面又可进一步分为:对边坡的块体稳定性有一定控制作用的长大、缓倾角裂隙和影响岩体力学特性和渗流特性的一般随机性裂隙。总体上这类结构面强度性质受剪切面上其连通段和非连通段(完整岩石段)的强度所共同控制,即取决于结构的连通率。

2.4.3　结构面力学特性及力学参数取值

2.4.3.1 充填结构面的强度特征

当结构面之间被某种物质充填后,充填结构面的抗剪强度是由充填物质本身的抗剪强度、结构面的壁面强度、充填物的厚度以及结构面的起伏程度等因素所决定的。

1.充填物质

充填夹层按颗粒成分可分为泥型、泥夹岩屑型、岩屑夹泥型、岩屑型等类型。颗粒成分不同,对软弱结构面的抗剪强度特征具有明显的影响。大量的试验资料证明,结构面的抗剪强度随层内黏土含量的增加而降低,随碎屑成分的增加以及颗粒直径的增大而增加。具体到充填物本身,石英之类的岩脉材料可使结构面的抗剪强度增大,充填物中含角砾物质越多,抗剪强度越高;含糜棱岩和黏土越多,抗剪强度越低。膨胀性的绿泥石、石墨、蛇纹岩等低抗剪强度的充填物质会导致抗剪强度的大为下降。如果膨胀受到限制,则会产生很高的膨胀力,从而减小有效应力,更会使得结构面强度降低。

2.充填厚度

无充填或断续充填结构面的抗剪强度受结构面本身力学性质以及结构面的起伏和粗糙程度影响,当结构面之间被充填后,结构面的抗剪强度特性与充填物质的厚度有着直接的关系。图2.4.1表示了平直结构面的充填物厚度与结构面抗剪强度的关系,从图中可以看出:当充填物的厚度较薄时,随厚度的增加,摩擦系数减小,凝聚力随之增加;当充填物的厚度达到某一数值时,摩擦系数和凝聚力都逐渐减小,并趋于某一稳定值。充填物厚度小于这一特定的厚度值,充填物将变成泥膜;反之则成薄层。结构面中泥膜会使得抗剪强度不稳定,并且随厚度的减小,强度会迅速升高;而结构中的薄层当其厚度逐渐增加时,强度会稳定在某一数值。

如果结构面起伏不平,需考虑结构面表面几何形态的影响。通常将结构面的充填度定义为结构面充填厚度t与结构面起伏差h之比(t/h)。一般情况下,充填度越小,结构面的抗剪强度越高;反之,随着充填度的增大,结构面的抗剪强度逐渐降低,图2.4.2说明了充填度的力学效应。

可以看出,当充填度小于100%时,结构面的强度由结构面的起伏差和充填物本身的强度共同决定,充填度对结构面强度影响很大,摩擦系数随着充填度增大而迅速降低;当充填度大于100%时,充填结构面的抗剪强度主要由充填物的强度来决定;当充填度超过某一数值(t/h=200%)时,结构面抗剪强度趋于稳定并达到最低点,结构面强度取决于充填物质的强度。

2.4.3.2 结构面抗剪强度试验及参数取值

各类型结构面的主要性状见表2.4.3。

在坝址区对不同类型的结构面都进行了抗剪强度试验,通过对试验资料的整理分析研究,其试验成果见表2.4.4。

通过对各组试验成果的研究分析,这些剪切试验的破坏特征较为接近,各组大部分试件在剪切破坏后,经过一段位移后,应力下降的幅度仍较小,呈现出较明显的塑性破坏特征。同时,由于在结构面充填物中含有碎屑、碎块岩等,碎屑和碎块岩与结构面两侧完好岩体存在局部的硬性接触,在剪切过程中碎屑或碎块岩会发生挤压、剪切而破坏。因此,在剪应力达到峰值后仍会出现小的应力下降过程。试件剪切后,大部分试件均沿结构面剪断,剪断面较平整,起伏差一般为1～5cm,对于泥夹岩屑型和岩屑夹泥型中的断层破碎带,由于断层破碎带较厚且物质不均一,一部分试件在破碎带中破坏,剪断面起伏不平,起伏差较大,一般大于5cm。

由于各类型结构面特性的不同,除刚性结构面外,剪切破坏的塑性特征亦较明显,剪切位移较大。岩屑型结构面平均剪切位移为6.02mm;岩屑夹泥型平均剪切位移为6.21mm;泥夹岩屑型平均剪切位移为10.77mm;泥型结构面平均剪切位移为12.53mm;剪切位移与结构面类型对应性较好。

按结构面类型对试验成果分别采用单组分类统计法、点群中心法进行整理分析,并结合宏观经验判断和工程类比,最后给出各类结构面抗剪强度参数建议值见表2.4.5。

2.4.4　工程边坡地质结构分类

工程边坡地质结构类型取决于边坡岩体结构、卸荷特征两个主控因素,并由此建立工程边坡的地质工程分类系统。

糯扎渡工程边坡的岩体结构,可归纳为以下六种主要形式:整体—块状结构(A)、层状(似层状)结构(B)、缓裂控制结构(C)、块(碎)裂结构(D)、上硬下软结构(E)和散体结构(F)。

其中层状(似层状)结构(B)又可根据成层性结构面的发育情况,分为陡裂(节理)(B1)和忙怀组砂岩层状结构(B2)两种情况;缓裂控制结构(C)又可根据缓裂、陡裂的发育程度,分为单一缓裂型(C1)和陡—缓组合型(C2)两种情况。

工程边坡岩体卸荷程度按三级划分,即可分为强卸荷(1)、弱卸荷(2)、未卸荷岩体(3)。由此,可初步建立糯扎渡工程边坡的地质工程分类系统(表2.4.6),共六大类、十六亚类。

需要注意的是,对于某一单体工程边坡而言,所涉及的边坡地质结构类型常常不是单一的,而是不同边坡类型的组合。糯扎渡水电站枢纽区几种主要边坡地质结构类型及其地质—工程特征可归纳为表2.4.7。