沙坪一级水电站坝址左岸F10断层渗透性及全岩和黏土矿物分析

张俊林，林金洪，王磊，巩贵彦，闫天

(1.华东勘测设计院(福建)有限公司，福州，350003；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都，610059)

引言

虽然我国经济建设迅速发展，且地下工程建设在规模及速度上已经位居世界前列，但是在工程安全建设方面仍面临着严峻的挑战，不良地质灾害频发。如因断层引起的隧道突水突泥[1]，断层造成的坝肩和绕坝渗漏导致水库无法蓄水的问题也极易发生[2-5]，不仅会造成工期延误，还会造成坝体变形破坏和人员伤亡。

断层带的渗透率控制着断层岩石的渗透能力，但断层中含有的黏土矿物导致动力变质作用明显，加上断层带中岩石的破碎程度较高，导致室内试验测量渗透率较为困难，此次使用的测量方法为钻孔压水试验，但测量值为钻孔深度范围内岩石渗透率的平均值[6-7]，补充渗透试验，并进行全岩及黏土矿物X射线衍射分析，对矿物及黏土进行定性定量研究，分析断层带中碎粉岩的渗透特征，为断层渗漏问题采取有效的防渗措施提供一定的参考。

1 坝址区工程地质概况

1.1 基本地质条件

拟建的沙坪一级水电站位于四川省乐山市金口河区境内，属大渡河干流的中游河段，是沙坪梯级水电站的第1级。坝址区左岸有成昆铁路，右岸有G245公路。

坝址区河谷宽度大，两岸山体雄厚，边坡较陡，左岸地形相对略缓，坡度约为35°～40°，右岸边坡略陡，坡度约为40°～50°。地层岩性较复杂，岩性除第四系松散层外，基岩岩性从老到新依次为下元古界峨边群第一段中的灰绿色蚀变玄武岩、第二段中的灰黑色细粒砂状钙泥质石英粉砂岩与含绿泥石板岩互层、震旦系上统灯影组灰、灰白色块状细～微晶状白云岩及澄江期脉岩蚀变辉绿岩和中条期花岗斑岩。坝址区位于NE向构造带内，断层相对较发育，坝址区共发育有35条断层。坝址区左岸铁路路基与大坝之间发育有区域大断层F10，受F10断层的影响，岩体较破碎～破碎，风化强烈，地表覆盖层较松散，自然边坡总体性状较差，左岸坝肩边坡地形地貌如图1。

图1 左岸坝肩边坡地形地貌

1.2 F10断层工程地质条件

左岸坝基发育的断层F10属Ⅰ级结构面，贯穿坝址上、下游，走向与河流流向大致相同，倾向左岸山体内侧，倾角约为60°～80°。在断层呈现明显的压性特征，局部基性岩脉侵入，估测形成于下元古界变质岩与震旦系之间，ERS测定断层年龄为58×104a。钻孔揭示坝址区F10断层的宽度为25m～39m，其中上盘影响带宽度为4m～13m，下盘影响带宽度为6m～16m，主断层宽度为10m～22m。上、下盘影响带主要为弱风化微晶白云岩，呈碎裂～碎块状；主断层为碎裂岩、碎粉岩及砂状全风化物，夹有少量角砾岩、黄色断层泥及透镜体岩。由于断层中的碎粉岩的渗透系数相较于碎裂岩较低，控制断层带导水特性。因此，对断层内白色碎粉岩和黄色碎粉岩进行研究。

图2 断层带内白色碎粉岩压扭性特征

2 钻孔压水试验及室内渗透试验

2.1 F10断层压水试验

压水试验时，将一定长度的钻孔用专门的设备隔离出来，并用固定的水头向这段钻孔内压水，水从孔壁裂缝向岩体内部渗透，渗水量趋于稳定值。根据坝址区内钻孔ZK101、ZK105、ZK108、ZK116、ZK123、ZK133、ZK145、ZK162及ZK171压水试验成果揭示：主断层带的透水率q为1.8Lu～9.0Lu，根据相关规范[8-9]，属于弱透水，由于断层泥及碎粉岩粒径相对较小，断层泥、碎粉岩段透水率偏小，透镜体岩段透水率偏大；断层上盘影响带中透水率q为34Lu～41Lu，属于中等透水；断层下盘影响带的透水率q为1.3Lu～12Lu，属于弱～中等透水。

通过钻孔ZK123压水试验可发现：断层部位最大静水头为45.5m，水库蓄水后，F10断层带部位的地下水位高程将从562m壅高至577m，壅高后的地下水面线低于铁路轨面21.5m。地下水位升高后，地基土在地下水的浸泡下，强度和变形模量降低，使地基土压缩变形并产生不均匀沉降。由于铁路轨面离壅高后地下水面线垂直相距20.5m，地基土产生应力扩散效应，铁路运行时产生的线性荷载传至深度20m以下地基中产生的附加应力已很小，附加沉降更小，因此水库建成蓄水后，F10断层带中的地下水位升高不会威胁到铁路路基正常运行。

2.2 室内颗分及渗透试验

对左坝肩F10断层带物质取样进行结构面颗粒分析试验，编号ZKP2试样为白色碎粉岩，编号ZK162试样为黄色碎粉岩，试验结果如表1。试验成果表明：断层带黏粒(粒径小于0.005mm)的质量百分率小于10%，结构面类型属岩屑夹泥型。

表1 构面颗粒分析试验

渗透试验时，通过在试验装置中记录渗流量和不同点的水头高度，计算出渗流速度的水力梯度，进而计算渗透系数。渗透系数可从10-1cm/s变化到10-8cm/s，土的渗透系数的测定方法应根据不同的土质情况进行选择，室内常用的方法有常水头渗透试验和变水头渗透试验。变水头渗透试验适用于渗透系数较小(k=10-6cm/s～10-3cm/s)的细粒土，由于黄色碎粉岩及白色碎粉岩颗粒较小，故采取变水头渗透试验。

图3 渗透试样

试验设备主要设备：环刀和透水石(见图3)、变水头装置(有渗透容器)、变水头管、供水瓶、进水管等(见图4)。将装有试样的环刀试样装入渗透容器，旋紧螺母保证密封至不漏气不漏水。将渗透容器进水口与变水头管连接，利用供水瓶中的水注满进水管，渗入渗透容器，打开排水阀，排出渗透容器底部的空气，排出容器内气泡，关闭排水阀，将渗透容器放平，关闭进水管夹。向变水头管内注纯水使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度而定，一般不大于2m，待水位稳定后，关闭水源开关，打开进水管夹，使水通过试样。当出水口有水溢出时，记录变水头管中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头高度和时间的变化。实验室测得两种断层碎粉岩渗透系数平均值如表2。

表2 断层碎粉岩渗透系数

根据F10断层带内两种碎粉岩的室内渗透试验成果表可知，主断层带中：白色碎粉岩渗透系数k为5.88×10-5cm/s，属弱透水；黄色碎粉岩渗透系数k为1.87×10-6cm/s，属微透水。

3 全岩及黏土矿物X射线衍射试验分析

每种岩石中的矿物都对应特定的X射线光谱，X衍射线的位置及强度可以区分不同种类的矿物，因此，可以对矿物进行定性分析。试样中特定矿物的含量与光谱中衍射峰及强度成正相关，可以对矿物进行定量分析，通过矿物含量对岩石进行定性[10]。采用日本理学公司生产的Ultima系列中第四代最新型组合的多功能高分辨衍射仪UltimaⅣ，分别对白色碎粉岩及黄色碎粉岩试样的物相定性与定量分析。

测量仪器结构为：高稳定度的X射源(X射线为Cu靶，波长为0.154056nm)、试样及试样位置取向的调整机构(试样为粉末状)、射线检测器(通过计算机记录衍射强度及衍射方得到衍射图谱)、衍射图的处理分析系统(通过计算机分析软件进行自动化和智能化识别)。定性定量分析的不同矿物含量如表3。

表3 不同样品中全岩及黏土矿物X射线衍射试验数据

由表3可知，ZKP2钻孔中白色碎粉岩石英、钾长石和斜长石的平均含量分别为55.43%、15.76%和13.90%，ZK162钻孔中的黄色碎粉岩石英、钾长石和斜长石的平均含量分别为17.81%、2.03%和1.22%，白色碎粉岩中的含量均大于黄色碎粉岩；白色碎粉岩中方解石、白云石和黏土总量分别为5.39%、4.09%和5.35%；黄色碎粉岩中方解石、白云石、菱铁矿、赤铁矿、滑石和黏土总量分别为25.77%、15.94%、0.16%、0.72%、11.68%和26.38%，均大于白色碎粉岩中的矿物含量，黏土总量约为白色碎粉岩中的4.5倍。验证了压水试验及渗透试验中黄色碎粉岩的渗透系数小于白色碎粉岩。

4 结论

本文对大渡河下游某水电站坝址左岸F10断层进行压水试验、筛分试验、渗透试验及全岩及黏土矿物X射线衍射分析，得到以下结论：

(1)压水试验测得F10断层带内主断层带透水率q为1.8Lu～9.0Lu，属弱透水；断层上盘影响带透水率q为34Lu～41Lu，属中等透水；断层下盘影响带透水率q为1.3Lu～12Lu，属于弱～中等透水。结构面筛分试验结果表明F10断层带结构面类型属岩屑夹泥型。

(2)在渗透试验中，主断层带中白色碎粉岩渗透系数为5.88×10-5cm/s，属弱透水；黄色碎粉岩渗透系数为1.87×10-6cm/s，属微透水。全岩及黏土矿物X射线衍射分析结果表明黄色碎粉岩中的黏土总量约为白色碎粉岩中的4.5倍。

(3)由于坝址左岸边坡稳定性较差，受成昆铁路限制，边坡开挖范围有限，为保证大坝安全运行，除了对坡进行清坡和支护外，还需对断层等不良地质部位采取分区置换等措施并加强防渗帷幕处理，防止断层带中产生渗透变形破坏。