玄武巖巖體層間錯動帶變形機制研究

郝小紅，任冠松

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

1 工程概況

層間錯動帶是經過原生建造、構造改造及淺表層改造過程，發育于相鄰巖層分界處的緩傾角結構面．其帶內物質多為經過構造運動、風化作用和滲透作用產生的巖塊、角礫、巖屑、泥質．層間錯動帶具有延伸規模大、工程特性差等特點［1］． 因此，層間錯動帶被認為是影響巖體穩定性的重要結構面．目前，國內外專家和學者對層間錯動帶的變形機制研究還不全面，未形成比較系統的理論． 近些年，我國西南地區興建的水利水電工程，在邊坡和洞室開挖過程中多揭露分布廣泛的層間錯動帶，層間錯動帶的破壞與變形在很大程度上影響著大壩的安全與穩定． 因此，研究層間錯動帶的變形機制具有很大的理論和現實意義．筆者以金沙江上某大型水電站工程為依托，通過對該壩區的層間錯動帶進行地質編錄和變形試驗獲得的資料來分析玄武巖巖體層間錯動帶的變形規律．

1 壩區工程地質概況

所研究工程的壩區巖性主要為二疊系上統峨眉山組玄武巖，構造類型為單斜構造，巖層產狀N30°～50°E、SE∠15° ～25°． 層間錯動帶是發育在壩區11個巖流層界面或靠近界面的構造錯動帶，在壩區分布廣泛，總體來說是連續的，構成了壩區巖體結構的總體格架．據江權等［2］的總結，該區層間錯動帶工程特性有以下特點:①延伸規模大，連續性好;②帶內物質與結構面類型復雜和多元化，表現為帶內物質成分、含量隨所處位置不同有明顯差異，其規模和結構面類型、水文地質也存在差別，構成了其多元化的狀態;③多為硬－軟－硬復核巖體結構，錯動帶在未風化情況下的典型組合結構是下盤為堅硬的玄武巖，中間為泥化軟層，上盤為較堅硬凝灰巖．

2 層間錯動帶地質條件和變形試驗

對巖體進行開挖，勢必造成錯動帶的應力條件和周邊的接觸環境發生變化，導致錯動帶帶內物質被風化，甚至引起錯動帶產生錯動． 因此，為減小擾動產生的影響，選擇在邊坡和洞室開挖后盡快進行了地質編錄，采用剛性承壓板法對層間錯動帶進行現場變形試驗，獲得了真實可靠的層間錯動帶相關物理力學參數．

2．1 物理力學參數的獲取

經現場勘查，Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號、Ⅳ號緩傾角層間錯動帶對壩區工程穩定性起主要影響作用． 為研究此4 條層間錯動帶的變形特性，須掌握層間錯動帶的地質發育特征和物理性狀，故進行下列地質工作．

首先，在工程現場選取錯動帶發育比較典型的位置對4 條層間錯動帶進行地質素描． 其現場地質情況如圖1 所示．

圖1 研究區4 條層間錯動帶現場地質素描情況

其次，根據地質素描結果對工區發育的主要層間錯動帶進行結構面類型劃分． 依據錯動帶內物質種類和含量進行結構面類型劃分，一般分為泥、泥夾巖屑、巖屑夾泥、巖塊巖屑四大類，結果見表1．

最后，在盡量減少擾動的情況下，將錯動帶內物質取樣做室內試驗，得到不同類型層間錯動帶物理力學性質參數，見表2． 由表2 可知:①不同類型結構面的c 和φ 值從低到高排序為:泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;②不同類型結構面含水率從高到低排序為:泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;③錯動帶內含水率越高、泥質越多，其結構面c 和φ值就越低．

表1 層間錯動帶的地質狀況

表2 層間錯動帶物理力學性質取值表

2．2 層間錯動帶變形試驗

層間錯動帶變形試驗采用現場剛性承壓板法，施加荷載方向為垂直于錯動帶延伸方向． 試驗地點選在典型探洞內，試驗步驟按照《水利水電工程巖石試驗規程》(SL 264—2001)的要求進行［3］．

現場勘察發現，同一錯動帶內不同位置物質組成存在差異，根據這一現象，試驗共選7 個有代表性的地點進行測試．其中:1、2 號試驗點對應Ⅰ號錯動帶，其結構面類型均為泥夾巖屑;3、4 號試驗點對應Ⅱ號錯動帶，其結構面類型均為巖屑夾泥;5、6 號試驗點對應Ⅲ號錯動帶，其中第5 號點為泥夾巖屑型，第6 號為巖塊巖屑型;7 號試驗點對應Ⅳ號錯動帶，為泥夾巖屑型．

試驗通過千斤頂施加載荷，使用對稱布置在承壓板上的4 只千分表測量巖體變形量． 根據工程設計及以往工程經驗，試驗分5 級加荷，采用逐級一次循環法，除2 號試驗點第一級加荷為1．6 MPa，逐級增加壓力為1．6 MPa，最大荷載為8 MPa 外，其余試驗點的第一級加荷均為1．2 MPa，逐級增加壓力為1．2 MPa，最大壓力為6 MPa．按照規程［3］要求每次加壓后記錄下施加荷載和變形量．

巖體變形模量和彈性模量計算公式為

式中:E 為變形模量或彈性模量(當以全變形W0代入式中計算時為變形模量E0，當以彈性變形We代入式中計算時為彈性模量Ee)，MPa;W 為巖體表面變形，cm;P 為壓力，MPa;D 為承壓板直徑，cm;μ 為巖體泊松比．

3 試驗結果分析與對比

3．1 結果分析

對試驗數據進行整理，計算出各級荷載作用下錯動帶垂直方向的平均變形模量:Ⅰ號錯動帶約為0．04 GPa，Ⅱ號錯動帶約為0．11 GPa，Ⅲ號錯動帶約為0．12 GPa，Ⅳ號錯動帶約為0．23 GPa．

根據試驗數據，繪制各錯動帶變形試驗的相關應力－應變曲線如圖2 所示，分析各錯動帶的變形特征與規律．

圖2 錯動帶各試驗點應力－應變(σ－ε)曲線

1)Ⅰ號錯動帶．1 號試驗點為凝灰巖組成的軟弱夾層，帶內凝灰巖為中至強風化狀，且帶內潮濕，所以該處的軟弱夾層抗變形能力較弱，其變形過程符合典型的凝灰巖變形特征．從圖2 中可以看出，1號試驗點變形曲線首先為很小的一段近直線，再向下彎曲，最后為近直線延伸，因為凝灰巖中基本上不存在孔隙，所以幾乎不存在壓密變形階段，曲線為彈—塑型曲線［4］．2 號試驗點為由黃泥夾玄武巖塊組成的軟弱夾層，2 號曲線為標準的“S”形:低荷載時，泥質物與碎塊石共同受力，其間及土中的孔隙受到壓縮，曲線向上彎曲;隨著荷載增大，荷載逐步轉移到巖塊上，最終巖塊單獨受力，巖塊單獨受力后首先發生彈性變形，這時曲線呈直線;由于泥質含量高，巖塊受力集中，當荷載再繼續增大后，巖塊內有新的裂隙產生和局部破壞，發生塑性變形，曲線進入向下彎曲階段．

2)Ⅱ號錯動帶．3 號試驗點位于由強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質組成的結構面上．在較低壓力下，3 號試驗曲線先向上彎曲，巖塊內裂隙閉合和泥質孔隙被壓密;隨著壓力增加，曲線進入近直線階段，為巖塊和鐵錳質的彈性變形階段;當荷載增大到6 MPa 仍為直線，表明未進入屈服狀態．4 號試驗點由較大厚度的黃泥組成，成分單一．在較低壓力下，4號試驗曲線先向上彎曲，為黃泥孔隙的壓密階段;隨著壓力增大，曲線進入近直線階段;壓力繼續增大，曲線向下彎曲，變形進入塑性階段［5］． 對比這兩條曲線，3 號點處變形模量比4 號試驗點明顯偏大，說明單純由黃泥組成的錯動帶易變形，而由強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質組成的3 號試驗點由于其含泥量少，當荷載增大到一定值后，碎石塊和鐵錳質起到了主要的承載作用，致使該處的總變形量偏?。?/p>

3)Ⅲ號錯動帶．5 號試驗點位于由碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥組成的結構面上，次生黃泥厚2 ～30 cm．在較低壓力下，5 號試驗曲線開始表現為向上彎曲，為碎裂巖、糜礫巖間孔隙的壓密階段;當壓力增大，曲線進入直線階段，為黃泥的壓縮階段;當壓力進一步增大，曲線進入向下彎曲階段，此時碎裂巖、糜礫巖發生塑性變形［6］．6 號試驗點位于由凝灰巖塊、碎石塊、巖屑及泥質組成的結構面上，泥質分布不均．6 號試驗曲線在較低壓力下首先表現為向上彎曲，為巖塊和碎石塊孔隙的壓密階段;隨著壓力的增大，曲線變為近直線，此時巖塊、凝灰巖發生彈性變形;當荷載為6 MPa 時，曲線未出現向下彎曲現象，說明在該級壓力下未進入屈服階段．對比這兩條曲線，6 號試驗點帶內物質的抗變形能力較5 號點強．對比兩組試驗的帶內物質，6 號點錯動帶內含泥量較5 號點少，且帶內巖塊以凝灰巖塊、碎石塊為主，巖塊相對較完整，而5 號點帶內巖塊是以破碎程度較高的碎裂巖、糜礫巖組成，其完整性和強度均比6 號帶內巖塊差，因此產生上述結果．

4)Ⅳ號錯動帶．7 號試驗點位于由泥質及塊狀巖石組成的結構面上，帶內組成物質的種類與2 號試驗點相似，但以巖塊為主，即巖塊含量遠高于泥質．巖塊是由玄武巖構成，泥質一般厚度為3 ～5 cm，最厚10 ～20 cm，分布不均．7 號試驗曲線近似標準的“S”形．7 號試驗點泥質較少，在受力過程中主要由巖塊承擔荷載，相同荷載下變形量明顯小于2 號試驗點，表現出相對較強的抗變形能力．

3．2 結果對比

對上述7 組變形試驗得出的應力－應變曲線進行對比分析，結果如下．

1)同一錯動帶中由于局部位置組成物質存在差異，導致其強度和抗變性能力差別較大，在相同荷載下變形不均勻．

2)依據應力－應變曲線的形狀，該工區的錯動帶內物質變形方式可歸納為兩大類．

①1，4，5 號曲線走勢相似，為向下彎曲平緩型．荷載超過彈性極限后，變形速度明顯加快，3 條曲線外形平緩、變形量較大，此3 個試驗點的錯動帶變形模量為0．02 ～0．03 GPa．對比3 組試驗點的錯動帶帶內主要物質組成，含水量均偏高，其中1 號試驗點帶內物質主要為強風化的凝灰巖，4 號點帶內主要為黃泥，5 號點帶內為碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥，均為低強度、易變形的軟弱物質．

②3，6，7 號試驗曲線形狀相似，總體趨勢為陡直向上型．這3 個試驗點錯動帶的變形模量相近，約為0．20 GPa，抗變形能力明顯強于①類． 對比帶內物質，含泥量較①類少是這3 個試驗點的共同特點．其中3 號點為強風化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質，6號點為凝灰巖塊、碎石塊、巖屑及泥質，7 號點為泥質及塊狀巖石，3 組試驗點均含有自身強度、抗變形能力相對較高的巖塊，增強了錯動帶抗變形能力．

3)帶內組成物質的種類相同，但變形特點存在差異． 如2 號和7 號試驗曲線，兩線形態都為“S”形．在較低壓力下，曲線先向上彎曲，裂隙閉合和泥質孔隙壓縮，隨著壓力增大，曲線進入直線段，巖石或巖塊發生彈性變形，最后曲線向下彎曲，產生塑性變形．兩曲線外形相似，但斜率相差較大，2 號試驗曲線平緩，7 號較陡．產生這一現象是由于7 號試驗點錯動帶內泥質較少，所以泥質孔隙壓縮階段延伸比較短，在受力過程中主要由巖塊承擔荷載，而2 號點錯動帶內泥質較多，所以變形開始階段延伸比較長，變形也快．由此可知:帶內物質相同，其變形所包含的幾個階段相似，但由于帶內物質的含量相差較大，其每個階段對應的總變形量相差較大．

4)錯動帶變形曲線形狀和變化趨勢是由錯動帶內物質決定的，結構面類型不能決定變形曲線形狀．如3，6，7 號試驗點，3 號試驗點的錯動帶結構面類型為巖屑夾泥型，6 號為巖塊巖屑型，7 號為泥夾巖屑型．可見，此3 組試驗點的錯動帶結構面類型不相同，但3 組試驗得出的應力－應變曲線形狀卻很相近．

4 結 語

1)同一錯動帶不同位置帶內物質不一定相同，其結構面類型也不一定相同，因此需要進行大范圍、較全面的地質編錄，通過統計確定主要的結構面類型．判定Ⅰ號錯動帶主要的結構面類型為泥夾巖屑型，Ⅱ號錯動帶為巖屑夾泥型，Ⅲ號錯動帶為巖塊巖屑型，Ⅳ號錯動帶為巖屑夾泥型．

2)同一錯動帶中組成物質的差異，會導致不均勻變形產生．在物質組成相同的情況下，含水量增高或塊石風化程度加大都會使錯動帶抗變形能力降低，而帶內物質含高強度巖塊會大幅度提高其抗變形能力．

3)通過對4 條錯動帶中典型結構面在相同荷載作用下變形結果的對比分析可知，就整條錯動帶而言，此次試驗Ⅰ號錯動帶最大變形量大于0．3，平均變形模量只有0．04 GPa，極易產生變形;Ⅳ號錯動帶平均變形模量最大，為0．23 GPa，抗變形能力相對強些;Ⅱ號和Ⅲ號錯動帶平均變形模量相差不大，為0．11 ～0．12 GPa．所以，考慮到錯動帶的存在對壩體及地下洞室穩定性的影響，在工程施工過程中應對Ⅰ號錯動帶的變形予以重視，重點保持對Ⅰ號錯動帶的變形監測．

4)帶內物質及含量決定著錯動帶的抗變形能力、變形曲線類型和變化趨勢．帶內物質相同或相似且各物質含量相近的錯動帶其變形曲線相似． 帶內物質相同，但泥與塊石的含量相差較大時，錯動帶的變形能力會受到影響，其變形曲線特征也不盡相同．

5)錯動帶內物質組成和其含量的多少決定了結構面類型，但結構面類型不能決定錯動帶的變形特征，即相同結構面類型的錯動帶對應的變形曲線可能有很大差別，變形模量相差也比較大．

［1］張倬元，王蘭生，王士天，等．工程地質分析原理［M］．2版．北京:地質出版社，2004．

［2］江權，馮夏庭，周輝，等．層間錯動帶的強度參數取值探討［J］．巖石力學，2011，32(11):3379 －3386．

［3］長江水利委員會長江科學院． SL 264—2001 水利水電工程巖石試驗規程［S］． 北京:中國水利水電出版社，2001．

［4］何沛田，黃志鵬．層狀巖石的強度和變形特性研究［J］．巖土力學，2003，24(增1):1 －5．

［5］劉祖典，李靖，郭增玉，等．陜西關中黃土變形特性和變形參數的探討［J］．巖土工程學報，1984，G(3):25 －34．

［6］陳慶敏，張農，趙海云，等．巖石殘余強度與變形特性的試驗研究［J］． 中國礦業大學學報，1997，26(3):42－45．