廣東柳河縣上口北京南口地區構造特征與虎峪水壩滲流穩定性分析

廣東柳河縣上口北京南口地區構造特征與虎峪水壩滲流穩定性分析

0壩體構造運動及其特征水庫滲漏顯著降低了水庫的效率，降低了結構的薄弱強度。在嚴重的情況下，大壩坍塌和水庫基礎坍塌等災難結果也會大大減少。因此，水庫滲透的穩定性一直受到人們的關注。近年來,不少學者針對一些具體水壩的穩定性進行了深入研究,建立了一系列典型水壩的工程穩定性模型,包括部分滲流模型。虎峪水庫位于昌平縣南口鎮,南距北京市約60km。水壩建成于1958年,壩軸呈EW向,壩高15m,寬約20m,初始設計蓄水能力大于10萬m3,然而現在水庫貯水不滿,虎峪河下游形成地下潛流。水庫處于上口—南口斷裂帶附近(最近約5m),斷裂帶及其周邊往往是現代地殼最不穩定的地段,對于水利工程的安全很不利,因此周密地分析南口地區構造運動特征對于正確認識水壩滲流的原因十分重要。本文通過系統的野外調查、地形地貌解析、節理統計分析及巖石顯微組構研究,探討了上口—南口斷裂的性質、庫區古構造應力場特征、地殼現代活動及基巖滲流性,著重分析了節理的空間展布特征及其對水壩滲流穩定性的影響。1斷裂體系及深源分析北京南口地區隸屬中朝準地臺華北斷坳西北部(圖1)、太行山脈之東北端,其北側為燕山臺褶帶,西側為山西斷隆。燕山運動奠定了本區構造的基礎,晚白堊世以來受NE及NW向斷裂活動的影響,逐漸形成了該區北西隆起、南東凹陷的地貌形態。研究區內出露地層簡單,包括古太古界密云群沙廠組(Ars)、中元古界長城系高于莊組(Chg)、薊縣系楊莊組(Jxy)、霧迷山組(Jxw)及第四系馬蘭組(Qm)。地層層序、接觸關系及巖性特征見圖2。研究區各類線性構造形跡明顯,尤以斷裂構造最為突出。區內分布有3條NE—NEE向延伸的平行斷裂,總體均表現為正斷性質(圖1),西側兩條斷裂的規模不及上口—南口斷裂,均屬次級斷裂系統。上口—南口斷裂為南口山前大斷裂的中段部分,長約15km,斷裂帶寬約30～60m。南口山前斷裂為北京拗陷西部一條重要的NE走向控盆斷裂,全長近100km,包括4個分段,總體呈“S”形展布,向兩頭轉為NEE走向(圖1),形成于燕山期早期,之后有過多期活動,斷裂各段活動特征懸殊,最強烈的活動時期均集中于更新世。虎峪水庫附近發育一系列近東西向的小規模斷層,走向上呈舒緩波狀,力學性質表現為壓性、壓剪性。由于生成時期相對較早,后被上口—南口斷裂截切、改造。褶皺構造主要包括兩處(圖1),軸向分別為NW、NWW向,均屬于疊加向斜,其疊加于規模更大的NE走向褶皺之上。向斜核部地層為霧迷山組,翼部依次為楊莊組、高于莊組。巖石中節理密集,以剪節理為主,張節理很少,剪節理延伸多為5～10m,間距10～50cm。共軛“X”節理系十分發育,將巖石切成規則菱形塊體(圖3A)。受燕山運動制約,南口地區發育了一套走向NNW、由基性鉀玄巖和酸性花崗巖組成的雙峰式巖墻群,K-Ar同位素年齡為119～114Ma,研究區西北部出露部分花崗巖(圖1)。邵濟安等對該巖墻群產狀及元素地球化學特征的研究表明,兩種巖體總體相互獨立,最初在伸展構造背景下侵位,具較明顯的深源特征。因此,南口雙峰式巖墻群可以看作華北中生代巖石圈伸展作用的直接證據。2錯誤性質與舊結構的應力場2.1沖溝上游基巖結構上口—南口斷裂傾向144°～152°,傾角40°～45°,產狀總體較穩定。斷裂主要展布于中低山區,其通過處多為線性谷地,谷地內多級地貌陡坎、斷層三角面發育。斷層北西(下盤)為較高的山地,而南東(上盤)地勢明顯降低,并逐漸過渡為平原,推測其是由斷層的正斷滑動而造成的。沿虎峪河追索,發現上游基巖部分被河流切割成深約400m的溝谷,越往上游切割越深。沖溝長2km以上,寬約800m,兩岸發育了六級河流階地,除基座階地T1、T2外,其余均為河流侵蝕階地。沖溝上部基巖緩傾部位和裂縫中見有砂礫層殘留,而砂礫層是河流沖積的產物,由此表明,虎峪河上游(下盤)曾一度處于構造相對抬升區域,即上口—南口斷層發生過較大規模的正斷活動,總體表現出張性特征。虎峪水壩東側溝壁有一寬約35m的斷裂破碎帶(圖4),由邊緣至中心依次出露碎裂巖、糜棱巖,糜棱巖細粒化結構較明顯,白云石等礦物發生塑性變形,并保留有較清晰的S-C組構,已被后期構造作用改造、破碎。糜棱巖內夾有黃褐色斷層泥帶,厚10～30cm。斷層帶兩側巖層傾角差異很大,北西盤巖層較陡,產狀132°∠39°,南東盤巖層近于水平,產狀122°∠4°,其可能由斷層的正斷滑動而引起。糜棱巖作為韌性剪切帶內含豐富地質信息的載體,已被廣泛應用于構造重建研究中,其中S-C組構是判斷韌性剪切帶剪切方向的可靠標志。根據上口—南口斷裂帶糜棱巖中S-C面理的交切關系(圖4),判斷其為一左行剪切帶,從而反映了斷層的逆沖性質,斷層曾受過NW—SE向的擠壓作用。糜棱巖被改造、破碎,說明斷裂逆沖活動發生較早,擠壓作用過后該斷裂又經歷了較大規模的張性運動,使其現今總體呈現出正斷特征。2.2構造應力場及構造演化節理組合與一定的構造應力場存在特定的聯系,利用共軛節理配套組合,常可以確定與其有成生聯系的應力場的時空特征。上口—南口斷裂帶周邊節理共軛關系明顯,通過節理間的交切關系,可將其分為兩期,即配套出兩個節理組。早期節理組發育程度不及晚期的高,延伸距離稍小,并被晚期節理組所截切、改造。將實測的42組剪節理產狀數據,通過吳氏網投影得到節理極點圖,再利用普羅寧網統計極點,繪制出節理等值線圖(圖5)。結合野外節理配套結果區分出兩期節理組,并計算各自的優勢產狀。其中,第Ⅰ期節理組的兩個優勢產狀為55°∠76°、215°∠63°,第Ⅱ期為318°∠56°、359°∠67°。對兩期共軛剪節理分別進行主應力方位求解,嘗試恢復古構造應力場(圖6,表1)。第Ⅰ期構造主應力σ1產狀301°∠64°,反映了早期NW—SE向的擠壓作用。第Ⅱ期主應力σ1產狀61°∠15°,說明晚期構造體制發生了轉化,擠壓作用方向變為NEE—SWW向。由節理分析重建的應力場,與前述上口—南口斷裂先擠壓后拉張的應力作用模式一致,證實該斷裂經歷了先逆沖、后正斷的構造演化過程。褶皺軸向疊加是多幕擠壓作用的記錄。高于莊組地層總體走向NE(42°～47°),區域上軸向NE的褶皺系發育,南口地區該組地層內出現了軸向NWW和NW的向斜(圖1),反映NW走向的褶皺疊加在NE走向褶皺之上,進一步證明了該區先NW—SE向擠壓、后NE—SW向擠壓的演化程式。燕山旋回時期,本區構造應力場發生過多次轉換,大致情況為早期NW—SE向擠壓、晚期NEE—SWW向擠壓,前述構造應力場分析結果與之吻合。鄧晉福等指出,早期NW—SE向擠壓作用包括3個階段,活動時代為早侏羅世—晚侏羅世,晚期NEE—SWW向擠壓是造成本區橫向構造疊加的主要作用時期,時代為早白堊世。晚白堊世以來,該區經歷了兩次區域性NW—SE向拉張運動,新生代伸展變形作用使上口—南口斷裂發生較大規模的正斷活動,最終形成了該區現今的構造格局。3區域穩定性原則評價一項水利工程的穩定性時,首先應了解工程所在地區是否存在著差異運動,特別是足以引起工程失穩、變形的活動斷裂,這就是通常所指的區域穩定性問題。虎峪水庫現今貯水不滿,下游地下潛流發育。水壩未直接建在上口—南口斷裂帶上,但其仍處于其邊部(最近約5m),因此系統地分析庫區現代構造活動特征尤顯重要。3.1區域地震構造背景庫區現代構造運動具有間歇性輕度升降的特征。虎峪河下游兩岸發育3級不對稱階地及河漫灘(圖7),階地二元結構發育,即下部為砂礫層,上部為粉砂質粘土層。越靠河床各級階地間的相對高差越小,其ΔH值依次為5m、3m、1m。虎峪河坡降逐漸平緩,河流下游蛇曲出現,河漫灘最寬達20m,反映了本區近期地殼運動的相對穩定性。車兆宏等研究指出,上口—南口斷裂最晚活動時間為18～28萬a,即晚更新世晚期。劉廣平等測定了上口—南口斷裂帶上覆砂礫層的熱釋光年齡,為(3.598±0.306)萬a。斷裂滑動面向上未斷錯上覆砂礫層,證明該斷裂最晚活動年代為晚更新世晚期,全新世以來未再發生錯斷地表的運動。地殼形變測量是研究斷裂現代活動最直接、最可靠的依據。該區近代地殼形變測量資料表明,南口山前大斷裂各段活動性差異懸殊,上口—南口段活動幅度很小,1991—1998年平均活動速率僅約為0.2mm/a(圖8)。因此,上口—南口斷裂近10年來活動性微弱,不會發生由斷裂活動直接導致的壩基失穩、破壞的情況。盡管上口—南口斷裂在全新世以來未發生明顯的活動,但根據《工程場地地震安全性評價》(GB17741-2005),其屬于活動斷裂,具備發生六級強震的構造條件。此外,庫區附近尚有北西走向的南口—孫河斷裂(圖1),其為全新世活動斷裂,是首都圈范圍內具有發震背景的危險斷裂之一。因此,庫區總體處于較不穩定的構造背景中。3.2節理傾向玫瑰花圖綜上所述,庫區構造背景較不穩定,但上口—南口斷裂目前(近10年)活動性微弱,故由斷裂活動直接導致壩基失穩、破壞的情況不會發生。對采自庫區9個巖石樣本進行詳細的顯微觀察,結果顯示,除斷層角礫巖樣本外,各基巖樣本的結構均較致密,鏡下各礦物顆粒(白云石約占80%,燧石約占20%)接觸緊密,其間微裂隙、孔隙數目少,各孔隙間互通程度較差(圖3B、C),即有效孔隙度低。根據Cox等的滲透率公式與達西定律可知,低孔隙度、低連通程度的巖石滲透性較差,流體在其中的流動速率小。因此,由基巖本身滲透性的原因引起水壩顯著滲水的可能性很小。系統的野外觀察與分析表明,基巖中密集分布的剪節理(圖3A)是導致水庫滲水的主要原因。節理能大量吸取水流,是地下水運移的良好通道,對水利設施具有很強烈的破壞作用。節理巖體內滲流的發生主要是通過斷裂節理網絡產生,節理面的幾何特性和受力特征決定和影響著節理裂隙的滲透性質,從而極大地影響著水壩的滲流。近年來國內不少學者通過實驗擬合了節理面剪切與滲流特征的耦合關系,并有不少成果問世。Guéguen等認為當節理裂隙呈隨機分布且未完全連通時,滲透率可以描述為:K=πfα3r2120l3Κ=πfα3r2120l3(1)式中:K為巖石滲透率;α為裂隙開度(與裂隙的寬度、形態相關);l為裂隙面平均間距;r為裂隙長度;f(0≤f≤1)為裂隙連通程度。庫區節理發育密集,延伸較大(5～10m),間距小(10～50cm),節理面光滑(即開度大),因此基巖滲透率(K)很大,有利于水庫滲流。Oliver等將裂隙中流體的運移視為光滑平行平板間的層流,得到如下公式:Q=(pa?pb)W212LvQ=(pa-pb)W212Lv(2)式中:Q為流速;pa、pb為a、b兩點間的壓力;L為壓力勢(a→b);W為通道寬度;v為流體粘度。由公式(2)可知,流體在通道中的流動速率不僅和通道的幾何特征有關,還與通道內兩點間的壓力勢(梯度)有關。在探討水庫滲流問題時,流水壓力勢的遞減方向即為水流方向(河流流向),因此,該公式表明節理的滲水速率與河流流向密切相關。蔣宇靜等通過剪切滲流耦合試驗模擬了節理滲水量與壓力梯度間的函數關系,曾聯波等則更清楚地用公式描述了節理滲透率與壓力梯度間的關系:Kf=ei312DicosαiΚf=ei312Dicosαi(3)式中:Kf為節理滲透率;Di為第i組節理的平均間距;αi為流體壓力梯度與第i組節理的夾角;ei為第i組節理的開度,節理開度為節理面所受靜壓力的函數。該公式顯示,流體壓力梯度和節理面間夾角的余弦與節理滲透率(Kf)呈正比,流體壓力梯度(河流流向)與節理走向之間的夾角越大,節理滲透率小,反之亦然。節理傾向玫瑰花圖能直觀、全面地表現節理產狀與河流流向間的空間關系,從而體現出節理對壩基巖體穩定性及滲流的影響。利用庫區42組剪節理產狀數據,繪制節理傾向玫瑰花圖(圖9)。為了體現節理傾角對水壩穩定性的影響,同時繪制出節理傾角直方圖(圖10)。圖9顯示,壩區兩期節理組傾向差異明顯,第Ⅰ期節理組兩個優勢傾向ⅠA(53°)、ⅠB(212°)與河流流向(170°)夾角較大,即節理走向與河流流向接近。由圖10進一步獲悉兩組節理傾角較大(ⅠA集中于70°～88°,ⅠB為57°～65°),根據公式(3)可知該期節理組滲透率較高,滲流速度快,對水庫儲水不利。第Ⅱ期節理組兩個優勢傾向ⅡA(312°)、ⅡB(358°),ⅡA傾向與河流流向夾角較小(平均38°),ⅡB傾向與河流流向近于平行,因此該期節理組滲透率較低,滲流速度慢,對水庫儲水影響較小。平行于壩軸的薄弱面常有潛在的滑坡危險,對壩基巖體抗滑穩定性不利,ⅡB走向幾乎平行于壩軸,但其傾向與河流方向相反,且ⅡB傾角(62°～71°)遠大于坡角(約20°);因此水庫庫岸基巖體抗滑穩定性較好,滑坡的可能性較小。虎峪水庫地處上口—南口斷裂帶附近,總體構造背景較不穩定。上口—南口斷裂近代活動性微弱,由斷裂活動直接導致壩基失穩、破壞的情況不會發生,且庫區基巖中密集分布的節理引起庫岸滑坡可能性也不大。水庫現今儲水不滿,節理滲流現象顯著,由此表明現代活動性微弱的斷