廣東柳河縣上口北京南口地區(qū)構(gòu)造特征與虎峪水壩滲流穩(wěn)定性分析

廣東柳河縣上口北京南口地區(qū)構(gòu)造特征與虎峪水壩滲流穩(wěn)定性分析

0壩體構(gòu)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(jié)構(gòu)的薄弱強度。在嚴重的情況下，大壩坍塌和水庫基礎(chǔ)坍塌等災(zāi)難結(jié)果也會大大減少。因此，水庫滲透的穩(wěn)定性一直受到人們的關(guān)注。近年來,不少學者針對一些具體水壩的穩(wěn)定性進行了深入研究,建立了一系列典型水壩的工程穩(wěn)定性模型,包括部分滲流模型。虎峪水庫位于昌平縣南口鎮(zhèn),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(shè)計蓄水能力大于10萬m3,然而現(xiàn)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(xiàn)代地殼最不穩(wěn)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(qū)構(gòu)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(tǒng)的野外調(diào)查、地形地貌解析、節(jié)理統(tǒng)計分析及巖石顯微組構(gòu)研究,探討了上口—南口斷裂的性質(zhì)、庫區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場特征、地殼現(xiàn)代活動及基巖滲流性,著重分析了節(jié)理的空間展布特征及其對水壩滲流穩(wěn)定性的影響。1斷裂體系及深源分析北京南口地區(qū)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(cè)為燕山臺褶帶,西側(cè)為山西斷隆。燕山運動奠定了本區(qū)構(gòu)造的基礎(chǔ),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(qū)北西隆起、南東凹陷的地貌形態(tài)。研究區(qū)內(nèi)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(guān)系及巖性特征見圖2。研究區(qū)各類線性構(gòu)造形跡明顯,尤以斷裂構(gòu)造最為突出。區(qū)內(nèi)分布有3條NE—NEE向延伸的平行斷裂,總體均表現(xiàn)為正斷性質(zhì)(圖1),西側(cè)兩條斷裂的規(guī)模不及上口—南口斷裂,均屬次級斷裂系統(tǒng)。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(zhuǎn)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?；⒂畮旄浇l(fā)育一系列近東西向的小規(guī)模斷層,走向上呈舒緩波狀,力學性質(zhì)表現(xiàn)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(gòu)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(guī)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(jié)理密集,以剪節(jié)理為主,張節(jié)理很少,剪節(jié)理延伸多為5～10m,間距10～50cm。共軛“X”節(jié)理系十分發(fā)育,將巖石切成規(guī)則菱形塊體(圖3A)。受燕山運動制約,南口地區(qū)發(fā)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(qū)西北部出露部分花崗巖(圖1)。邵濟安等對該巖墻群產(chǎn)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(gòu)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(jù)。2錯誤性質(zhì)與舊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場2.1沖溝上游基巖結(jié)構(gòu)上口—南口斷裂傾向144°～152°,傾角40°～45°,產(chǎn)狀總體較穩(wěn)定。斷裂主要展布于中低山區(qū),其通過處多為線性谷地,谷地內(nèi)多級地貌陡坎、斷層三角面發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(chǎn)物,由此表明,虎峪河上游(下盤)曾一度處于構(gòu)造相對抬升區(qū)域,即上口—南口斷層發(fā)生過較大規(guī)模的正斷活動,總體表現(xiàn)出張性特征?；⒂畨螙|側(cè)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?；Y(jié)構(gòu)較明顯,白云石等礦物發(fā)生塑性變形,并保留有較清晰的S-C組構(gòu),已被后期構(gòu)造作用改造、破碎。糜棱巖內(nèi)夾有黃褐色斷層泥帶,厚10～30cm。斷層帶兩側(cè)巖層傾角差異很大,北西盤巖層較陡,產(chǎn)狀132°∠39°,南東盤巖層近于水平,產(chǎn)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(nèi)含豐富地質(zhì)信息的載體,已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)造重建研究中,其中S-C組構(gòu)是判斷韌性剪切帶剪切方向的可靠標志。根據(jù)上口—南口斷裂帶糜棱巖中S-C面理的交切關(guān)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(zhì),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(fā)生較早,擠壓作用過后該斷裂又經(jīng)歷了較大規(guī)模的張性運動,使其現(xiàn)今總體呈現(xiàn)出正斷特征。2.2構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造演化節(jié)理組合與一定的構(gòu)造應(yīng)力場存在特定的聯(lián)系,利用共軛節(jié)理配套組合,?？梢源_定與其有成生聯(lián)系的應(yīng)力場的時空特征。上口—南口斷裂帶周邊節(jié)理共軛關(guān)系明顯,通過節(jié)理間的交切關(guān)系,可將其分為兩期,即配套出兩個節(jié)理組。早期節(jié)理組發(fā)育程度不及晚期的高,延伸距離稍小,并被晚期節(jié)理組所截切、改造。將實測的42組剪節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù),通過吳氏網(wǎng)投影得到節(jié)理極點圖,再利用普羅寧網(wǎng)統(tǒng)計極點,繪制出節(jié)理等值線圖(圖5)。結(jié)合野外節(jié)理配套結(jié)果區(qū)分出兩期節(jié)理組,并計算各自的優(yōu)勢產(chǎn)狀。其中,第Ⅰ期節(jié)理組的兩個優(yōu)勢產(chǎn)狀為55°∠76°、215°∠63°,第Ⅱ期為318°∠56°、359°∠67°。對兩期共軛剪節(jié)理分別進行主應(yīng)力方位求解,嘗試恢復古構(gòu)造應(yīng)力場(圖6,表1)。第Ⅰ期構(gòu)造主應(yīng)力σ1產(chǎn)狀301°∠64°,反映了早期NW—SE向的擠壓作用。第Ⅱ期主應(yīng)力σ1產(chǎn)狀61°∠15°,說明晚期構(gòu)造體制發(fā)生了轉(zhuǎn)化,擠壓作用方向變?yōu)镹EE—SWW向。由節(jié)理分析重建的應(yīng)力場,與前述上口—南口斷裂先擠壓后拉張的應(yīng)力作用模式一致,證實該斷裂經(jīng)歷了先逆沖、后正斷的構(gòu)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(qū)域上軸向NE的褶皺系發(fā)育,南口地區(qū)該組地層內(nèi)出現(xiàn)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(qū)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(qū)構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生過多次轉(zhuǎn)換,大致情況為早期NW—SE向擠壓、晚期NEE—SWW向擠壓,前述構(gòu)造應(yīng)力場分析結(jié)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(qū)橫向構(gòu)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(qū)經(jīng)歷了兩次區(qū)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(fā)生較大規(guī)模的正斷活動,最終形成了該區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造格局。3區(qū)域穩(wěn)定性原則評價一項水利工程的穩(wěn)定性時,首先應(yīng)了解工程所在地區(qū)是否存在著差異運動,特別是足以引起工程失穩(wěn)、變形的活動斷裂,這就是通常所指的區(qū)域穩(wěn)定性問題?；⒂畮飕F(xiàn)今貯水不滿,下游地下潛流發(fā)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(tǒng)地分析庫區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造活動特征尤顯重要。3.1區(qū)域地震構(gòu)造背景庫區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運動具有間歇性輕度升降的特征?；⒂酉掠蝺砂栋l(fā)育3級不對稱階地及河漫灘(圖7),階地二元結(jié)構(gòu)發(fā)育,即下部為砂礫層,上部為粉砂質(zhì)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?；⒂悠陆抵饾u平緩,河流下游蛇曲出現(xiàn),河漫灘最寬達20m,反映了本區(qū)近期地殼運動的相對穩(wěn)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(fā)生錯斷地表的運動。地殼形變測量是研究斷裂現(xiàn)代活動最直接、最可靠的依據(jù)。該區(qū)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(fā)生由斷裂活動直接導致的壩基失穩(wěn)、破壞的情況。盡管上口—南口斷裂在全新世以來未發(fā)生明顯的活動,但根據(jù)《工程場地地震安全性評價》(GB17741-2005),其屬于活動斷裂,具備發(fā)生六級強震的構(gòu)造條件。此外,庫區(qū)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(nèi)具有發(fā)震背景的危險斷裂之一。因此,庫區(qū)總體處于較不穩(wěn)定的構(gòu)造背景中。3.2節(jié)理傾向玫瑰花圖綜上所述,庫區(qū)構(gòu)造背景較不穩(wěn)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(wěn)、破壞的情況不會發(fā)生。對采自庫區(qū)9個巖石樣本進行詳細的顯微觀察,結(jié)果顯示,除斷層角礫巖樣本外,各基巖樣本的結(jié)構(gòu)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(shù)目少,各孔隙間互通程度較差(圖3B、C),即有效孔隙度低。根據(jù)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(tǒng)的野外觀察與分析表明,基巖中密集分布的剪節(jié)理(圖3A)是導致水庫滲水的主要原因。節(jié)理能大量吸取水流,是地下水運移的良好通道,對水利設(shè)施具有很強烈的破壞作用。節(jié)理巖體內(nèi)滲流的發(fā)生主要是通過斷裂節(jié)理網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生,節(jié)理面的幾何特性和受力特征決定和影響著節(jié)理裂隙的滲透性質(zhì),從而極大地影響著水壩的滲流。近年來國內(nèi)不少學者通過實驗擬合了節(jié)理面剪切與滲流特征的耦合關(guān)系,并有不少成果問世。Guéguen等認為當節(jié)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(tài)相關(guān));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(qū)節(jié)理發(fā)育密集,延伸較大(5～10m),間距小(10～50cm),節(jié)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(guān),還與通道內(nèi)兩點間的壓力勢(梯度)有關(guān)。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(jié)理的滲水速率與河流流向密切相關(guān)。蔣宇靜等通過剪切滲流耦合試驗?zāi)M了節(jié)理滲水量與壓力梯度間的函數(shù)關(guān)系,曾聯(lián)波等則更清楚地用公式描述了節(jié)理滲透率與壓力梯度間的關(guān)系:Kf=ei312DicosαiΚf=ei312Dicosαi(3)式中:Kf為節(jié)理滲透率;Di為第i組節(jié)理的平均間距;αi為流體壓力梯度與第i組節(jié)理的夾角;ei為第i組節(jié)理的開度,節(jié)理開度為節(jié)理面所受靜壓力的函數(shù)。該公式顯示,流體壓力梯度和節(jié)理面間夾角的余弦與節(jié)理滲透率(Kf)呈正比,流體壓力梯度(河流流向)與節(jié)理走向之間的夾角越大,節(jié)理滲透率小,反之亦然。節(jié)理傾向玫瑰花圖能直觀、全面地表現(xiàn)節(jié)理產(chǎn)狀與河流流向間的空間關(guān)系,從而體現(xiàn)出節(jié)理對壩基巖體穩(wěn)定性及滲流的影響。利用庫區(qū)42組剪節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù),繪制節(jié)理傾向玫瑰花圖(圖9)。為了體現(xiàn)節(jié)理傾角對水壩穩(wěn)定性的影響,同時繪制出節(jié)理傾角直方圖(圖10)。圖9顯示,壩區(qū)兩期節(jié)理組傾向差異明顯,第Ⅰ期節(jié)理組兩個優(yōu)勢傾向ⅠA(53°)、ⅠB(212°)與河流流向(170°)夾角較大,即節(jié)理走向與河流流向接近。由圖10進一步獲悉兩組節(jié)理傾角較大(ⅠA集中于70°～88°,ⅠB為57°～65°),根據(jù)公式(3)可知該期節(jié)理組滲透率較高,滲流速度快,對水庫儲水不利。第Ⅱ期節(jié)理組兩個優(yōu)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(jié)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(wěn)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(wěn)定性較好,滑坡的可能性較小?；⒂畮斓靥幧峡凇峡跀嗔褞Ц浇?總體構(gòu)造背景較不穩(wěn)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(wěn)、破壞的情況不會發(fā)生,且?guī)靺^(qū)基巖中密集分布的節(jié)理引起庫岸滑坡可能性也不大。水庫現(xiàn)今儲水不滿,節(jié)理滲流現(xiàn)象顯著,由此表明現(xiàn)代活動性微弱的斷