天池抽水蓄能电站蚀变岩蚀变特征及工程特性

黄志全，侯合明，王 振

(华北水利水电学院，河南郑州 450011)

天池抽水蓄能电站蚀变岩蚀变特征及工程特性

黄志全，侯合明，王 振

(华北水利水电学院，河南郑州 450011)

天池抽水蓄能电站库区存在热液作用下形成的蚀变岩，岩石的蚀变特征在很大程度上影响岩体的工程地质特性，进而对工程区坝体及地下厂房的安全性造成了影响.通过野外地质调查及采样分析，以宏观和微观分析相结合的方式研究该区蚀变岩的蚀变成因、类型、分布，并以此评价坝区岩体的工程地质特性.通过蚀变岩的物理及力学性质试验，深入研究了蚀变岩的工程特性.

蚀变岩;蚀变特征;工程特性;地质调查;力学性质

广义的蚀变岩是指包括热液作用以及表生作用等引起岩石和矿物的各种次生变化而形成的岩石.其中热液作用包括充填、升华、蒸发、交代等各种作用;表生作用主要包括沉积作用、固结成岩、地下水(包括地下热水)作用等，其中有90%以上表生作用引起的蚀变减弱了岩石强度［1－3］，其力学性能往往能控制工程的稳定与安全，水电工程曾多次遭遇蚀变岩类，先后有北京青石岭水电站、二滩水电站、广州抽水蓄能电站等［4－5］.

工程区存在蚀变岩体，直接影响到坝基、库岸边坡及地下洞室围岩的稳定性，而且在工程运行期将影响支护结构的耐久性.因此，研究蚀变岩矿物成分、化学成分，掌握蚀变岩岩体物理力学性质，查明蚀变作用的地质成因、蚀变机理，分析评价蚀变岩的工程地质特性和分布规律，对于工程采取积极的防护措施、加快施工进度、保障施工安全、确保岩体支护结构的可靠性具有重要意义.

1 工程概况

天池抽水蓄能电站位于河南省南召县马市坪乡境内，可研阶段装机容量1 200 MW，电站枢纽包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房4大建筑物，上水库设计正常蓄水位1 063.0 m，死水位1 020.0 m，蓄能发电有效库容1 206万m3，最大坝高117.5 m.下水库设计正常蓄水位537.5 m，死水位510.0 m，蓄能发电有效库容1 197万m3，最大坝高100.6 m.地下厂房开挖尺寸为132.0 m ×24.7 m ×51.0 m.

野外勘察及钻孔资料表明，工程区存在规模较大的蚀变岩体，直接影响到坝体及地下厂房的安全，因而成为该工程区主要工程地质问题之一.

2 蚀变岩的特征

为深入研究工程区蚀变岩的特征，在进行详细区域地质调查的基础上，对所采样品进行了薄片鉴定、电子探针测试、X射线衍射分析、微量元素分析、阳离子交换量与比表面积分析、扫描电镜及其能谱分析、同位素测年等一系列的微观测试，并对蚀变岩的成因、类型及分布规律进行了归纳和分析.

2.1 蚀变岩的成因

天池抽水蓄能电站工程区出露(或揭露)岩石以混合片麻岩(Pt1)类和混合花岗岩(γm12)类为主，在岩石形成以后，由于热液作用和表生作用，岩体进一步发生蚀变，局部改变了岩体的工程地质特性.工程区岩体的蚀变是一个复杂的热液作用过程，经历了不同的蚀变作用和阶段.工程区所采蚀变岩样品中石英晶体经热液改造后形态的扫描电镜照片如图1所示.图1说明该区部分蚀变岩体为热液作用所形成.据锆石U－Th－Pb同位素年龄测定及钾长石K－Ar同位素测年结果，说明中条期混合花岗岩及混合片麻岩经历了较强烈的混合岩化作用，并且工程区岩体在燕山晚期经历了强烈的岩浆活动热力作用，表明伴随着中条期及加里东期构造运动，加上表生改造作用，通过钠交代、石英溶解、新生石英沉淀、黏土岩化及含黏土矿物岩石崩解，晚期碳酸盐化，云母富集化等蚀变作用形成了岩体中较大范围的蚀变体.

图1 经热液重塑后石英晶体形态扫描电镜图像

2.2 蚀变岩的类型

上述作用都对岩石的成分和性质产生了改变.工程区岩体蚀变程度最大的是由碳酸盐化、石英的溶解和新生石英的沉淀、长石溶蚀、云母富集化等作用引起的蚀变，蚀变作用完全改变了岩石的矿物成分和化学成分;其次是黏土岩化及含黏土矿物岩石的崩解作用、绿泥石化、绿帘石化等，这种情况下蚀变作用仅部分(或少量)改变了岩石的矿物成分和化学成分.

基于此，根据蚀变岩样品的微观测试与分析结果，结合现场实地(包括钻孔和平洞)调研情况，工程区蚀变岩体可分为以下几类.

2.2.1 黏土岩化蚀变岩

蒙脱石化、高岭石化，水云母(伊利石)化，统称为黏土岩化，形成的蚀变岩称之为黏土岩化蚀变岩.场区内这类蚀变岩分为2类:一是次生黏土矿物呈絮状充填于岩石块体内部的其他矿物颗粒之间或溶蚀形成的空洞中，黏土矿物的主要来源是热液蚀变的产物;二是次生黏土矿物沿裂隙分布，形成裂隙间的泥膜.第1种黏土岩化蚀变岩物理性质、水理性质及力学强度都有了很大改变，主要原因是伊利石(高达28.7%)和蒙脱石(含量 4.4% ～16.6%)化蚀变岩暴露后，在表生改造作用下，特别是遇到地下水时，黏土矿物吸水体积膨胀，造成岩石块体裂解而松散，形成钻孔中见到的白色(或灰白色)砂砾土，图2即为上库坝基钻孔中见到的砂状岩芯.因此，黏土岩化是该区的主要蚀变作用.对于因黏土岩化作用而引起的岩体蚀变(第1种情况)，可以从钻孔岩芯和岩块表面观察，粗略地分为微弱蚀变岩和强蚀变岩.

图2 破碎的砂状岩芯

微弱蚀变岩特征:岩石表面可看到部分斜长石出现白色斑点，微量绿泥石化.岩芯呈长柱状，岩石如微风化岩.与空气、水接触不会发生明显的松裂现象.蚀变矿物含量小于5%，其强度与弱风化岩及中等风化岩相似.

强蚀变岩特征:钻孔可取出柱状岩芯，但强度低，钻孔进尺较快，孔内有少量坍孔现象.岩芯呈岩块者，岩石表面粗糙，凹凸不平，岩石裂隙中有明显的白色细脉，细脉有的是黏土矿物，有的是方解石脉.岩石晶面爆裂，微裂隙张裂，岩石呈灰白色、肉红色者，很快就松裂，崩解成白色砂砾土.蚀变矿物含量约5%～20%，其强度与强风化及全风化岩相似.

2.2.2 云母富集化蚀变岩

黑云母在工程区岩石中局部含量较高，岩矿测试结果表明，有些样品中黑云母含量达28%左右.云母富集化的主要原因是在热液蚀变过程中离子分解、活化、迁移及构造应力造成黑云母定向排列、局部富集.黑云母大规模富集极大地影响岩体的工程性质，并且蚀变后期有些黑云母出现绿泥石化及高岭石化，使岩石变得较为疏松.虽然没有形成统一的蚀变带，但是工程地质性质较差，在平洞中见到手掰即碎的状况.这类蚀变岩的存在会对工程产生一定的影响，特别是对洞室围岩的类别及参数的选取产生影响，进而影响到洞室围岩的稳定性.

图3及图4为所采样品黑云阳起透辉片岩薄片及局部扫描电镜照片.试验结果表明，岩石由黑云母、斜长石、角闪石等矿物组成，石英少量，黑云母含量占24%，变晶鳞片状、片状云母定向排列，且云母晶体间存在次生空隙或包体(磷灰石包体).

2.2.3 碳酸盐化、石英的溶解和新生石英的沉淀、长石溶蚀蚀变岩

热液活动晚期，一方面由于热液中的Na，K，Si，Al的沉淀;另一方面斜长石和黑云母等矿物的分解，使得热液中的Ca+，Fe2+以及C等离子的活度逐渐增高，从而发生了碳酸盐化，形成方解石和菱铁矿，工程区较为常见的方解石膜(或脉)即属于这一类型.

热液活动时，原岩中的石英变得不稳定，大量发生溶解，以SiO2的形式进入溶液，并随热液活动向外迁移(由高温到低温)，钻孔中裂隙表面见到的石英颗粒，即为石英溶解现象.

由于长石溶蚀现象仅在扫描电镜下可见且形成的蚀变矿物主要沿节理裂隙分布，规模有限，对整个岩体的性质影响不大.

2.2.4 绿泥石化、绿帘石化蚀变岩

绿泥石化(片状绿泥石形貌如图5所示)、绿帘石化形成的蚀变矿物在工程区客观存在.其中绿泥石极易黏土化，导致岩体产生微孔或裂隙，降低岩体强度;由于绿帘石矿物本身性质较脆，故其抗断、抗剪性能会随着绿帘石含量的增加而降低，当绿帘石定向时，易沿该方向产生滑动，在地表浅表生改造时易形成滑动面.

但是由岩矿鉴定以及岩石矿物蚀变岩微观分析结果可知，这2种蚀变作用形成的蚀变矿物在岩石中的含量很低，均小于5%，且绿泥石和绿帘石多沿岩体中已有的节理裂隙分布，如图6所示.因此，这3种蚀变岩对岩体的工程地质性质影响有限.

2.3 蚀变带的分布规律

结合工程区断层和节理裂隙的发育规律，采用由局部到整体的方式对蚀变岩的分布规律进行分析.首先对各蚀变岩揭露处进行逐点素描，然后综合分析空间各素描信息，最后作出各蚀变体的空间组合规律.

上库坝址区主要蚀变类型为黏土化及含黏土矿物岩石的崩解作用产生的蚀变，其成因主要是由热液作用形成黏土矿物，同时又受表生改造作用而崩解，由于断层带附近热液作用较其他部位强烈，且更容易受到表生改造作用的影响.因此，由黏土化及含黏土矿物岩石的崩解等蚀变作用形成的蚀变岩主要分布在表生改造作用强烈的断层附近.具体分布规律为:强蚀变形成崩解松散体(含砂状、严重破碎带及泥质)呈透镜状、具多层性分布在断层两侧，最大厚度超过 5.0 m，最小厚度约 0.3 m，一般厚度1.0～2.0 m，如图7所示.从透镜体的分布情况看，断层上盘较下盘更发育，断层上盘透镜体的边界距断层的最大距离约为35.0 m;断层下盘透镜体的边界距断层的最大距离约为25.0 m.沿断层形成了宽约60.0 m的强蚀变崩解松散状透镜体与相对完整岩体相间的带.云母富集化为厂房区的主要蚀变类型，其产状受断裂严格控制，与该区主构造线的产状一致，但分布不连续，多呈透镜体状;其分布位置的规律性不强，与断层关系不密切.

图7 蚀变带分布特征示意图

3 蚀变岩的工程特性

结合微观分析与鉴定结果以及对所采样品的三轴压缩试验、单轴压缩试验、基本物理力学性质等试验，对场区蚀变岩的工程特性进行了深入分析.

3.1 膨胀崩解性

蚀变岩被揭露后，遇地下水和潮湿的空气膨胀崩解.蚀变岩的膨胀崩解程度取决于自身蒙脱石含量、是否有足够的空间、是否充分吸水.这3个条件中，在满足后2个条件的情况下，不同的蒙脱石含量有不同的崩解时间，见表 1［6］.

表1 蚀变岩崩解时间

根据岩石薄片鉴定以及测试结果，岩石蚀变作用主要为黏土岩化及云母富集化.所采样品中大部分含有较高的黏土矿物，其中蒙脱石含量为4.4% ～16.6%，高岭石含量为9.2% ～12.2%，伊利石含量高达28.7%.根据钻探结果，强蚀变岩岩芯取出后，暴露于空气中吸水膨胀，大部分崩解成砂砾土，有一小部分块状脱落.依此可做出判断:蚀变岩导致场区内岩体比较破碎，且性质较差.

3.2 力学性质

蚀变作用生成的蒙脱石等黏土矿物降低了岩体凝聚力，黏土成分遇水膨胀破坏了岩石内部颗粒之间结构，另外当黑云母含量超过10%时，岩体强度和碱活性有一定改变.一方面是黑云母易风化和水化，并导致岩体产生微破裂，降低岩体强度;另一方面当黑云母定向时，会使岩体强度产生各向异性，其抗剪性在某些方向上会大幅度降低［7－9］.为此，笔者对场区内大量分布的花岗岩以及蚀变岩体——黑云阳起透辉斜长片岩进行了物理力学指标试验，得到花岗岩及蚀变岩的力学性质指标见表2.表中省略了测试数据，均为有效试验所得的平均值或回归值.结果表明，蚀变作用形成的黑云阳起透辉斜长片岩的抗压强度介于该场区中等风化与强风化花岗岩之间，其抗剪强度指标与弹性模量有很大程度的降低，均低于强风化花岗岩，泊松比也低于强风化花岗岩.

表2 花岗岩及蚀变岩的力学性质

4 结语

1)工程区岩石蚀变为热液蚀变，经历了多个蚀变阶段，可分为多种类型，但对工程岩体的稳定性产生较大影响的主要为云母富集化蚀变岩和黏土岩化蚀变岩.因此，云母富集化和黏土岩化是场区内的主要蚀变类型，其分布受工程区构造控制.

2)蚀变岩中蒙脱石、伊利石等具有膨胀性的矿物含量较高，具有易膨胀、耐崩解性较差等特性，造成了场区内蚀变岩破碎，甚至成粉末状.另外蚀变岩的力学性质较差，影响场区内洞室及坝基的稳定性.

3)蚀变岩特殊的工程特性，影响了场区内坝体及厂房的安全，应积极制定处理方案，采取有效的防护措施确保工程安全.工程设计阶段应准确判断主要断裂的走向，在地下厂房洞室群选择时，根据蚀变岩带分布规律及其产状，将关键洞室尽量置于新鲜完整岩体中，使厂房轴向与主要蚀变带方向呈较大交角，将蚀变岩带对主体工程的影响降至最低.在避开不了蚀变带的工程区，对上库坝址区的断层破碎带，采用槽挖后以混凝土置换的方法进行处理.以混凝土回填对大坝加宽部分的岩石基础进行固结灌浆，对断层破碎带和节理较发育地段，加密固结灌浆孔距，并加大灌浆深度.对于洞室用喷锚支护，先锚固可能不稳定的块体，再进行系统锚杆、挂网和喷混凝土等工序，并应实施动态监测和后继支护.

［1］于新华，翦波.蚀变花岗岩工程特性研究［J］.西部探矿工程，2007，19(6):94 －96.

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Alteration and Engineering Characteristics of Altered-rock in Tianchi Pumped-storage Power Station

HUANG Zhi-quan，HOU He-ming，WANG Zhen
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

There are altered rocks formed under the action of hydrothermal fluids in reservoir of Tianchi pumped-storage power station.Rock alteration features significantly affect the engineering geological characteristics of rock，and thus influence the safety of the dam and underground plant in the project area.Therefore，after the geological survey，sampling and analysis，the macro analysis was combined with the micro analysis to find out the type，cause and distribution of the altered-rock and based on it，the engineering geological characteristics were evaluated.At the same time，by laboratory tests of the physical and mechanical properties of the altered rock，the engineering properties of altered rocks were studied deeply.

altered-rock;alteration property;engineering characteristics;geological survey;mechanical property

1002－5634(2011)05－0001－05

2011－07－10

郑州市创新型科技人才培育计划领军人才项目(10LJRC185);教育部留学回国人员科研启动基金项目;华北水利水电学院研究生教育创新计划基金项目(YK2010－08).

黄志全(1970—)，男，河南潢川人，教授，博士，主要从事岩土力学方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)