白鶴灘水電站玄武巖柱狀節(jié)理粗糙起伏幾何特征簡(jiǎn)析

我國(guó)西南已建和在建的多個(gè)中型和巨型水電站，均揭露了二疊系峨眉山玄武巖組，如四川樂(lè)山境內(nèi)的銅街子水電站和金沙江下游的金安橋、溪洛渡與白鶴灘水電站等，其中以白鶴灘水電站最為突出。

西南地區(qū)水電站往往存在地下洞室群開(kāi)挖規(guī)模巨大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力水平高、原生與次生節(jié)理發(fā)育等問(wèn)題。因柱內(nèi)隱節(jié)理面發(fā)育、巖芯較為破碎、完整性較差及變形模量等指標(biāo)相對(duì)較低，白鶴灘水電站壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖已經(jīng)引發(fā)了如原始出露邊坡柱體松弛垮塌、導(dǎo)流洞內(nèi)柱體節(jié)理面滑移、施工洞交叉處柱體應(yīng)力型崩解及柱狀節(jié)理與層間錯(cuò)動(dòng)帶組合等災(zāi)害現(xiàn)象。

成都理工大學(xué)張春芳碩士所在團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)了壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖節(jié)理面的粗糙起伏幾何特征，研究表明柱狀節(jié)理面以波狀粗糙為主，相應(yīng)比例為48.4%，其次為平直粗糙，相應(yīng)比例為42.6%，需要注意的是實(shí)際柱體平直光滑的比例僅占9%。說(shuō)明，白鶴灘壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖不同于美國(guó)魔鬼塔、冰島巨人之路等，實(shí)際光滑垂直的節(jié)理面較少，因此，后續(xù)研究特別是滲流-應(yīng)力特性方面的研究應(yīng)當(dāng)將粗糙度因素考慮進(jìn)去。

筆者嘗試用Müller的方法，基于冷卻收縮原理重現(xiàn)柱狀節(jié)理，得到如圖1所示的柱體形態(tài)特征。由圖1可以看出，基于冷卻收縮原理制備的柱狀節(jié)理表面形態(tài)基本為波狀粗糙與平直粗糙，與白鶴灘水電站實(shí)際情況相符；側(cè)面證實(shí)白鶴灘水電站地質(zhì)成因?yàn)槔鋮s收縮機(jī)制。

同時(shí)，相同光照時(shí)間情況下，光照強(qiáng)度越高，試樣長(zhǎng)細(xì)比越大。也就是說(shuō)，溫差越大、距離臨空面距離越近，柱狀節(jié)理發(fā)育程度越好，玄武巖縱橫比越大。白鶴灘水電站P2β33亞層比P2β32亞層柱體發(fā)育好，縱橫比大可證實(shí)該假設(shè)。需要注意的是，白鶴灘水電站壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖受后期地質(zhì)改造作用與分化程度影響較大。

(a) 30 W白熾燈

(b) 72 W白熾燈

圖1 淀粉液冷卻收縮模擬柱狀節(jié)理單柱形態(tài)特征

筆者設(shè)想，圖1及其他單柱形態(tài)特征經(jīng)過(guò)三維重構(gòu)后形成計(jì)算機(jī)3D模型，基于相似比原理與3D打印技術(shù)可以將柱體不同形態(tài)打印出來(lái)，通過(guò)粘結(jié)、打磨等工藝制備的柱狀節(jié)理類(lèi)巖石材料，可充分反映實(shí)際柱狀節(jié)理特征，得到真實(shí)的柱狀節(jié)理力學(xué)響應(yīng)與滲流-應(yīng)力耦合特征，同時(shí)省去了現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)柱體掃描、測(cè)量等工序。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐衛(wèi)亞, 鄭文棠, 石安池. 水利工程中的柱狀節(jié)理巖體分類(lèi)及質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 水利學(xué)報(bào), 2011, 42(03): 262-270.

[2] 郝憲杰, 馮夏庭, 李邵軍, 等. 柱狀節(jié)理玄武巖隧洞破壞模式及其力學(xué)機(jī)制模擬[J]. 巖土力學(xué),2015, 36(03): 837-846.

[3] 劉國(guó)鋒, 馮夏庭, 江權(quán), 等. 白鶴灘大型地下廠房開(kāi)挖圍巖片幫破壞特征、規(guī)律及機(jī)制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016, 35(05): 865-878.

[4] 江權(quán), 樊義林, 馮夏庭, 等. 高應(yīng)力下硬巖卸荷破裂:白鶴灘水電站地下廠房玄武巖開(kāi)裂觀測(cè)實(shí)例分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 36(05): 1076-1087.

[5] 周垂一, 陳平志, 何世海, 等. 白鶴灘水電站巨型導(dǎo)流洞關(guān)鍵巖石力學(xué)問(wèn)題與對(duì)策[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(03): 383-389.

[6] 張建聰, 江權(quán), 郝憲杰, 等. 高應(yīng)力下柱狀節(jié)理玄武巖應(yīng)力-結(jié)構(gòu)型塌方機(jī)制分析[J]. 巖土力學(xué), 2021, 42(09): 2556-2568+2577.

[7] 張春芳. 金沙江白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖巖體結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分級(jí)研究[D]. 成都: 成都理工大學(xué), 碩士學(xué)位論文, 2008.

[8] MüllerG. Experimental simulation of basalt columns[J]. Journal of Volcanology andGeothermal Research, 1998, 86(1): 93-96.

供稿：孔洋（水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院）