白鶴灘水電站玄武巖柱狀節(jié)理粗糙起伏幾何特征簡析

我國西南已建和在建的多個中型和巨型水電站，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相對較低，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)理與層間錯動帶組合等災(zāi)害現(xiàn)象。

成都理工大學張春芳碩士所在團隊統(tǒng)計了壩址區(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%，需要注意的是實際柱體平直光滑的比例僅占9%。說明，白鶴灘壩址區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖不同于美國魔鬼塔、冰島巨人之路等，實際光滑垂直的節(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)當將粗糙度因素考慮進去。

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，與白鶴灘水電站實際情況相符；側(cè)面證實白鶴灘水電站地質(zhì)成因為冷卻收縮機制。

同時，相同光照時間情況下，光照強度越高，試樣長細比越大。也就是說，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)過三維重構(gòu)后形成計算機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，通過粘結(jié)、打磨等工藝制備的柱狀節(jié)理類巖石材料，可充分反映實際柱狀節(jié)理特征，得到真實的柱狀節(jié)理力學響應(yīng)與滲流-應(yīng)力耦合特征，同時省去了現(xiàn)場逐個柱體掃描、測量等工序。

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供稿：孔洋（水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院）