岩石力学与工程科普—壮美与危险并存的玄武岩柱状节理-

1. 雄伟壮美的玄武岩柱状节理景观

玄武岩柱状节理作为一种火山喷发过程中形成、含原生张性破裂结构、厚层火山熔岩中常见、几何断面形态特殊、排列整齐到从形状上看就像麦当劳的薯条一样（陈祖煜院士语）的由大自然锻造的鬼斧神工般的自然景观，往往因其气势非凡，时常引来旅游者的驻足观望，美国魔鬼塔甚至被斯皮尔伯格导演的电影《第三类接触》描绘成外星人访问地球的基地。在惊叹大自然神秘创造力的同时，我国第二大水电站―白鹤滩水电站项目的建设者确被玄武岩柱状节理搅扰了。

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备注：图片来源于www.geologypage.com

2. 白鹤滩水电站坝址区地形地貌情况

白鹤滩水电站坝址区属高山峡谷地貌，地势南高北低，向东倾斜。河谷因河流深切成不对称的“V”字型，右岸为药山山脉的西坡，山顶高程在3000m以上，其中1000-1400m高程往下主要为陡崖地形，以上地段为呈现缓坡的台地；左岸为大凉山山脉的东南坡，山顶高程约2600m，其中900-1100m高程往下为陡崖地形，左岸边坡总体上为向河谷倾斜的斜坡。总体上，右岸地形较陡峻，左岸稍缓。

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3 坝址区玄武岩柱状节理空间分布情况

坝址区主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2β）与三叠系下统飞仙关组砂页岩（T1f），河床及缓坡台地上分布有第四系松散堆积物。与拱坝安全稳定性直接相关的是二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2β）。由于冷却收缩作用，位于坝址区范围内的玄武岩第三层中部柱状节理发育，密集发育的柱状节理将岩体切切割成不连续的柱体，加上玄武岩块体内部原生隐裂隙发育。

实际地址调查发现坝址区柱状节理主要在以下8个亚层内发育，即：P2β22、P2β23、P2β32、P2β33、P2β41、P2β61、P2β71与P2β82。各层内柱状节理发育不均，柱体直径与长度各异。其中，P2β22、P2β23主要分布在坝址下游及河床深部，P2β61、P2β71与P2β82主要分布在坝址右岸较高高程处，其分布特征对实际工程影响较小；P2β41块体直径较大，结构性好，可当做一般玄武岩体处理；P2β3岩流层内P2β32、P2β33主要分布在两岸底高程及河床坝址范围内，柱状节理在此处最发育，柱状节理玄武岩作为一种特殊的地质结构，具有非连续性、非均质性与非线性特征，同时其突出的几何各向异性与强界面透水性，是影响大坝、地下硐室与高边坡稳定性的主要因素。

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白鹤滩水电站坝址区发育的柱状节理切割玄武岩形成的主要为四边形与五边形,三到七边形所占百分比的统计结果，基本符合对数正态分布函数，方差约为0.17，相关系数为0.9795。同时，坝址区密集发育的原生陡倾角节理面与缓倾角节理面部分改变了柱状节理玄武岩的几何各向异性，四边形所占比例突出，约为66.5%；各多边形所占比例，规律性降低，具有随机性。

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4 坝址区柱状节理玄武岩复杂的工程地质问题

在建的白鹤滩水电站进水口高边坡高差达600m以上，地下洞室群开挖规模巨大，其复杂的工程地质条件、较高的地应力水平、结构面与柱状节理发育等已经引发了如原始出露边坡柱体松弛垮塌、导流洞内柱体节理面滑移、施工洞交叉处柱体应力型崩解及柱状节理与层间错动带组合等破坏情况。因柱内隐节理面发育，坝址区钻孔岩芯较为破碎，RQD值较小，完整性较差，原位取样及测试所得变形模量等指标相对较低，且测试结果表现出显著各向异性特征。

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参考文献：

[1] 张春芳. 金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体结构及质量分级研究[D]. 成都: 成都理工大学, 硕士学位论文, 2008.

[2] 荣冠, 王思敬, 王恩志, 等. 白鹤滩河谷演化模拟及P_2β_3玄武岩级别评估[J]. 岩土力学, 2009, 30(10): 3013-3019.

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供稿：孔洋（水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院）

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