白鹤滩水电站玄武岩柱状节理粗糙起伏几何特征简析

我国西南已建和在建的多个中型和巨型水电站，均揭露了二叠系峨眉山玄武岩组，如四川乐山境内的铜街子水电站和金沙江下游的金安桥、溪洛渡与白鹤滩水电站等，其中以白鹤滩水电站最为突出。

西南地区水电站往往存在地下洞室群开挖规模巨大、工程地质条件复杂、地应力水平高、原生与次生节理发育等问题。因柱内隐节理面发育、岩芯较为破碎、完整性较差及变形模量等指标相对较低，白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩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灾害现象。

成都理工大学张春芳硕士所在团队统计了坝址区柱状节理玄武岩节理面的粗糙起伏几何特征，研究表明柱状节理面以波状粗糙为主，相应比例为48.4%，其次为平直粗糙，相应比例为42.6%，需要注意的是实际柱体平直光滑的比例仅占9%。说明，白鹤滩坝址区柱状节理玄武岩不同于美国魔鬼塔、冰岛巨人之路等，实际光滑垂直的节理面较少，因此，后续研究特别是渗流-应力特性方面的研究应当将粗糙度因素考虑进去。

笔者尝试用Müller的方法，基于冷却收缩原理重现柱状节理，得到如图1所示的柱体形态特征。由图1可以看出，基于冷却收缩原理制备的柱状节理表面形态基本为波状粗糙与平直粗糙，与白鹤滩水电站实际情况相符；侧面证实白鹤滩水电站地质成因为冷却收缩机制。

同时，相同光照时间情况下，光照强度越高，试样长细比越大。也就是说，温差越大、距离临空面距离越近，柱状节理发育程度越好，玄武岩纵横比越大。白鹤滩水电站P2β33亚层比P2β32亚层柱体发育好，纵横比大可证实该假设。需要注意的是，白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩受后期地质改造作用与分化程度影响较大。

(a) 30 W白炽灯

(b) 72 W白炽灯

图1 淀粉液冷却收缩模拟柱状节理单柱形态特征

笔者设想，图1及其他单柱形态特征经过三维重构后形成计算机3D模型，基于相似比原理与3D打印技术可以将柱体不同形态打印出来，通过粘结、打磨等工艺制备的柱状节理类岩石材料，可充分反映实际柱状节理特征，得到真实的柱状节理力学响应与渗流-应力耦合特征，同时省去了现场逐个柱体扫描、测量等工序。

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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）