揭秘白鹤滩水电站的柱状节理玄武岩结构特性

白鹤滩水电站坝址区的柱状节理玄武岩结构特性相当独特，这些特性对水电站的设计、施工以及长期的安全运营都有着重要的影响。

1、坝址区地形地貌

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，如图1所示。

图1 白鹤滩水电站坝址区地形地貌情况（lin P, et al. 2019）

2、坝址区柱状节理玄武岩空间分布情况

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）。电建华东院关于白鹤滩水电站的研究报告中明确指出，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，使得柱状节理岩体强度、变形特性研究与工程岩体质量评价等对实际工程设计与施工具有重要意义。

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，是影响大坝、地下硐室与高边坡稳定性的主要因素。

白鹤滩水电站坝址区地质剖面简图如图2所示。

图2 坝址区地质剖面简图（荣冠等, 2009）

3、柱状节理玄武岩柱内原生节理面

白鹤滩水电站工程岩体P2β32与P2β33亚层除发育柱状节理外，内部微裂隙发育也较明显。对工程性状影响较明显的为：近似平行于柱轴方向的陡倾角原生节理面与垂直于柱轴方向的缓倾角节理面。郝宪杰等探究了柱状节理玄武岩隧洞的破坏模式与破坏机制，文中隧洞穿过的P2β32亚层主要是第二类柱状节理玄武岩，P2β33亚层主要为第一类柱状节理玄武岩。郝宪杰等指出沿节理面滑移，是最常见破坏模式之一，同时柱状节理岩体内部存在着多组节理面，多方向的节理面相互切割导致实际工程柱状节理岩体异常破碎；尤其是柱内隐节理面的存在，洞室表层围岩因开挖卸荷产生法向张拉作用力，隐节理面发生张开导致柱状节理面贯通，柱内缓倾角隐节理面将母岩切割成多段小柱体而滑移。因开挖卸荷、应力重分布及与软弱下卧层等结构面的组合作用，内部原生隐节理面对工程特性影响较大。

其中，柱内陡倾角节理面主要包含两组，第一组产状N35-55°W，NE（SW）∠80-85°与产状N70°E，NW∠70°；迹长约0.3-2.0m不等，裂隙面光滑、弯曲；微新状态下裂隙面闭合，弱风化部位上段发现裂隙张开0.5-1.0mm。柱内缓倾角节理面发育长度较短，迹长3-20cm不等，通常情况下并未贯穿单个柱体，倾角约为10-30°；微新状态下因裂隙闭合未见发育，弱风化部位下段可见。

白鹤滩水电站坝址区柱状节理面及柱内原生节理面可见图3。

图3 坝址区柱状节理玄武岩柱内原生节理面示意图（江权等, 2013）

由图3可以看出，白鹤滩水电站柱状节理玄武岩除柱状节理面发育外，柱内陡倾角节理面和柱内缓倾角节理面亦对工程特性影响较大。

参考文献：

[1] 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.

[2] Lin P, Shi J,Wei P, et al. Shallow unloading deformation analysis on Baihetan super-higharch dam foundation[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2019, 78(8): 5551-5568.

[3] 石安池, 唐明发, 单治钢, 等. 金沙江白鹤滩水电站可行性研究选坝阶段柱状节理玄武岩专题研究工程地质研究报告[R]. 杭州: 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院, 2006.11.

[4] 江权, 冯夏庭, 樊义林, 等. 柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(12): 2527-2535.

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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）