锦屏水电站边坡岩体微观结构研究
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[摘要]锦屏水电站是雅砻江大河湾干流上的一级水电站，是当今世界第一双曲高拱坝，也是雅砻江下游从卡拉至河口河段水电规划梯级开发的龙头水库。电站左岸是罕见的地质结构复杂高边坡，其边坡工程是坝区的重要工程。由于其坡面不完整，谷坡陡峭，岩体结构复杂。富含裂隙、破碎带，风化明显，层理分布密集，层间结合力较差，岩体表层卸荷现象较强，造成应力不均和急剧释放，以及岩体的微观损伤和宏观断裂。因此，为了弄清高边坡岩体的微观结构与损伤机理，掌握其损伤的发生、发展及演化规律和由此可能造成的高边坡岩体的宏观变形与断裂，具有重要的理论意义和工程实际价值。
[关键词]锦屏水电站 微观结构 岩石结构损伤
[中图分类号]U417.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-1-49-2
0引言
经现场查勘，锦屏一级电站坝区左岸山高坡陡，峡谷深切呈V型，岩层为反向坡，走向大体与雅砻江流向相同，由于1885m高程以上呈示出山沟与山梁交互地貌，且多以砂板岩和大理岩等为主，因此，他们的岩石结构损伤特性对边坡岩石的力学特性及宏观变形与破坏有显著影响。
1现场边坡几种典型岩样细观特征
（1）大理岩：从中厚至薄层岩体中取得，含方解石和白云石等，细～微晶结构，结构细密，呈层状，摩氏硬度3左右，性脆，含有节理或纹理，常将岩石切割呈块状或板状，节理面呈黄褐色，有的节理面有擦痕，有的被方解石充填成脉。（2）砂岩：为变质砂岩及粉砂岩，含石英及方解石，滴稀盐酸起泡，摩氏硬度6左右，呈深灰色或灰黑色，厚层岩体，层面构造明显，出露地表处风化严重，卸荷明显，层间结合力差，岩质致密坚硬，层间有时夹杂粉砂岩或泥质矿物。（3）脉状石英：白色或绿灰色，浅褐灰色，透镜状，结构致密，岩性坚硬，摩氏硬度为7，脉体中有网状分布的浅黄色方解石脉，脉体边缘分布有较多的方解石晶体，方解石带浅褐色，具菱面体解理，石英脉外表被风化呈现褐灰色，有的脉体周围为绿灰色钙质页岩，其上有平行分布的擦痕。（4）钙质页岩：绿灰色，页理发育，页理面上具密集的擦痕，并含有相交节理。主要矿物为粘土矿物，次要成份为碳酸钙或有机质，页理间夹有硬度稍大含钙较高的透镜体，长5厘米，宽2厘米。该岩层硬度低，指甲可刻划，遇水软化后呈软弱岩石，在不利的内部和外部条件下，岩体边坡有可能失稳。
2岩石样本微观特征
为研究锦屏边坡岩石微观结构、微损伤与边坡岩体断裂、移动和失稳的关系，从现场获取岩样的典型样本制成试件烘干，做真空镀金处理后，在美国AMRRY扫描电镜下做高放大倍数微细观观察，研究发现：锦屏边坡岩石具有多种独特的微观结构，即片理微结构，卵粒微结构，角粒微结构，联体微结构，擦痕沟槽微结构，块体微结构，多向层状微结构，多形碎粒微结构，以及微裂隙微结构等。他们构成了边坡岩石微观结构的主体，是岩体的基本架构单元。其微观结构构造的初始状态、损伤演化与宏观变形及破坏之间，存在必然的内在联系，他们的力学本质也因此而产生重大影响[1]。
2.1片理微结构
如图1及图2所示，这类岩石微观片理丰富，基本成同向排列，近似具有横观单向同性特征，由于岩石呈片理结合，弱面多且平行，构成矿物又多为粘土，其强度必然降低，当具此结构的岩石处于边坡岩体的关键受力结构部位时，将具有严重危险性。
2.2多向层状微结构
如图3所示：这种岩石结构以不定向排列薄块聚集，由多种结构共存，结构具有一定的松散性，有薄块、页理、条状晶体和块体等，含有碳酸钙及粘土矿物，致使岩石强度低，且具各向异性特征，此种岩石杂于边坡岩体中时，会削弱边坡的整体强度和稳定性，特别是在遇水时会有膨胀变形，将使边坡支护或表面岩体承受变形压力，当此压力过大时，有可能造成支护结构开裂或破坏。
2.3联体微结构
如图4所示：从图中观察可以发现，此类岩石整体融合很好，微孔隙和微裂隙少，成层构造罕见，松散颗粒极少，说明其具有细密结构，透镜状，矿物以石英为主，并含有方解石，使其强度甚高，若以脉状形式出现在边坡岩体中，则岩体整体强度并不取决于此种岩石，而主要取决于它与其他岩体的结构面的密集程度、方向和层面结合紧密程度和牢固程度。
2.4角粒状微结构
如图5、图6所示：岩样SEM照片显示，此类岩石呈角粒微晶体，颗粒状明显，具有一定的松散性，含有明显的微孔隙构造，并含有少量的节理，将岩石切割成一定的块状。而角粒状颗粒相互嵌合不紧密，其间空隙提供了可压缩变形和含孔隙水的机会，致使岩石强度较低，承载力很有限，此种岩石在受力状态下及不均匀受载时，有可能造成微孔隙演化成微裂隙，进而演化为宏观裂纹，造成破坏。
2.5擦痕沟槽微结构
如图7所示：此岩样受到某方向挤压、刻蚀、摩擦和侵蚀，使岩石受到损伤，有浅刻蚀、深刻槽及错动，此类岩石因而已经具有了明显的初始损伤，造成岩体先天缺陷，在受力不利方向上会造成损伤扩展，形成微观断裂与破坏。而在单向擦痕沟槽和受力方向有利时，一般不会造成新的损伤与扩展。
2.6卵粒微结构
如图8所示：岩样微观结构酷似卵石堆砌，且卵粒形状相互嵌合较好，有一定的孔隙率。但总体上较为致密。此类岩石受挤压后有一定抵抗力，但在较高的压力下仍会发生晶体颗粒挤压错动甚至胶结断裂，造成损伤与扩展。
2.7微裂隙构造
如图9所示：此结构在多种岩石中均存在，在锦屏边坡中的大理岩、砂岩、页岩等岩石中均有微裂隙存在，这是一种原始损伤，在不利受力条件下，且岩石间相互嵌合不甚紧密时，会因岩石微晶体间变形与错动而发生微裂隙扩展，进而演化为细观裂纹和宏观裂缝。
2.8多形碎粒微结构
如图10所示：这类岩石含有不同粒径、不同形状与形态的晶体，构成比较杂乱，有不同类别的颗粒相互聚合组成，有些区域为细碎颗粒，有些区域则颗粒粗大，有的则成条绳状，有的呈片状或块状，导致形成不同特性、不同强度的岩石区域，这种构成极易造成受力不均、应力集中和新的损伤出现，使岩石强度受到影响，而岩石发生损伤的部位和扩展方向则是随机的[2]。当在不利的确定的受力条件下，裂纹方向可以大致判断，进而分析边坡岩体的受力状态及稳定性。
3岩石样本中微观分析的几点体会
（1）从现场岩石取样所进行的样本观察及电镜实验，查明了锦屏高边坡岩体实际组成及微观结构与构造，以及它们与边坡岩体损伤与断裂的基本关系。（2）研究发现：以大理岩和砂板岩为主的边坡岩石，主要含有方解石、石英、绿泥石等及其脉状体以及少量煌斑岩等。（3）总体上强度中等至较高，硬度中等，但易风化，部分岩石性脆，有的含有泥质矿物，易被水软化形成软弱面。因而强度与承载力性质差异较大，工程处置时应采取不同的技术处置措施。
4结论
（1）对岩石的微结构研究发现，锦屏高边坡岩石在微观结构上具有以下几种形式：片理微结构、卵粒微结构、角粒微结构、联体微结构、沟槽微结构、块体微结构、多向层状微结构、多形碎粒微结构以及微裂隙结构等。除了联体微结构、块体微结构强度较高外，其余微结构均不同程度存在明显的初始损伤与结构缺陷，矿物晶体颗粒结合不甚紧密，有的还由多种矿物及其不同形状颗粒构成，含有不同数量与形态的微孔隙或微裂隙，表明部分岩石结构致密程度较差，牢固度较弱，当暴露于自然风化状态中、卸荷条件下或处于不利应力作用下，将导致岩石微结构晶体的损伤与扩展，进而演化为细宏观裂纹而断裂或破坏。（2）对暴露或已开挖的岩体必须采取封闭和补强等工程措施。防止水、外力物理化学等的不利作用。（3）建议使用锚固及喷射混凝土的施工工艺进行施工，但对未采取措施的边坡或已暴露边角处应采取相应措施防护和补强[3]。
参考文献
[1]冯西桥，余寿文著.准脆性材料细观损伤力学，高等教育出版社，2002.
[2]李兆霞.损伤力学及其应用[M].北京：科学出版社，2002.
[3]朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M].北京：科学出版社，2002.