那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評(píng)價(jià)

1、測量與地質(zhì)那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評(píng)價(jià)黃國展(廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院南寧530023文摘通過大量的勘探和試驗(yàn)工作,分析那吉水利樞紐壩基第三系軟巖的工程地質(zhì)特性,并參照國內(nèi)外類似工程的經(jīng)驗(yàn),對(duì)軟巖地基進(jìn)行評(píng)價(jià),最后提出初步處理措施。關(guān)鍵詞那吉水利樞紐壩基軟巖工程地質(zhì)特性脹縮性評(píng)價(jià)分類號(hào)P642引言那吉水利樞紐位于郁江上游的右江河段,百色市下游38km的那吉村傍,是以航運(yùn)和發(fā)電為主、,是百色水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫,主要建筑物有船閘、溢流壩和廠房等。主壩設(shè)計(jì)壩高34m,設(shè)計(jì)正常蓄水位114m,相應(yīng)庫容為2.11億m3,電站總裝機(jī)容量51MW,通航噸位為2×500t。大壩基礎(chǔ)

2、為新第三系紅層,巖性主要為泥巖、含粉砂泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、疏松粉細(xì)砂巖、生物碎屑巖、煤系(含炭頁巖或薄煤層等,在水利水電建設(shè)中將第三系紅層列為軟巖之一,常具有一些特殊的工程地質(zhì)問題,如:承載力低、抗滑穩(wěn)定性差、抗沖刷能力低等。為此,必須對(duì)該軟巖的工程地質(zhì)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。1軟巖的物理力學(xué)指標(biāo)分析1.1巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)為了了解軟巖的礦物成份和結(jié)構(gòu),分別對(duì)含粉砂泥巖、疏松粉細(xì)砂巖、生物碎屑巖和煤系進(jìn)行巖礦鑒定,其巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)詳見表1。表1巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)表巖石名稱主要礦物成份及含量次要礦物成份結(jié)構(gòu)構(gòu)造膠結(jié)物及膠結(jié)方式含粉砂泥巖絹云母28%83%或高嶺石50%,石英15%20%綠泥石、金紅石、鋯

3、石、電氣石、泥質(zhì)、鐵質(zhì)等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造疏松粉細(xì)砂巖石英94%96%絹云母、白云母、電氣石、鋯石、金紅石、鐵質(zhì)、泥質(zhì)、綠泥石、高嶺石及碳酸巖礦物等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)砂質(zhì)及粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造膠結(jié)物主要為絹云母及少量細(xì)粒石英,為孔隙接觸式膠結(jié)生物碎屑巖菱鐵礦58%,方解石20%,高嶺石18%絹云母、鐵質(zhì)、泥質(zhì)顯微粒結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造生物碎屑主要為螺殼,由方解石組成煤系石英74%,絹云母24%炭質(zhì)、泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鋯石、電氣石、綠泥石、斜長石、金紅石等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)頁狀構(gòu)造1.2物理力學(xué)指標(biāo)分析室內(nèi)巖石試驗(yàn)總共做了30組。巖石狀況均為弱風(fēng)化,其試驗(yàn)成果整理匯總于表2。小試

4、件(小口徑巖芯樣力學(xué)強(qiáng)度的試驗(yàn)受巖石失水干裂和軟化的影響,成果的代表性較差。相對(duì)來說中型試件的試驗(yàn)成果可信度較高。為了驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)成果的可信度,進(jìn)行了野外大型抗剪試驗(yàn)和野外原位變形試驗(yàn)。野外大型抗剪試驗(yàn),試驗(yàn)點(diǎn)巖性為含粉砂泥巖,86表2室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表名稱容重干濕/gcm-3干濕比重飽和吸水率/%單軸抗壓強(qiáng)度/MPa干濕軟化系數(shù)抗剪強(qiáng)度f c/MPa變形模量MPa剪切含粉砂泥巖 1.90 2.2117.1 4.88 1.410.1700.540.38560.8疏松粉細(xì)砂巖2.12 2.22 5.623.724.010.2410.890.971991.5泥巖 1.87 2.16

5、15.820.940.4750.405中型剪泥巖 2.09 2.26 2.7125.7928.07 6.740.280.02泥質(zhì)粉砂巖 2.23 2.35 2.7155.4121.070.3粉砂巖 2.23 2.42 2.707.0377.0227.440.360.970.87硬砂巖 2.54 2.56 2.71 1.72126.367.70.54土工剪巖體狀態(tài)為弱風(fēng)化。試驗(yàn)成果列于表3。試件的剪切破壞面,混凝土/巖石的5個(gè)點(diǎn)全在混凝土與巖石的接觸面上,巖石/巖石的僅有1個(gè)點(diǎn)的剪斷面是平直的,其余4個(gè)點(diǎn)均為凹凸不平的。從兩組試件的破壞面看,混凝土/巖石的接觸面將是今后壩基抗滑穩(wěn)定的控制面。野外

6、原位變形試驗(yàn),試驗(yàn)點(diǎn)巖性為含粉砂泥巖,巖體狀態(tài)為弱風(fēng)化,縱波速度為1800 m/s。試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)共分5級(jí),最大應(yīng)力為0.6 MPa,但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力為0.12MPa時(shí),變形模量高,當(dāng)應(yīng)力增加到0.24MPa,0.36MPa時(shí),變形模量出現(xiàn)逐級(jí)降低,而且有一試點(diǎn)當(dāng)應(yīng)力增加到0.36MPa時(shí),變形量達(dá)到9.94mm還難以穩(wěn)定,有超巖體極限荷載之勢,根據(jù)上述情況,將預(yù)定的4級(jí)應(yīng)力改為3級(jí)應(yīng)力,即刪去0.36MPa級(jí)以上的試驗(yàn)。成果整理列于表4。從表4中明顯看出含粉砂泥巖的變形模量很小。含粉砂泥巖脹縮性試驗(yàn),據(jù)桂林工學(xué)院采用專家系統(tǒng)進(jìn)行膨脹土判別的方法,即根據(jù)化學(xué)成份、礦物成份、野外表象、物理力

7、學(xué)指標(biāo)、地質(zhì)成因及形成環(huán)境等進(jìn)行綜合判定,結(jié)論為“那吉水利樞紐壩址泥巖為類膨脹,其脹縮性中等”。從單項(xiàng)指標(biāo)分析我們認(rèn)為,那吉壩址泥巖的脹縮性定為弱中等較為適宜。另用巖塊干燥飽和吸水率來反映泥巖的脹縮特性,巖塊干燥飽和吸水率大于等于20%時(shí)為膨脹性泥巖,而壩基泥巖的巖塊干燥飽和吸水率為37.64%。因此,泥巖具有膨脹性。表3現(xiàn)場巖體抗剪(斷試驗(yàn)成果匯總表試驗(yàn)內(nèi)容各剪切階段抗剪斷抗剪fc/MPa f c/MPa試驗(yàn)條件平均含水量/%混凝土與含粉砂泥巖峰值0.50.200.490.08殘余值0.450.160.430.10右岸露天平臺(tái)12.4含粉砂泥巖與含粉砂泥巖峰值0.480.0050.430.0

8、05殘余值0.480.0050.430.005浸泡水10天后14.4表4現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn)(剛性承壓板成果匯總表巖體名稱試驗(yàn)條件應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力/MPa全變形/m彈性變形/m塑性變形/mk1k2變形模量/MPa彈性模量/MPa塑性模量/MPa含粉砂泥巖飽和10天以上10.12420200220485294.0198.2179.620.2417107001010415946.3113.178.330.36521010003410356522.866.034.6含粉砂泥巖飽和10天以上10.12630290340465462.8136.5116.420.2422008801320406036.090.0

9、59.930.3645006403860148622.0154.625.6含粉砂泥巖飽和10天以上10.1217506501100376322.661.036.020.24402012102810307019.765.428.230.36994025907350267412.045.916.1961.3巖體縱波(V p測試通過對(duì)45個(gè)鉆孔的聲波測試成果進(jìn)行分析研究,泥巖類巖體縱波速度在1500m/s3000m/s,砂巖類巖體縱波速度在1500m/s3700m/s間變化。巖體風(fēng)化程度與巖體縱波速度之間的關(guān)系如表5。表5巖體風(fēng)化程度與巖體縱波速度關(guān)系表m/s 巖性新鮮微風(fēng)化弱風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化全風(fēng)化泥巖類

10、巖體>3000300024002400180018001600<1600砂巖類巖體>3500350028002800200020001700<17002工程地質(zhì)特性評(píng)價(jià)2.1工程地質(zhì)特性(1第三系軟巖為內(nèi)陸沖積相湖相堆積,為含煤的砂泥巖系。巖性隨地區(qū)不同而變化,其工程地質(zhì)條件也各異,其中砂質(zhì)泥巖和泥巖是工程研究的重點(diǎn)。(2泥巖濕化后易崩解。泥巖在空間暴露后極易失水干裂,浸水易軟化、崩解,具快速風(fēng)化特性。鉆孔巖芯取出不超過10分鐘就開始出現(xiàn)裂紋,隨后裂紋增多延展,幾小時(shí)后巖芯就會(huì)干裂呈餅狀。用成巖膠結(jié)系數(shù)(巖石結(jié)構(gòu)的粉末材料干燥飽和吸水率與不規(guī)則巖塊的干燥飽和吸水率之比來

11、反映泥巖的濕化崩解特性,巖塊干燥飽和吸水率為37.64%,粉末干燥飽和吸水率為43.84%,膠結(jié)系數(shù)為1.16,泥巖的破壞性狀為泥狀。(3泥巖的脹縮特性。壩址泥巖為含伊利石、高嶺石及綠泥石為主的膨脹性泥巖,其脹縮性為弱中等,且泥巖具有膨脹性,當(dāng)其膨脹壓力大于建筑物荷載時(shí),將會(huì)影響建筑物安全。(4泥巖的滲透性一般比較低,當(dāng)其裂隙不發(fā)育時(shí),其透水率q<1Lu,屬微透水層。但由于泥巖具有膨脹性,特別是在無約束情況下,或其膨脹壓力大于建筑物荷載時(shí),巖石膨脹開裂,特別是失水干裂后水流將從裂縫中帶走軟化后的細(xì)顆粒,形成滲透通道并可能引起滲透變形。(5軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度比較低,并與其含水狀態(tài)有關(guān),當(dāng)巖

12、石浸水飽和后,其抗壓強(qiáng)度明顯降低。泥巖一般的單軸干抗壓強(qiáng)度為0.33MPa9. 36MPa之間。由于巖石的抗壓強(qiáng)度低,特別是濕化后其強(qiáng)度明顯降低,可能會(huì)造成其承載力不能滿足建筑物的要求等。(6軟巖的抗剪強(qiáng)度低,特別是存在有層間剪切帶或軟弱夾層時(shí),將會(huì)控制建筑物的抗滑穩(wěn)定性。壩基雖然未發(fā)現(xiàn)有泥化夾層之類的特軟層帶,但是存在間夾于層間的生物碎屑層、煤線或炭質(zhì)頁巖等相對(duì)軟弱層。(7軟巖生成時(shí)代新,成巖作用差,波速低、變模小、流變特性明顯。2.2力學(xué)參數(shù)建議值根據(jù)國內(nèi)外資料(見表6以及利用工程類比法得出軟巖的力學(xué)參數(shù)建議值(見表7。表6國內(nèi)外軟巖力學(xué)參數(shù)建議值壩名壩基巖層時(shí)代壩型壩高/mc/MPa/&

13、#176;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa日本龜山壩上新世重力壩34.50.350.803614日本高龍壩更新世重力壩24.50.2632 1.7日本鯖石川壩更新世重力壩37.00.340.452937 2.55.7日本正善寺川壩中新世晚期重力壩47.00.350.635 3.74.3中國甘肅省尼那水電站上新世重力壩45.50.450.500.050.10.8中國湖北省王甫洲水電站古新世重力壩33.90.350.400.150.20.3表7那吉水利樞紐的力學(xué)參數(shù)建議值巖石類別風(fēng)化程度飽和抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa變形模量/MPa抗剪強(qiáng)度c/MPa f允許承載力/MPa泥巖弱風(fēng)化0.7800.32(

14、層面0.34(巖體0.300.35含粉砂泥巖弱風(fēng)化 1.03110.330.200.34(層面0.36(巖體0.350.40疏松細(xì)砂巖弱風(fēng)化 1.21.400.500.550.50.6煤系、炭質(zhì)頁巖00.250.3007黃國展那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評(píng)價(jià)2.3工程地質(zhì)評(píng)價(jià)(1軟巖地基:壩址第三系那讀組屬內(nèi)陸盆地邊緣河湖相沉積,由于其古地理沉積環(huán)境的不穩(wěn)定,巖相巖性變化大。在諸多巖層中,對(duì)壩基起控制作用的是疏松粉細(xì)砂巖、含粉砂泥巖和泥巖。這些巖體成巖作用差、波速低,巖性軟弱,且不均一,屬極軟巖類。巖石的孔隙率較大,高達(dá)24%37%,天然容重與干容重的差值亦較大,力學(xué)強(qiáng)度低;泥巖類巖

15、石粘粒含量較高,其脹縮性為弱中等。天然狀態(tài)下泥巖濕抗壓強(qiáng)度為0.49MPa1.39MPa,巖體縱波速度為1500m/s3000m/s;含粉砂巖濕抗壓強(qiáng)度為1.38MPa1.43MPa,變形模量為22. 4MPa63.1MPa,巖體縱波速度為1500m/s3 000m/s;疏松粉細(xì)砂巖濕抗壓強(qiáng)度為0.92MPa 7.1MPa,巖體縱波速度為1500m/s3700m/s。因此,各類巖石作為混凝土建筑物的地基,其強(qiáng)度低,且泥巖類巖石具有一定的脹縮性,需采取結(jié)構(gòu)措施;同時(shí)為保證巖體天然含水狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)不受破壞,在施工開挖過程中要采取特殊的措施,如基坑排水、預(yù)留保護(hù)層、基礎(chǔ)面及時(shí)覆蓋等。(2軟弱層帶抗

16、滑穩(wěn)定:壩基持力層中未發(fā)現(xiàn)有泥化夾層之類的特軟層帶,只有間夾于層間的生物碎屑層、煤系等相對(duì)軟弱層。根據(jù)鉆探資料,這些軟弱層往往具有厚度小、不穩(wěn)定,延續(xù)性差,呈透鏡體狀產(chǎn)出的特點(diǎn)。經(jīng)鏡下鑒定,生物碎屑層的礦物成份主要為菱鐵礦和方解石,炭質(zhì)頁巖主要為石英、絹云母及炭質(zhì)等,礦物較穩(wěn)定,巖石自身具有一定的強(qiáng)度,對(duì)抗穩(wěn)定不利的主要是煤系的層面。煤系主要出露在上壩線,埋藏最淺為基巖頂板以下3m和6m處各有一層,厚約25cm。對(duì)這些埋藏較淺的軟弱層要作適當(dāng)?shù)奶幚?主要是防止層面的軟化。致謝:該文得到了廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院副總工歐陽季文高級(jí)工程師的大力幫助和指導(dǎo),在此表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1范秋雁,凌

17、國智,柯尊敬.廣西第三系泥巖的物理力學(xué)特性研究.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版.1997(22增刊:4043.(收稿日期:1998208202(責(zé)任編輯:周群Engineering geologic features of3rdsystem incompetent bed of the N aji WRPP dam foundationHuang GuozhanGuangxi WREP survey,design and research institute,Nanning,530023AbstractThrough a great quantity survey and test work,the author analysed the engineering geologic features of3rd system incompetent bed of the Naji WRPP dam foundation,evaluated the incompetent bed dam founda2 tion by cons