五馬水庫壩基泥化夾層對工程穩(wěn)定性影響分析

李桂平

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

五馬水庫工程位于臨汾市古縣縣城西南五馬村附近。壩址所在河流屬汾河一級支流——洪安澗河的南支，大壩壩型為漿砌石重力壩，是一座以工業(yè)供水、發(fā)電為主，兼有防洪、農業(yè)灌溉等綜合利用的?。ㄒ唬┬退畮?。

大壩壩基為三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂頁巖，大壩壩基位于T1l-15巖組中，壩基下部在T1l-12，14巖組中發(fā)育多層軟弱的泥化夾層，即地基中存在的軟弱結構面直接影響大壩穩(wěn)定性和安全運行，是該工程存在的主要工程地質問題。

2 泥化夾層特征及成因分析

大壩壩基基巖位于T11-15巖組中，巖性主要為細粒長石石英砂巖、粉砂巖及泥巖。在壩基下部T11-12，14巖組巖性主要為泥巖及粉砂巖，層中發(fā)育有多層泥化夾層，經壩基上游齒槽開挖和勘查發(fā)現(xiàn)，泥化夾層呈棕紅色，濕，軟弱，可塑狀，已泥化呈泥狀。泥化夾層在壩基范圍內大部分地段是連續(xù)分布的。泥化夾層都是沿砂巖或粉砂巖與泥巖的界面附近發(fā)育，產狀與地層產狀一致。泥化夾層上、下界面較平緩，層面起伏差0.3～0.8 cm，界面附近常見有擦痕，層內常見微型擠壓褶曲現(xiàn)象，多含有大量云母。泥化夾層呈紫紅色，多與泥巖、粉砂質泥巖或粉砂巖相伴生，含有明顯的次生綠色條帶，具塑性，有光滑面。

泥化夾層是由于構造作用導致層間錯動而致，泥巖或泥質粉砂巖層與砂巖軟硬交界面是層間錯動最易發(fā)生的部位，在長期地應力作用下，砂頁巖分布區(qū)容易沿泥巖或泥質粉砂巖層與砂巖軟硬交界面產生層間錯動，形成泥化夾層。從壩基上游齒槽開挖過程揭露的泥化夾層來看，其上下界面存在擦痕，界面光滑具油脂光澤，下面泥巖呈片狀。

3 泥化夾層勘察方法

由于存在于砂頁巖中的泥化夾層軟弱，層薄，大部分泥化夾層厚度不足1 cm，且抗剪強度很低，往往沿層面緩傾角展布。因此在現(xiàn)場勘查過程中如果不針對性地進行勘察工作，采取必要的勘察方法和工藝，很容易在勘察時被漏掉，給工程埋下安全隱患。因此在砂頁巖中進行工程地質勘察時應注意以下事項：一是在砂頁巖中進行工程建設，最主要的工程地質問題之一就是地基存在軟弱結構面，特別是有無泥化夾層的發(fā)育，在工程地質勘察時需高度重視，提前預測軟弱層位的大致位置，做到有的放矢，重點關注。二是采用小口徑雙管單動金剛石鉆進，由于其他鉆井方法在鉆進過程中對巖芯擾動較大，容易漏掉薄層泥化夾層。三是鉆進過程中要做到小進尺、小水量，每鉆進尺應小于1 m，給水量要盡量小一點，防止把薄層軟弱層位沖掉。四是鉆孔結束后盡量進行鉆孔內高清電視錄像，以查明在鉆井過程中漏掉的軟弱層位。五是在砂頁巖中進行的建設工程如發(fā)現(xiàn)有軟弱層位，特別是有泥化夾層的發(fā)育，盡量采取現(xiàn)場原位試驗為主，參考室內試驗指標綜合確定其力學強度指標，為工程設計提供可靠的地質依據(jù)。

4 泥化夾層物理力學性質

泥化夾層顆粒組成：礫粒含量0～33.1%，平均4.9%；砂粒含量5.7%～61.8%，平均18.0%；粉粒含量3.8%～70.5%，平均53.9%；黏粒含量 1.3%～36.7%，平均23.2%；曲率系數(shù)0.3～2.5，平均值1.2；不均勻系數(shù)1.3～35.0，平均值18.1。根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》，泥化夾層大部分歸類為泥含粉粒碎屑型，局部為黏泥型、碎屑碎塊型或碎屑夾泥型。

據(jù)現(xiàn)場及室內試驗：泥化夾層含水率12.8%～22.4%，平均值 17.1%；天然密度 1.74～2.27 g/cm3，平均值 2.08 g/cm3；干密度 1.50～1.98 g/cm3，平均值 1.78 g/cm3；孔隙比 0.427～0.684，平均值 0.559；液限 24.9%～38.7%，平均值31.9%；塑限15.2%～21.8%，平均值18.0%。

按干密度1.85 g/cm3配樣后，其壓縮系數(shù)0.13～0.21 MPa-1，平均值 0.18 MPa-1，屬中等壓縮性土，壓縮模量7.01～10.94 MPa，平均值8.22 MPa；按干密度1.65 g/cm3配樣后，其壓縮系數(shù) 0.49～0.61 MPa-1，屬中等至高壓縮性土，壓縮模量2.68～3.34 MPa。

泥化夾層配樣飽和直剪試驗：取泥化夾層按干密度1.65 g/cm3和1.85 g/cm3配樣進行飽和直剪試驗：當干密度為1.65 g/cm3時，凝聚力25.9～34.4 kPa，平均值30.2 kPa，內摩擦角 16.5 °～18.5 °，平均值 17.5 °；當干密度為1.85 g/cm3時，凝聚力13.8～27.8 kPa，平均值20.5 kPa，小值平均值 16.0 kPa，內摩擦角 9.0°～21.0°，平均值14.6°，小值平均值10.5°。

泥化夾層室內反復剪試驗：反復剪試驗殘余凝聚力為1.3～22.8 kPa，平均值12.8 kPa，小值平均值1.8 kPa，殘余內摩擦角 15.0 °～23.0 °，平均值 18.8 °，小值平均值16.3°。

現(xiàn)場直剪試驗：泥化夾層飽和抗剪斷凝聚力c′=31.9～33.8 kPa，平均值 32.8 kPa，摩擦系數(shù) f′=0.27～0.28，平均值0.28；多點摩擦飽和抗剪凝聚力c=22.4～28.7 kPa，平均值 25.6 kPa，摩擦系數(shù) f=0.19～0.23，平均值0.21。

泥化夾層礦物成分含量：伊蒙混層（主要為蒙脫石）含量4%～11%，平均含量7%，伊利石含量13%～45%，平均含量24%，以蒙脫石含量為控制指標，按天津市水利水電勘測設計研究院在山西引黃工程的分類標準，屬無膨脹性或微膨脹性巖石。

5 泥化夾層抗剪強度指標建議值

泥化夾層抗剪強度指標建議值主要考慮以下幾個方面：

第一，泥化夾層現(xiàn)場剪切試驗位于T1l-14巖組中上部的泥化夾層，泥巖層呈碎屑狀，原結構已發(fā)生變化，經歷過層間錯動，厚度3 cm，上部和下部為粉砂巖層。試驗在飽和條件下進行，且試驗后檢查泥巖層全部泥化，認為上述現(xiàn)場試驗成果基本代表了壩址區(qū)的情況，多點摩擦及單點摩擦試驗代表了泥化夾層的抗剪強度。

第二，室內反復抗剪試驗測得的強度是軟化夾層的殘余強度，其試驗狀態(tài)為排水慢剪。由于壩基泥化夾層位于地下水位以下，不具備排水固結條件，故分析該試驗的內摩擦角試驗值可能偏大。

第三，配樣土飽和快剪試驗，配樣干密度1.85 g/cm3較已有泥化夾層干密度的試驗平均值稍大，該試驗值為在不排水狀態(tài)下的強度，其結果具有一定的代表性，其抗剪斷摩擦系數(shù)平均值為0.26，與現(xiàn)場試驗結果相近。

第四，從泥化夾層顆分試驗結果分析，按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》，該層多屬泥夾粉粒碎屑型，其抗剪斷參數(shù)標準值為 f′=0.19～0.25，c′=43～64 kPa。

第五，據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》，軟弱結構面為泥時經驗值為 f′=0.18～0.25，c′=2～5 kPa。

綜上所述，五馬水庫壩基下發(fā)育的泥化夾層大部分歸類為泥含粉粒碎屑型，抗剪強度指標主要根據(jù)現(xiàn)場試驗、重塑土試驗結果，考慮工程地質條件，建議泥化夾層抗剪斷指標 f′=0.25，c′=0.01 MPa，抗剪指標 f=0.21。

6 工程處理措施

五馬水庫壩基存在的泥化夾層產狀與地層一致，軟弱、抗剪強度低，泥化夾層傾向下游，對建筑物穩(wěn)定條件不利，壩基存在抗滑穩(wěn)定問題，建議采取以下處理措施：

第一，由于泥化夾層軟弱、多具可塑性，應考慮主持力層范圍內泥化夾層對壩基壓縮變形的影響。第二，由于地基中泥化夾層存在一定的膨脹礦物，尚應考慮泥化夾層的膨脹性對地基的影響。第三，建議根據(jù)壩基穩(wěn)定計算的情況采取壩基錨索加固、加寬、加深上下游齒槽，或采取壩基巖體抗滑措施等。第四，建議在水庫運營后加強滑坡體變形安全監(jiān)測工作，及時對壩基穩(wěn)定性進行預報。