砂頁巖中主要工程地質(zhì)問題的分析評價

李桂平

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 太原 030024）

1 工程簡介

張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)張峰村沁河干流上，屬大（2）型Ⅱ等工程，水庫總庫容3.94億m3，壩型為黏土斜心墻堆石壩，最大壩高66.1 m.是國家“十五期間全國大型水庫建設(shè)規(guī)劃”中的水利建設(shè)項目，目前工程建設(shè)已近尾聲。

五馬水庫工程位于山西省臨汾市古縣，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(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的小型水庫，目前工程正在建設(shè)當(dāng)中。

上述水庫壩址區(qū)地基均為三疊系下統(tǒng)劉家溝組，巖性為細(xì)粒長石石英砂巖、粉砂巖及泥巖，巖層中普遍發(fā)育多層軟弱的泥化夾層，均已經(jīng)泥化呈泥狀。地基中存在的軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強(qiáng)度低，直接影響上部建筑物的穩(wěn)定性和安全運行，是工程存在的主要工程地質(zhì)問題。

2 泥化夾層的特征及成因分析

根據(jù)壩基開挖和勘查發(fā)現(xiàn)，泥化夾層呈棕紅色，濕，軟弱，可塑狀，已泥化呈泥狀，手搓有黏滑感或砂感。泥化夾層在壩基范圍內(nèi)大部分地段是連續(xù)分布的，沿砂巖或粉砂巖與泥巖的界面附近發(fā)育，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。泥化夾層上、下界面較平緩，常見有擦痕，層面起伏差0.2～0.8 cm，層內(nèi)局部發(fā)育微型擠壓褶曲現(xiàn)象，與泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖相伴生，含有明顯次生綠色條帶，具塑性，有光滑面。

泥化夾層黏性含量較大，在58%～71%，平均66.4%，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（DL5108-1999），該泥化夾層屬于黏泥型。五馬水庫泥化夾層黏粒含量平均23.2%，為泥含粉粒碎屑型。泥化夾層礦物成分含量：伊蒙混層（主要為蒙脫石）含量平均7%，伊利石含量平均24%，屬于無膨脹性或微膨脹性。

泥化夾層的成因是由于構(gòu)造作用導(dǎo)致層間錯動而致，泥巖或泥質(zhì)粉砂巖層與砂巖軟硬交界面是層間錯動最容易發(fā)生的部位。由于長期地應(yīng)力作用下，在砂頁巖分布區(qū)易沿泥巖或粉砂質(zhì)泥巖層與砂巖軟硬交界面產(chǎn)生層間錯動，形成泥化夾層。在壩基開挖過程揭露的泥化夾層來看，其上下界面上存在擦痕，界面光滑具油脂光澤，下面泥巖呈片狀，破碎或具揉塑印模，都證實了這一點。

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(qiáng)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有的放矢，有針對性地進(jìn)行勘察工作，采取必要的勘察方法和工藝，很容易不被發(fā)現(xiàn)，在勘察中被漏掉，作為工程建筑物的地基，給工程埋下危險的安全隱患。因此在砂頁巖中進(jìn)行工程地質(zhì)勘察中應(yīng)注意以下事項。

1）在砂頁巖中進(jìn)行工程建設(shè)，最主要的工程地質(zhì)問題之一就是地基存在軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是有沒有泥化夾層的發(fā)育，在工程地質(zhì)勘察時需高度重視，提前預(yù)測軟弱層位的大致位置，做到有的放矢，重點關(guān)注。

2）采用小口徑雙管單動金剛石鉆進(jìn)，由于其他鉆井方法在鉆進(jìn)過程中對巖芯擾動較大，對于薄層泥化夾層容易漏掉。

3）鉆進(jìn)過程中要做到小進(jìn)尺、小水量，每鉆進(jìn)尺應(yīng)小于1 m，給水量要盡量小一點，防止把薄層軟弱層位沖掉。

4）鉆孔結(jié)束后盡量進(jìn)行鉆孔內(nèi)高清電視錄像，以便查明在鉆井過程中漏掉的軟弱層位。

5）在砂頁巖中進(jìn)行的建設(shè)工程如果發(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(nèi)試驗指標(biāo)綜合確定其力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，為工程設(shè)計提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

4 泥化夾層的物理力學(xué)性質(zhì)

1）張峰水庫泥化夾層屬于黏泥型，據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗成果平均值如下：

泥化夾層原狀樣室內(nèi)試驗成果，峰值凝聚力Cs′=20.8kPa，摩擦系數(shù) f′=0.30；殘余凝聚力 Cs′=4.2kPa，摩擦系數(shù) f′=0.28.

中型剪試樣進(jìn)行室內(nèi)抗剪與抗剪斷試驗成果，飽和抗剪斷凝聚力C=28.6 kPa，摩擦系數(shù)f=0.33.

現(xiàn)場原位抗剪斷及變形試驗，飽和抗剪斷凝聚力C=30 kPa，摩擦系數(shù)f=0.23。變形模量為9.66×103MPa，彈性模量為2.3×103MPa.

2）五馬水庫泥化夾層多屬于泥含粉粒碎屑型，現(xiàn)場及室內(nèi)試驗成果為：

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、1.85 g/cm3配樣進(jìn)行了飽和直剪試驗：當(dāng)干密度為1.65 g/cm3時，凝聚力 25.9～34.4 kPa，平均值 30.2 kPa，摩擦系數(shù)f=0.32；當(dāng)干密度為1.85 g/cm3時，凝聚力20.5 kPa，小值平均值16.0 kPa，摩擦系數(shù)f=0.26，小值平均值0.19.

泥化夾層室內(nèi)反復(fù)剪試驗：反復(fù)剪試驗殘余凝聚力12.8 kPa，小值平均值1.8 kPa，殘余，摩擦系數(shù)f=0.34，小值平均值0.29.

根據(jù)現(xiàn)場直剪試驗：泥化夾層飽和抗剪斷凝聚力c′=32.8 kPa，摩擦系數(shù)f′=0.28；多點摩擦飽和抗剪凝聚力c=25.6 kPa，摩擦系數(shù)f=0.21.

5 泥化夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值

泥化夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值主要應(yīng)考慮以下幾個方面：

1）泥化夾層現(xiàn)場剪切試驗位于工程現(xiàn)場泥化夾層中，原結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，已經(jīng)歷過層間錯動，試驗是在飽和條件下進(jìn)行的，多點摩擦試驗代表了泥化夾層的抗剪強(qiáng)度。

2）室內(nèi)反復(fù)剪試驗測得的強(qiáng)度是軟化夾層的殘余強(qiáng)度，其試驗狀態(tài)為排水慢剪。由于現(xiàn)場泥化夾層大多位于地下水位以下，不具備排水固結(jié)條件，故分析該試驗的內(nèi)摩擦角試驗值可能偏大。

3）配樣土飽和快剪試驗，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(qiáng)度，其結(jié)果具有一定的代表性，與現(xiàn)場試驗結(jié)果相近。

4）從泥化夾層顆分試驗結(jié)果分析，按照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（DL5108-1999），該層多屬泥夾粉粒碎屑型，其抗剪斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為 f′=0.19～0.25、c′=43～64 kPa.

5）據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，軟弱結(jié)構(gòu)面為泥時經(jīng)驗值為 f′=0.18～0.25、c′=2～5 kPa.

綜上所述，建議黏泥型軟弱泥化夾層有關(guān)力學(xué)指標(biāo)：C′=2.0～2.5 kPa，f′=0.27～0.29；泥含粉粒碎屑型：c′=5.0～10.0 kPa，f′=0.30～0.35、抗剪指標(biāo) f=0.21.

6 工程處理措施

建筑物地基存在的泥化夾層軟弱、抗剪強(qiáng)度低，影響建筑物穩(wěn)定性，建議處理措施如下：

1）由于泥化夾層軟弱、多具可塑性，應(yīng)考慮主持力層范圍內(nèi)泥化夾層對壩基壓縮變形的影響。

2）由于地基中泥化夾層存在一定的膨脹礦物，尚應(yīng)考慮泥化夾層的膨脹性對地基的影響。

3）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。

4）建議在水庫運營后加強(qiáng)滑坡體變形安全監(jiān)測工作，及時對壩基穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)報。