滇中紅層壩基溶蝕巖體及物理力學(xué)特性研究

， ，

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210098；

2.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司地質(zhì)分院，昆明 650051)

1 研究背景

紅層是外觀以紅色為主色調(diào)的碎屑巖沉積地層，主要沉積時(shí)代為三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、第三紀(jì)[1]。紅層廣泛分布于我國(guó)的西南、西北、華中及華南地區(qū)，覆蓋到中國(guó)主干河流，包括金沙江、瀾滄江。紅層具有特殊的工程性質(zhì)，是典型的易滑地層，雨季經(jīng)常發(fā)生數(shù)量眾多的滑坡災(zāi)害[2]。在水電水利工程建設(shè)中，紅層地層軟硬相間、鈣質(zhì)膠結(jié)物產(chǎn)生溶蝕對(duì)壩基巖體變形、滲透穩(wěn)定性影響較大。巖溶多發(fā)生(出現(xiàn))在碳酸鹽巖石地區(qū)，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖溶的形成[2-3]、形態(tài)[4]、巖體完整性的變異及其對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)工程建筑特別是水工建筑物的影響均有大量的研究成果[5-13]。中新生代紅層碎屑巖中由于鈣質(zhì)膠結(jié)物的溶蝕也出現(xiàn)溶蝕[7-8]，對(duì)水電工程或其它建筑物的穩(wěn)定、安全有較大的影響[10-12]，國(guó)外也有較多的研究[14-16]。

金沙江中游大型水電工程——觀音巖水電站壩址位于我國(guó)西南地區(qū)的川滇紅層的滇中紅層上，為中生代侏羅系中統(tǒng)紅層，其中礫巖、砂巖出現(xiàn)溶蝕或喀斯特現(xiàn)象，砂巖由于鈣質(zhì)膠結(jié)物的溶蝕，造成砂巖解體砂化，礫巖由于鈣質(zhì)膠結(jié)物的溶蝕，不僅巖石解體，而且形成溶洞，造成巖體完整性變差，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)變壞。研究這些溶蝕砂化巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，評(píng)價(jià)它們能否作為高混凝土重力壩的地基，成為觀音巖水電站的重大工程問(wèn)題。在中新生代紅層中出現(xiàn)砂巖、礫巖的喀斯特現(xiàn)象，在國(guó)內(nèi)外雖有介紹[17-18]，但尚未見(jiàn)到系統(tǒng)研究其物理力學(xué)性質(zhì)的文獻(xiàn)，本文以金沙江中游觀音巖大型水電站壩址紅層勘察、試驗(yàn)、研究的成果，分析評(píng)價(jià)了紅層砂巖、礫巖溶蝕砂化壩基巖體特征及物理力學(xué)特性。

2 云南紅層沉積特征及分布特征

云南省內(nèi)紅層分布廣泛，主要由中生代侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)地層組成，厚達(dá)[5 000, 13 000]m，第三紀(jì)地層僅有零星分布。

云南紅層的巖性復(fù)雜，多由薄—中厚層狀的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖等組成，多呈不等厚互層狀產(chǎn)出，層與層之間的層面結(jié)合力差。當(dāng)巖體解除約束力、出現(xiàn)臨空面時(shí)，極易順層面解體滑落，而砂巖、礫巖中的鈣質(zhì)膠結(jié)物易溶蝕，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低、影響水電站壩基穩(wěn)定性。

從云南省巖性分區(qū)圖(如圖1)所示，碎屑巖沉積區(qū)，就是云南紅層主要分布區(qū)，大致以NW—SE向蒼山—哀牢山變質(zhì)帶為界，可將云南紅層分為滇中、滇西2大區(qū)。滇中紅層區(qū)以楚雄為中心，順南北向大致呈倒三角形分布，滇西紅層區(qū)則沿蘭坪—思茅一帶呈NW—SE向展布，兩頭分布較寬，中間狹長(zhǎng)。觀音巖水電站位于滇中紅層北側(cè)川滇交界金沙江上。滇西紅層地層層序及巖性組合較為復(fù)雜；滇中紅層地層層序及巖性組合則相對(duì)較簡(jiǎn)單，但作為壩基巖體的軟硬相間、鈣質(zhì)溶蝕等工程地質(zhì)問(wèn)題較復(fù)雜、且影響大。

圖1 云南省巖性分區(qū)簡(jiǎn)圖

3 壩址紅層砂巖、礫巖溶蝕特征

3.1 觀音巖壩址地質(zhì)條件

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣(左岸)與四川省攀枝花市(右岸)交界的塘壩河口附近。電站樞紐最大壩高159 m，裝機(jī)規(guī)模3 000 MW。壩址河谷為斜向谷，左、右岸分別有大平壩背斜、干坪子向斜。

觀音巖水電站壩址區(qū)地層為侏羅系中統(tǒng)蛇店組(J2s)碎屑巖紅層。根據(jù)鉆孔縱橫剖面圖比較，結(jié)合沿河床左右岸精細(xì)地質(zhì)測(cè)繪資料，提出壩基侏羅系中統(tǒng)蛇店組3段11層2個(gè)亞層的分層結(jié)果(見(jiàn)表1)[1]，具陸相多個(gè)旋回交替沉積特征。

觀音巖水電站雙折混合壩設(shè)計(jì)方案左岸充分利用左岸及河床J2s2-1(即為侏羅系中統(tǒng)蛇店組中段第1層)和J2s2-2砂礫巖層的混凝土重力壩，而右岸J2s3-6(侏羅系中統(tǒng)蛇店組下段第6層)泥質(zhì)巖集中分布區(qū)域采用心墻堆石壩。

壩基巖層主要特征：巖層軟硬相間，中段J2s2堅(jiān)硬砂礫相對(duì)集中，上段、下段巖層砂礫巖逐漸減少，巖層弱、微風(fēng)化巖體RQD(Rock quality designation)主要在[70 %, 80 %]之間，完整性相對(duì)較好，砂礫巖層溶蝕是主要不利工程地質(zhì)條件。

3.2 壩基砂礫巖鈣質(zhì)溶蝕及鈣質(zhì)流失特征研究

觀音巖水電站壩址區(qū)J2s2-1,J2s2-2和J2s3-1,J2s3-3,J2s3-4,J2s3-5鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)砂巖中(見(jiàn)圖2)，由于地下水滲流場(chǎng)的作用，沿層理或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，局部形成小型溶洞，勘探揭露溶蝕洞穴最大直徑約3 m，最大發(fā)育深度約150 m。巖層具以下溶蝕特征。

表1 侏羅系中統(tǒng)蛇店組J2s 巖性組合比例統(tǒng)計(jì)

圖2 壩址巖性、構(gòu)造圖

(1)溶蝕巖性：礫巖溶蝕，易產(chǎn)生溶蝕空洞、溶蝕裂隙等；砂巖溶蝕主要發(fā)生在巨厚層砂巖中，為鈣質(zhì)膠結(jié)物溶蝕，巖石砂化。

(2)溶蝕巖體分布：壩基開(kāi)挖揭露主要溶蝕巖帶，左岸及河床有7條礫巖溶蝕巖帶，河床地段有較多溶蝕砂巖條帶；除成帶溶蝕的砂巖、礫巖外，尚有沿高陡裂隙溶蝕的條狀、斑狀、小的帶狀溶蝕巖體。

(3)裂隙傾角：溶蝕條帶或溶蝕的裂隙大多為高角度裂隙。大部分溶蝕裂隙為陡傾角，溶蝕裂隙傾角<30°占4.7 %、溶蝕裂隙傾角30°～50°占26.7 %、溶蝕裂隙傾角>60°占69.6 %。

(4)溶蝕發(fā)育高程：從圖3中可見(jiàn)，樞紐區(qū)砂礫巖溶蝕發(fā)育高程在850～1 100 m，1 000 m左右相對(duì)發(fā)育，到微風(fēng)化巖帶僅沿裂面溶蝕，明顯減弱。高壩基高程980 m的1～3 m范圍內(nèi)沒(méi)有突變狀況，這是優(yōu)化減少壩基開(kāi)挖1 m的依據(jù)。

圖3 鉆孔溶蝕發(fā)育高程

(5)不同風(fēng)化帶溶蝕巖體波速特征：強(qiáng)風(fēng)化帶或弱上風(fēng)化帶溶蝕巖體波速很低，絕大部分孔段波速在[1 500, 2 200]m/s，但有個(gè)別的孔段波速5 000 m/s左右。微風(fēng)化帶的礫巖溶蝕帶實(shí)測(cè)波速大于3 000 m/s的測(cè)段62.6 %。

4 壩基紅層溶蝕巖石(體)的物理力學(xué)性質(zhì)

4.1 壩基紅層溶蝕巖石(體)的密度及強(qiáng)度

4.1.1 巖石密度

對(duì)溶蝕成砂狀的強(qiáng)溶蝕巖體(巖石)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探槽，獲取柱狀樣測(cè)定密度，中度溶蝕巖體、輕度溶蝕巖體，利用鉆孔巖心獲取試樣。室內(nèi)測(cè)試得到的不同溶蝕程度巖石密度見(jiàn)表2。巖體的溶蝕是由于鈣質(zhì)膠結(jié)物的流失呈現(xiàn)沙化狀態(tài)，膠結(jié)物流失越重則巖(石)體溶蝕越強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)越疏松，因而可以用巖石密度對(duì)溶蝕程度進(jìn)行劃分(見(jiàn)表2)。

表2 溶蝕砂巖密度及抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

4.1.2 溶蝕巖石強(qiáng)度

現(xiàn)場(chǎng)在探槽、鉆孔巖心中獲取試樣，測(cè)定溶蝕巖石的抗壓強(qiáng)度結(jié)果，從表2中巖石抗壓強(qiáng)度值可知：即使輕度溶蝕的砂巖，其抗壓強(qiáng)度較低，多在30 MPa以下，中度溶蝕砂巖的抗壓強(qiáng)度只有[8, 15] MPa，強(qiáng)烈溶蝕砂巖的抗壓強(qiáng)度均值只有2 MPa。因而輕度溶蝕的巖石在堅(jiān)硬程度上屬于較軟巖；中等溶蝕的巖石屬于軟巖，強(qiáng)烈溶蝕巖石屬于極軟巖。

4.2 壩基紅層溶蝕巖石(體)的力學(xué)性質(zhì)

4.2.1 觀音巖水電站壩基巖體及溶蝕巖石(體)現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)及成果

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開(kāi)挖壩基巖體開(kāi)展了29個(gè)點(diǎn)各類巖體的變形試驗(yàn)(包括溶蝕巖體)，從左岸到右岸壩基，高程從左岸6#壩段1 054 m到河床壩段18#高程981 m。圖4中分別列出了砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)巖、溶蝕砂礫巖的現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)成果，從圖中可見(jiàn)，非溶蝕巖體各自有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定延伸線，而溶蝕巖體起伏差別較大，說(shuō)明溶蝕作用對(duì)巖體變形強(qiáng)度影響較大。砂礫巖溶蝕以條帶狀、透鏡體狀、裂隙分布，溶蝕部分強(qiáng)度偏低，但未溶蝕部分砂礫巖強(qiáng)度較高，這是可采取工程處理措施的重要依據(jù)之一。

圖4 不同巖體變形試驗(yàn)成果

4.2.2 壩基溶蝕巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及成果

現(xiàn)場(chǎng)用金剛石鉆具和手工取樣獲得試樣，在 MTS三軸伺服強(qiáng)度試驗(yàn)儀開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)獲得溶蝕巖體的強(qiáng)度參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 溶蝕砂巖、溶蝕礫巖巖樣三軸試驗(yàn)成果

溶蝕巖樣強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明：輕度溶蝕和中度溶蝕砂巖的內(nèi)聚力差別很小，均值都在0.6 MPa左右，中度溶蝕砂巖的內(nèi)摩擦角比輕度溶蝕砂巖低20°左右。

4.3 壩基溶蝕巖體質(zhì)量的物理力學(xué)特性

4.3.1 壩基質(zhì)量分類特征

根據(jù)觀音巖水電站勘察工程地質(zhì)條件，結(jié)合大量原位巖體試驗(yàn)成果，編制了巖體質(zhì)量分類，見(jiàn)表4?？傮w上壩基巖體以Ⅲa和Ⅲb類為主，溶蝕巖體根據(jù)溶蝕程度，以Ⅳ或Ⅴ類巖體考慮采取處理措施。

4.3.2 壩基開(kāi)挖建基面的物理力學(xué)特性

壩基開(kāi)挖實(shí)際巖層、溶蝕巖體分布是有差別的，在壩基驗(yàn)收過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)跟隨開(kāi)挖，采用多次定點(diǎn)測(cè)繪，獲得各巖性界線的坐標(biāo)、巖層產(chǎn)狀，從而可以進(jìn)行空間定位，準(zhǔn)確劃定各類巖體分布，并進(jìn)行巖體質(zhì)量確定。在各壩段精細(xì)化收資、分類，并按各類巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際適當(dāng)調(diào)整，提出了各壩段建基面力學(xué)指標(biāo)建議值。圖5為壩基巖體參數(shù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)成果。

圖5 各壩段建基面砼-巖、巖-巖f′,C′力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

從圖5可得出如下一些評(píng)價(jià)結(jié)果：

(1)壩基巖體質(zhì)量有起伏、有高低差別，但加權(quán)平均整體以Ⅲa和Ⅲb為主，可滿足建壩面要求。

(2)左岸4#，5#，7#壩段地質(zhì)參數(shù)較低，地層以J2s2-1堅(jiān)硬砂巖、礫巖為主，溶蝕巖層發(fā)育相對(duì)集中，導(dǎo)致地質(zhì)參數(shù)偏低。

(3)河中17#，18#，19#壩段是最高壩段，開(kāi)挖高程980 m，壩高159 m，長(zhǎng)條帶狀溶蝕發(fā)育，對(duì)巖體參數(shù)有影響，但溶蝕條帶之間巖體完整性較好，通過(guò)適當(dāng)減少開(kāi)挖、槽挖處理優(yōu)化1 m工程量。

(4)21#，22#壩段砂巖集中分布，溶蝕相對(duì)不能發(fā)育，因此地質(zhì)條件較好、地質(zhì)參數(shù)較高。

(5)23#,24#,25#為導(dǎo)流明渠壩段，建基面高程1 012m，溶蝕較發(fā)育壩基地質(zhì)參數(shù)不高。

(6)26#壩段以右壩段壩基高程1 045 m、壩高不足100 m，溶蝕不發(fā)育，完全滿足壩基要求。

4.4 壩基溶蝕巖體地質(zhì)缺陷處理措施

觀音巖水電站壩基中溶蝕砂礫巖層是壩基地質(zhì)缺陷之一。

(1)左岸發(fā)育7條延伸長(zhǎng)、寬度較大的溶蝕條帶，對(duì)較強(qiáng)的溶蝕條帶必須進(jìn)行槽挖處理，對(duì)溶蝕中等至輕微的溶蝕條帶清除溶蝕寬縫中的殘留物后加以利用，并采取針對(duì)性加強(qiáng)固結(jié)灌漿措施。

(2)鈣質(zhì)流失砂化條帶及溶蝕條帶寬度小于50 cm，該類型溶蝕發(fā)育在層內(nèi)，其巖體內(nèi)部未溶蝕巖體強(qiáng)度仍然較高，具有一定的支撐作用，采取直接清除軟弱部巖土的措施；而對(duì)延伸較長(zhǎng)的寬度大于50 cm的該類型溶蝕進(jìn)行了槽挖處理，槽挖處理后其溶蝕依舊，鑒于該類溶蝕裂隙連通性較好，可經(jīng)過(guò)固結(jié)灌漿處理提高巖體的完整性。

5 總 結(jié)

(1)觀音巖水電站壩基地層為中生界侏羅系中統(tǒng)蛇店組紅層，沉積相復(fù)雜的軟硬相間巖層，屬中國(guó)西南地區(qū)川滇紅層中的滇中紅層，以舒緩褶皺構(gòu)造為主、斷裂構(gòu)造不發(fā)育，壩址區(qū)發(fā)育大坪壩背斜、干坪子向斜。

(2)由于觀音巖水電壩址區(qū)紅層地層的獨(dú)特地質(zhì)條件，在完成鉆孔近203個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺15 000 m以上所收集資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合沿河床左右岸精細(xì)地質(zhì)測(cè)繪資料，提出壩基侏羅系中統(tǒng)蛇店組3段11層2個(gè)亞層的分層結(jié)果。J2s2堅(jiān)硬砂礫相對(duì)集中，上段、下段巖層砂礫巖逐漸減少，巖層弱、微風(fēng)化巖體RQD主要在[70 %, 80 %]之間，完整性相對(duì)較好，砂礫巖層溶蝕是主要不利工程地質(zhì)條件。

表4 巖體質(zhì)量分類表

(3)觀音巖水電站壩址區(qū)J2s2-1,J2s2-2和J2s3-1,J2s3-3,J2s3-4,J2s3-5鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)砂巖中，溶蝕發(fā)育集中在高程850 ～1 000 m，壩基5#—21#壩段揭露溶蝕礫巖帶7條。根據(jù)溶蝕將高壩基高程980 m優(yōu)化減少壩基開(kāi)挖1 m。

(4)砂巖從強(qiáng)烈溶蝕到中度溶蝕、輕度溶蝕的巖石密度明顯降低。輕度溶蝕的砂巖抗壓強(qiáng)度在30 MPa以下，中等溶蝕砂巖的抗壓強(qiáng)度只有[8, 15] MPa，強(qiáng)烈溶蝕砂巖的抗壓強(qiáng)度均值只有2 MPa。輕度溶蝕的巖石在堅(jiān)硬程度上接近中硬巖；中等溶蝕的巖石屬于軟巖，強(qiáng)烈溶蝕巖石屬于極軟巖。

(5)滇中紅層壩基巖體質(zhì)量分為6個(gè)等級(jí)：Ⅱ,Ⅲa,Ⅲb,Ⅳa,Ⅳb,V。以壩基工程地質(zhì)開(kāi)挖收資驗(yàn)收成果復(fù)核統(tǒng)計(jì)了壩基巖體分類顯示，壩基實(shí)際巖體質(zhì)量以Ⅲa和Ⅲb為主，巖體質(zhì)量相對(duì)較差部分為溶蝕條帶、溶蝕影響巖體。壩基以挖除溶蝕條帶做混凝土塞置換和加強(qiáng)固結(jié)灌漿方法減少1m開(kāi)挖和混凝土澆筑，效果顯著。

(6)觀音巖水電站設(shè)計(jì)壩型為混凝土壩與心墻堆石壩組合的混合壩，是昆明勘察設(shè)計(jì)研究院勘察設(shè)計(jì)的獨(dú)特水電工程。在工程勘察、施工過(guò)程中針對(duì)壩基、壩型所采取的復(fù)雜層狀地基分層與巖體質(zhì)量分類、砂礫巖體溶蝕問(wèn)題處理、水文地質(zhì)條件的懸掛式帷幕灌漿處理等積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

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