某水電站疏松砂巖工程地質(zhì)特性及工程處理

李德群 秦玉龍 胡劍鋒

某水電站疏松砂巖工程地質(zhì)特性及工程處理

李德群 秦玉龍 胡劍鋒

某水電站壩基為白堊系疏松砂巖，具孔隙率大、密度低、透水性強、抗?jié)B變能力差、強度低和易擾動破壞等特性，并且存在滲漏及滲透變形等工程地質(zhì)問題。針對砂巖工程地質(zhì)特性及對工程的影響進行了總結(jié)分析，旨在為類似工程勘察和工程處理措施設(shè)計提供借鑒參考。

疏松砂巖 強透水 弱膠結(jié) 滲透變形 灌漿

1 地質(zhì)概況

某水電站工程包括土壩、泄水閘、河床式電站廠房等建筑物，最大壩高32.5 m，于2011年建成發(fā)電。工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造變動輕微，地層產(chǎn)狀近水平，構(gòu)造穩(wěn)定性較好，兩岸巖體局部有卸荷裂隙發(fā)育。第四紀(jì)以來，地表遭受河流侵蝕下切，兩岸階地不發(fā)育。

壩基為河湖相白堊系砂巖，大體可分為3層：上部為薄層狀，產(chǎn)狀以NW290°～350°SW∠7°～21°為主，局部為NE10°～46°NW或SE∠5°～15°，層底高程272～278 m；中部呈厚、中厚層狀，巖層傾角多小于15°，層底高程260～266 m；下部多為薄層狀，巖層產(chǎn)狀以NW315°～345°SW∠21°～27°為主，不整合面產(chǎn)狀NE80°SE∠3°。巖體上部、下部薄層砂巖交錯層理及不整合面發(fā)育，而中部中厚—厚層砂巖層理則不甚發(fā)育。壩基砂巖見有少量陡傾角裂隙，裂隙面平直、較光滑，閉合狀態(tài)，延伸長度在4 m左右，最長約7 m。

2 疏松砂巖基本特征

壩基砂巖呈黃白或灰白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒徑多在0.075～0.5 mm，約占82.8%，主要礦物成分為石英，含少量長石、方解石等。砂巖孔隙率 20.08%～33.08%，平均24.77%；天然密度1.95～2.41 g/cm3，平均2.15 g/cm3；單軸抗壓強度 1.60～15.38 MPa，平均4.41 MPa；滲透系數(shù)為3.00×10-4～2.80×10-3cm/s，平均1.80×10-3cm/s。

砂巖特有的物理、水理性質(zhì)控制其力學(xué)特性。通過上述指標(biāo)分析判斷，壩基砂巖具有孔隙率大、密度小、強度低的特點，屬中等透水的軟巖—極軟巖。同時，根據(jù)對砂巖的成巖作用、膠結(jié)程度以及對所處環(huán)境的分析，揭示出了壩基砂巖的工程地質(zhì)特性。

（1）砂巖具有隨成巖程度增高而密度增大、含水率降低的規(guī)律。壩基砂巖的膠結(jié)作用微弱，呈半成巖狀態(tài)，膠結(jié)系數(shù)在2.09%～2.25%，屬于弱—中等膠結(jié)，可定義為“疏松砂巖”，屬軟巖的一種類型。

（2）弱膠結(jié)的砂巖浸水后易發(fā)生崩解破壞而呈泥狀或砂狀。壩基砂巖宏觀性狀疏松，浸水后砂粒脫落現(xiàn)象明顯但并未發(fā)生整體崩解，且吸水率還略有降低。

（3）經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后，砂巖的彈性模量、單軸抗壓強度、黏聚力與內(nèi)摩擦角都有不同程度的降低。各個力學(xué)指標(biāo)的總體變化趨勢是在第1次飽水之后有大幅度減低，此后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其降低的幅度逐漸減小。

（4）基坑開挖時，凡滲水處均有明顯的乳白色膠體物析出。室內(nèi)巖塊浸水試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞且呈松散沙狀后，白色絮狀膠體析出，膠體含量為1.46%～2.15%，屬易絮凝沉淀。觀察干燥巖塊斷面，可見直徑小于1.0 mm的白色斑點賦存在砂粒中。

水質(zhì)分析和礦物鑒定表明，砂巖易溶鹽含量低，為0.043 g/kg，水化學(xué)類型為-Ca2+；礦物中普遍缺少長石，孔隙內(nèi)有粒徑小于0.074 mm弱結(jié)晶的高嶺土和分散的石英細(xì)粒及微量方解石。由此可見，白色絮狀物系斜長石顆粒在弱酸性環(huán)境水作用下高嶺石化的結(jié)果，壩基砂巖在滲流作用下易發(fā)生潛蝕，進而導(dǎo)致巖體的滲透破壞。

（5）飽和或潮濕狀態(tài)下壩基砂巖結(jié)構(gòu)間黏聚力微弱，機械擾動特別是剪切作用下極易造成結(jié)構(gòu)破壞，由巖石變?yōu)樯巴?。工程施工和運行中防止機械擾動（震動）是防止巖體變形破壞的關(guān)鍵性問題。

3 疏松砂巖滲透及滲透變形特性

疏松砂巖具有孔隙率大、密度低、滲透性強、抗?jié)B透變形能力差和易擾動破壞等特性，作為壩基存在滲漏和滲透變形等工程地質(zhì)問題。

從壩基砂巖的滲透系數(shù)看，室內(nèi)滲透試驗和鉆孔壓水試驗成果一致，均屬中等透水性巖體。滲透系數(shù)和滲透變形試驗成果見表1。

表1 壩基砂巖滲透變形試驗成果

試驗成果表明，壩基砂巖滲透性在垂直層面與平行層面方向差異不明顯，但在滲透變形上二者差異顯著，垂直層面的臨界坡降及破壞坡降是平行層面方向的近2倍，表明巖體沿層面方向更易于發(fā)生滲透變形破壞。

從地質(zhì)條件和試驗成果分析，壩基砂巖顆粒組成較為均勻，發(fā)生管涌的概率很小，滲透破壞首先是乳白色膠體高嶺土析出，導(dǎo)致巖體的結(jié)構(gòu)破壞，有臨空面時發(fā)生溯源方向的流土破壞。基坑開挖中，邊坡滲水形成的孔洞以及排水孔在長時間抽水后沿層面掏蝕形成的滲漏通道等現(xiàn)象，均屬溯源流土破壞。加之巖體力學(xué)強度低、抗沖刷能力差，特別是沿層面極易發(fā)生沖刷破壞。因此，有必要采取滲流控制措施降低巖體滲透坡降，減少壩基滲漏量，防止壩基發(fā)生滲透變形。

4 巖體灌漿效果分析

4.1 灌漿試驗成果分析

針對壩基砂巖可能采取的滲流控制措施，選擇了現(xiàn)場灌漿試驗，以確定工程措施的適宜性。灌后巖體透水率和聲波波速檢查成果見表2。由試驗得到如下結(jié)論：

表2 灌漿試驗效果檢查成果表

（1）從灌漿前后的巖體質(zhì)量檢測結(jié)果看，Ⅳ序灌漿之后巖體的透水率降低了14%，巖體波速提高了2%～3%。表明灌漿雖對巖體質(zhì)量的提高有一定作用但不甚顯著。究其原因：首先是巖體中破裂結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，這是導(dǎo)致可灌性較差的主要原因；其次，壩基砂巖屬密實的粉細(xì)砂孔隙結(jié)構(gòu)，巖體透水性主要受孔隙率控制，連通性差，采用普通水泥灌漿，巖體透水但不吸漿，漿液在孔隙中擴散范圍有限，整體上難以形成完整連續(xù)的有效防滲體，這為論證設(shè)置防滲帷幕的必要性和可靠性提供了依據(jù)。

（2）經(jīng)過Ⅰ序孔灌漿，Ⅱ序孔的單位注漿量明顯減小。雖然Ⅱ序次以后單位注入量沒有明顯遞減的趨勢，但聲波速度有所提高，說明灌漿對施工擾動裂隙、卸荷層面、混凝土與基巖的接觸面等起到一定的固結(jié)作用，在強化淺部巖體完整性的同時，也有利于提高被擾動巖體抵抗?jié)B透變形的能力。

（3）灌漿孔距以接近Ⅱ序次孔距較為合適，過密的孔距 （如Ⅲ、Ⅳ序）單位注漿量沒有降低，巖體波速值也沒有顯著提高，而且還可能對壩基巖體的完整性造成破壞。

4.2 施工灌漿效果分析

固結(jié)灌漿施工中，根據(jù)灌漿試驗成果對施工參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整，采用了孔距、排距均為2.5 m的等腰三角形布置方式，排與排之間鉆孔互相交錯，孔深為建基面以下3 m。

從施工檢測結(jié)果看，灌后巖體聲波速度有 6.70%～31.50%的提高，巖體透水率也相應(yīng)降低，說明固結(jié)灌漿設(shè)計方案是合理的，提高了建基巖體的整體性和抗?jié)B透變形能力?？紤]到灌漿段巖體普遍位于地下水位以下以及不同灌漿壓力下地表抬動觀測情況，設(shè)計的灌漿起始壓力不小于0.2 MPa，最大壓力不超過0.6 MPa的灌漿參數(shù)也是合適的。

5 壩基滲流控制措施

壩基砂巖屬無限深透水巖體，無相對隔水層。通過灌漿試驗和滲流分析認(rèn)為，設(shè)置防滲帷幕對減少壩基滲漏量作用不大。在帷幕深度加大后，下游壩趾處滲流比降雖有所降低，但防滲效果依然不明顯。與此同時，經(jīng)過試驗研究，無論設(shè)置帷幕與否，其壩基滲透比降都小于巖體允許滲透比降，因此，取消帷幕對壩基滲流穩(wěn)定基本沒有影響。

通過上述分析，最終決定取消灌漿帷幕，采取以下工程處理措施：（1）兩岸土壩上游設(shè)置防滲鋪蓋與心墻連接形成防滲體系。 （2）電站、泄水閘壩段上游設(shè)置混凝土防滲護坦進行防滲。（3）大壩下游設(shè)置反濾層及排水系統(tǒng)，降低壩基揚壓力。

通過近4年運行檢驗，電站處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，說明工程所采取的措施是穩(wěn)妥可靠的。

6 結(jié)語

（1）壩基白堊系砂巖成巖程度差，為大孔隙、低密度、結(jié)構(gòu)疏松和易擾動破壞的極軟巖體，在滲流作用下，易發(fā)生滲透破壞。

（2）地下水賦存狀態(tài)主要表現(xiàn)為孔隙潛水，透水性在水平和垂直方向上差異不明顯，無相對隔水層。壩基巖體灌漿試驗表明，普通水泥漿液在該類孔隙介質(zhì)巖體中的擴散半徑小，無法形成有效防滲帷幕，難以達(dá)到防滲目的。

（3）通過壩基滲流分析和滲流控制措施的研究，最終采用取消灌漿帷幕、增加鋪蓋長度延長滲徑來降低壩基巖體滲透比降，達(dá)到了提高壩基巖體滲透穩(wěn)定性和減少壩基滲漏量的目的。

[1]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進展[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2000（8）：46-62.

[2]馬國彥，林秀山.水利水電工程灌漿與地下水排水 [M].北京：水利水電出版社，2001.

李德群 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

秦玉龍 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

胡劍鋒 男 助理工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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