軍民一級泵站軟巖工程地質特性研究

唐 波, 張莉萍, 陳 勇, 曹凱波

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

軍民一級泵站軟巖工程地質特性研究

唐 波, 張莉萍, 陳 勇, 曹凱波

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

軟巖工程因其易風化、軟化等特性,通常引起地基強度衰減、不均勻沉降以及邊坡失穩(wěn)等工程地質問題。依托于軍民一級泵站拆建的工程實例,通過分析地質資料,綜合比較基巖承載力特征值確定方法,針對白堊系泥質粉砂巖地基進行了相關工程地質問題研究,提出相應的工程處理措施建議,為類似工程設計、施工提供了參考依據(jù)。

泵站;軟巖;承載力;工程地質問題;處理措施

軍民一級泵站位于安徽省全椒縣境內,屬駟馬山引江灌區(qū)的配套工程,原工程始建于1976年,1977年投入運行,因泵站建筑物、機電設備及金屬結構均老化嚴重,不能發(fā)揮原設計灌排作用,經鑒定泵站安全鑒定結論為四類,故水利主管部門對原泵站進行了拆除并原址重建。

新建泵站仍為排灌結合站,設計排澇抽水流量13.9 m3/s,設計排澇揚程6.13 m,總裝機容量2 375 kW,屬中型泵站。泵站工程包括泵房、進水池、輸水涵、進水閘等主要建筑物,其設計底板高程分別位于-1.00 m、-0.50 m、1.00 m、1.00 m(國家85高程系統(tǒng),下同),建基面均處于泥質粉砂巖地基上。泵站輸水軸線工程地質剖面見圖1[1]。

勘察結果表明,場區(qū)地層巖性上部為第四系粉質粘土,下部為基巖?；鶐r為泥質粉砂巖,屬軟—極軟巖、軟化巖石,具易風化、遇水易軟化等特性。經分析,本工程存在的工程地質問題包括地基強度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時邊坡穩(wěn)定等問題。為此,結合工程特點,對地質資料作進一步分析,綜合比較基巖承載力特征值確定方法,具體探討工程存在的主要工程地質問題,并提出了相應處理措施建議。

1 場地工程地質概況

工程場地位于安徽省全椒縣東觀聯(lián)圩排澇干溝與土橋水庫東河撇洪溝交匯處,場地地貌屬江淮波狀起伏地上丘陵地貌,崗地微地貌單元。場地地形相對平坦,局部有所起伏。地面高程6.40 m～21.50 m。

場地鉆孔揭露:表層為近現(xiàn)代形成的素填土、淤泥,淺部為第四系晚更新世粉質粘土(Q3),下伏白堊系中統(tǒng)宣南組(K2xn)棕紅色泥質粉砂巖。地層產狀傾向NE30°～40°,傾角約5°[2]。

勘察期間鉆孔場地地下水主要是第四系孔隙潛水,少量基巖裂隙潛水;地下水埋深標高為5.29 m～14.11 m,水位埋藏較淺,地下水位線基本與地形一致。

2 軟巖的物理、力學性質研究

巖體處于何種風化程度決定巖石性質好壞,對工程選擇建基面、確定地基加固措施和基礎設計方案起到關鍵作用。依據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487—2008)附錄H判別,本工程勘察鉆孔揭示的泥質粉砂巖劃分為③1強風化泥質粉砂巖:棕紅色,風化裂隙發(fā)育,錘擊聲啞,巖石組織結構大部分破壞,變酥、易碎,巖體較破碎;③2弱風化泥質粉砂巖:棕紅色,巖石原始組織結構清楚完整,但大多數(shù)裂隙已風化,錘擊聲啞,用鎬難以挖動,巖體較完整。

2.1 一般物理、力學性質

根據(jù)本工程特點,依據(jù)設計方提供的勘察任務書要求,按照相關規(guī)范對本泵站工程進行了地質勘察工作。針對建基面以下白堊系泥質粉砂巖,除進行標貫、動探及壓水試驗等原位測試工作外,還包括室內試驗:如巖石塊體密度、單軸抗壓強度試驗(天然、干燥、飽和狀態(tài))、飽和吸水率以及自由膨脹率等試驗。試驗結果如表1。

(1) 該工程場地所揭露③2弱風化泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度介于0.98～5.65 MPa,均值為2.52 MPa,<15 MPa;軟化系數(shù)值介于0.10～0.52,均值為0.27,<0.75。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)(2009年版)3.2.2、3.2.4條款判別:巖石堅硬程度分類屬軟—極軟巖,且屬軟化巖石。

(2) 現(xiàn)場壓水試驗結果顯示:③1強風化泥質粉砂巖屬弱—中等透水,③2弱風化泥質粉砂巖屬弱透水;基巖滲透性隨埋深有變小趨勢,與巖石風化程度、完整性有關。

(3) 地質勘察時除進行野外地質特征調查外,還進行了巖石自由膨脹率試驗、飽和吸水率室內試驗。依據(jù)《水電水利工程壩址工程地質勘察技術規(guī)程》(DL/T 5414—2009)附錄W,綜合野外地質調查、自由膨脹率、飽和吸水率等手段判別,場地泥質粉砂巖不屬于膨脹巖范疇。

圖1 泵站輸水軸線地質剖面圖Fig.1 Geological section map of the water diversion line of pumping station1.鉆孔及其編號;2.地下水位;3.素填土(粉質粘土);4.粉質粘土;5.強風化泥質粉砂巖;6.弱風化泥質粉砂巖;7.走向;8.產狀(傾向、傾角);9.底板;10.高程、埋深。

表1 巖石物理力學性質指標統(tǒng)計值表

Table 1 Statistical table of physical and mechanical properties of rock

巖土體名稱含水率w/%天然塊體密度ρ/(g·cm-3)飽和吸水率/%巖石單軸抗壓強度/MPa天然飽和干燥軟化系數(shù)自由膨脹率/%軸向徑向壓水試驗/Lu③1強風化泥質粉砂巖一般值1．85～3．52．23～2．411．25～5．620．95～1．920．52～1．494．78～9．250．05～0．3412．5～13．923．2～24．711．66～23．50均值2．22．313．121．5741．285．240．1812．824．212．50標準值1．211．064．45組數(shù)1111810101010666③2弱風化泥質粉砂巖一般值1．24～2．982．35～2．560．56～3．211．29～3．520．98～5．656．54～15．20．10～0．5211．9～12．521．5～22．70．62～3．54均值1．542．421．952．642．529．540．2712．121．71．24標準值2．252．148．11組數(shù)1010810101010666

2.2 承載力研究

在建筑物基礎設計時,建筑物基底壓力應在地基巖土所允許的承載能力之內。由于巖性特征、試驗手段以及行業(yè)、地區(qū)差異,巖石地基承載力特征值確定有所差異,如何更科學、更合理確定巖基承載力應引起重視。

2.2.1 承載力特征值的確定方法總結

(1) 理論公式計算法。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2011)第5.2.6條款計算基巖承載力特征值fa。

fa=φrfrk

式中:fa為巖石地基承載力特征值(kPa);φr為折減系數(shù);frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值(kPa)。

其中折減系數(shù)應根據(jù)巖石完整程度以及結構面的間距、寬度、產狀和組合,由地方經驗確定。無經驗時,對完整巖體可取0.5,對較完整巖體可取0.2～0.5,對較破碎巖體可取0.1～0.2。

(2) 原位測試法。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2011)5.2.6條及附錄H,對于完整、較完整、較破碎的巖石地基承載力特征值可按載荷試驗方法確定;對于破碎、極破碎的巖石地基承載力特征值,可根據(jù)平板載荷試驗確定。

(3) 規(guī)范、手冊查表法。根據(jù)巖體風化程度鑒別、巖石軟化系數(shù)等試驗結果,查規(guī)范或手冊可得巖石承載力值,如查《220kV以下架空送電線路勘測技術規(guī)程》(DL/T 5076—2008)附錄G可得巖石承載力特征值,查《港口工程地基規(guī)范》(JTS147-1—2010)附錄G可得巖石承載力設計值,以及《工程地質手冊(第四版)》表4.8-18可得巖石承載力設計值。

(4) 地區(qū)經驗法。工程場地與南京市浦口區(qū)比鄰,泵站位置距離南京市與安徽省界河(滁河)約5 km,故本工程巖石地基承載力特征值可參考地區(qū)工程經驗,利用《南京地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》(DGJ32/j12—2005)附錄F來確定基巖承載力特征值fak。

2.2.2 承載力特征值取值原則

工程實踐表明,因工程性質多樣,行業(yè)標準不同,工程地質與水文地質條件的不同,對于確定地基承載力特征值,可總結以下幾點原則:

(1) 根據(jù)基巖不同風化程度,分類確定所需地基承載力特征值。強風化基巖相應地基承載力特征值可主要依據(jù)規(guī)范、手冊查表法或地區(qū)經驗法所得;弱風化、新鮮基巖相應地基承載力特征值可主要依據(jù)理論公式計算法所得。

(2) 同一類基巖可采用多種方法進行比較評價,依據(jù)工程特性及行業(yè)標準綜合確定地基承載力特征值。憑單一的試驗結果去計算,獲得的結果可能存在一定的潛在危險,也可能造成浪費,地區(qū)經驗往往更適合本地區(qū)工程的實際情況;在地方規(guī)范中,采用經驗方法來確定地基承載力是允許的,但同樣不能絕對化[3]。

總之,在確定地基承載力特征值時,需采取客觀、科學、合理的方法,綜合評價選取。

2.2.3 工程應用

前述各種方法中承載力的術語有承載力特征值fa、fak,承載力設計值f0或fd′的區(qū)別,其中fak、f0或fd′為根據(jù)巖石類別、風化程度查表獲得的承載力特征值或設計值;而承載力特征值fa、fak的區(qū)別在于:前者確定的地基土承載力特征值在使用時無需基礎深、寬修正。(fa、fak、f0或fd′是不同時代或不同行業(yè)規(guī)范所采用的術語,相互關系本文不再贅述,詳見參考文獻[3],但在具體工程應用時需加以區(qū)分。

根據(jù)前述承載力取值方法及原則,本工程③2弱風化泥質粉砂巖采用“理論公式計算法”時,巖石飽和單軸抗壓強度取自表1,φr取下限值0.2(較完整巖體可取0.2～0.5);利用“規(guī)范手冊查表法”、“地區(qū)經驗法”等方法時根據(jù)巖石類型、風化程度分別取下限值。在此基礎上,綜合巖性特征、風化程度、試驗手段,以及行業(yè)、地區(qū)規(guī)范等最終提出本工程巖石地基承載力特征值(fak)推薦值,結果詳見表2。

表2 巖基承載力特征值匯總表

3 主要工程地質問題及處理措施建議

3.1 主要工程地質問題

勘察結果表明,本工程泥質粉砂巖具快速風化、遇水軟化等特性。依據(jù)工程設計、施工以及運行條件,本工程存在的工程地質問題主要包括基巖強度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時邊坡穩(wěn)定等問題。

3.1.1 地基強度衰減問題

根據(jù)設計資料,泵房、進水池、輸水涵及涵閘等主要構筑物上部設計荷載80～160 kPa,建基面高程-1.0 m～1.0 m,主要坐落在③2弱風化泥質粉砂巖基上,僅靠近引水涵進口段部分位于③1泥質粉砂巖下部基巖上,該兩層巖基承載力特征值均能滿足設計要求,可作為天然地基淺基礎的持力層。但現(xiàn)場鉆探反映:泥質粉砂巖在空間暴露后極易失水干裂,浸水軟化,遇雨水浸泡即成碎塊、砂狀;室內試驗結果表明本工程泥質粉砂巖屬軟巖—極軟巖,且軟化系數(shù)小,屬軟化巖石。故在設計、施工以及運行時需注意因巖體加速風化、遇水軟化問題使巖體強度降低的工程地質問題。

3.1.2 不均勻沉降問題

工程建筑物底板分別位于不同風化帶泥質粉砂巖上,其地基強度本身存在差異勢必帶來建筑物不均勻沉降問題;另外施工期巖體的快速風化、遇水軟化特性亦將給工程帶來地基強度進一步降低而產生不均勻沉降等工程地質問題。

3.1.3 基坑臨時邊坡穩(wěn)定問題

工程施工時,場地局部地形高差較大,泵房至灌溉出水口段、進水池基坑開挖深度>10 m,形成的臨時邊坡高度>10 m,可能存在臨時邊坡失穩(wěn)問題。

根據(jù)工程規(guī)模、建筑物級別,按照《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》本工程開挖邊坡為3級 。結合場地地基土層分布情況(圖1),工程邊坡上部主要為②粉質粘土、粘土,且工程性質較好;下部泥質粉砂巖,巖層產狀按35°∠5°,屬上土下巖混合邊坡。由于巖層傾角較小、結構面不甚發(fā)育,基本不存在外傾結構面,初步分析邊坡基本穩(wěn)定。考慮到泥質粉砂巖上部風化程度較高、強度低,且屬軟化巖石,遇水軟化特性將在施工開挖時造成邊坡失穩(wěn)的安全隱患。

3.2 主要工程處理措施建議

針對本工程因軟巖所產生的工程地質問題,建議設計、施工采取如下處理措施:

(1) 巖土快速風化而產生的地基強度降低,故施工時需快速開挖和快速澆筑回填。因建基面不完全處于同一風化帶基巖上,特別是進水涵底板部分處于強風化巖上,建議基坑開挖驗槽時視風化程度采取必要的混凝土補強或超挖置換措施,以保證地基的承載能力,亦減小不均勻變形。

(2) 由于場地地下水位埋深較小,考慮到泥質粉砂巖有遇水軟化特性,建議基坑開挖做好必要的降、排水措施,根據(jù)場區(qū)地形、氣象、水文、地質條件,建議采用明溝排水、輕型井點降水,并視施工現(xiàn)場情況沿基坑周邊設置排水溝,及時排除雨水及地面徑流。

(3) 本工程場地具備放坡條件,且無不良地質作用,邊坡開挖可采用放坡開挖,但由于基坑深度超過5 m,應分級放坡開挖,分級處設過渡平臺,對于土層開挖坡比可為1∶2～1∶2.5,對于巖質邊坡開挖坡比可為1∶0.75～1∶1[4]。

(4) 施工中應預留一定厚度保護層,做好開挖工作面的保護(防失水、防雨),及時完成緊鄰工序,以避免泥質粉砂巖遇水軟化?；娱_挖到鄰近水平建基面,應預留巖體保護層,厚度0.3～0.5 m。

(5)為防止基巖軟化,進水池底板設置排水孔、反濾層的同時,建議采用逆止閥內排措施[5]。內排工程措施主要由排水墊層、透水軟管、逆止閥等組成,且相互連通,逆止閥與進水池連通。當?shù)叵滤桓哂谶M水池水位時,逆止閥受壓開啟,地下水排入水池;當?shù)叵滤坏陀谇浪粫r,逆止閥復位關閉,避免進水池水外漏。逆止閥內排措施既保護基巖不被水浸泡,又能起到排水、消減揚壓力等負面影響的作用[6]。

4 結語

(1) 本工程揭露的泥質粉砂巖軟化系數(shù)普遍較低,巖石軟化性質劃分屬軟化巖石。

(2) 綜合野外地質調查定性判別,與自由膨脹率、飽和吸水率定量判別,場地泥質粉砂巖尚不屬于膨脹巖范疇。

(3) 按不同的方法確定的基巖承載力特征值有所區(qū)別,根據(jù)實際工程地質條件,工程特性、行業(yè)標準及地方經驗,確定綜合指標更科學。

(4) 工程存在的主要地質問題包括地基強度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時邊坡穩(wěn)定等。設計、施工時需注意建基面保護,采取必要的降排水、地基補強、合理開挖坡比及反濾設計等措施。

[1] 唐波,陳勇,張莉萍,等.全椒縣軍民一級泵站拆建工程地質勘察報告[R].南京:南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司,2015.

[2] 安徽省地質礦產局,安徽省區(qū)域地質志[M].北京:地質出版社,1987:165-175.

[3] 高大釗,姜安龍,張少欽.確定地基承載力方法若干問題的討論[J].工程勘察,2004(3):3-8.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑邊坡工程技術規(guī)范:GB50330—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[5] 中華人民共和國水利部.泵站施工規(guī)范:SL234—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[6] 黃煒,劉清明,冷星火.南水北調中線陶岔至魯山段渠道防滲排水設計[J].人民長江,2014,45(6):4-6.

(責任編輯：陳姣霞)

Study on Engineering Geological Characteristics ofSoft Rock of the Junmin Pumping Station

TANG Bo, ZHANG Liping, CHEN Yong, CAO Kaibo

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCorporationLimited,Nanjing,Jiangsu200022)

Soft rock engineering because of its special geological conditions,usually accompanied by rock weathering,water softening and slope stability and other engineering geological problems. Based on the Junmin pumping station demolition construction engineering example,through the analysis of geological survey data and the comprehensive comparison of bedrock bearing force characteristic value determination method,the paper carries on geological research for Cretaceous argillaceous siltstone foundation,puts forward the corresponding engineering treatment measures and suggestions,provides the reference for similar engineering design and construction.

pumping station; soft rock; bearing capacity; engineering geological problems; treatment measures

2016-05-13;改回日期:2016-05-24

唐波(1979-),男,高級工程師,碩士,水文地質與工程地質專業(yè),從事工程地質與巖土工程相關工作。E-mail:njslytb@163.com

P642; TV675

A

1671-1211(2016)03-0415-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.039

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.026.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37