馱英水庫大壩幾個重要工程地質(zhì)問題研究

彭成居

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

馱英水庫是一座以灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的水庫樞紐工程。設(shè)計壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高72.2 m，水庫總庫容約2.28 億m3，屬大（2）型水庫。壩址出露的地層巖性主要為侏羅系下統(tǒng)百姓組下段J1b1的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和砂巖等，軟硬相間，呈互層或夾層狀。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，壩址巖體褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖層扭曲嚴(yán)重，層間軟弱泥化夾層發(fā)育，對壩型選擇影響很大；壩型比選后推薦瀝青混凝土心墻堆石壩，壩址區(qū)軟巖開挖料的物理力學(xué)性質(zhì)如何，能否作為堆石壩填筑料，也是需要重點研究的工程地質(zhì)問題。因此對壩址區(qū)巖體褶皺構(gòu)造、軟弱夾層和軟巖筑壩這3 個工程地質(zhì)問題的勘察研究，貫穿了整個勘察階段，成為影響馱英水庫大壩的幾個重要工程地質(zhì)問題。

2 壩址褶皺構(gòu)造發(fā)育研究

馱英水庫壩址區(qū)褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖層扭曲嚴(yán)重，對壩線選擇影響很大。因此，從項目建議書階段勘察工作開始，就在壩址進(jìn)行了大量的工程地質(zhì)測繪、鉆探和勘探平硐等針對性的勘察工作，對壩址褶皺的發(fā)育情況進(jìn)行了詳細(xì)的研究，基本查清了壩址褶皺構(gòu)造的發(fā)育情況。

（1）工程地質(zhì)測繪工作。研究壩址褶皺的發(fā)育情況，最直接的方法是詳細(xì)的工程地質(zhì)測繪。項目建議書階段勘察工作開始就在壩址沿河兩岸和沖溝等巖體出露較好的位置定立地質(zhì)點進(jìn)行大量詳細(xì)的工程地質(zhì)測繪工作，同時在下階段的勘察中，還會針對上階段工程地質(zhì)測繪不清地段補(bǔ)充測繪工作?？偟膩碚f，地質(zhì)通過大量的詳細(xì)測繪工作，基本查明了壩址區(qū)褶皺的發(fā)育情況。

（2）鉆探工作。對于在沒有巖體露頭出露的地段、河中地段等難以進(jìn)行工程地質(zhì)測繪且有疑問的位置，結(jié)合水工建筑物來布置鉆孔對這些位置進(jìn)行勘察復(fù)核。

（3）勘探平硐。在壩址左右岸均布置了勘探平硐，除了垂直于岸坡的主硐外，為了查清壩址褶皺發(fā)育情況，還根據(jù)測繪工作所揭露的壩址構(gòu)造發(fā)育的特征，在主硐的上、下游均布置了順河向的勘探支洞，很好地復(fù)核了壩址褶皺構(gòu)造的發(fā)育情況。

通過這些勘察工作對褶皺構(gòu)造進(jìn)行研究，馱英水庫壩址巖體褶皺現(xiàn)象發(fā)育，壩址區(qū)褶皺發(fā)育圖見圖1，這些褶皺均與河流走向正交或稍斜交，根據(jù)性質(zhì)對這些褶皺進(jìn)行了評價，壩址褶皺成果表見表1?？偟膩砜矗@些褶皺造成壩址區(qū)局部巖體扭曲、破碎嚴(yán)重，巖體沿層面、裂隙面產(chǎn)生錯動現(xiàn)象，錯動面發(fā)育泥膜和軟弱夾層。在研究了地質(zhì)成果后，最終選擇了上壩址和瀝青混凝土心墻堆石壩壩型，從壩址區(qū)施工開挖揭露的地質(zhì)情況看，除位置局部稍有偏差外，壩址區(qū)褶皺總體的發(fā)育情況和性質(zhì)與地質(zhì)的研究成果基本一致。

褶皺編號Z1位置當(dāng)?shù)夭牧蠅尉€壩軸線處走向N49°E上游翼產(chǎn)狀N65°E，NW∠35°下游翼產(chǎn)狀N52°E，SE∠28°性質(zhì)背斜Z2 Z3 Z4對壩基影響這兩條褶皺對當(dāng)?shù)夭牧蠅尉€影響較大，褶皺核部巖體破碎，特別對于砂巖，造成其風(fēng)化深，透水率大，對壩基滲漏影響大。距壩線較遠(yuǎn)，對大壩基本沒有影響。Z5 Z6 Z7這3 條褶皺對重力壩線影響較大，巖層扭曲變緩，褶皺核部巖體破碎，砂巖、粉砂質(zhì)泥巖接觸面處軟弱夾層發(fā)育，對重力壩壩基抗滑穩(wěn)定影響很大。Z8 Z9距壩線較遠(yuǎn)，對大壩基本沒有影響。Z10當(dāng)?shù)夭牧蠅尉€壩軸線下游65 m處當(dāng)?shù)夭牧蠅尉€壩軸線下游245 m處重力壩壩線壩軸線上游121 m處重力壩壩線壩軸線上游20 m處重力壩壩線壩軸線下游64 m處重力壩壩線壩軸線下游161 m處重力壩壩線壩軸線下游205 m處重力壩壩線壩軸線下游305 m處重力壩壩線壩軸線下游452 m處N55°E N50°E N45°E N47°E N50°E N43°E N39°E N88°W N59°E N49°E，SE∠51°N68°E，NW∠32°N45°E，SE∠13°N44°E，NW∠31°N30°E，SE∠30°N16°E，NW∠13°N31°E，SE∠21°N55°E，NW∠22°N65°E，SE∠16°N54°E，NW∠33°N64°E，SE∠23°N65°E，NW∠35°～40°N76°E，SE∠34°N69°E，NW∠29°N48°E，SE∠10°N18°E，NW∠24°N50°E，SE∠39°N48°E，NW∠17°向斜背斜向斜背斜向斜背斜向斜背斜向斜

圖1 壩址褶皺發(fā)育圖

3 壩址軟弱夾層研究

馱英水庫壩址巖性為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和砂巖等，軟硬相間，呈互層或夾層狀，受褶皺構(gòu)造的影響，壩址巖層層面軟弱夾層發(fā)育，特別是在砂巖層中。軟弱夾層在不同地層和不同風(fēng)化巖體的發(fā)育位置、類型和力學(xué)參數(shù)，是勘察研究的重點，也是設(shè)計壩型選擇的重要的參考依據(jù)。通過采用實測地質(zhì)剖面、勘探豎井及平硐的直觀揭露、鉆孔電視攝像研究和現(xiàn)場抗剪試驗等多種勘察手段，基本查清了軟弱夾層的發(fā)育情況和物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)研究成果，提出推薦當(dāng)?shù)夭牧现蔚慕ㄗh。

3.1 軟弱夾層空間發(fā)育研究

3.1.1 實測地質(zhì)剖面

在壩址右岸河邊巖體出露較好位置實測了地質(zhì)剖面，對每一巖層層面的位置、層面性質(zhì)進(jìn)行描述記錄，并標(biāo)注在實測剖面圖上，可以清晰地反映軟弱夾層在壩址巖體表面的發(fā)育情況和性質(zhì)。實測地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 實測地質(zhì)剖面圖

3.1.2 勘探豎井

在壩址河岸邊布置了一個勘探豎井，對河床位置軟弱夾層發(fā)育情況進(jìn)行研究，根據(jù)豎井揭露（勘探豎井深16.2 m，井口高程175.6 m），共發(fā)現(xiàn)有8層（編號nj1～nj8）兩種類型軟弱結(jié)構(gòu)面。第一種（nj1～nj6）分別位于高程（以出露在上游壁深度為統(tǒng)計深度）174.4、173.2、171.1、169.3、167.9和167.3 m，為泥型，局部泥質(zhì)夾巖屑、碎石，寬2～10 cm，產(chǎn)狀N47°～65°E，NW∠43°～52°，主要發(fā)育在厚層砂巖夾薄層泥巖中；第二種（nj07、nj08），高程分別為164.1 m和162.5 m，為巖屑夾泥型，巖屑夾0.5～1 cm灰黃色泥質(zhì)物，見泥膜擦痕，寬2～10 cm，產(chǎn)狀N52°～62°E，NW∠59°～60°，主要發(fā)育在砂巖與泥巖分界或粉砂質(zhì)泥巖中，上述兩種軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，間距0.5～2.4 m?？碧截Q井軟弱夾層發(fā)育圖見圖3。

圖3 勘探豎井軟弱夾層發(fā)育圖

3.1.3 勘探平硐

在兩岸布置了勘探平硐對兩岸巖體軟弱夾層的發(fā)育情況進(jìn)行了研究，在平硐PD01 中J1b1-2層粉砂質(zhì)泥巖與J1b1-3層砂巖分界處和J1b1-3層砂巖中發(fā)育多條軟弱夾層，平硐PD01 軟弱夾層發(fā)育情況及主要特征匯總表見表2。

泥化夾層編號NJ1 NJ 2產(chǎn)狀N45°E，SE∠32°N45°E，SE∠32°厚度/cm 7～12 7～12 NJ 3 N45°E，SE∠35°4～10 NJ 4 N45°E，SE∠35°10～20 NJ 5 N45°E，SE∠35°1～3主要特征碎巖屑夾泥型，褐紅色，滲水。碎巖屑夾泥型，褐紅色，滲水。較平直，充填物為泥夾巖屑，褐紅色雜少量灰白色，無滲水，巖體夾泥較多，較破碎，上部為深紫紅色砂巖（破碎），下部為灰白色砂巖，方解石脈充填。較平直，充填物為泥夾巖屑，褐紅色雜少量灰白色，無滲水，巖體夾泥較多，較破碎，較平直，充填物為泥夾巖屑，褐紅色雜少量灰白色，無滲水，巖體夾泥較多，較破碎，

3.1.4 鉆孔電視攝像

實測剖面和勘探豎井、平硐雖然能較直觀的揭露泥化夾層的性質(zhì)和發(fā)育情況，但點數(shù)少，位置淺，有一定的位置局限性，對此利用鉆孔電視攝像對壩址兩岸大量的鉆孔進(jìn)行了鉆孔電視攝像，從鉆孔電視攝像中可以看出，壩址泥巖層面，砂巖層面、泥巖和砂巖間均發(fā)育泥化夾層。鉆孔電視軟弱夾層發(fā)育圖見圖4。

圖4 鉆孔電視軟弱夾層發(fā)育圖

根據(jù)大量勘察工作的研究，馱英水庫壩址巖層中軟弱夾層發(fā)育，特別是粉砂質(zhì)泥巖與砂巖分界處和砂巖層中的軟弱夾層兩岸均發(fā)育，河床中也見有，寬度變化較大，是連續(xù)的，性質(zhì)為泥夾巖屑型，與實測剖面中一致[1]。

3.2 軟弱夾層物理力學(xué)性質(zhì)研究

為了真實地反映軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)，在勘探平硐中對軟弱夾層進(jìn)行了現(xiàn)場的直剪試驗，試驗成果見表3。根據(jù)試驗成果，同時結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，提出了軟弱夾層的參數(shù)，見表4。從后期施工所揭露的地質(zhì)情況看，根據(jù)試驗成果提出的參數(shù)是比較合適、準(zhǔn)確的。

試驗位置試驗方法巖體剪切面簡述最大正應(yīng)力/MPa抗剪斷強(qiáng)度f ′c′/MPa下游支洞14.0 ～24.0 m段平推法3 個試體剪切面為砂巖間結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面表面有薄層狀全風(fēng)化砂巖，厚2 ～3 mm，剪切剝落成薄片狀，表面有泥膜，觸手濕滑。2個試體剪切面為砂巖與泥巖接觸層面（砂巖上盤、泥巖下盤），泥巖表面有厚約3 cm 的全風(fēng)化層，剪切松動，局部可見平行于層面裂隙面。1.420.37 0.10

軟弱夾層類型巖屑夾泥型泥夾巖屑型f′0.37 0.35 c′/MPa 0.08 0.05 f 0.29 0.28

4 軟巖筑壩研究

馱英水庫大壩壩型為瀝青心墻混凝土堆石壩，最大程度地利用開挖料，特別是存在大開挖的溢洪道開挖料，不僅可以減少棄渣，保護(hù)環(huán)境，還可以節(jié)約大量投資。因此溢洪道粉砂質(zhì)泥巖軟巖開挖料的筑壩研究，是主要工程地質(zhì)問題。通過在溢洪道開挖位置布置勘探及取料平硐，分不同風(fēng)化取粉砂質(zhì)泥巖巖樣進(jìn)行耐崩解性試驗、大型擊實試驗和大型抗剪試驗。

4.1 粉砂質(zhì)泥巖的耐崩解性研究

粉砂質(zhì)泥巖如崩解性差，后期會泥化，對壩體穩(wěn)定影響很大，勘察中有針對性的在溢洪道位置分風(fēng)化取了7組粉砂質(zhì)泥巖巖樣進(jìn)行了巖石的耐崩解性試驗，試驗成果見表5。

根據(jù)耐崩解性試驗成果，參考甘布爾的崩解耐久性分類，溢洪道弱～微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖崩解耐久性為高～極高耐久性，不存在泥化現(xiàn)象。

4.2 大型擊實試驗和大型抗剪試驗

后期按不同風(fēng)化取粉砂質(zhì)泥巖巖樣分不同級配進(jìn)行了大型擊實試驗和大型抗剪試驗，大型擊實試驗成果見表6。

取樣編號GXS0 029-BJ-01 GXS0 029-BJ-02 GXS0 029-BJ-03 GXS0 029-BJ-04 GXS0 029-BJ-05 GXS0 029-BJ-06 GXS0 029-BJ-07巖性弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖耐崩解性指數(shù)第1次循環(huán)后97.6 99.0 99.0 99.0 98.2 98.3 98.8第2次循環(huán)后95.3 98.6 98.3 98.7 97.4 97.5 98.1第3次循環(huán)后92.4 98.0 97.7 98.0 96.1 96.3 97.4第4次循環(huán)后90.2 97.5 97.1 97.7 95.5 95.7 96.9第5次循環(huán)后88.0 96.9 96.7 97.4 94.8 94.9 96.5

試驗級配強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖微新粉砂質(zhì)泥巖弱風(fēng)化5∶5強(qiáng)風(fēng)化混合料弱風(fēng)化7∶3強(qiáng)風(fēng)化混合料弱風(fēng)化5∶5微新混合料最大干密度/（g/cm3）1.94 2.06 2.15最優(yōu)含水率/%12.4 9.4 8.0比重2.56 2.63 2.63 2.01 10.4 2.60 2.03 9.5 2.61 2.10 8.0 2.63

根據(jù)表6 的擊實試驗成果，按壓實度0.93 和0.95分別計算試驗干密度和孔隙率可知，除強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的孔隙率超過規(guī)范中關(guān)于硬巖填裝要求20%～28%的范圍外，其它均滿足要求。參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）中對采用軟巖、風(fēng)化巖石筑壩的要求是“采用軟巖、風(fēng)化巖石筑壩，孔隙率應(yīng)根據(jù)壩體變形、應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度等要求確定”，因此強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖只要抗剪強(qiáng)度、壩體變形計算等滿足筑壩功能要求，是可以作為筑壩材料的，但應(yīng)填筑在次要位置。

采用試驗級配和壓實度0.93 和0.95 對應(yīng)的試驗干密度進(jìn)行飽和固結(jié)三軸試驗，在試驗級配和試驗密度條件下，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值在42～74 kPa的范圍，φ值30.4°～32.9°之間。

根據(jù)軟巖筑壩材料試驗成果，其抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角大于30°，壓縮模量在31.1～62.6 MPa范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)在0.021～0.045 MPa-1范圍內(nèi)，滲透系數(shù)大于1×10-3cm/s（其中弱風(fēng)化5∶5強(qiáng)風(fēng)化混合料為i×10-4cm/s），綜合認(rèn)為粉砂質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性基本能滿足馱英水庫筑壩要求。但其顆粒破碎率較明顯，因此筑壩中應(yīng)注意碾壓前后的級配變化而引起的力學(xué)性差異。強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和弱風(fēng)化5∶5強(qiáng)風(fēng)化混合料的力學(xué)性參數(shù)與滲透性均較差，建議填筑在次要位置[1]。

5 結(jié)語

馱英水庫對壩址褶皺構(gòu)造發(fā)育的研究、層間軟弱夾層發(fā)育情況的勘察研究和粉砂質(zhì)泥巖軟巖開挖料的筑壩研究，解決了馱英水庫大壩重要的工程地質(zhì)問題，對于后期遇到相似工程地質(zhì)問題的其他工程勘察可以提供一定的借鑒意義。