淺談軟弱夾層對關壩水庫建壩影響分析

任興隆，張 斌

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 前言

關壩水庫工程位于貴州省遵義市道真縣舊城鎮(zhèn)關壩村，水庫正常蓄水位823 m，相應庫容1199×104m3，壩前抬高水頭92 m；大壩為C20碾壓混凝土拱壩，最大壩高107 m。

1 工程地質概況

壩址河流流向N20°～30°W，河床寬約10 m，地形坡度為43°～60°、局部近直立，總體上兩岸較為對稱。正常蓄水位高程823 m時，谷口寬160.9 m，對應的寬高比為1.77。

樞紐區(qū)出露地層為奧陶系桐梓組第一段第一層(O1t1-1)薄到中厚層灰?guī)r，桐梓組第一段第二層(O1t1-2)的泥巖，桐梓組第一段第三層(O1t1-3)的泥質條帶灰?guī)r，桐梓組第一段第四層(O1t1-4)的薄到中厚層灰?guī)r夾泥質白云巖及頁巖，桐梓組第二段(O1t2)的灰?guī)r與頁巖不等厚互層，紅花園(O1h)的中厚層灰?guī)r夾白云質灰?guī)r，湄潭組第一段(O1m1)的砂泥巖。

壩區(qū)無斷層發(fā)育，橫向河谷，巖層傾下游偏左岸、傾角40°～45°。在壩肩桐梓組第一段第四層(O1t1-4)中發(fā)育有連貫兩岸規(guī)模較大的兩大類夾層、夾層上下均為中厚層灰?guī)r，其中一類是泥質白云巖夾層，另一類是含白云質水云母頁巖。

2 軟弱夾層的揭露及分布情況

(1)勘探平硐揭露情況

在勘察過程中，左右岸各布置3個勘探平硐，總進尺452 m；鑒于樞紐區(qū)為橫向谷，下層勘探平硐采用了“T”字型布置，主洞長50 m，支洞向上下游各延伸20 m。根據平硐揭露，在壩肩桐梓組第一段第四層(O1t1-4)中發(fā)育有連貫兩岸規(guī)模較大的兩大類夾層、夾層上下均為中厚層灰?guī)r，其中一類是泥質白云巖夾層(厚0.1 m～0.7 m)，另一類是含白云質水云母頁巖(水云母80%，白云石10%～15%，方解石3%～5%，黃鐵礦3%，炭質<1%，石英偶見)夾層(厚0.1 m～0.4 m)，見表1。

表1 壩區(qū)軟弱夾層夾層統(tǒng)計表

(2)鉆孔揭露情況

勘察過程中，在左岸布置2個勘探鉆孔、右岸布置4個勘探鉆孔、河床布置2個勘探鉆孔，總進尺856.5 m。由于含白云質水云母頁巖較軟，鉆孔巖心未揭露。僅左岸的1#鉆孔的35.8 m～36.2 m，12#鉆孔的49.8 m～50.5 m位置揭露了泥質白云巖夾層；右岸的4#鉆孔的43.8 m～45.2 m、49.4 m～52 m、58.1 m～60.5 m和9#鉆孔的31.7 m～34.8 m位置揭露為泥質白云巖。

(3)槽探揭露情況

勘察過程中，在左右岸各布置了一條垂直于河流方向的槽探，但受地形及覆蓋層厚度等的影響，部分未完全揭露到基巖，僅在右岸槽探779 m、785 m高程分別揭露了0.4 m厚的泥質白云巖夾層，在左岸岸槽探770 m、777 m高程揭露了0.4 m厚的泥質白云巖夾層、799 m高程揭露了0.2 m厚的泥質白云巖夾層。

(4)軟弱夾層的空間分布情況

現(xiàn)場地表地質調查、槽探及鉆孔均未發(fā)現(xiàn)含白云質水云母頁巖，僅在勘探平硐內被揭露5層含白云質水云母頁巖。在內業(yè)資料整理過程中，結合槽探、鉆孔、平硐等揭露的夾層，通過切剖面分析，對各夾層進行編號標注，將其空間位置表示于樞紐區(qū)的工程地質平剖面圖之上。

根據勘探平硐、槽探及鉆孔等的綜合統(tǒng)計分析，樞紐區(qū)白云質水云母頁巖及泥質白云巖在左右岸呈基本對稱分布，均分布有10層，僅在層厚上不一致。

3 物理力學參數

(1)物理力學參數試驗值

鑒于本工程為百米級的拱壩，軟弱夾層對壩的抗滑穩(wěn)定及變形等均起到不可忽視的作用，在勘察過程中，針對泥質白云巖和含白云質水云母頁巖均進行現(xiàn)場試驗見表2～表3。

表2 巖體變形試驗成果統(tǒng)計表

表3 抗剪斷和抗剪(摩擦)強度成果統(tǒng)計表

(2)物理力學參數建議值

表4 物理力學參數建議值表

4 夾層工程地質評價及影響分析

根據鉆探、平硐揭露，在壩基肩范圍內主要分布有泥質白云巖原生夾層和含白云質水云母頁巖原生夾層，次生夾層主要分布在強風化巖體內。根據平硐及鉆孔聲波，弱風化～新鮮巖體內的原生夾層聲波未見明顯的突變；根據平硐內原生夾層的暴露情況，勘探平硐于2018年8月完成，截至2020年5月，經歷了近兩年的裸露，樞紐區(qū)勘探平硐內的泥質白云巖和含白云質水云母頁巖原生夾層均未見泥化現(xiàn)象，最為重要的是泥質白云巖原生夾層和含白云質水云母頁巖原生夾層的上下均為強度較高的灰?guī)r。

雖壩肩抗力巖體的層間發(fā)育有厚度為0.02 m～0.7 m的含白云質水云母頁巖、泥質白云巖軟弱夾層(未發(fā)現(xiàn)泥化現(xiàn)象，同時層間具一定強度粘結力)，但層面及層間軟弱夾層不成為滑移控制面，只起切割面作用，對壩肩抗滑穩(wěn)定起控制作用的是比較平緩、延續(xù)性較強的扭性及反傾向壓性節(jié)理裂隙，壩基抗滑穩(wěn)定主要受混凝土與基巖接觸面的控制。

在設計過程中，根據含白云質水云母頁巖、泥質白云巖軟弱夾層的空間分布情況及地質參數，采用了拱壩三維整體有限元分析，結論為壩體應力極值均可滿足規(guī)范要求[1]；結合超載法及強度儲備系數法，計算分析得到關壩拱壩整體超載安全度：K2=3P0～4P0，K3=4.5P0。K2為非線性變形超載系數；K3為極限超載系數；P0為正常蓄水位下產生的荷載。

圖2 壩體-地基整體橫河向變形云圖

綜合分析認為，樞紐區(qū)的泥質白云巖和含白云質水云母頁巖原生夾層對巖體的承載力、變形、抗滑等綜合影響較小。

5 處理建議

鑒于上述分析結果，從地質的角度，建議對壩肩的泥質白云巖夾層建議進行局部深挖及在墊層砼內增加鋼筋等處理，針對含白云質水云母頁巖夾層建議采取刻槽深挖(半窯洞式開挖)、增加基礎墊層砼及在墊層內增加鋼筋等處理措施；鑒于壩區(qū)巖體層間夾層較多，建議針對壩區(qū)采用高壓固結灌漿也提高基礎的完整性。

6 結語

關壩水庫作為一個中型水庫工程，大壩為百米級的高拱壩。由于樞紐區(qū)為橫向谷，在勘察過程中，采用了多手段的綜合勘察方法，利用了較多的“T”字型勘探平硐、槽探、鉆探、大剪實驗等查明了樞紐區(qū)軟弱夾層的空間分布、結構面性狀、物理力學性質等，為設計提供了可靠的地質依據及參數。

查明樞紐區(qū)的工程地質條件，特別是軟弱夾層的空間分布、結構面性狀、物理力學性質等尤為重要，決定了所選擇的壩型是否成立。鑒于本工程巖層陡傾，軟弱夾層對壩的抗滑穩(wěn)定不起關鍵性作用，僅對變形有一定的影響，通過工程措施處理后，具備較好的建壩地質條件。

通過本文的論述分析可知，在復雜地質條件軟弱夾層發(fā)育的情況下，亦可建高拱壩，關鍵在于地質需查明樞紐區(qū)地質條件及軟層夾層的空間分布、物理力學性質等，可供后期同類項目借鑒參考。