馬街河水庫全風(fēng)化巖體壩基工程地質(zhì)特性研究

文肖逸，于 為

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

馬街河水庫位于云南省臨滄市云縣茶房鄉(xiāng)馬街村境內(nèi)的馬街河中游,是馬街河上唯一控制性水源工程。馬街河屬瀾滄江水系一級(jí)支流-勐麻河支流,全長9.0 km,多年平均徑流量約1627 萬m3。擬建馬街河水庫是一座以解決灌區(qū)人畜飲水及灌溉供水的綜合性水利工程,包括引水工程、水庫和灌區(qū)輸水線路三部分。水庫需要從臨近的南洼河引水作為補(bǔ)充水源,引水工程由引水渠首、引水隧洞等建筑物組成；水庫由攔河大壩、導(dǎo)流泄洪等建筑物組成；灌區(qū)輸水線路由管道、倒虹吸等建筑物組成。水庫總庫容1155 萬m3,最大壩高85 m,控制灌溉面積3.5 萬畝。工程區(qū)巖性為蝕變花崗巖,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較差,巖體風(fēng)化層厚度大,其中全風(fēng)化層巖體風(fēng)化程度高、發(fā)育廣泛是其主要特點(diǎn)。巖體風(fēng)化是本項(xiàng)目最主要的物理地質(zhì)現(xiàn)象,也是工程處理建議需重視的問題。查明工程區(qū)全風(fēng)化巖體的工程地質(zhì)條件,提出工程處理建議,將對(duì)該工程的壩型選擇、壩基開挖深度、防滲處理深度等起至關(guān)重要的作用。

2 花崗巖風(fēng)化特征

2.1 巖體風(fēng)化帶厚度特征

表1 壩址區(qū)各風(fēng)化層巖體特征表

2.2 風(fēng)化巖成因分析

工程區(qū)花崗巖的風(fēng)化程度及風(fēng)化特征主要受巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成份影響,受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動(dòng)、后期蝕變等多種因素共同作用影響。

（1）巖石結(jié)構(gòu)及礦物成份：本工程花崗巖經(jīng)后期蝕變作用,巖石結(jié)構(gòu)及礦物成分存在明顯差異,風(fēng)化程度會(huì)受一定影響。通常,粗顆粒巖體結(jié)構(gòu)比細(xì)顆粒風(fēng)化程度高；斜長石含量高的花崗巖比鉀長石含量高的風(fēng)化程度明顯。壩址區(qū)的花崗巖以碎裂蝕變黑云母花崗巖為主,主要礦物成分有：鉀長石約占25%,多已發(fā)生高嶺石化且包裹石英,僅見殘留體,可見少量微斜條紋長石；斜長石約占30%,半自形板柱狀,相對(duì)折射率小于石英,鈉長石雙晶發(fā)育,且雙晶紋細(xì)而密,均已發(fā)生絹云母化,僅見殘留體；石英,它形粒狀,正突起低,正交下具一級(jí)黃白干涉色,有的包裹于長石中；黑云母約占5%,淡褐～深褐色,片狀,一組極完全解理,且解理彎曲,多已發(fā)生綠泥石化后,正交偏光下干涉色呈異常蘭色,并析出鐵質(zhì)。巖體抗風(fēng)化能力較弱,致使全風(fēng)化層厚度大。

（2）地形地貌條件：壩址區(qū)兩岸沖溝較發(fā)育,是花崗巖地區(qū)地貌特點(diǎn)。沖溝兩壁巖體裸露,形成較多的臨空面,在風(fēng)化營力的作用下,由低向高風(fēng)化程度增加,在山頂處風(fēng)化厚度大,低谷或鄰近河床風(fēng)化較淺。由于在地形平緩處或低凹處,地表水排泄受阻,地表水垂直下滲,使風(fēng)化產(chǎn)物不易被剝蝕,全風(fēng)化巖體殘留厚度大。對(duì)于岸坡地形較陡地段,巖體的風(fēng)化程度較淺。

（3）地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度：印支期侵入巖（γ5i）與三疊系中統(tǒng)忙懷組（T2m）火山巖呈侵入接觸,受構(gòu)造影響作用強(qiáng)烈。強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用,使巖體的完整性變差,形成較多地表水入滲通道,降低巖石的抗風(fēng)化能力。壩址區(qū)次級(jí)構(gòu)造多為中、陡傾角,在這些次級(jí)構(gòu)造和滲漏通道附近,地下水活動(dòng)明顯使風(fēng)化加深,主要原因是為地表水的入滲和地下水的運(yùn)移提供了條件,使得沿?cái)鄬语L(fēng)化深度加大,通常會(huì)形成風(fēng)化槽。地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈,使巖體中礦物成分發(fā)生動(dòng)力蝕變,巖體強(qiáng)度降低,同時(shí)抗風(fēng)化能力變?nèi)?風(fēng)化厚度變大。因此地質(zhì)構(gòu)造作用是巖體風(fēng)化作用加劇,形成不均勻的風(fēng)化殼等現(xiàn)象的主要原因。

3 全風(fēng)化花崗巖工程地質(zhì)特性

3.1 全風(fēng)化花崗巖顆粒級(jí)配

壩址區(qū)揭露全風(fēng)化基巖巖性多為粘土質(zhì)砂,根據(jù)顆分試驗(yàn)：全風(fēng)化上帶粒徑＞5 mm顆粒含量為12.2%,5 mm~0.075 mm顆粒含量為56.5%,0.075 mm~0.005 mm顆粒含量為20.6%,＜0.005 mm含量為10.6%,塑性指數(shù)10.0~24.4；全風(fēng)化下帶粒徑＞5 mm顆粒含量為11.6%,5 mm~0.075 mm顆粒含量為57.4%,0.075 mm~0.005 mm顆粒含量為23.9%,＜0.005 mm含量為7.1%,塑性指數(shù)11.2 ~17.5。依據(jù)顆粒分析成果可知,粗顆粒含量偏低且細(xì)顆粒離散性較大,對(duì)心墻的防滲及抗變形不利,作為防滲土料質(zhì)量不夠理想。

3.2 全風(fēng)化花崗巖基本物理性質(zhì)

對(duì)壩址區(qū)開挖的平硐和探坑內(nèi)全風(fēng)化地層進(jìn)行現(xiàn)場、室內(nèi)物理性質(zhì)試驗(yàn),選取代表性試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將異常值剔除。壩址區(qū)全風(fēng)層因風(fēng)化程度差異及特殊風(fēng)化現(xiàn)象的存在,試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的離散性。壩址區(qū)全風(fēng)化層物理力學(xué)性質(zhì)成果統(tǒng)計(jì)見表2,其平均值可作為各分層物理性質(zhì)參考特征值。

表2 壩址區(qū)全風(fēng)化層物理力學(xué)性質(zhì)成果統(tǒng)計(jì)表

3.3 全風(fēng)化花崗巖透水性

壩址區(qū)全風(fēng)化花崗巖體厚度較大,屬粘土質(zhì)砂,具一定孔隙比,其透水性較其它風(fēng)化狀態(tài)的基巖有較大差異,根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況,分左右岸在平硐中的全風(fēng)化巖（土）體段選取具有代表性的位置,采用雙環(huán)法進(jìn)行滲水試驗(yàn),壩址區(qū)全風(fēng)化上、下帶滲透系數(shù)1.39×10-4cm/s～8.22×10-3cm/s,表明全風(fēng)化花崗巖透水率較大,屬中等透水巖（土）體。

3.4 全風(fēng)化花崗巖力學(xué)性質(zhì)分析

全風(fēng)化巖體顆粒組成、結(jié)構(gòu)特征有所差異,決定了巖體力學(xué)特征的差異。本階段在壩址區(qū)平硐、探坑全風(fēng)化層進(jìn)行現(xiàn)場、室內(nèi)物理性質(zhì)試驗(yàn),壩址區(qū)鉆孔內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),鉆孔內(nèi)巖體縱波速測試等原位綜合測試方法,求取巖體的力學(xué)指標(biāo)。選取代表性試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將異常值剔除,其分帶試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 壩址區(qū)全風(fēng)化巖體力學(xué)參數(shù)建議值

承載力特性：本次通過鉆孔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),來確定全風(fēng)化巖體的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。通過剔除離散試驗(yàn)值,取試驗(yàn)平均值的小值作為巖體承載力標(biāo)準(zhǔn)值,經(jīng)綜合分析,提出全風(fēng)化帶巖體的承載力建議值。

變形特性：本次通過鉆孔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),確定全風(fēng)化巖體的變形指標(biāo)。據(jù)試驗(yàn)成果,整體上隨埋深的增大,變形模量也逐漸增大。根據(jù)力學(xué)指標(biāo)差異,進(jìn)行分帶劃分,全風(fēng)化巖體抗變形的能力為下帶巖體高于上帶巖體。隨著全風(fēng)化巖體密實(shí)程度增大,天然含水量降低,承載力提高,變形模量越大,抗變形的能力越強(qiáng)；反之,密實(shí)度降低,天然含水量增大,承載力降低,變形模量就越小,抗變形的能力越差。

抗剪特性：工程區(qū)全風(fēng)化巖體風(fēng)化厚度大、分布范圍廣,邊坡開挖時(shí)占主要部分,邊坡土體性質(zhì)類似于散體均質(zhì)邊坡,其穩(wěn)定性由全風(fēng)化巖體性質(zhì)決定,結(jié)合抗剪試驗(yàn)成果并類比其他工程經(jīng)驗(yàn)分析,建議全風(fēng)化層上帶臨時(shí)坡比為1∶1.00,永久坡比為1∶1.25；全風(fēng)化層下帶臨時(shí)坡比為1∶0.75,永久坡比為1∶1.00。建議全風(fēng)化層邊坡開挖時(shí),采取錨固、噴護(hù)等措施。

4 壩基持力層的選擇及防滲處理措施

4.1 壩基持力層的選擇

壩址區(qū)全風(fēng)化巖體為軟質(zhì)巖Ⅴ類（CV）,破碎且已失去原巖結(jié)構(gòu),抗滑、抗變形能力極差,不能作為高混凝土壩地基；強(qiáng)風(fēng)化巖體為軟質(zhì)巖Ⅴ類（CV）,破碎～較破碎,強(qiáng)度低,抗滑、抗變形能力差,不宜作為高混凝土壩地基；弱風(fēng)化巖體為軟質(zhì)巖Ⅳ類（CⅣ）,較破碎,局部完整性差,強(qiáng)度低,抗滑、抗變形性能差,不宜作為高混凝土壩地基；微風(fēng)化巖體為中硬巖Ⅲ類（BⅢ2）,巖體完整性差,局部較完整,強(qiáng)度較高,抗滑、抗變形能力主要受巖體結(jié)構(gòu)面和強(qiáng)度控制。壩址區(qū)代表壩型為土石壩,推薦壩型為粘土心墻風(fēng)化料壩、瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩、面板堆石壩。

壩基適應(yīng)性：壩基地層巖性為蝕變花崗巖,細(xì)粒隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。兩岸全、強(qiáng)風(fēng)化巖體層厚。建議粘土心墻基礎(chǔ)置于全風(fēng)化層下帶（巖體類別CV）或強(qiáng)風(fēng)化層（巖體類別CV）,瀝青混凝土心墻和面板壩趾板基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化層（巖體類別CⅣ）,壩殼基礎(chǔ)可置于全風(fēng)化層上帶,并進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

4.2 壩基防滲處理措施

防滲帷幕處理：壩址區(qū)蝕變花崗巖全、強(qiáng)風(fēng)化巖體屬中等透水性。上壩址＜10 Lu弱透水層埋深：左岸36 m~73 m,河床27 m~36 m,右岸32 m~78 m；下壩址＜10 Lu弱透水層埋深：左岸17 m~105 m,河床13 m~17 m,右岸17 m~52 m。＜5 Lu相對(duì)隔水層界線多為進(jìn)入弱風(fēng)化巖體一定深度,或建議按1 倍壩高進(jìn)行防滲處理,因此各壩型防滲深度基本相同。

防滲處理建議：對(duì)于壩基的變形和滲透破壞,壩基與下部相對(duì)隔水層間的連接是重點(diǎn)。加強(qiáng)對(duì)全風(fēng)化中顆粒間的“擠密”是關(guān)鍵。針對(duì)大壩不均勻沉降及協(xié)調(diào)變形的特點(diǎn),地質(zhì)建議為加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理,結(jié)合本地區(qū)成熟經(jīng)驗(yàn),提供壩基處理、灌漿處理建議：①適當(dāng)增大壩基心墻底板的開挖深度和尺寸；②加深和加密灌漿的深度、孔排距；③控制好灌漿的壓力和漿液濃度等；④控制混凝土蓋板的抬動(dòng)和兩側(cè)冒漿；⑤對(duì)灌漿效果進(jìn)行檢測；⑥注漿后妥善封孔。通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn),確保壩基巖體滲漏改善,并滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

（1）巨厚的巖體風(fēng)化殼是火山巖分布地區(qū)的共同特點(diǎn),研究其物理性質(zhì)和工程地質(zhì)條件對(duì)工程建設(shè)影響較大。

（2）本文通過對(duì)勘察成果資料統(tǒng)計(jì)分析,查明全風(fēng)化帶巖體的物理力學(xué)性質(zhì),對(duì)比工程地質(zhì)條件特性差異,作為粘土心墻壩壩基,全風(fēng)化下帶巖體可作為地基持力層；隨著兩岸壩體填筑高度降低,對(duì)壩基巖體參數(shù)、適宜性要求也相對(duì)降低,在加強(qiáng)地基處理的條件下,建基面可適當(dāng)提高。

（3）全風(fēng)化帶巖體的物質(zhì)組成差異大,風(fēng)化程度不均一,致使其透水規(guī)律性差,施工期巖體可灌性較差。防滲處理建議采用固結(jié)灌漿,應(yīng)在施工前進(jìn)行灌漿試驗(yàn),以確定其可灌性和灌漿參數(shù)。