石家峽水庫壩址區(qū)巖體抗滑穩(wěn)定分析及處理方法研究

李 剛

(寧夏水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)勝利街629號(hào) 750000)

對于混凝土重力壩，壩址區(qū)范圍內(nèi)巖體的結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性尤為重要，這是決定水庫及樞紐工程正常運(yùn)行的必要條件。近年來，國內(nèi)外眾多大中型水利工程的建設(shè)，為壩址區(qū)巖體抗滑穩(wěn)定的研究積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和詳實(shí)的觀測數(shù)據(jù)。劉洪[3]等基于極射赤平投影的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和防治措施一文中，對極射赤平投影在巖體結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并做了分類討論。張麗、龐丹、劉建等[11]基于有限元法的碾壓混凝土重力壩整體抗滑穩(wěn)定分析也有一定的研究。因極射赤平投影和有限元法分析設(shè)置的邊界條件、整體黏聚效應(yīng)、局部應(yīng)力集中和應(yīng)力擴(kuò)散等條件存在差異，所以得到的結(jié)果也存在一定的差別。

文中以野外工程地質(zhì)測繪成果為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆孔、基巖區(qū)開挖斷面資料，對巖體中多種結(jié)構(gòu)面(層理面、節(jié)理面、卸荷裂隙面等)進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用極射赤平投影的方式判別結(jié)構(gòu)面與原始坡面的關(guān)系，研究巖體及楔形體(多組結(jié)構(gòu)面將巖體切割形成)的穩(wěn)定性，對不穩(wěn)定巖體結(jié)合工程規(guī)模提出了較為經(jīng)濟(jì)適用的處理方案，為工程后續(xù)施工以及類似工程的建設(shè)實(shí)施提供了理論支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

壩址區(qū)地面海拔高程在1485～1545m之間，沖溝較發(fā)育，地勢陡峭，屬高中山地貌單元。河道走向104°～130°，呈“U”形，河床底寬11m,溝底寬約30m，河床兩側(cè)分布有不連續(xù)的河漫灘臺(tái)地，寬度不等，見圖1。

圖1 石家峽水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)河谷兩岸上部黃土覆蓋較厚，沿河道兩側(cè)基巖出露；壩軸線溝道及左壩肩坡腳處出露的奧陶系下統(tǒng)天景山組(O1-2t)灰?guī)r，右壩肩岸坡出露白堊系下統(tǒng)洛河組(K1lh)砂巖、宜君組(K1y)礫巖。O1-2t灰?guī)r與白堊系底部礫巖、砂巖呈角度不整合接觸，洛河組(K1lh)砂巖與上覆保德組(N1b)砂質(zhì)泥巖呈平行不整合接觸。接觸面位置與壩軸線相交于左、右壩肩，且延伸至壩軸線下部。

壩址區(qū)及兩岸未發(fā)現(xiàn)順河向的斷裂、褶皺構(gòu)造及全新世活動(dòng)構(gòu)造，以奧陶系灰?guī)r為基底，白堊系、新近系為盆地內(nèi)陸碎屑巖沉積，各層之間為沉積接觸。古近系地層短期缺失，白堊系與奧陶系之間為較大的沉積間斷，早期原生沉積接觸關(guān)系為角度不整合接觸，后期受燕山晚期-喜馬拉雅山早期構(gòu)造(造山帶)隆起作用的遠(yuǎn)程影響，在壩址右岸沿接觸帶兩側(cè)一定范圍受地下熱水改造、淋濾作用強(qiáng)烈，表現(xiàn)為白堊系底部砂巖裂隙面、層理面褐鐵礦化發(fā)育，裂隙帶內(nèi)充填成分為泥質(zhì)、鐵質(zhì)，鐵質(zhì)充填為弱膠結(jié)狀態(tài)；局部發(fā)育泥化蝕變，空間上呈透鏡狀、蜂窩狀；奧陶系底部灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕孔(帶)內(nèi)碳酸鹽礦物晶簇極為發(fā)育。后期受熱液改造的巖石(體)透水性強(qiáng)，工程性質(zhì)較差。

白堊系下統(tǒng)洛河組組(K1lh)砂巖巖體主要發(fā)育兩組節(jié)理：①280°∠75°，平直，延伸2.5m，張開5～10mm，鈣質(zhì)充填，3～6條/m；②215°∠70°，平直，閉合，無充填，延伸長度1m。裂隙發(fā)育。

奧陶系下統(tǒng)天景山組(O1-2t)灰?guī)r巖體主要發(fā)育兩組節(jié)理：①走向295°∠90°，平直，張開12mm，鈣質(zhì)充填，延伸1～2m，6條/m；②280°∠85°，平直，閉合—張開1～2mm，鈣質(zhì)充填，延伸1m，3～5條/m。裂隙發(fā)育。

2 壩基巖體工程地質(zhì)分類

壩址區(qū)的出露巖體主要有：溝道為O1-2t灰?guī)r；兩側(cè)岸坡為N1b砂質(zhì)泥巖，K1lh砂巖、礫巖，O1-2t灰?guī)r。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄V壩基巖體工程地質(zhì)分類方法，壩基巖體工程地質(zhì)分類如表1所示。

表1 壩基巖體工程地質(zhì)分類表

3 壩基巖體及左右岸邊坡的抗滑穩(wěn)定分析

對水庫壩址區(qū)兩岸和溝道巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行了兩側(cè)統(tǒng)計(jì)，分別對左岸、右岸、溝道砂巖和灰?guī)r結(jié)構(gòu)面進(jìn)行可極射赤平投影分析組合(見圖2)，綜合分析結(jié)果如下：

圖2 壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面極射赤平投影圖

①左岸上部黃土具濕陷性，建議全部清除，并設(shè)置合理的邊坡比。黃土層下部N1b砂質(zhì)泥巖產(chǎn)狀近乎水平，建議上部強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行合理削坡減載；下部K1lh砂巖產(chǎn)狀310°∠10°，傾角較小，傾向山體，與邊坡傾向相反，為抗滑穩(wěn)定有利結(jié)構(gòu)面，因此壩址左岸巖體產(chǎn)生滑移的可能性較小。

②右岸上部黃土具有濕陷性，建議全部挖除，并設(shè)置合理的邊坡比。黃土下部K1lh砂巖產(chǎn)狀310°∠10°，傾角較小，傾向庫區(qū)，與邊坡傾向相同，且傾角小于邊坡坡角，為同向緩傾角結(jié)構(gòu)面，岸坡巖體容易產(chǎn)生滑移破壞，且砂巖層中夾薄層粉砂巖、泥巖(見圖3)，遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度劇減，會(huì)加速岸坡巖土體向庫區(qū)滑動(dòng)。建議對右岸砂巖體采用錨噴支護(hù)，提高巖體的整體性及抗滑穩(wěn)定性。

圖3 壩址區(qū)右岸砂巖節(jié)理

③壩基巖體為天景山組O1-2t灰?guī)r，灰?guī)r原生層面產(chǎn)狀為286°∠45°，傾向上游，對壩基抗滑移穩(wěn)定有利，灰?guī)r局部發(fā)育垂層節(jié)理裂隙，規(guī)模較小，且裂隙面多為鈣質(zhì)膠結(jié)，因此壩基巖體發(fā)生表層及深層滑移的可能性較小。

4 壩基處理建議

將主溝道表層人工填土、角礫、壤土全部清除，將下部灰?guī)r弱風(fēng)化層上帶也全部清除。在軸線位置應(yīng)采用帷幕灌漿處理，灌漿深度應(yīng)深入到相對不透水層，且滿足滲透坡降的要求。帷幕灌漿應(yīng)遵循分排、分序加密的原則。

兩岸壩肩建基面下部為砂巖，砂巖的力學(xué)指標(biāo)及壓縮性指標(biāo)與灰?guī)r相差較大；特別要注意右岸壩肩下部的礫巖層(K1y)，該層礫巖厚度較大，分布不均勻，膠結(jié)差，溶蝕裂隙極發(fā)育，褐鐵礦化、碳酸鹽化強(qiáng)烈，抗壓及抗剪強(qiáng)度低，工程性質(zhì)較差，且為中等～強(qiáng)～極強(qiáng)透水層。建議對壩肩下部砂巖首先采用固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿應(yīng)連片處理，灌漿壓力應(yīng)小于3MPa，灌漿孔深為8～15m，且在灌漿結(jié)束后14d進(jìn)行質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查方法可采用巖體彈性波速測試和鉆孔壓水試驗(yàn)。固結(jié)灌漿旨在提高砂巖巖體的整體穩(wěn)定性及抗壓、抗剪強(qiáng)度，并且防止后期帷幕灌漿過程中發(fā)生地表抬動(dòng)和冒漿現(xiàn)象。然后應(yīng)在壩肩及壩基帷幕線上進(jìn)行帷幕灌漿，帷幕灌漿應(yīng)遵循分排、分序加密的原則。灌漿分為兩排或三排，先灌下游排孔、再灌上游排孔、最后灌中間排孔。且應(yīng)在灌漿結(jié)束后14d進(jìn)行質(zhì)量檢查，質(zhì)量檢查采用鉆孔壓水試驗(yàn)。灌漿深度應(yīng)深入相對不透水層，相對不透水層按照q<5Lu控制。

5 結(jié)論

文中利用勘察成果，綜合運(yùn)用極射赤平投影和理論計(jì)算方法，對兩岸巖體中各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析，利用極射赤平極射投影對岸坡巖體進(jìn)行定性分析，從多組結(jié)構(gòu)面尋找出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和不利結(jié)構(gòu)面，并且對抗滑不利結(jié)構(gòu)面提出了合理的處理方法和滲控方案。文中分析方法對實(shí)際工程有一定的參考意義，在工程實(shí)踐中可靈活運(yùn)用。