馬街河水庫(kù)壩基蝕變花崗巖勘察研究及其處理分析

趙 靜 鄭培溪

(1.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051)

水庫(kù)大壩蓄水運(yùn)行后，壩基或兩岸巖體承受的荷載迅速增大，巖體穩(wěn)定性是壩體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)，壩基防滲效果亦直接影響水庫(kù)能否正常蓄水。蝕變花崗巖在水理性質(zhì)、風(fēng)化特征、可灌性等方面較為特殊，已有文獻(xiàn)[1-2]對(duì)其力學(xué)和濕化性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)其可灌性、灌漿方法、漿材選擇及灌漿加固體特性等亦有不少研究結(jié)論[3-7]，表明在全風(fēng)化花崗巖中適當(dāng)增加灌漿孔、排距，合理選擇灌漿參數(shù)等，能較好地形成完整防滲帷幕，這些研究成果為花崗巖地區(qū)的水庫(kù)大壩建設(shè)提供了有益的參考。因此，采用多種可靠手段查清蝕變花崗巖的成因、發(fā)育規(guī)律和特性，相應(yīng)從壩型選擇、地基防滲處理等方面合理設(shè)計(jì)，能夠確保水庫(kù)正常修建和安全蓄水。

1 工程概況

馬街河水庫(kù)位于云南省臨滄市瀾滄江水系一級(jí)支流勐麻河支流馬街河中游，為Ⅲ等中型水利工程，水庫(kù)總庫(kù)容1194萬(wàn)m3，黏土心墻風(fēng)化料壩最大壩高86.8m，壩頂長(zhǎng)220.0m，壩頂高程1800.9m。壩址上游約410m處左庫(kù)岸存在一低矮埡口，在埡口處修建高約13m的黏土心墻風(fēng)化料副壩以解決其滲漏問題。水庫(kù)及樞紐工程區(qū)分布蝕變花崗巖。

工程區(qū)地處云南省西部橫斷山脈南段，碧羅雪山南部延伸支脈，屬臨滄中山區(qū)，位于岡底斯-念青-唐古拉褶皺系昌寧-孟連褶皺帶臨滄-勐海褶皺束內(nèi)。山頂高程1500～2400m，相對(duì)高差500～700m。河谷多呈陡峻的“V”形，為強(qiáng)烈切割的侵蝕構(gòu)造峽谷地貌，兩岸坡坡度15°～50°，地表植被覆蓋較好，基巖少量出露。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20g，反應(yīng)譜特征周期值0.45s，相應(yīng)地震基本烈度Ⅷ度，屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差地區(qū)。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷底寬25～40m，左岸山脊單薄，呈緩頂梁狀，山頂高程1862.0m，相對(duì)高差約140m，坡度15°～45°，局部基巖裸露；右岸山體雄厚，山頂高程1964.1m，相對(duì)高差約240m，坡度20°～50°，局部基巖裸露。

壩址左、右岸坡表層多被第四系全新統(tǒng)殘坡積層含砂低液限黏土、黏土質(zhì)砂覆蓋，厚約1.0m，山頂處略厚；下伏蝕變花崗巖。河床表層為第四系全新統(tǒng)洪坡積層含細(xì)粒土礫，厚0.5～1.5m；其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層混合土卵石，厚2.0～5.0m，粒徑最大達(dá)1.0m；下伏蝕變花崗巖。其中全風(fēng)化蝕變花崗巖呈砂狀(見圖1)，力學(xué)性質(zhì)差。

圖1 壩址區(qū)全風(fēng)化蝕變花崗巖

壩址區(qū)發(fā)育7條斷層(編號(hào)f26～f32)，為Ⅲ～Ⅳ級(jí)構(gòu)造，傾角36°～70°，延伸長(zhǎng)度148～400m，均為壓性或壓扭性、中等—陡傾角逆斷層，破碎帶寬0.2～0.8cm，組成物質(zhì)為碎裂巖、糜棱巖，其中f29斷層斜交并穿過壩基，交角約19°。同時(shí)還發(fā)育四組節(jié)理，其產(chǎn)狀見節(jié)理走向玫瑰花圖(見圖2)，均為微張—張開，泥、鐵銹色物質(zhì)充填，起伏粗糙，延伸2～10m，發(fā)育間距10～80cm。

圖2 壩址區(qū)節(jié)理走向玫瑰花圖

3 花崗巖體蝕變特征

壩址區(qū)基巖為印支期侵入蝕變花崗巖、碎裂蝕變花崗巖、蝕變黑云母花崗巖。受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)、應(yīng)力演化及巖體風(fēng)化作用影響，熱液交代、動(dòng)力構(gòu)造和次生風(fēng)化蝕變均存在。

3.1 熱液交代蝕變

壩址區(qū)靠近侵入接觸帶，熱液交代蝕變現(xiàn)象普遍，主要是由巖漿期后熱液侵入時(shí)熱液的交代作用而形成的原生熱液蝕變作用，熱液蝕變類型主要包括鉀長(zhǎng)石化、綠簾石化、鈉黝簾石化和硅化[8]類型，熱液來(lái)源與壩址區(qū)侵入巖體及其鄰近巖體形成有關(guān)。

3.2 動(dòng)力構(gòu)造蝕變

由于區(qū)域長(zhǎng)期強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，巖體內(nèi)發(fā)生動(dòng)力構(gòu)造蝕變作用，形成一系列構(gòu)造動(dòng)力蝕變巖。壩址區(qū)局部花崗巖受斷層及節(jié)理控制，動(dòng)力構(gòu)造蝕變多沿早期斷裂發(fā)育，規(guī)模較小，主要構(gòu)造物質(zhì)為碎裂巖、糜棱巖，規(guī)律性不明顯。其典型巖芯見圖3。

圖3 壩址右岸動(dòng)力構(gòu)造蝕變花崗巖

3.3 次生風(fēng)化蝕變

壩址區(qū)花崗巖次生風(fēng)化蝕變較普遍，長(zhǎng)期的隆起剝蝕使花崗巖體接近或暴露于地表，并受多期冷熱交替自然氣候影響，巖體表層風(fēng)化嚴(yán)重，部分礦物受表生淋濾水化交代而產(chǎn)生次生風(fēng)化蝕變，主要表現(xiàn)為風(fēng)化隱微裂隙發(fā)育和部分礦物蝕變?yōu)轲ね恋V物，如長(zhǎng)石類的高嶺土化、絹云母化，黑云母的綠泥石化等。風(fēng)化蝕變強(qiáng)度和空間分布特征與風(fēng)化營(yíng)力及其作用通道有關(guān)，主要影響全—弱風(fēng)化帶。據(jù)鉆孔揭露，次生風(fēng)化蝕變發(fā)育最深約90m，位于岸坡。

4 蝕變花崗巖礦物組成及工程地質(zhì)特性

4.1 礦物組成

壩址區(qū)分布印支期侵入蝕變花崗巖、碎裂蝕變花崗巖、蝕變黑云母花崗巖，呈灰白、灰黑色，細(xì)粒隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，具花崗結(jié)構(gòu)，發(fā)生動(dòng)力地質(zhì)作用后，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，后期在蝕變及風(fēng)化作用下，巖石被壓碎成碎粒、碎塊，沿裂隙分布。主要礦物成分：鉀長(zhǎng)石，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(zhǎng)石；斜長(zhǎng)石，半自形板柱狀，相對(duì)折射率小于石英，鈉長(zhǎng)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(zhǎng)石中；黑云母，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，正交偏光下干涉色呈異常藍(lán)色，并析出鐵質(zhì)。巖礦鑒定成果見表1。

表1 巖礦鑒定成果

4.2 水理特性及力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)(見圖4)表明：全風(fēng)化蝕變花崗巖浸水30min后呈散體結(jié)構(gòu)，飽和巖塊強(qiáng)度極低；強(qiáng)風(fēng)化蝕變花崗巖浸水24h后變化較小，飽和巖塊強(qiáng)度受蝕變作用影響較小，主要受結(jié)構(gòu)面控制。

圖4 全風(fēng)化(左)、強(qiáng)風(fēng)化(右)蝕變花崗巖浸水試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)貫、重型動(dòng)力觸探和巖石室內(nèi)試驗(yàn)，蝕變花崗巖強(qiáng)度較低，局部不均勻。全風(fēng)化上、下帶承載力特征值分別為241～569kPa、442～830kPa。強(qiáng)、弱、微風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度分別為5.9～8.6MPa、17.2～26.8MPa、20.0～39.0MPa，軟化系數(shù)分別為0.34～0.48、0.47～0.62、0.49～0.68。

4.3 巖體風(fēng)化特征

綜合物探及地質(zhì)鉆探表明：壩址區(qū)蝕變花崗巖全風(fēng)化層性狀類似細(xì)粒土質(zhì)砂，各風(fēng)化層界限存在漸變關(guān)系，其風(fēng)化帶劃分見表2。由表2可見，全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度大，兩岸風(fēng)化厚度大于河床，右岸弱風(fēng)化底界最深95.3m。分析原因主要是壩址區(qū)處于侵入接觸帶邊界，次級(jí)構(gòu)造發(fā)育，受結(jié)構(gòu)面控制影響明顯。

表2 風(fēng)化帶劃分

另外，根據(jù)巖芯及孔內(nèi)聲波存在異常區(qū)分析，壩址區(qū)風(fēng)化花崗巖存在球狀、槽狀、囊狀、帶狀風(fēng)化等異于同層風(fēng)化程度的特殊風(fēng)化現(xiàn)象，典型強(qiáng)風(fēng)化層巖芯見圖5。其中，全風(fēng)化層內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化團(tuán)塊占0～7.3%，強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)全風(fēng)化團(tuán)塊占7.6%～27.5%，弱風(fēng)化層內(nèi)全、強(qiáng)風(fēng)化團(tuán)塊占11.4%～22.7%。整體而言，風(fēng)化巖體存在異于同層風(fēng)化程度的特殊風(fēng)化體占比在15%～25%之間，比例較高。

圖5 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中的特殊風(fēng)化體

4.4 巖體完整性

鉆孔聲波測(cè)試可以較準(zhǔn)確地確定巖體完整性系數(shù)Kv[9]，本次通過鉆孔巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、鉆孔聲波測(cè)試及孔內(nèi)電視成像綜合評(píng)價(jià)巖體完整性，見表3，典型鉆孔全孔壁成像見圖6。可見，壩址區(qū)花崗巖體縱波波速VP隨巖體風(fēng)化分帶差異性明顯，波速較之新鮮基巖普遍下降明顯，且局部不規(guī)律。巖體完整性受構(gòu)造、不均勻風(fēng)化、蝕變作用影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面多張開，起伏粗糙，少量鈣質(zhì)薄膜附著，鐵銹色氧化程度高。鉆孔深度范圍內(nèi)強(qiáng)—弱風(fēng)化巖體極破碎—較破碎，微風(fēng)化巖體普遍完整性差，局部較完整。

表3 巖體完整性評(píng)價(jià)

圖6 弱～微風(fēng)化巖體典型鉆孔全孔壁成像

4.5 巖體滲透性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)滲水試驗(yàn)，壩址兩岸殘坡積層滲透系數(shù)K=6.0×10-5～4.0×10-4cm/s，為弱—中等透水；河床洪坡積層K=5.0×10-3～3.0×10-2cm/s、沖洪積層K=7.5×10-3～1.5×10-2cm/s，均為中等—強(qiáng)透水；全風(fēng)化蝕變花崗巖上、下帶K=1.39×10-4cm/s～8.22×10-3cm/s，為中等透水。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)(見表4)，壩址強(qiáng)—微風(fēng)化蝕變花崗巖體透水性規(guī)律不明顯，局部不均勻，相對(duì)隔水層(5Lu)界線埋深為左岸75～125m，河床35～40m，右岸65～80m。

表4 壩址巖體透水率

4.6 小結(jié)

壩址區(qū)蝕變花崗巖體破碎，聲波波速普遍偏低；巖塊強(qiáng)度較低，微風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大約39MPa；巖體滲透性變化規(guī)律不明顯，相對(duì)隔水層埋深較大；且蝕變生成一定量的黏土礦物，弱化了巖體的物理力學(xué)、水理性質(zhì)?？梢哉f(shuō)，蝕變對(duì)花崗巖體的工程特性產(chǎn)生了較大影響。

5 對(duì)工程的主要影響及處理措施

5.1 壩基穩(wěn)定

壩址區(qū)蝕變花崗巖強(qiáng)度較低，巖體完整性普遍較差。根據(jù)規(guī)范[10]及工程經(jīng)驗(yàn)，全風(fēng)化蝕變花崗巖為軟質(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，不宜作為防滲體地基；強(qiáng)風(fēng)化蝕變花崗巖為軟質(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)化蝕變花崗巖為軟質(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)化蝕變花崗巖為中硬巖Ⅲ類(BⅢ2)，巖體完整性差，局部較完整，強(qiáng)度較高，抗滑、抗變形性能力在一定程度上受結(jié)構(gòu)面和巖石強(qiáng)度控制。

綜合考慮地質(zhì)條件和料源、投資等，設(shè)計(jì)選擇黏土心墻風(fēng)化料壩，心墻基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化層，壩殼料基礎(chǔ)置于全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化層。對(duì)于穿過壩基的f29斷層，開挖清理后采用混凝土封堵，開挖底寬3B(B為斷層破碎帶寬)，頂寬5B，深3B，長(zhǎng)度等于斷層在壩基范圍的長(zhǎng)度。同時(shí)，在心墻范圍底部進(jìn)行固結(jié)灌漿以提高地基巖體的整體穩(wěn)定性。

5.2 岸坡穩(wěn)定

壩址兩岸坡及河床黏土心墻基礎(chǔ)開挖段出露全—強(qiáng)風(fēng)化蝕變花崗巖，通過赤平投影[11](見圖7)初步分析岸坡坡面與主要結(jié)構(gòu)面的關(guān)系可知：左岸坡整體較穩(wěn)定，開挖后會(huì)形成小規(guī)模楔形卸荷體，產(chǎn)生局部掉塊，但不會(huì)造成整體失穩(wěn)；右岸坡開挖后易形成潛在楔形卸荷體，但卸荷體規(guī)模小，多為掉塊、掉渣。

圖7 壩址左、右岸坡赤平投影圖

分別采取如下處理措施：壩肩1810m高程以下位于強(qiáng)風(fēng)化層，采用系統(tǒng)砂漿錨桿(L=4.0m、φ25、2.0m×2.0m)錨固，并掛網(wǎng)(φ8@200)噴C20混凝土；1810m高程以上位于全風(fēng)化層，采用C20鋼筋混凝土框格梁，間距2.0m×2.0m，矩形布置。壩體心墻基礎(chǔ)開挖臨時(shí)邊坡采用噴C20混凝土封閉。

5.3 壩基滲漏

5.3.1 滲漏量估算

河床壩基滲漏量按式(1)估算。因左岸山體單薄，為一緩頂山梁，左岸至上游副壩防滲處理延長(zhǎng)線地下水位均低于正常蓄水位，滲漏帶寬度不能確定，因此按式(2)估算左岸繞壩滲漏量；右岸繞壩滲漏量按式(3)估算。參數(shù)選擇及計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 壩基滲漏量

表6 繞壩滲漏量

q=KH[T/(B+T)]L

(1)

q=KH(h1+H1)

(2)

q=0.366KH(h1+H1)lg(B/r0)

(3)

式(1)中：q為滲漏量；K為滲透系數(shù)，取透水層至相對(duì)隔水層呂榮值大值加權(quán)平均值；H為上、下游水位差；T為透水巖層平均厚度；B為壩底寬；L為壩長(zhǎng)。式(2)和式(3)中：K取壩肩處正常蓄水位至相對(duì)隔水層呂榮值大值加權(quán)平均值；H為正常蓄水位與未蓄水時(shí)地下水位之差；B為滲漏帶寬度；h1為未蓄水時(shí)地下水位至相對(duì)隔水層厚度；H1為正常蓄水位至相對(duì)隔水層厚度；r0為壩接頭處繞滲流線的圓半徑。

假定按每年滲漏280天估算，則河床壩基滲漏量為102.3萬(wàn)m3/年，左、右岸繞壩滲漏量分別為231.4萬(wàn)m3/年、12.0萬(wàn)m3/年，總滲漏量約345.7萬(wàn)m3/年。應(yīng)采取必要的防滲處理措施。

5.3.2 壩基防滲處理

根據(jù)勘察資料、已有試驗(yàn)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合壩址區(qū)蝕變花崗巖的工程地質(zhì)特性，采用水泥灌漿帷幕防滲處理。壩基范圍內(nèi)為強(qiáng)—微風(fēng)化層，采用雙排孔布置，排距1.2m，孔距1.5m，主、副帷幕深度相等；兩岸壩肩及左岸臨谷段上部主要為全風(fēng)化層，采用單排孔布置，孔距加密至1.0m。防滲底界為相對(duì)隔水層(5Lu線)以下5m，最大灌漿深度97m。左岸防滲邊界從壩軸線左岸繞壩滲漏點(diǎn)折向上游后沿左岸臨谷段延伸到副壩左壩肩，右岸防滲邊界為正常蓄水位與地下水位相交點(diǎn)。

為防止冒漿和地層抬動(dòng)，在黏土心墻底澆筑6.0m寬、1.5m厚，與心墻截水槽底寬相當(dāng)?shù)腃25鋼筋混凝土壓漿蓋板。

為保證心墻基礎(chǔ)形成完整承載體，避免不均勻沉降造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致心墻開裂，對(duì)心墻范圍內(nèi)地基進(jìn)行固結(jié)灌漿，在灌漿帷幕上、下游側(cè)對(duì)稱布置，孔、排距2m，分Ⅱ序錯(cuò)孔布置，孔深10m。

6 結(jié) 語(yǔ)

a.通過物探、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆孔和試驗(yàn)研究等，基本查清了馬街河水庫(kù)壩址區(qū)為印支期侵入蝕變花崗巖，其工程地質(zhì)特性主要表現(xiàn)為：全風(fēng)化巖體呈砂狀，力學(xué)性質(zhì)和可灌性差；強(qiáng)—微風(fēng)化巖體普遍破碎—較破碎，強(qiáng)度偏低，遇水易軟化，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度5.9～39.0MPa，軟化系數(shù)0.34～0.68，完整性系數(shù)0.11～0.69；巖體滲透性不均勻，相對(duì)隔水層(5Lu)界線埋深35～125m。

b.蝕變花崗巖主要影響壩基穩(wěn)定和防滲，對(duì)兩岸坡穩(wěn)定也有一定影響。設(shè)計(jì)選擇黏土心墻風(fēng)化料壩以較好地適應(yīng)壩基地質(zhì)條件；全風(fēng)化層采用加密孔距至1.0m的水泥灌漿帷幕防滲，心墻范圍內(nèi)壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿以增強(qiáng)地基巖體整體性；兩岸開挖邊坡根據(jù)不同風(fēng)化巖層采用系統(tǒng)砂漿錨桿或鋼筋混凝土框格梁等加固措施。

c.鑒于蝕變花崗巖性質(zhì)特殊，尤其是全風(fēng)化層可灌性差，建議在施工前，對(duì)灌漿施工方法、灌漿壓力、注漿量等，進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)和研究，據(jù)此相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)重視壩基及岸坡滲流、應(yīng)力和變形等安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的布設(shè)和數(shù)據(jù)采集分析，以便及時(shí)監(jiān)控和反饋工程實(shí)施效果。