古賢水利工程壩址區(qū)剪切帶滲透變形特性試驗研究

趙永勝，王新建，李金都，焦小超，高慧民，劉 艷

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

巖體中由上下相對堅硬巖石所夾軟弱層帶的結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造作用下尤其是擠壓作用下發(fā)生剪切錯動，從而使原有巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這樣形成的軟弱結(jié)構(gòu)面被稱為層間剪切帶，其力學(xué)性質(zhì)較差、結(jié)構(gòu)破碎、遇水易發(fā)生泥化［1-4］。 層間剪切帶對工程建設(shè)的危害十分突出，研究其滲透特性對工程抗?jié)B設(shè)計具有重大意義。

目前有關(guān)巖土體滲透特性的研究多基于原位滲透試驗、壓水試驗和室內(nèi)滲透試驗等手段［5］。 馮樹榮等［6］通過原狀樣滲透變形試驗、原位滲透變形試驗和高壓壓水試驗三種試驗方法系統(tǒng)研究了向家壩壩區(qū)破碎巖體的滲透特性，但原位滲透試驗難度較大，未有效控制試件過流面積，很難全面準(zhǔn)確反映軟弱巖體滲透特性。 李勝平等［7］通過室內(nèi)試驗和原位試驗的方法研究了高壩洲水利樞紐剪切帶泥化夾層的滲透特性，但原位試驗加壓方式較為單一，且采用半無側(cè)限滲流模式，同樣未能有效控制試件過流面積。 熊翰文［8］通過自主研發(fā)的設(shè)備對白鶴灘水電站巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了原位滲透試驗并研究了巖體結(jié)構(gòu)面滲透特性，但在試件制備過程中采用爆破的方式，使得試件擾動程度較大。

本文結(jié)合實際工程，在最大程度保持巖體原狀的基礎(chǔ)上采用有效方式控制過流面積，使用均勻流的滲流方式對壩址區(qū)剪切帶滲透特性進(jìn)了研究。

1 古賢水利樞紐工程壩址區(qū)剪切帶概況

黃河古賢水利樞紐工程主體壩址位于黃河干流晉陜峽谷南部，國家級風(fēng)景名勝區(qū)壺口瀑布上游約10 km處。 壩址區(qū)基巖地層為中生界三疊系中統(tǒng)二馬營組（T2er2）上段和銅川組（T2t1）下段，是一套陸相碎屑巖體。 基巖巖性以長石砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以及黏土巖為主。

壩址區(qū)無第四紀(jì)斷裂發(fā)生，也未發(fā)現(xiàn)活動斷層，但基底存在較強(qiáng)變形，說明在前新生代發(fā)生過明顯的構(gòu)造運動。 本區(qū)構(gòu)造行跡大致呈現(xiàn)向西緩傾的波狀起伏單斜層，構(gòu)造形跡主要有撓曲和褶皺，未見斷層發(fā)育。區(qū)內(nèi)巖體的構(gòu)造破壞形式主要表現(xiàn)為層間錯動，且與巖層的褶皺作用同時發(fā)展。

層間錯動主要沿著巖石中力學(xué)強(qiáng)度最低的方向和部位發(fā)生。 一般發(fā)生于剛性巖體與柔性巖體的分界線上以及柔性巖體內(nèi)部［4］。 壩址區(qū)內(nèi)沉積形成的原生黏土巖常以薄層形式出現(xiàn)，存在于粉砂巖、長石砂巖等硬度較高的巖層中，形成原生夾層，此處最易發(fā)生層間錯動。 同時由于黏土巖具有一定的厚度，在層間錯動的作用下夾層本身往往具有明顯的構(gòu)造分帶現(xiàn)象，因此壩址區(qū)內(nèi)發(fā)育完整的剪切帶包括劈理帶（剪切破碎帶）與泥化帶（泥化夾層），泥化帶主要分布于剪切帶的頂面或底面。

剪切帶主要是在地質(zhì)構(gòu)造運動中形成的，形成后在漫長的地質(zhì)構(gòu)造過程中，不斷受地下水影響［4］。 剪切帶所形成的破碎帶為地下水活動提供條件，頻繁的地下水活動加速了剪切帶的泥化作用，黏土巖夾層在遇水后迅速膨脹、軟化，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)迅速降低，巖-水之間復(fù)雜的力學(xué)耦合和化學(xué)反應(yīng)作用機(jī)制是軟巖泥化的主要原因。 因此，古賢水利樞紐工程壩址區(qū)剪切帶形成的物質(zhì)基礎(chǔ)為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)黏土巖，主要外因為構(gòu)造剪切作用，此外地下水等因素也有一定的影響。

勘察工作中在其壩址共發(fā)現(xiàn)12 條剪切帶，分布在不同巖層中，其中以河床下分布的剪切帶 JQD05、JQD06、JQD08、JQD09 對壩基抗滑穩(wěn)定性影響較大。剪切帶JQD06 延展長度較長，連續(xù)性好，泥化夾層連通率高達(dá)87.8%，對工程抗?jié)B設(shè)計起控制作用，因此本研究主要針對剪切帶JQD06 進(jìn)行。

2 剪切帶JQD06 分布范圍及泥化帶物質(zhì)組成

河底探洞PD212 中揭露的剪切帶JQD06 分布范圍示意見圖1。 JQD06 主要發(fā)生在T2er92地層中，河床范圍內(nèi)分布高程主要集中在417 ～423 m，代表高程420 m，一般分布在軟巖內(nèi)部或頂部，局部穿切硬巖（砂巖）層。 剪切帶JQD06 的母巖顏色較為特殊，一般為鮮紅色和灰綠色相間，剪切帶整體厚度范圍0.1 ～1.9 m，平均厚度1.1 m。 剪切帶表現(xiàn)為有明顯構(gòu)造特征的擠壓帶，同時灰綠色和紫紅色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖呈透鏡狀相互穿插。 內(nèi)部發(fā)育斜交的破裂面，在兩側(cè)或內(nèi)部發(fā)育有等傾角錯動面，面上擦痕明顯，并附有方解石膜。 在剪切帶底部存在厚度不同的泥化帶，泥化帶厚度一般為1～3 cm，局部達(dá)到10 cm。 在河床壩基勘察范圍內(nèi)泥化夾層的連通率高達(dá)87.8%。

圖1 剪切帶JQD06 分布范圍示意

該剪切帶底部泥化夾層（泥化帶）的顆粒大小及各粒組含量的多少是控制其滲透特性、變形特征和抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)的關(guān)鍵因素。 根據(jù)相關(guān)規(guī)范［9-10］對泥化夾層具體類型進(jìn)行劃分，分類依據(jù)見表1［10］。

表1 泥化夾層分類依據(jù) %

剪切帶JQD06 中泥化夾層不同類型分布比例見表2，泥化夾層類型以巖屑夾泥型為主，其次為泥夾巖屑型和巖塊巖屑型，全泥型較少。

表2 剪切帶JQD06 中泥化夾層不同類型分布比例 %

對JQD06 中泥化夾層進(jìn)行礦物成分鑒定測試，測試結(jié)果見表3。 JQD06 中泥化夾層礦物成分以蒙脫石、伊利石為主，含少量石英、長石、方解石。 由于蒙脫石和伊利石比表面積較大，泥化夾層部位親水性較強(qiáng)，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度小，因此古賢水利樞紐工程壩址區(qū)剪切帶泥化夾層的工程地質(zhì)狀況相對較差。

表3 JQD06 中泥化夾層礦物成分鑒定結(jié)果 %

3 試驗過程

3.1 原位滲透變形試驗

對剪切帶JQD06 的原位滲透變形試驗均在河底探洞PD212 中進(jìn)行。 在河底探洞支洞PD212-3-2 中布置NO.1 號試驗，在支洞PD212-1-1 中布置NO.2號試驗。 參考相關(guān)規(guī)范［9，11］及以往研究中所采用的試驗設(shè)備［2，4］，研發(fā)了適用于不良地質(zhì)體原位滲透變形試驗的設(shè)備（見圖2），經(jīng)過反復(fù)試驗和調(diào)整證明該設(shè)備可滿足要求。 該設(shè)備系統(tǒng)由空壓機(jī)作為壓力來源，經(jīng)調(diào)壓閥后輸出穩(wěn)定壓力至儲水罐，再由儲水罐連接上游面供水倉以提供穩(wěn)定上游壓力水頭，并在上游面壓力倉內(nèi)填充卵石。 試驗過程中使上游面供水倉面積與試件過流面積一致，并將試件左右開挖后換填膨脹混凝土，有效控制過流面積，使?jié)B透水流處于均勻流狀態(tài)，提高試驗質(zhì)量。 同時將上游面加壓倉一同澆筑進(jìn)混凝土內(nèi)，使試驗?zāi)軌虺惺茌^大壓力。 試驗過程中滲流方向平行于剪切帶走向。

圖2 原位滲透變形試驗設(shè)備示意

圖3 為NO.1 號試驗試件安裝示意，為滿足試驗要求，試驗所在支洞洞底面均位于剪切帶上部約30 cm處，剪切帶下部為長石砂巖完整巖體，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）［10］相關(guān)規(guī)定，長石砂巖完整巖體滲透系數(shù)k20＜10-6cm／s，在本次試驗中可視為不透水層。 試件制備：在試件周圍垂直于層面向下鑿?fù)谥聊嗷瘞?0 cm 左右，換填膨脹性混凝土作為不透水材料，防止沿剪切帶向兩側(cè)滲流，以達(dá)到控制過流面積的作用，在上游面加壓倉安裝完成后一并澆筑膨脹混凝土。 在泥化帶和劈理帶位置分別安裝若干導(dǎo)管連接壓力表，用于監(jiān)測試件內(nèi)部壓力。NO.1 號試件滲流方向為沿河方向，保持與剪切帶走向基本一致。

圖3 NO.1 號試驗試件安裝示意

NO.2 號試驗與NO.1 號試驗相似，結(jié)合支洞實際情況，將NO.2 號試驗滲徑長度調(diào)整為2.75 m。 試驗所處支洞垂直于黃河干流，因此滲流方向變更為從近河側(cè)流向遠(yuǎn)河側(cè)，但依然保持滲流方向與剪切帶走向一致。

3.2 室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗

為進(jìn)一步驗證原位滲透變形試驗結(jié)果，探究在不同試驗環(huán)境下結(jié)果的差異，在支洞PD212-4 左＋52.1 m、右＋14.0 m 處使用鉆孔取芯機(jī)鉆取原狀樣，采用滲透變形試驗儀進(jìn)行室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗［12-13］，分別計為 NO.3 號、NO.4 號試驗。

原狀樣直徑約16 cm，原狀樣內(nèi)包含部分完整巖體、全部泥化帶及少量劈理帶，鉆取后立即使用專用模具進(jìn)行保護(hù)，盡量減少應(yīng)力釋放，同時使用保鮮膜多層包裹，防止原狀樣風(fēng)化影響試驗結(jié)果，最大限度避免運輸過程中試樣因振動、顛簸和釋水等作用而受到擾動和發(fā)生性能狀態(tài)的改變。

將原狀樣裝填于室內(nèi)滲透變形試驗儀器內(nèi)，在其四周填充膨脹砂漿，待膨脹砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，使其低水頭飽和，然后按照原位試驗觀測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測，試件滲透破壞后停止試驗。 試驗完成后取出試件，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

4 試驗結(jié)果

4.1 原位滲透變形試驗結(jié)果

原位滲透變形試驗坡降—流速（i—v）關(guān)系曲線見圖4。 NO.1 號試驗開始后，隨著上游水頭的增大，泥化帶與劈理帶膠結(jié)處有少量細(xì)顆粒隨滲透水流流出；坡降為2.7 時下游面滲透水流中顆粒量激增，同時i—v曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，斜率發(fā)生變化，此時水力坡降為臨界水力坡降，臨界坡降ik＝2.7；隨坡降繼續(xù)增大滲透水流中細(xì)顆粒持續(xù)增多，集水池內(nèi)愈發(fā)渾濁，但上游壓力穩(wěn)定；坡降為34.3 時，下游出水量突增，上游壓力無法穩(wěn)定，i—v曲線近乎平直，判斷發(fā)生滲透破壞，破壞坡降iF終＝34.3。 取穩(wěn)定滲流階段平均滲透系數(shù)作為 NO.1 號試驗滲透系數(shù)，k20＝5.62×10-4cm／s。 NO.2號試驗過程與NO.1 號試驗過程大致相同，但試驗開始時試件未充分飽和，下游面出現(xiàn)少量氣泡，而后滲流穩(wěn)定時觀察到下游滲漏水中有少量細(xì)顆粒物質(zhì)，當(dāng)坡降為2.3 時下游面出水渾濁，顆粒物質(zhì)持續(xù)增多，推測出現(xiàn)臨界狀態(tài)，此時臨界坡降ik＝2.3；坡降為15.1 時上游水頭驟降，下游出水量激增，試件破壞，破壞坡降iF終＝15.1；選擇穩(wěn)定滲流階段滲透系數(shù)的平均值作為NO.2 號試驗整體滲透系數(shù)，k20＝2.61×10-3cm／s。

圖4 原位滲透變形試驗i—v 關(guān)系曲線

NO.1 號試驗完成后下游集水池現(xiàn)場照片見圖5，試驗過后下游集水池底部可見明顯細(xì)泥碎石堆以及較大泥化帶物質(zhì)掉落。 泥化帶位置出現(xiàn)整體擠出，伸出長度約5 cm，泥化帶析出物深度可達(dá)10 cm。 上部劈理帶中出現(xiàn)較大貫穿試件（寬度方向）的裂隙，寬度可達(dá)3 mm，位置發(fā)生在泥質(zhì)粉砂巖與長石砂巖膠結(jié)處?，F(xiàn)場破壞情況為軟弱夾層在中高水壓力下產(chǎn)生水力劈裂，形成滲透通道，同時有接觸沖刷和部分填充物因滲透力而擠出的現(xiàn)象，試驗段滲流破壞類型綜合判定為集中滲漏造成的沖刷破壞。

圖5 NO.1 號試驗完成后下游集水池現(xiàn)場照片

4.2 室內(nèi)原狀樣試驗結(jié)果

NO.3 號試驗試件滲徑為20.0 cm，起始坡降為7.00，最大坡降為150.00，共進(jìn)行46 級水頭試驗；NO.4號試驗試件滲徑為13.5 cm，起始坡降為10.00，最大坡降為206.70，共進(jìn)行24 級水頭試驗。 兩組室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗過程大致相同，NO.4 號試驗試件雖起始坡降較大，但未對試驗過程產(chǎn)生影響。 室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗i—v關(guān)系曲線見圖6。 試驗開始階段，有少量氣泡溢出，隨坡降增大，滲透水流中出現(xiàn)少量細(xì)顆粒，滲流穩(wěn)定。 當(dāng)坡降增大到一定程度時，滲透水流中顆粒明顯增多，此時判斷出現(xiàn)臨界狀態(tài)。 坡降繼續(xù)增大，泥化帶位置開始出現(xiàn)整體向外推擠且伴有大量顆粒被帶出，試件破壞，此時坡降為破壞坡降。 為得到最終破壞情況，繼續(xù)增大坡降，觀察到泥化帶被推擠到一定程度后出現(xiàn)明顯滲流通道，試件完全破壞，泥化帶結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)松散掉落現(xiàn)象，其照片見圖7。 選擇滲透速度和水力坡降關(guān)系曲線中穩(wěn)定階段的平均滲透系數(shù)作為試件在試驗過程中的滲透系數(shù)［14-15］。 NO.3 號試驗滲透系數(shù)為k20＝6.00×10-6cm／s，臨界坡降ik＝22.25，試件發(fā)生破壞時iF終＝150.00；NO.4 號試驗滲透系數(shù)k20＝1.21×10-5cm／s，臨界坡降ik＝45.54，試件發(fā)生破壞時iF終＝206.70。

圖6 室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗i—v 關(guān)系曲線

圖7 室內(nèi)滲透變形試驗后照片

5 結(jié)果分析

5.1 滲透性分析

滲透變形試驗結(jié)果見表4，在不同試驗環(huán)境中，剪切帶JQD06 滲透變形試驗結(jié)果存在較大偏差，結(jié)合實際情況分析，是試件尺寸差異造成發(fā)生滲透破壞的部位不同所致。 原位試驗試件尺寸較大，包含剪切帶整體，試驗過程中劈理帶和泥化帶均發(fā)生滲透破壞，因此試驗結(jié)果可作為剪切帶整體滲透特性。 剪切帶JQD06整體滲透破壞臨界水力坡降ik＝2.30 ～2.70，整體滲透系數(shù)量級為10-3～10-4cm／s，滲透等級為弱透水和中等透水。 室內(nèi)原狀樣試驗試件尺寸較小，只有泥化帶部位發(fā)生滲透破壞，因此試驗結(jié)果可單獨作為泥化帶部分的滲透特性，滲透系數(shù)量級為10-6～10-5cm／s，透水性為微透水，臨界坡降ik＝22.25。

表4 滲透變形試驗結(jié)果

5.2 滲透破壞過程分析

原位滲透變形試驗過程中還對泥化帶和剪切破碎帶內(nèi)部壓力進(jìn)行了監(jiān)測。 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，試驗過程中剪切帶內(nèi)壓力穩(wěn)定，沿滲流方向壓力呈遞減趨勢。

剪切帶原位滲透變形試驗過程中，NO.1 號和NO.2號試驗觀察到的現(xiàn)象大致相似，根據(jù)試驗過程中觀察到的現(xiàn)象以及i—v曲線特征將原位滲透變形試驗大致分為以下4 個階段：第一階段，過渡階段，受一些不可抗力以及實際情況的限制，試驗開始后較短時間達(dá)到滲流穩(wěn)定。 原位滲透變形試驗由于試件過長，很難充分飽和，因此試驗開始時會有少量氣泡冒出，對此階段滲透參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。 第二階段，穩(wěn)定滲流階段，能夠觀察到極少數(shù)的顆粒被滲漏水帶出，滲流相對穩(wěn)定，此階段滲透系數(shù)可作為整體滲透系數(shù)。 第三階段，水微濁，可觀察到滲漏水中有細(xì)顆粒，滲透系數(shù)減小，推測可能是試件內(nèi)部顆粒發(fā)生移動、淤堵滲透通道所致。 第四階段，滲漏水中顆粒逐步增多，水體渾濁，而后發(fā)生水位驟降，流量激增，試件破壞。

結(jié)合原位和室內(nèi)原狀樣兩種試驗結(jié)果對剪切帶破壞過程進(jìn)行分析：室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗中，試件內(nèi)不包含劈理帶中裂隙，泥化帶本身不發(fā)生較明顯滲透作用，但泥化帶與上下巖層結(jié)合處滲透作用明顯，導(dǎo)致泥化帶在水壓力作用下整體擠出，發(fā)生集中滲透破壞；原位滲透變形試驗包含整個剪切帶，其中劈理帶內(nèi)因裂隙存在滲透作用而更加明顯，泥化帶壓縮性高，結(jié)構(gòu)較為密實，滲透作用不明顯，同時泥化帶抗剪強(qiáng)度較低，滲透破壞程度較高。 分析試驗環(huán)境的影響，雖兩種試驗結(jié)果相差較大，但泥化帶部分破壞過程、破壞結(jié)果一致。 因此，壩址區(qū)剪切帶滲透作用主要由劈理帶中裂隙控制，但泥化帶部分滲透破壞程度遠(yuǎn)大于劈理帶部分的。

綜上，剪切帶滲透變形特點如下：剪切帶滲透特性主要由劈理帶中裂隙控制，但劈理帶部分滲透變形較小，對結(jié)構(gòu)影響不大；泥化帶部位整體滲透作用不明顯，泥化帶與上下巖層連接處易形成透水通道，由于泥化帶抗剪強(qiáng)度較低，在水壓力作用下會發(fā)生整體擠出破壞，因此破壞開始于下游面，并逐漸向上游擴(kuò)展。

收集了以往工程中針對軟弱夾層的原位滲透變形試驗成果，與本次研究成果進(jìn)行比較（見表5），發(fā)現(xiàn)雖針對的軟弱夾層性質(zhì)不同，采用的試驗方式也有所差別，但試驗得出的滲透參數(shù)較為接近。

表5 不同工程原位滲透變形試驗成果與古賢壩址區(qū)剪切帶原位滲透變形試驗成果比較

6 結(jié) 論

針對古賢水利樞紐工程壩址區(qū)剪切帶情況，采用原位滲透變形試驗和室內(nèi)原狀樣滲透變形試驗兩種試驗方式對剪切帶滲透特性以及滲透破壞規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，得到如下結(jié)論。

（1）根據(jù)試驗現(xiàn)象和試驗所得i—v關(guān)系曲線分析得到，剪切帶滲透變形過程存在4 個階段。

（2）泥化帶滲透系數(shù)小、臨界坡降高、破壞程度高，滲透變形從下游逐步向上游發(fā)展，對整體結(jié)構(gòu)影響較大。 劈理帶滲透系數(shù)高于泥化帶的，其滲透作用主要受裂隙分布控制，并非均勻分布，滲透破壞程度較低。

（3）原位滲透變形破壞形式都表現(xiàn)為一定的水力劈裂和軟弱夾層、泥化帶的細(xì)顆粒流失和擠出破壞，綜合判定為集中沖刷破壞。