固軍水庫軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征研究

王玉秦,浮紅山,李葉

(1.四川水發(fā)勘測設(shè)計研究有限公司,成都,610200)(2.四川省水利規(guī)劃研究院,成都,610072)

1 工程概況

固軍水庫位于達州萬源市固軍鎮(zhèn),是在州河支流——中河中游河段興建的一座以城鎮(zhèn)防洪為主,兼發(fā)電的大(2)型水利工程。壩址位于中河固軍鎮(zhèn)固軍大橋上游約130m處,距萬源市城區(qū)約65km,推薦壩型為重力壩,主要水工建筑物由堆石混凝土重力壩、泄洪表孔、泄洪底孔、左岸發(fā)電引水壓力管道、壩后電站廠房、過魚設(shè)施等組成。工程設(shè)計正常蓄水位494m,水庫回水長度12.74km,總庫容1.27億m3,最大壩高77.4m,裝機11.6MW。

2 工程地質(zhì)環(huán)境

2.1 地形地貌

壩址區(qū)河道順直,屬于構(gòu)造剝蝕型低山～中低山地貌,河床高程430.5m～434.9m,河床比降約1‰,枯期河面寬度40m～54m,正常蓄水位494m時河谷寬約183m。河谷兩岸為斜坡、陡崖地形,屬不對稱的“V”形橫向河谷,左岸為陡崖,右岸相對較緩。

2.2 地質(zhì)巖性

壩址區(qū)基巖為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj),須家河組以巖屑砂巖、頁巖為主,夾泥質(zhì)砂巖透鏡體和薄煤層,層間錯動發(fā)育,巖體破碎,根據(jù)巖性特征及其組合共分為5個工區(qū)層,①和④層以頁巖為主;②層為巖屑砂巖與含煤砂巖互層,含煤砂巖分布不穩(wěn)定,連續(xù)性和厚度變化大,巖體破碎;③層為巖屑砂巖,巖體較完整;⑤層為巖屑砂巖層夾透鏡狀的泥質(zhì)砂巖。壩址區(qū)河段為橫向谷,各工區(qū)巖層在河床及兩壩肩均有出露。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于四川盆地東北部大巴山及其南麓,在大地構(gòu)造單元上位于揚子陸塊(YZB)北部邊緣地帶,北臨秦嶺造山帶,東臨大巴山前陸逆沖楔,形成了一系列弧頂向南的推覆構(gòu)造帶,近場區(qū)發(fā)育的主要斷裂有萬源-紅池壩斷裂和九盤石-巫溪斷裂,場址區(qū)共計發(fā)育有18條斷層。

3 軟弱結(jié)構(gòu)面物性特征

3.1 軟弱結(jié)構(gòu)面成因分類

軟弱結(jié)構(gòu)面為巖體中力學(xué)強度明顯低于圍巖,并對巖體穩(wěn)定起控制作用的結(jié)構(gòu)面。軟弱結(jié)構(gòu)面按成因分為原生軟弱結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造軟弱結(jié)構(gòu)面和次生軟弱結(jié)構(gòu)面3種類型。原生軟弱結(jié)構(gòu)面是在成巖過程中形成,如層面等;構(gòu)造軟弱結(jié)構(gòu)面是在構(gòu)造運動過程中形成,如斷層;次生軟弱結(jié)構(gòu)是在物理風(fēng)化等作用下形成,如風(fēng)化節(jié)理等。

就固軍水庫來說,原生軟弱結(jié)構(gòu)面就是在沉積成巖過程中形成的薄煤層(M),煤層沿層面沉積發(fā)育,具有相對穩(wěn)定的連續(xù)性和延伸性,如河床壩基段出露M①-21、M②-8、M②-7、M②-2和M②-4,厚度0.05m～0.48m,上述原生型軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基的穩(wěn)定和變形均有影響。

構(gòu)造型軟弱結(jié)構(gòu)面除斷層外主要為層間錯動破碎帶,其力學(xué)特性主要取決于結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及性狀,按其形狀分為4種類型:分別為巖塊巖屑型(Rk)、巖屑夾泥型(Rx)、泥夾巖屑型(Rn)和泥型(N)四類[1]。通過對固軍水庫壩址區(qū)162條軟弱結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計,各類別軟弱結(jié)構(gòu)面分類情況見圖1。

圖1 軟弱結(jié)構(gòu)面類型統(tǒng)計

3.2 軟弱結(jié)構(gòu)面性狀特征

(1)煤層(M):由成煤作用形成,厚度較大時在中間部位顆粒明顯以細粒為主,含水量偏高,往兩側(cè)顆粒逐漸變大,煤的純度明顯降低,黏粒(<0.005mm)含量分布離散性極大。

(2)巖塊巖屑型(Rk):由碎塊、碎屑組成,局部夾泥化物,粗顆粒多于黏粒,黏粒(<0.005mm)極少量或者無。

(3)巖屑夾泥型(Rx):由碎塊、碎屑及少量泥質(zhì)物呈混雜狀,夾泥不連續(xù),粗顆粒多于黏粒,黏粒(<0.005mm)<10%[1]。

(4)泥夾巖屑型(Rn):主要由碎屑及粉粒組成,含有一定泥質(zhì)物和角礫,10%<黏粒(<0.005mm)<30%[1]。

(5)泥型(N):有連續(xù)夾泥帶,角礫很少,黏粒含量大于粗顆粒,黏粒(<0.005mm)>30%[1]。

其中,對于分布穩(wěn)定,延伸長度大,貫通整個水工建筑物地基范圍內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面,單獨命名編號(C),其結(jié)構(gòu)面物質(zhì)成分隨分布部位的不同差異較大,同一結(jié)構(gòu)面分布有巖屑、泥質(zhì)薄層、巖塊和煤層煤線幾種結(jié)構(gòu)面物質(zhì)中的兩種或兩種以上。

3.3 軟弱結(jié)構(gòu)面顆分特征

按照軟弱結(jié)構(gòu)面在壩址區(qū)的類別、性狀和分布部位,共計取樣42組進行了室內(nèi)物性試驗,黏粒含量作為控制軟弱結(jié)構(gòu)面的主要因素[2],各類別軟弱結(jié)構(gòu)面黏粒含量統(tǒng)計見圖2。

圖2 軟弱結(jié)構(gòu)面黏粒含量統(tǒng)計

其中,煤層角礫含量60.4%,砂粒含量17.7%,黏粒含量3.0%;巖塊巖屑中角礫含量78.8%,砂粒含量13.7%,黏粒含量1.5%;巖屑夾泥中角礫含量69.2%,砂粒含量11.3%,黏粒含量5.2%;泥夾巖屑中角礫含量45.0%,砂粒含量17.9%,黏粒含量15.7%。各型軟弱夾層按性狀由好到差角礫含量依次減小,黏粒含量依次增加,與規(guī)范界定的黏粒百分含量比較吻合;煤層的性狀依據(jù)其物質(zhì)組成接近于巖屑夾泥。

4 軟弱結(jié)構(gòu)分布特征

根據(jù)成因分類、性狀特征和顆分特征,對固軍水庫壩址區(qū)軟弱結(jié)構(gòu)面分布特征進行了分析和研究,以壩址區(qū)河床段順河向剖面為例(見圖3),分布特征如下:

圖3 河床段順河向剖面

(1)軟弱結(jié)構(gòu)面在壩基范圍內(nèi)發(fā)育密度達條/5m,且隨埋置深度、卸荷深度和風(fēng)化條件沒有明顯變化,應(yīng)以原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為主。

(2)壩基范圍內(nèi)4種類型軟弱結(jié)構(gòu)面均有發(fā)育,以巖塊巖屑型和巖屑夾泥型為主,合計占比約占一半。特別是泥型結(jié)構(gòu)面僅占5%,延伸性和穩(wěn)定性較差,應(yīng)與其以次生構(gòu)造形成密切相關(guān)。

(3)煤層作為單列軟弱結(jié)構(gòu)面分類,主要因其對壩體抗滑穩(wěn)定具有與軟弱結(jié)構(gòu)面等同作用,且其成因無法歸于上述軟弱結(jié)構(gòu)面成因之中。

(4)根據(jù)煤層顆分成果分析,煤層顆分成分與巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面顆分成果接近,其抗剪指標應(yīng)與巖屑夾泥接近。

(5)各型軟弱結(jié)構(gòu)面雖然發(fā)育,但發(fā)育的穩(wěn)定性較差,多以短小結(jié)構(gòu)面為主,占比達95%以上,僅有約5%的結(jié)構(gòu)面為分布穩(wěn)定的長大結(jié)構(gòu)面。

(6)對于分布穩(wěn)定的長大結(jié)構(gòu)面,其物質(zhì)成分隨分布部位的不同具有明顯的差異性,同一長大結(jié)構(gòu)面由多種類型結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成。

(7)對于長大結(jié)構(gòu)面,以結(jié)構(gòu)面類型為依據(jù),采用加權(quán)法計算長大結(jié)構(gòu)面的力學(xué)指標,以期更切合實際。

5 結(jié)語

通過對固軍水庫壩址區(qū)軟弱結(jié)構(gòu)面成因分類、性狀特征和顆分特征的分析,在傳統(tǒng)的水利水電四大軟弱結(jié)構(gòu)面分類的基礎(chǔ)上,提出了長大結(jié)構(gòu)面的概念。明確長大結(jié)構(gòu)面上的物質(zhì)成分隨其空間分布位置的不同而具有明顯的差異性[3],進而采用加權(quán)法提出結(jié)構(gòu)面擬合力學(xué)指標,為設(shè)計計算壩基抗滑穩(wěn)定分析提供了合理的邊界條件。此次創(chuàng)新性地對軟弱結(jié)構(gòu)面進行分級和加權(quán)擬合力學(xué)指標,對今后在軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育地區(qū)分析水工建筑物的抗滑穩(wěn)定性具有一定的參考作用。