渭北砂泥巖地區(qū)壩基開挖松弛與透水率變化研究

李 鵬，張 科，羅志剛，李少平

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065；2.陜西省水資源與河庫調(diào)度中心,陜西西安 710004）

0 前言

我國的水利水電工程中,鉆孔壓水試驗(yàn)是常規(guī)勘察要求,用單位吸水量來表征巖體的滲透性[1],勘察過程中常采用三級壓力五段壓水的試驗(yàn)方法[2],而施工階段灌漿試驗(yàn)多采用單點(diǎn)法壓水[3]。對于砂泥巖地基,由于其基本呈水平狀連續(xù)分布,層面及砂巖裂隙面通常為滲漏面,受巖石自身物理力學(xué)性質(zhì)控制,砂巖易破碎而泥巖易產(chǎn)生塑性變形,裂隙發(fā)育可能有較大差異[4]；同時,研究一致認(rèn)為滲透性隨埋深的增大而減小,巖體中裂隙的發(fā)育和張開程度以及埋深之間存在對應(yīng)關(guān)系[5-6]。已有研究以滲透系數(shù)的垂直變化規(guī)律來表征原始地層裂隙巖體的滲透結(jié)構(gòu)[7-8]。此外,有學(xué)者對鉆孔壓水試驗(yàn)壓力取值進(jìn)行了探討[9]。

陜北及渭北地區(qū)分布有大量的砂泥巖互層地層,表層開挖易發(fā)生松弛卸荷?，F(xiàn)有研究多以原始地貌為研究對象,基礎(chǔ)開挖引起卸荷松弛厚度及其對透水率的影響、松弛卸荷情況下壓水壓力的選擇等鮮見報道。

1 研究區(qū)概況

工程區(qū)位于陜西省旬邑縣境內(nèi),壩型為均質(zhì)土壩,正常蓄水位1093.2 m時,壩高43.7 m,壩頂高程1098 m。正常蓄水位以下庫容215萬m3,調(diào)節(jié)庫容180萬m3,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）,工程等別為Ⅳ等?。?）型,主要建筑物級別為4級,次要建筑物級別為5級。

壩址區(qū)主要地層為侏羅系中統(tǒng)（J2）、白堊系下統(tǒng)（K1）和第四系（Q）。其中壩區(qū)上部主要為中更新統(tǒng)（Q2）黃土狀土,上更新統(tǒng)（Q3）黃土,全新統(tǒng)（Q4）沖洪積砂卵礫石、坡積黃土等。下部基巖主要為白堊系下統(tǒng)砂巖、泥巖和侏羅系中統(tǒng)砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁巖,巖層產(chǎn)狀近水平,軟硬相間,壩址區(qū)巖體中未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造,河床兩岸岸坡基本為第四系所覆蓋,僅河槽右邊岸坡腳部位有侏羅系、白堊系近水平巖層出露,巖層傾角2°～4°,向NNW緩傾,構(gòu)造裂隙不發(fā)育。

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查可知,左岸卸荷帶水平深度0.8 m～1.2 m,右岸卸荷帶水平深度0.6 m～1.1 m,兩岸卸荷帶均不明顯,未見較大規(guī)模的拉裂、架空現(xiàn)象,巖體完整性較好,屬弱卸荷。全左岸及河床均發(fā)育有全、強(qiáng)風(fēng)化巖體,垂直厚度一般為2 m～7 m、3 m～5 m,右岸低高程邊岸發(fā)育全強(qiáng)風(fēng)化。其中泥巖相對隔水,砂泥巖互層層面及砂巖中的裂隙為滲水通道,研究區(qū)地層分布見圖1。

圖1 研究區(qū)地層分布示意圖

2 壩基巖體滲透特性分析

地下水主要賦存于巖體的裂隙帶中,從鉆孔資料看,裂隙中地下水不豐富,潛水面埋藏較深,坡度均較緩。在兩岸壩肩地下水埋深分別約為：左岸21 m～45 m；右岸11 m～33 m?；鶐r裂隙水受大氣降水及遠(yuǎn)山地下水補(bǔ)給,排泄于螞蟻溝。

為查明壩區(qū)巖體滲透特性,評價壩基滲漏問題,在河床及兩岸7個鉆孔內(nèi)實(shí)施壓水試驗(yàn)35段,壓水試驗(yàn)位置見圖2,壓水試驗(yàn)成果見表1。根據(jù)ZK01、ZK02、ZK04、ZK06、ZK08、 ZK09 、ZK10等7眼鉆孔35段壓水試驗(yàn)資料,結(jié)合壩址區(qū)勘探揭示分析：壩址主要為砂巖、礫巖、泥巖,巖體較完整,透水性較弱。鉆孔巖心多呈長柱狀,最長可達(dá)0.7 m,弱風(fēng)化及微新巖體的 RQD大于80%。原河床2個鉆孔（ZK01、ZK08）內(nèi)實(shí)施壓水試驗(yàn)7段,透水率0.52 Lu～3.32 Lu；原兩側(cè)岸坡5個鉆孔（ZK02、ZK04、ZK06、ZK09、ZK10）內(nèi)實(shí)施壓水試驗(yàn)28段,透水率0.59 Lu～4.38 Lu。

表1 地質(zhì)勘察壓水試驗(yàn)成果表

強(qiáng)風(fēng)化范圍內(nèi)由于卸荷、裂隙均較發(fā)育,壓水過程透水率較大,基本不起壓。弱～微風(fēng)化范圍透水率均小于5 Lu,分布規(guī)律上河床高程以下多為砂泥巖互層,泥巖相對隔水,且具有阻隔砂巖裂隙連續(xù)性的作用,故各孔內(nèi)河床高程以下巖體透水率相對更低（多小于2 Lu）。

3 施工開挖后灌漿試驗(yàn)壓水

施工開挖將頂部第四系堆積及強(qiáng)風(fēng)化巖體開挖約6 m～10 m至建基面后,上覆1 m混凝土蓋重,施工單位現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)前進(jìn)行了壓水試驗(yàn),為確保灌漿質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果更可靠,決定在松動巖體及其以上采用三級壓力五段壓水試驗(yàn)法對幕體質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)?；静襟E:

（1）檢查壓力表、流量表是否靈敏,是否符合精度要求,供水是否穩(wěn)定。

（2）按有關(guān)規(guī)程要求,將試驗(yàn)段鉆孔升壓沖洗干凈,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況選擇最大壓力值。

（3）將橡膠塞下至孔內(nèi)指定部位栓好后,逐級增壓,并開始進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

（4）開啟供水閥門,依次進(jìn)行五段壓水試驗(yàn)階段的試驗(yàn)。

（5）繪出壓力、流量的變化曲線圖,從而判定試驗(yàn)的正誤,推定巖體的滲透性。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知,壓水試驗(yàn)整體上數(shù)值較勘察階段略大；深度上,0～5 m范圍內(nèi),透水率較大,5 m～10 m范圍在0.5 MPa以下壓力力作用下多數(shù)小于5 Lu,加壓或者持續(xù)時間較長時,透水率值顯著增加；15 m以下透水率小于5 Lu。

考慮到施工開挖卸載影響,按照現(xiàn)狀地面自然壓力且不考慮卸荷的情況下,在WMB32號灌漿孔進(jìn)行了五點(diǎn)法分段壓水試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 現(xiàn)場壓水試驗(yàn)深度、壓力及透水率關(guān)系

（1）地面以下0～5 m范圍,壓水過程不起壓,且在邊坡上有出水點(diǎn),附近鉆孔有連通現(xiàn)象,表明0～5 m范圍內(nèi)卸荷嚴(yán)重,且裂隙連通性較好,壓水試驗(yàn)水量基本沿裂隙面排至臨空面及下游。

（2）各深度范圍內(nèi)隨壓力增大,透水率呈“先增大、后減小趨勢”,表明壓水過程中水壓對層面裂隙等巖體透水通道具有壓密作用,且隨著深度增大透水率變化幅度減小,上述壓密作用主要為松弛、卸荷裂隙的壓密,隨深度增大松弛、卸荷裂隙逐漸減少,壓密作用不再明顯。

（3）試驗(yàn)過程中地面下5 m～10 m段,曾出現(xiàn)抬動現(xiàn)象,并導(dǎo)致上覆蓋重混凝土面板開裂,表明在較大壓力（＞0.5 MPa）時,表層巖體會出現(xiàn)巖體抬動。

（4）從壓水試驗(yàn)透水率變化幅度判斷,工程區(qū)砂泥巖層開挖松弛影響范圍在5 m～10 m范圍內(nèi),與上部原覆蓋蓋重6 m～10 m相關(guān)性較好。

4 結(jié)論

（1）渭北地區(qū)砂泥巖地層中砂泥巖層面及砂巖裂隙為主要透水地層,施工開挖過程表層巖體清除后,會引起基礎(chǔ)巖體卸荷回彈和松弛,松弛范圍大致與上覆蓋重相當(dāng)。

（2）巖體松弛可導(dǎo)致在較高壓力持續(xù)時間較長時透水率增加以及地面抬動,可根據(jù)透水率的變化初步判別松弛深度。

（3）當(dāng)試段位置較淺（小于15 m）時,采用最大試段壓力為1 MPa進(jìn)行試驗(yàn),可能會導(dǎo)致巖體抬動,故宜適當(dāng)降低試驗(yàn)壓力。

（4）在壩高不大水頭有限的砂泥巖地區(qū),可適當(dāng)降低灌漿壓力,尤其在淺部（10 m以內(nèi)）應(yīng)該以不破壞巖土體結(jié)構(gòu),產(chǎn)生抬動為標(biāo)準(zhǔn)。