黃石盤(pán)水庫(kù)壩址區(qū)NJ2軟弱夾層成因分析

楊 鵬，吳曉鵬，胡秋越

（四川水發(fā)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，成都 610097）

紅層是指外觀以紅色系為主的中、新生代砂巖、泥質(zhì)巖沉積地層，在我國(guó)分布面積較廣泛。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)， 僅在四川盆地 （含重慶市） 紅層出露面積達(dá)29.18 萬(wàn)km2。由于紅層沉積年代晚，沉積環(huán)境動(dòng)蕩，多以泥質(zhì)巖為主，膠結(jié)較差，強(qiáng)度低，易風(fēng)化崩解，軟弱夾層發(fā)育；因而對(duì)工程建設(shè)有重大影響。紅層地區(qū)的軟弱夾層通常是控制邊坡穩(wěn)定、 大壩抗滑穩(wěn)定等的關(guān)鍵因素， 因此研究紅層地區(qū)的軟弱夾層對(duì)水利水電工程的建設(shè)具有十分重要的意義。

黃石盤(pán)水庫(kù)壩址區(qū)在前期勘察及后期施工開(kāi)挖中均揭示NJ2 軟弱夾層， 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)NJ2 對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定有決定性影響。 在壩址區(qū)構(gòu)造作用微弱的條件下，NJ2 軟弱夾層最大泥化厚度厚達(dá)7 cm，大于紅層地區(qū)一般軟弱夾層的泥化厚度。 因此正確認(rèn)識(shí)NJ2 軟弱夾層的成因，對(duì)總結(jié)前期勘察成果、采取合理的水工結(jié)構(gòu)措施確保大壩抗滑穩(wěn)定、 深入認(rèn)識(shí)紅層地區(qū)軟弱夾層發(fā)育規(guī)律具有積極意義。

1 NJ2 軟弱夾層概況

1.1 黃石盤(pán)水庫(kù)壩址區(qū)地質(zhì)概況

黃石盤(pán)水庫(kù)位于四川省巴中市恩陽(yáng)區(qū)境內(nèi)， 是一座以城鎮(zhèn)防洪為主，兼發(fā)電的大（2）型水利工程，壩型為混凝土重力壩，壩高43.8 m。壩址區(qū)河床基巖裸露；兩岸坡陡峻，岸坡高度40～45 m；岸坡以上為一級(jí)階地，地形平緩；區(qū)域內(nèi)最低一級(jí)夷平面高于河床約65～70 m。

壩址區(qū)地層為中生代白堊系下統(tǒng)蒼溪組陸源碎屑沉積巖，以青灰色塊狀中～細(xì)粒長(zhǎng)石細(xì)砂巖夾磚紅色粉砂質(zhì)泥巖為主， 局部夾粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖夾層。巖層產(chǎn)狀平緩，傾角2°～4°，為正常層序?？碧浇沂緣渭缂昂哟矎纳现料乱来螢椋旱? 層砂巖，總厚度49～62 m，河床以下砂巖厚度8～17 m；第2 層粉砂質(zhì)泥巖，位于河床第1 層砂巖砂巖以下，厚度23～25 m；第3 層砂巖，厚度8～9 m；第4 層粉砂質(zhì)泥巖，厚度8～9 m；巖層之間為整合接觸，地層無(wú)缺失。

壩址區(qū)砂巖較完整，軟弱夾層不發(fā)育；粉砂質(zhì)泥巖中軟弱夾層較發(fā)育， 沿層面發(fā)育于粉砂質(zhì)泥巖頂面及內(nèi)部。 其中第1 層砂巖與第2 層粉砂質(zhì)泥巖接觸部位發(fā)育編號(hào)為NJ2 的泥型軟弱夾層， 其他不同巖性接觸部位無(wú)軟弱夾層分布。經(jīng)計(jì)算分析，NJ2 對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定有重大影響。

1.2 壩址區(qū)軟弱夾層發(fā)育情況

NJ2 軟弱夾層位于河床以下第1 層砂巖底部與第2 層粉砂質(zhì)泥巖接觸部位，沿巖層層面延伸，河床以下埋深8～17 m；青灰色，成分以高液限黏土為主，呈軟塑狀；取樣對(duì)其進(jìn)行礦物成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該軟弱夾層物性成分以蒙脫石、伊利石為主，其中蒙脫石占62%～71%。

NJ2 軟弱夾層分布面積較廣， 通過(guò)勘探揭示沿河流方向長(zhǎng)度約230～320 m， 垂直河流方向長(zhǎng)度約162～188 m；在平面上以河床中心向兩岸延伸，深入兩側(cè)岸坡坡腳以內(nèi)12～35 m。NJ2 軟弱夾層在不同部位泥化程度不同，具體表現(xiàn)為：在河床中央靠近右岸河水最深的部位，為泥型軟弱夾層；在靠近兩岸坡及深入岸坡以下部位為泥夾巖屑型及巖屑夾泥型。至壩肩以下部位尖滅。NJ2 軟弱夾層發(fā)育位置示意圖如圖1。

圖1 NJ2 軟弱夾層發(fā)育位置示意圖

2 地質(zhì)因素對(duì)軟弱夾層的影響

軟弱夾層作為一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)， 具有獨(dú)特的構(gòu)造特征，同一類地層、不同地質(zhì)環(huán)境，具有各自地質(zhì)特征。針對(duì)NJ2 軟弱夾層的發(fā)育特征，通過(guò)對(duì)構(gòu)造作用、巖體卸荷、地下水等作用的分析，來(lái)確定NJ2軟弱夾層發(fā)育過(guò)程中，各種因素對(duì)其造成的影響。

2.1 構(gòu)造作用

壩址區(qū)位于恩陽(yáng)向斜的北翼， 恩陽(yáng)向斜沿巴中市巴州區(qū)獨(dú)柏～麻石埡～柳林鋪～磨子場(chǎng)一帶延伸，呈弧形展布，向正北方向凸起，延伸長(zhǎng)約60 km，軸向由N50°W 逐漸轉(zhuǎn)為N50°E， 兩翼基本對(duì)稱， 巖層傾角2°～5°。向斜核部位于壩址區(qū)南西方向，距離壩址區(qū)約3km。壩址區(qū)附近5km 范圍內(nèi)無(wú)斷層分布。

壩址區(qū)巖層平緩，傾角2°～4°。第1 層砂巖以中厚層狀為主， 次塊狀結(jié)構(gòu)， 發(fā)育兩組陡傾角構(gòu)造裂隙，平均間距2～4 m；第2 層粉砂質(zhì)泥巖以薄層狀為主，裂隙不發(fā)育。兩壩肩鉆孔揭示第1 層砂巖與第2層粉砂質(zhì)泥巖接觸面膠結(jié)較好， 該部位未發(fā)生泥化現(xiàn)象， 推知NJ2 軟弱夾層在層面上未向兩壩肩以下延伸，且構(gòu)造作用在NJ2 的形成過(guò)程影響甚微。

2.2 巖體卸荷作用

壩址區(qū)所在區(qū)域?yàn)橹猩健蜕角鹆陞^(qū)，兩壩肩為一級(jí)階地，為寬緩的平臺(tái)，一級(jí)階地后緣以上高度約20～30 m，為區(qū)域內(nèi)最低一級(jí)夷平面，該夷平面高于河床65～70 m。 河床較為寬緩， 寬度約110～120 m，為典型的“U”型河谷。河床受侵蝕下降過(guò)程中， 夷平面以下巖體被剝蝕。考慮到壩址區(qū)構(gòu)造應(yīng)力微弱，河床中心部位巖體最大主應(yīng)力為自重應(yīng)力。卸荷最大主應(yīng)力按公式σ1=γh 計(jì)算，砂巖、粉砂質(zhì)泥巖平均重度取24kN/m3；h 為卸荷厚度，取65 m；則σ1= 1.56 MPa。該卸荷應(yīng)力足以引起河床巖層部分回彈。加之砂巖、 粉砂質(zhì)泥巖壓縮回彈模量的差異，會(huì)在砂巖、粉砂質(zhì)泥巖界面處局部形成空腔，為軟弱夾層形成提供空間條件。

2.3 巖性差異

巖性差異對(duì)軟弱夾層的發(fā)育起到一定促進(jìn)作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）巖性強(qiáng)度差異是造成軟弱夾層多發(fā)育于粉砂質(zhì)泥巖與砂巖接觸面及粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部的重要原因。壩址區(qū)第1 層砂巖強(qiáng)度25～41 MPa,第2 層粉砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度4～11 MPa。 砂巖強(qiáng)度遠(yuǎn)大于粉砂質(zhì)泥巖，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，砂巖以其自身的強(qiáng)度抵抗變形，進(jìn)而產(chǎn)生構(gòu)造裂隙，而構(gòu)造裂隙為地下水滲透至泥巖頂面提供通道；粉砂質(zhì)泥巖因?yàn)閺?qiáng)度較低，只能以其變形及破裂來(lái)抵抗構(gòu)造應(yīng)力， 故紅層地區(qū)軟弱夾層多發(fā)育于泥質(zhì)巖與砂巖接觸部位及泥質(zhì)巖內(nèi)部。

（2）通過(guò)對(duì)壩址區(qū)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行礦物成分分析，發(fā)現(xiàn)含水云母鱗片狀泥質(zhì)物80%～85%、石英粉砂4%～8%、 微粒方解石2%～5%， 微粒白云石5%～7%。其中含水云母鱗片狀泥質(zhì)物、方解石、白云石均可與地下水發(fā)生離子交換， 為粉砂質(zhì)泥巖的泥化作用提供物質(zhì)條件。

2.4 地下水作用

地下水對(duì)軟弱夾層的形成起到至關(guān)重要的作用。

（1）地下水含有的各種離子與泥巖礦物質(zhì)發(fā)生交換，形成蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，造成泥巖的軟化，進(jìn)而逐漸泥化。另外，NJ2 軟弱夾層整體呈現(xiàn)出灰綠色， 可能與泥巖當(dāng)中Fe3+被還原成Fe2+有關(guān)，具體的微觀機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

（2）地下水在不同巖性當(dāng)中的滲透速度對(duì)軟弱夾層的形成起到一定作用。 具體解釋為： 砂巖為透水層，粉砂質(zhì)泥巖為不透水層，地下水在砂巖中以垂直下滲為主；至下部泥巖頂面，地下水滲透方向發(fā)生變化，開(kāi)始沿粉砂質(zhì)泥頂面流動(dòng)。因地下水改變方向引起的滲透力在此處形成應(yīng)力集中，在長(zhǎng)期作用下，會(huì)加速接觸面泥巖的泥化。

（3）地下水與河水的補(bǔ)給關(guān)系變化，造成軟弱夾層局部的差異。在汛期，地下水補(bǔ)給河水，NJ2 夾層始終位于地下水位以下， 地下水中的離子與軟弱夾層中的離子發(fā)生交換。在枯水期，河水補(bǔ)給地下水，而軟弱夾層位于地下水位以上， 河水補(bǔ)給范圍內(nèi)的軟弱夾層繼續(xù)發(fā)展， 該部分主要集中于河床中央部位；而靠近兩岸的部位，軟弱夾層在地下水位以上，也無(wú)法接受河水補(bǔ)給，因此，軟弱夾層發(fā)展緩慢。這也是NJ2 軟弱夾層在河床中央部位以泥型為主，而在靠近兩岸坡的部位以泥夾巖屑型為主的原因。而兩壩肩以下常年有地下水，處于地下水飽水帶以內(nèi)，沒(méi)有地下水的流動(dòng)，難以發(fā)生離子交換，故軟弱夾層未向該區(qū)域繼續(xù)延伸。

3 周期效應(yīng)對(duì)軟弱夾層的影響

經(jīng)歷以上地質(zhì)因素對(duì)粉砂質(zhì)泥巖的泥化作用，泥化作用仍十分微弱， 考慮到漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期當(dāng)中的汛期枯水期交替、 水流變化引起的滲透力在界面上的應(yīng)力集中，以及上覆巖體的不斷侵蝕剝落，進(jìn)一步加劇粉砂質(zhì)泥巖不可逆的泥化破壞， 因此泥化程度越來(lái)越高，導(dǎo)致軟弱夾層中蒙脫石、伊利石等黏土礦物的增多及軟化夾層厚度的增大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)NJ2 軟弱夾層的研究分析表明： 構(gòu)造作用對(duì)NJ2 軟弱夾層的形成產(chǎn)生的影響較為微弱；巖體卸荷作用為NJ2 軟弱夾層的形成提供空間條件；巖性差異導(dǎo)致NJ2 軟弱夾層發(fā)育于泥巖頂部， 且泥巖成分為軟弱夾層的發(fā)育提供物質(zhì)條件； 地下水對(duì)軟弱夾層的發(fā)育起到?jīng)Q定性影響。 地下水中的離子與泥巖發(fā)生離子交換，導(dǎo)致黏土礦物出現(xiàn)；在砂巖、粉砂質(zhì)泥巖接觸部位水流方向改變產(chǎn)生微小的滲透力改變，導(dǎo)致泥巖加速泥化；地下水與河水在汛期、枯期的補(bǔ)給關(guān)系變化造成同一軟弱夾層不同部位的泥化程度不同；周期效應(yīng)加劇泥巖泥化，影響軟弱夾層的厚度。