那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評價(jià)

1、?測量與地質(zhì)？那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評價(jià)黃國展（廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院南寧 530023文摘通過大量的勘探和試驗(yàn)工作，分析那吉水利樞紐壩基第三系軟巖的 工程地質(zhì)特性，并參照國內(nèi)外類似工程的經(jīng)驗(yàn)，對軟巖地基進(jìn)行評價(jià)，最后提出初步處 理措施。關(guān)鍵詞那吉水利樞紐壩基軟巖工程地質(zhì)特性脹縮性評價(jià)分類號P642引言那吉水利樞紐位于郁江上游的右江河段，百色市下游38km的那吉村傍，是以航 運(yùn)和發(fā)電為主、，是百色水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫，主要建筑物有船閘、溢流壩和廠房等。主壩設(shè) 計(jì)壩高34m,設(shè)計(jì)正常蓄水位114m,相應(yīng)庫容為2.11億m3,電站總裝機(jī)容量51MW, 通航噸位為2X500to大

2、壩基礎(chǔ)為新第三系紅層，巖性主要為泥巖、含粉砂泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、疏松 粉細(xì)砂巖、生物碎屑巖、煤系（含炭頁巖或薄煤層等，在水利水電建設(shè)中將第三系紅 層列為軟巖之一，常具有一些特殊的工程地質(zhì)問題，如:承載力低、抗滑穩(wěn)定性差、抗 沖刷能力低等。為此，必須對該軟巖的工程地質(zhì)特性進(jìn)行評價(jià)。1軟巖的物理力學(xué)指標(biāo)分析1.1巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)為了了解軟巖的礦物成份和結(jié)構(gòu)，分別對含粉砂泥巖、疏松粉細(xì)砂巖、生物碎 屑巖和煤系進(jìn)行巖礦鑒定，其巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)詳見表1表1巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)表巖石名稱主要礦物成份及含量次要礦物成份結(jié)構(gòu)構(gòu)造膠結(jié)物及膠結(jié)方式含粉砂泥巖絹云母28%83%或高嶺石50%,石英 15%20%綠泥

3、石、金紅石、鋯石、電氣石、泥質(zhì)、鐵質(zhì)等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造疏松粉細(xì)砂巖石英94%96%絹云母、白云母、電氣石、鋯石、金紅石、鐵質(zhì)、泥質(zhì)、綠泥石、高嶺石及碳酸巖礦物等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)砂質(zhì)及粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造膠結(jié)物主要為絹云母及少量細(xì)粒石英，為孔隙一接觸式膠結(jié)生物碎屑巖菱鐵礦58%,方解石20%,高嶺石18%絹云母、鐵質(zhì)、泥質(zhì)顯微粒結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造生物碎屑主要為螺殼，由方解石組成煤系石英74%,絹云母24%炭質(zhì)、泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鋯石、電氣石、綠泥石、斜長石、金紅石等顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)頁狀構(gòu)造1.2物理力學(xué)指標(biāo)分析室內(nèi)巖石試驗(yàn)總共做了 30組。巖石狀況均為弱風(fēng)化，其試驗(yàn)成果整

4、理匯總于表2。小試件（小口徑巖芯樣力學(xué)強(qiáng)度的試驗(yàn)受巖石失水干裂和軟化的影響，成果的代表性較差。相對來說中型試件的試驗(yàn)成果可信度較高。為了驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)成果的可 信度，進(jìn)行了野外大型抗剪試驗(yàn)和野外原位變形試驗(yàn)。野外大型抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)巖 性為含粉砂泥巖，86表2室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表名稱容重干濕/g? cm-3干濕比重飽和吸水率/%單軸抗壓強(qiáng)度/MPa干濕軟化系數(shù)抗剪強(qiáng)度f c/MPa變形模量MPa剪切含粉砂泥巖 1.90 2.2117.1 4.88 1.410.1700.540.38560.8疏松粉細(xì)砂巖2.12 2.22 5.623.724.010.2410.890.971991.

5、5泥 巖 1.87 2.1615.820.940.4750.405中型剪泥 巖 2.09 2.26 2.7125.7928.07 6.740.280.02泥質(zhì)粉砂巖 2.23 2.35 2.7155.4121.070.3粉砂巖 2.23 2.42 2.707.0377.0227.440.360.970.87硬砂巖 2.54 2.56 2.71 1.72126.367.70.54土工剪巖體狀態(tài)為弱風(fēng)化。試驗(yàn)成果列于表 3。試件的剪切破壞面，混凝土 /巖石的5 個(gè)點(diǎn)全在混凝土與巖石的接觸面上，巖石/巖石的僅有1個(gè)點(diǎn)的剪斷面是平直的，其余 4個(gè)點(diǎn)均為凹凸不平的。從兩組試件的破壞面看，混凝土 /巖石的

6、接觸面將是今后壩 基抗滑穩(wěn)定的控制面。野外原位變形試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)巖性為含粉砂泥巖，巖體狀態(tài)為弱 風(fēng)化，縱波速度為1800 m/so試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)共分5級,最大應(yīng)力為0.6 MPa但在試驗(yàn) 過程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力為0.12MPa時(shí),變形模量高，當(dāng)應(yīng)力增加到0.24MPa,0.36MPa時(shí)，變形 模量出現(xiàn)逐級降低，而且有一試點(diǎn)當(dāng)應(yīng)力增加到 0.36MPa時(shí)，變形量達(dá)到9.94mm還 難以穩(wěn)定，有超巖體極限荷載之勢，根據(jù)上述情況，將預(yù)定的4級應(yīng)力改為3級應(yīng)力，即 刪去0.36MPa級以上的試驗(yàn)。成果整理列于表 4。從表4中明顯看出含粉砂泥巖的 變形模量很小。含粉砂泥巖脹縮性試驗(yàn)，據(jù)桂林工學(xué)院采用專家系統(tǒng)進(jìn)行膨脹

7、土判 別的方法，即根據(jù)化學(xué)成份、礦物成份、野外表象、物理力學(xué)指標(biāo)、地質(zhì)成因及形成 環(huán)境等進(jìn)行綜合判定，結(jié)論為 那吉水利樞紐壩址泥巖為I類膨脹，其脹縮性中等”。 從單項(xiàng)指標(biāo)分析我們認(rèn)為，那吉壩址泥巖的脹縮性定為弱 一中等較為適宜。另用巖 塊干燥飽和吸水率來反映泥巖的脹縮特性，巖塊干燥飽和吸水率大于等于 20%時(shí)為 膨脹性泥巖，而壩基泥巖的巖塊干燥飽和吸水率為37.64%。因此，泥巖具有膨脹性。表3現(xiàn)場巖體抗剪（斷試驗(yàn)成果匯總表試驗(yàn)內(nèi)容各剪切抗剪斷抗剪f' c' /MPa f c/MPa試驗(yàn)條件平均含水量/%混凝土與含粉砂泥巖峰值 0.50.200.490.08殘余值 0.450.

8、160.430.10右岸露天平臺12.4含粉砂泥巖與含粉砂泥巖峰 值 0.480.0050.430.005殘余值 0.480.0050.430.005浸泡水10天后14.4表4現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn)（剛性承壓板成果匯總表 巖體名稱試驗(yàn)條件應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力/MPa全變形/ ym彈性變形/ ym塑性變形/ ymk1k2變形模量/MPa彈性模量/MPa塑性模量/MPa含粉砂泥巖飽和10天以上10.12420200220485294.0198.2179.620.2417107001010415946.3113.178.330.36521010003410356522.866.034.6含粉砂泥巖飽和10天以上1

9、0.12630290340465462.8136.5116.420.2422008801320406036.090.059.930.3645006403860148622.0154.625.6含粉砂泥巖飽和10天以上10.1217506501100376322.661.036.020.24402012102810307019.765.428.230.36994025907350267412.045.916.11.3巖體縱波（V p測試通過對45個(gè)鉆孔的聲波測試成果進(jìn)行分析研究，泥巖類巖體縱波速度在 1500m/s3000m/s砂巖類巖體縱波速度在1500m/s3700m/s間變化。巖體風(fēng)化程度

10、 與巖體縱波速度之間的關(guān)系如表5。表5巖體風(fēng)化程度與巖體縱波速度關(guān)系表m/s巖性新鮮微風(fēng)化弱風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化全風(fēng)化泥巖類巖體30003000240024001800180016001600砂巖類巖體3500350028002800200020001700<17002工程地質(zhì)特性評價(jià)2.1工程地質(zhì)特性(1第三系軟巖為內(nèi)陸沖積相 一湖相堆積，為含煤的砂泥巖系。巖性隨地區(qū)不 同而變化，其工程地質(zhì)條件也各異，其中砂質(zhì)泥巖和泥巖是工程研究的重點(diǎn)。(2泥巖濕化后易崩解。泥巖在空間暴露后極易失水干裂，浸水易軟化、崩解，具快速風(fēng)化特性。鉆孔巖芯取出不超過10分鐘就開始出現(xiàn)裂紋，隨后裂紋增多延展,幾小時(shí)后巖芯就

11、會干裂呈餅狀。用成巖膠結(jié)系數(shù)(巖石結(jié)構(gòu)的粉末材料干燥飽和吸 水率與不規(guī)則巖塊的干燥飽和吸水率之比來反映泥巖的濕化崩解特性，巖塊干燥飽和吸水率為37.64%粉末干燥飽和吸水率為43.84%膠結(jié)系數(shù)為1.16,泥巖的破壞性 狀為泥狀。(3泥巖的脹縮特性。壩址泥巖為含伊利石、高嶺石及綠泥石為主的膨脹性泥 巖,其脹縮性為弱一中等，且泥巖具有膨脹性，當(dāng)其膨脹壓力大于建筑物荷載時(shí)，將會影 響建筑物安全。(4泥巖的滲透性一般比較低，當(dāng)其裂隙不發(fā)育時(shí)，其透水率q<1Lu,屬微透水 層。但由于泥巖具有膨脹性，特別是在無約束情況下，或其膨脹壓力大于建筑物荷載 時(shí),巖石膨脹開裂，特別是失水干裂后水流將從裂縫中

12、帶走軟化后的細(xì)顆粒，形成滲透 通道并可能引起滲透變形。(5軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度比較低，并與其含水狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)巖石浸水飽和后，其抗 壓強(qiáng)度明顯降低。泥巖一般的單軸干抗壓強(qiáng)度為0.33MPa9. 36MPa之間。由于巖石的抗壓強(qiáng)度低，特別是濕化后其強(qiáng)度明顯降低，可能會造成其承載力不能滿足建筑 物的要求等。(6軟巖的抗剪強(qiáng)度低，特別是存在有層間剪切帶或軟弱夾層時(shí)，將會控制建筑 物的抗滑穩(wěn)定性。壩基雖然未發(fā)現(xiàn)有泥化夾層之類的特軟層帶，但是存在間夾于層 間的生物碎屑層、煤線或炭質(zhì)頁巖等相對軟弱層。(7軟巖生成時(shí)代新，成巖作用差,波速低、變模小、流變特性明顯。2.2力學(xué)參數(shù)建議值根據(jù)國內(nèi)外資料(見表6以及利

13、用工程類比法得出軟巖的力學(xué)參數(shù)建議值 (見表 7。表6國內(nèi)外軟巖力學(xué)參數(shù)建議值壩名壩基巖層時(shí) 代壩型壩咼/mc/MPa© / °無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa日本龜山壩上新世重力壩 34.50.350.803614日本高龍壩更新世重力壩24.50.2632 1.7日本鯖石川壩更新世重力壩37.00.340.452937 2.55.7日本正善寺川壩中新世晚期重力壩47.00.350.635 3.74.3中國甘肅省尼那水電站上新世重力壩45.50.450.500.050.10.8中國湖北省王甫洲水電站古新世重力壩33.90.350.400.150.20.3表7那吉水利樞紐的力學(xué)參數(shù)建議

14、值巖石類別風(fēng)化程度飽和抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa變形模量/MPa抗剪強(qiáng)度c/MPa f允許承載力/MPa泥 巖弱風(fēng)化0.7800.32層面0.34（巖體0.300.35含粉砂泥巖弱風(fēng)化1.03110.330.200.34層面0.36（巖體0.350.40疏松細(xì)砂巖弱風(fēng)化 1.21.400.500.550.50.6煤系、炭質(zhì)頁巖 00.250.3007黃國展那吉水利樞紐壩基第三系軟巖工程地質(zhì)特性評價(jià)2.3工程地質(zhì)評價(jià)(1軟巖地基：壩址第三系那讀組屬內(nèi)陸盆地邊緣河湖相沉積，由于其古地理沉 積環(huán)境的不穩(wěn)定，巖相巖性變化大。在諸多巖層中，對壩基起控制作用的是疏松粉細(xì) 砂巖、含粉砂泥巖和泥巖。這些

15、巖體成巖作用差、波速低，巖性軟弱，且不均一，屬極軟巖類。巖石的孔隙率較大，高達(dá)24%37%,天然容重與干容重的差值亦較大，力學(xué) 強(qiáng)度低；泥巖類巖石粘粒含量較高，其脹縮性為弱一中等。天然狀態(tài)下泥巖濕抗壓強(qiáng) 度為0.49MPa1.39MPa巖體縱波速度為1500m/s3000m/s含粉砂巖濕抗壓強(qiáng)度為 1.38MPa1.43MPa變形模量為 22.4MPa63.1MPa巖體縱波速度為 1500m/s3 OOOm/s;疏松粉細(xì)砂巖濕抗壓強(qiáng)度為0.92MPa 7.1MPa巖體縱波速度為 1500m/s3700m/s因此,各類巖石作為混凝土建筑物的地基，其強(qiáng)度低,且泥巖類巖 石具有一定的脹縮性，需采取結(jié)

16、構(gòu)措施；同時(shí)為保證巖體天然含水狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)不 受破壞，在施工開挖過程中要米取特殊的措施，如基坑排水、預(yù)留保護(hù)層、基礎(chǔ)面及 時(shí)覆蓋等。(2軟弱層帶抗滑穩(wěn)定：壩基持力層中未發(fā)現(xiàn)有泥化夾層之類的特軟層帶，只有 間夾于層間的生物碎屑層、煤系等相對軟弱層。根據(jù)鉆探資料，這些軟弱層往往具有厚度小、不穩(wěn)定，延續(xù)性差,呈透鏡體狀產(chǎn)出的特點(diǎn)。經(jīng)鏡下鑒定，生物碎屑層的礦 物成份主要為菱鐵礦和方解石，炭質(zhì)頁巖主要為石英、絹云母及炭質(zhì)等，礦物較穩(wěn)定, 巖石自身具有一定的強(qiáng)度，對抗穩(wěn)定不利的主要是煤系的層面。煤系主要出露在上 壩線，埋藏最淺為基巖頂板以下3m和6m處各有一層，厚約25cm。對這些埋藏較淺 的軟弱層要作

17、適當(dāng)?shù)奶幚?，主要是防止層面的軟化。致謝:該文得到了廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院副總工歐陽季文高級工程師的大力幫助和指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1范秋雁，凌國智,柯尊敬廣西第三系泥巖的物理力學(xué)特性研究廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版.1997（22增刊:4043.（收稿日期:1998208202（責(zé)任編輯:周群Engin eeri ng geologic features of3rdsystem in compete nt bed of the N aji WRPP dam foun dati onHuang GuozhanGuan gxi WREP survey,desig n and research in stitute,Na nnin g,530023Abstract Through a great quantity survey and test work,the author analysed the engin eeri ng geologic features of3rd system in compete nt bed of the Naji WRPP dam foun dati on, evaluated the in compete nt bed dam foun da2 tio n by con sult ing domes