測量與地質
黃國展(廣西水利電力勘測設計研究院南寧 530023
〔文摘〕 通過大量的勘探和試驗工作,分析那吉水利樞紐壩基第三系軟岩的工程地質特性,並參照國內外類似工程的經驗,對軟岩地基進行評價,最後提出初步處理措施。
〔關鍵詞〕 那吉水利樞紐壩基軟岩工程地質特性脹縮性評價
〔分類號〕 p642
引言那吉水利樞紐位於鬱江上游的右江河段,百色市下游38km的那吉村傍,是以航運和發電為主、
,是百色水利樞紐的反調節水庫,主要建築物有船閘、溢流壩和廠房等。主壩設計壩高34m,設計正常蓄水位114m,相應庫容為2.11億m3,電站**機容量51mw,通航噸位為2×500t。
大壩基礎為新第三系紅層,岩性主要為泥岩、含粉砂泥岩、泥質粉砂岩、疏鬆粉細砂巖、生物碎屑岩、煤系(含炭頁岩或薄煤層等,在水利水電建設中將第三系紅層列為軟岩之一,常具有一些特殊的工程地質問題,如:承載力低、抗滑穩定性差、抗沖刷能力低等。為此,必須對該軟岩的工程地質特性進行評價。
1 軟岩的物理力學指標分析
1.1 岩石礦物成份和結構
為了了解軟岩的礦物成份和結構,分別對含粉砂泥岩、疏鬆粉細砂巖、生物碎屑岩和煤系進行岩礦鑑定,其岩石礦物成份和結構詳見表1。
表1 岩石礦物成份和結構表
岩石名稱
主要礦物
成份及含量
次要礦物成份
結構構造
膠結物及
膠結方式
含粉砂泥岩絹雲母28%~83%或高嶺石
50%,石英15%~20%
綠泥石、金紅石、鋯石、電
氣石、泥質、鐵質等
顯微鱗片泥質結構、粉砂
質結構塊狀
構造疏鬆粉細砂岩石英94%~96%
絹雲母、白雲母、電氣石、
鋯石、金紅石、鐵質、泥
質、綠泥石、高嶺石及碳
酸巖礦物等
顯微鱗片泥質結構的細
砂質及粉砂質結構
塊狀構造
膠結物主要為絹雲母及
少量細粒石英,為孔隙—
接觸式膠結
生物碎屑岩菱鐵礦58%,方解石20%,高嶺
石18%
絹雲母、鐵質、泥質顯微粒結構、生物碎屑
結構塊狀
構造生物碎屑主要為螺殼,由
方解石組成
煤系石英74%,絹雲母24%炭質、泥質、鐵質、鋯石、
電氣石、綠泥石、斜長石、
金紅石等
顯微鱗片泥質結構
頁狀構造
1.2 物理力學指標分析
室內岩石試驗總共做了30組。岩石狀況均為弱風化,其試驗成果整理彙總於表2。小試件(小口徑岩芯樣力學強度的試驗受岩石失水乾裂和軟化的影響,成果的代表性較差。
相對來說中型試件的試驗成果可信度較高。為了驗證室內試驗成果的可信度,進行了野外大型抗剪試驗和野外原位變形試驗。野外大型抗剪試驗,試驗點岩性為含粉砂泥岩,
86表2 室內岩石物理力學性質試驗成果統計表
名稱容重乾濕/gcm-3
乾濕比重
飽和吸水率/%
單軸抗壓強度/mpa
乾濕軟化
係數抗剪強度
f c/mpa
變形模量
mpa剪下
含粉砂泥岩 1.90 2.2117.1 4.88 1.410.1700.540.38560.8
疏鬆粉細砂巖
2.12 2.22 5.62
3.72
4.010.2410.890.971991.5
泥岩 1.87 2.1615.820.940.4750.405
中型剪泥岩 2.09 2.26 2.7125.7928.07 6.740.280.02
泥質粉砂岩 2.23 2.35 2.7155.4121.070.3
粉砂岩 2.23 2.42 2.707.0377.0227.440.360.970.87
硬砂岩 2.54 2.56 2.71 1.72126.367.70.54
土工剪岩體狀態為弱風化。試驗成果列於表3。試件的剪下破壞面,混凝土/岩石的5個點全在混凝土與岩石的接觸面上,岩石/岩石的僅有1個點的剪斷面是平直的,其餘4個點均為凹凸不平的。
從兩組試件的破壞面看,混凝土/岩石的接觸面將是今後壩基抗滑穩定的控制面。野外原位變形試驗,試驗點岩性為含粉砂泥岩,岩體狀態為弱風化,縱波速度為1800 m/s。試驗壓力設計共分5級,最大應力為0.
6 mpa,但在試驗過程中發現應力為0.12mpa時,變形模量高,當應力增加到0.24mpa,0.
36mpa時,變形模量出現逐級降低,而且有一試點當應力增加到0.36mpa時,變形量達到9.94mm還難以穩定,有超岩體極限荷載之勢,根據上述情況,將預定的4級應力改為3級應力,即刪去0.
36mpa級以上的試驗。成果整理列於表4。從表4中明顯看出含粉砂泥岩的變形模量很小。
含粉砂泥岩脹縮性試驗,據桂林工學院採用專家系統進行膨脹土判別的方
法,即根據化學成份、礦物成份、野外表象、物理力學指標、地質成因及形成環境等進行綜合判定,結論為「那吉水利樞紐壩址泥岩為ⅰ類膨脹,其脹縮性中等」。從單項指標分析我們認為,那吉壩址泥岩的脹縮性定為弱—中等較為適宜。另用岩塊乾燥飽和吸水率來反映泥岩的脹縮特性,岩塊乾燥飽和吸水率大於等於20%時為膨脹性泥岩,而壩基泥岩的岩塊乾燥飽和吸水率為37.
64%。因此,泥岩具有膨脹性。
表3 現場岩體抗剪(斷試驗成果彙總表試驗
內容各剪下
階段抗剪斷抗剪
f′c′/mpa f c/mpa
試驗條件
平均含水量/%
混凝土與
含粉砂泥岩
峰值0.50.200.490.08
殘餘值0.450.160.430.10
右岸露天平台
12.4
含粉砂泥
巖與含粉
砂泥岩峰值0.480.0050.430.005
殘餘值0.480.0050.430.005
浸泡水10天後
14.4
表4 現場岩體變形試驗(剛性承壓板成果彙總表
岩體名稱試驗
條件應力
迴圈應力
/mpa
全變形/μm
彈性變形
/μm塑性變形
/μmk1k2
變形模量
/mpa
彈性模量
/mpa
塑性模量
/mpa
含粉砂泥岩飽和10
天以上10.12420200220485294.0198.2179.6
20.2417107001010415946.3113.178.3
30.36521010003410356522.866.034.6
含粉砂泥岩飽和10
天以上10.12630290340465462.8136.5116.4
20.2422008801320406036.090.059.9
30.3645006403860148622.0154.625.6
含粉砂泥岩飽和10
天以上10.1217506501100376322.661.036.0
20.24402012102810307019.765.428.2
30.36994025907350267412.045.916.1
961.3 岩體縱波(v p測試
通過對45個鑽孔的聲波測試成果進行分析研究,泥岩類岩體縱波速度在1500m/s~3000m/s,砂岩類岩體縱波速度在1500m/s~3700m/s間變化。岩體風化程度與岩體縱波速度之間的關係如表5。
表5 岩體風化程度與岩體縱波速度關係表m/s 岩性新鮮微風化弱風化強風化全風化
泥岩類岩體》3000
3000
~2400
2400
~1800
1800
~1600
<1600
砂岩類岩體》3500
3500
~2800
2800
~2000
2000
~1700
<1700
2 工程地質特性評價
2.1 工程地質特性
(1 第三系軟岩為內陸沖積相—湖相堆積,為含煤的砂泥岩系。岩性隨地區不同而變化,其工程地質條件也各異,其中砂質泥岩和泥岩是工程研究的重點。
(2 泥岩濕化後易崩解。泥岩在空間暴露後極易失水乾裂,浸水易軟化、崩解,具快速風化特性。鑽孔岩芯取出不超過10分鐘就開始出現裂紋,隨後裂紋增多延展,幾小時後巖芯就會乾裂呈餅狀。
用成岩膠結係數(岩石結構的粉末材料乾燥飽和吸水率與不規則岩塊的乾燥飽和吸水率之比來反映泥岩的濕化崩解特性,岩塊乾燥飽和吸水率為37.64%,粉末乾燥飽和吸水率為43.84%,膠結係數為1.
16,泥岩的破壞性狀為泥狀。
(3 泥岩的脹縮特性。壩址泥岩為含伊利石、高嶺石及綠泥石為主的膨脹性泥岩,其脹縮性為弱—中等,且泥岩具有膨脹性,當其膨脹壓力大於建築物荷載時,將會影響建築物安全。
(4 泥岩的滲透性一般比較低,當其裂隙不發育時,其透水率q<1lu,屬微透水層。但由於泥岩具有膨脹性,特別是在無約束情況下,或其膨脹壓力大於建築物荷載時,岩石膨脹開裂,特別是失水乾裂後水流將從裂縫中帶走軟化後的細顆粒,形成滲透通道並可能引起滲透變形。
(5 軟岩的單軸抗壓強度比較低,並與其含水狀態有關,當岩石浸水飽和後,其抗壓強度明顯降低。泥岩一般的單軸幹抗壓強度為0.33mpa~9.
36mpa之間。由於岩石的抗壓強度低,特別是濕化後其強度明顯降低,可能會造成其承載力不能滿足建築物的要求等。
(6 軟岩的抗剪強度低,特別是存在有層間剪下帶或軟弱夾層時,將會控制建築物的抗滑穩定性。壩基雖然未發現有泥化夾層之類的特軟層帶,但是存在間夾於層間的生物碎屑層、煤線或炭質頁岩等相對軟弱層。
(7 軟岩生成時代新,成岩作用差,波速低、變模小、流變特性明顯。
2.2 力學引數建議值
根據國內外資料(見表6以及利用工程模擬法得出軟岩的力學引數建議值(見表7。
表6 國內外軟岩力學引數建議值
壩名壩基岩層
時代壩型
壩高/m
c/mpaφ/°
無側限抗壓
強度/mpa
日本龜山壩上新世重力壩34.50.35~0.803614
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37.00.34~0.
4529~37 2.5~5.7日本正善寺川壩中新世晚期重力壩47.
00.35~0.635 3.
7~4.3中國甘肅省尼那水電站上新世重力壩45.50.
45~0.500.05~0.
10.8
中國湖北省王甫洲水電站古新世重力壩33.90.35~0.400.15~0.20.3
表7 那吉水利樞紐的力學引數建議值
岩石類別風化
程度飽和抗壓
強度/mpa
彈性模量
/mpa
變形模量
/mpa
抗剪強度
c/mpa f
允許承載力
/mpa
泥岩弱風化0.7800.32(層面~0.
34(岩體0.30~0.35含粉砂泥岩弱風化 1.
03110.330.200.
34(層面~0.36(岩體0.35~0.
40疏鬆細砂岩弱風化 1.2~1.400.
50~0.550.5~0.
6煤系、炭質頁岩00.25~0.30
07黃國展那吉水利樞紐壩基第三系軟岩工程地質特性評價
2.3 工程地質評價
(1 軟岩地基:壩址第三系那讀組屬內陸盆地邊緣河湖相沉積,由於其古地理沉積環境的不穩定,巖相岩性變化大。在諸多岩層中,對壩基起控制作用的是疏鬆粉細砂巖、含粉砂泥岩和泥岩。
這些岩體成岩作用差、波速低,岩性軟弱,且不均一,屬極軟岩類。岩石的孔隙率較大,高達24%~37%,天然容重與幹容重的差值亦較大,力學強度低;泥岩類岩石粘粒含量較高,其脹縮性為弱—中等。天然狀態下泥岩溼抗壓強度為0.
49mpa~1.39mpa,岩體縱波速度為1500m/s~3000m/s;含粉砂岩溼抗壓強度為1.38mpa~1.
43mpa,變形模量為22. 4mpa~63.1mpa,岩體縱波速度為1500m/s~3 000m/s;疏鬆粉細砂巖溼抗壓強度為0.
92mpa~ 7.1mpa,岩體縱波速度為1500m/s~3700m/s。因此,各類岩石作為混凝土建築物的地基,其強度低,且泥岩類岩石具有一定的脹縮性,需採取結構措施;同時為保證岩體天然含水狀態和岩體結構不受破壞,在施工開挖過程中要採取特殊的措施,如基坑排水、預留保護層、基礎面及時覆蓋等。
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