李桂平

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

五馬水庫工程位于臨汾市古縣縣城西南五馬村附近。壩址所在河流屬汾河一級支流——洪安澗河的南支，大壩壩型為漿砌石重力壩，是一座以工業(yè)供水、發(fā)電為主，兼有防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的小（一）型水庫。

大壩壩基為三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂頁巖，大壩壩基位于T1l-15巖組中，壩基下部在T1l-12，14巖組中發(fā)育多層軟弱的泥化夾層，即地基中存在的軟弱結(jié)構(gòu)面直接影響大壩穩(wěn)定性和安全運(yùn)行，是該工程存在的主要工程地質(zhì)問題。

2 泥化夾層特征及成因分析

大壩壩基基巖位于T11-15巖組中，巖性主要為細(xì)粒長石石英砂巖、粉砂巖及泥巖。在壩基下部T11-12，14巖組巖性主要為泥巖及粉砂巖，層中發(fā)育有多層泥化夾層，經(jīng)壩基上游齒槽開挖和勘查發(fā)現(xiàn)，泥化夾層呈棕紅色，濕，軟弱，可塑狀，已泥化呈泥狀。泥化夾層在壩基范圍內(nèi)大部分地段是連續(xù)分布的。泥化夾層都是沿砂巖或粉砂巖與泥巖的界面附近發(fā)育，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。泥化夾層上、下界面較平緩，層面起伏差0.3～0.8 cm，界面附近常見有擦痕，層內(nèi)常見微型擠壓褶曲現(xiàn)象，多含有大量云母。泥化夾層呈紫紅色，多與泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖相伴生，含有明顯的次生綠色條帶，具塑性，有光滑面。

泥化夾層是由于構(gòu)造作用導(dǎo)致層間錯(cuò)動而致，泥巖或泥質(zhì)粉砂巖層與砂巖軟硬交界面是層間錯(cuò)動最易發(fā)生的部位，在長期地應(yīng)力作用下，砂頁巖分布區(qū)容易沿泥巖或泥質(zhì)粉砂巖層與砂巖軟硬交界面產(chǎn)生層間錯(cuò)動，形成泥化夾層。從壩基上游齒槽開挖過程揭露的泥化夾層來看，其上下界面存在擦痕，界面光滑具油脂光澤，下面泥巖呈片狀。

3 泥化夾層勘察方法

由于存在于砂頁巖中的泥化夾層軟弱，層薄，大部分泥化夾層厚度不足1 cm，且抗剪強(qiáng)度很低，往往沿層面緩傾角展布。因此在現(xiàn)場勘查過程中如果不針對性地進(jìn)行勘察工作，采取必要的勘察方法和工藝，很容易在勘察時(shí)被漏掉，給工程埋下安全隱患。因此在砂頁巖中進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：一是在砂頁巖中進(jìn)行工程建設(shè)，最主要的工程地質(zhì)問題之一就是地基存在軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是有無泥化夾層的發(fā)育，在工程地質(zhì)勘察時(shí)需高度重視，提前預(yù)測軟弱層位的大致位置，做到有的放矢，重點(diǎn)關(guān)注。二是采用小口徑雙管單動金剛石鉆進(jìn)，由于其他鉆井方法在鉆進(jìn)過程中對巖芯擾動較大，容易漏掉薄層泥化夾層。三是鉆進(jìn)過程中要做到小進(jìn)尺、小水量，每鉆進(jìn)尺應(yīng)小于1 m，給水量要盡量小一點(diǎn)，防止把薄層軟弱層位沖掉。四是鉆孔結(jié)束后盡量進(jìn)行鉆孔內(nèi)高清電視錄像，以查明在鉆井過程中漏掉的軟弱層位。五是在砂頁巖中進(jìn)行的建設(shè)工程如發(fā)現(xiàn)有軟弱層位，特別是有泥化夾層的發(fā)育，盡量采取現(xiàn)場原位試驗(yàn)為主，參考室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)綜合確定其力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

4 泥化夾層物理力學(xué)性質(zhì)

泥化夾層顆粒組成：礫粒含量0～33.1%，平均4.9%；砂粒含量5.7%～61.8%，平均18.0%；粉粒含量3.8%～70.5%，平均53.9%；黏粒含量 1.3%～36.7%，平均23.2%；曲率系數(shù)0.3～2.5，平均值1.2；不均勻系數(shù)1.3～35.0，平均值18.1。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，泥化夾層大部分歸類為泥含粉粒碎屑型，局部為黏泥型、碎屑碎塊型或碎屑夾泥型。

據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)：泥化夾層含水率12.8%～22.4%，平均值 17.1%；天然密度 1.74～2.27 g/cm3，平均值 2.08 g/cm3；干密度 1.50～1.98 g/cm3，平均值 1.78 g/cm3；孔隙比 0.427～0.684，平均值 0.559；液限 24.9%～38.7%，平均值31.9%；塑限15.2%～21.8%，平均值18.0%。

按干密度1.85 g/cm3配樣后，其壓縮系數(shù)0.13～0.21 MPa-1，平均值 0.18 MPa-1，屬中等壓縮性土，壓縮模量7.01～10.94 MPa，平均值8.22 MPa；按干密度1.65 g/cm3配樣后，其壓縮系數(shù) 0.49～0.61 MPa-1，屬中等至高壓縮性土，壓縮模量2.68～3.34 MPa。

泥化夾層配樣飽和直剪試驗(yàn)：取泥化夾層按干密度1.65 g/cm3和1.85 g/cm3配樣進(jìn)行飽和直剪試驗(yàn)：當(dāng)干密度為1.65 g/cm3時(shí)，凝聚力25.9～34.4 kPa，平均值30.2 kPa，內(nèi)摩擦角 16.5 °～18.5 °，平均值 17.5 °；當(dāng)干密度為1.85 g/cm3時(shí)，凝聚力13.8～27.8 kPa，平均值20.5 kPa，小值平均值 16.0 kPa，內(nèi)摩擦角 9.0°～21.0°，平均值14.6°，小值平均值10.5°。

泥化夾層室內(nèi)反復(fù)剪試驗(yàn)：反復(fù)剪試驗(yàn)殘余凝聚力為1.3～22.8 kPa，平均值12.8 kPa，小值平均值1.8 kPa，殘余內(nèi)摩擦角 15.0 °～23.0 °，平均值 18.8 °，小值平均值16.3°。

現(xiàn)場直剪試驗(yàn)：泥化夾層飽和抗剪斷凝聚力c′=31.9～33.8 kPa，平均值 32.8 kPa，摩擦系數(shù) f′=0.27～0.28，平均值0.28；多點(diǎn)摩擦飽和抗剪凝聚力c=22.4～28.7 kPa，平均值 25.6 kPa，摩擦系數(shù) f=0.19～0.23，平均值0.21。

泥化夾層礦物成分含量：伊蒙混層（主要為蒙脫石）含量4%～11%，平均含量7%，伊利石含量13%～45%，平均含量24%，以蒙脫石含量為控制指標(biāo)，按天津市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院在山西引黃工程的分類標(biāo)準(zhǔn)，屬無膨脹性或微膨脹性巖石。

5 泥化夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值

泥化夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值主要考慮以下幾個(gè)方面：

第一，泥化夾層現(xiàn)場剪切試驗(yàn)位于T1l-14巖組中上部的泥化夾層，泥巖層呈碎屑狀，原結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化，經(jīng)歷過層間錯(cuò)動，厚度3 cm，上部和下部為粉砂巖層。試驗(yàn)在飽和條件下進(jìn)行，且試驗(yàn)后檢查泥巖層全部泥化，認(rèn)為上述現(xiàn)場試驗(yàn)成果基本代表了壩址區(qū)的情況，多點(diǎn)摩擦及單點(diǎn)摩擦試驗(yàn)代表了泥化夾層的抗剪強(qiáng)度。

第二，室內(nèi)反復(fù)抗剪試驗(yàn)測得的強(qiáng)度是軟化夾層的殘余強(qiáng)度，其試驗(yàn)狀態(tài)為排水慢剪。由于壩基泥化夾層位于地下水位以下，不具備排水固結(jié)條件，故分析該試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角試驗(yàn)值可能偏大。

第三，配樣土飽和快剪試驗(yàn)，配樣干密度1.85 g/cm3較已有泥化夾層干密度的試驗(yàn)平均值稍大，該試驗(yàn)值為在不排水狀態(tài)下的強(qiáng)度，其結(jié)果具有一定的代表性，其抗剪斷摩擦系數(shù)平均值為0.26，與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相近。

第四，從泥化夾層顆分試驗(yàn)結(jié)果分析，按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，該層多屬泥夾粉粒碎屑型，其抗剪斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為 f′=0.19～0.25，c′=43～64 kPa。

第五，據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，軟弱結(jié)構(gòu)面為泥時(shí)經(jīng)驗(yàn)值為 f′=0.18～0.25，c′=2～5 kPa。

綜上所述，五馬水庫壩基下發(fā)育的泥化夾層大部分歸類為泥含粉粒碎屑型，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)主要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)、重塑土試驗(yàn)結(jié)果，考慮工程地質(zhì)條件，建議泥化夾層抗剪斷指標(biāo) f′=0.25，c′=0.01 MPa，抗剪指標(biāo) f=0.21。

6 工程處理措施

五馬水庫壩基存在的泥化夾層產(chǎn)狀與地層一致，軟弱、抗剪強(qiáng)度低，泥化夾層傾向下游，對建筑物穩(wěn)定條件不利，壩基存在抗滑穩(wěn)定問題，建議采取以下處理措施：

第一，由于泥化夾層軟弱、多具可塑性，應(yīng)考慮主持力層范圍內(nèi)泥化夾層對壩基壓縮變形的影響。第二，由于地基中泥化夾層存在一定的膨脹礦物，尚應(yīng)考慮泥化夾層的膨脹性對地基的影響。第三，建議根據(jù)壩基穩(wěn)定計(jì)算的情況采取壩基錨索加固、加寬、加深上下游齒槽，或采取壩基巖體抗滑措施等。第四，建議在水庫運(yùn)營后加強(qiáng)滑坡體變形安全監(jiān)測工作，及時(shí)對壩基穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)報(bào)。