李德群 秦玉龍 胡劍鋒

某水電站疏松砂巖工程地質(zhì)特性及工程處理

李德群 秦玉龍 胡劍鋒

某水電站壩基為白堊系疏松砂巖，具孔隙率大、密度低、透水性強(qiáng)、抗?jié)B變能力差、強(qiáng)度低和易擾動(dòng)破壞等特性，并且存在滲漏及滲透變形等工程地質(zhì)問題。針對砂巖工程地質(zhì)特性及對工程的影響進(jìn)行了總結(jié)分析，旨在為類似工程勘察和工程處理措施設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

疏松砂巖 強(qiáng)透水 弱膠結(jié) 滲透變形 灌漿

1 地質(zhì)概況

某水電站工程包括土壩、泄水閘、河床式電站廠房等建筑物，最大壩高32.5 m，于2011年建成發(fā)電。工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)輕微，地層產(chǎn)狀近水平，構(gòu)造穩(wěn)定性較好，兩岸巖體局部有卸荷裂隙發(fā)育。第四紀(jì)以來，地表遭受河流侵蝕下切，兩岸階地不發(fā)育。

壩基為河湖相白堊系砂巖，大體可分為3層：上部為薄層狀，產(chǎn)狀以NW290°～350°SW∠7°～21°為主，局部為NE10°～46°NW或SE∠5°～15°，層底高程272～278 m；中部呈厚、中厚層狀，巖層傾角多小于15°，層底高程260～266 m；下部多為薄層狀，巖層產(chǎn)狀以NW315°～345°SW∠21°～27°為主，不整合面產(chǎn)狀NE80°SE∠3°。巖體上部、下部薄層砂巖交錯(cuò)層理及不整合面發(fā)育，而中部中厚—厚層砂巖層理則不甚發(fā)育。壩基砂巖見有少量陡傾角裂隙，裂隙面平直、較光滑，閉合狀態(tài)，延伸長度在4 m左右，最長約7 m。

2 疏松砂巖基本特征

壩基砂巖呈黃白或灰白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒徑多在0.075～0.5 mm，約占82.8%，主要礦物成分為石英，含少量長石、方解石等。砂巖孔隙率 20.08%～33.08%，平均24.77%；天然密度1.95～2.41 g/cm3，平均2.15 g/cm3；單軸抗壓強(qiáng)度 1.60～15.38 MPa，平均4.41 MPa；滲透系數(shù)為3.00×10-4～2.80×10-3cm/s，平均1.80×10-3cm/s。

砂巖特有的物理、水理性質(zhì)控制其力學(xué)特性。通過上述指標(biāo)分析判斷，壩基砂巖具有孔隙率大、密度小、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，屬中等透水的軟巖—極軟巖。同時(shí)，根據(jù)對砂巖的成巖作用、膠結(jié)程度以及對所處環(huán)境的分析，揭示出了壩基砂巖的工程地質(zhì)特性。

（1）砂巖具有隨成巖程度增高而密度增大、含水率降低的規(guī)律。壩基砂巖的膠結(jié)作用微弱，呈半成巖狀態(tài)，膠結(jié)系數(shù)在2.09%～2.25%，屬于弱—中等膠結(jié)，可定義為“疏松砂巖”，屬軟巖的一種類型。

（2）弱膠結(jié)的砂巖浸水后易發(fā)生崩解破壞而呈泥狀或砂狀。壩基砂巖宏觀性狀疏松，浸水后砂粒脫落現(xiàn)象明顯但并未發(fā)生整體崩解，且吸水率還略有降低。

（3）經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后，砂巖的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力與內(nèi)摩擦角都有不同程度的降低。各個(gè)力學(xué)指標(biāo)的總體變化趨勢是在第1次飽水之后有大幅度減低，此后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其降低的幅度逐漸減小。

（4）基坑開挖時(shí)，凡滲水處均有明顯的乳白色膠體物析出。室內(nèi)巖塊浸水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞且呈松散沙狀后，白色絮狀膠體析出，膠體含量為1.46%～2.15%，屬易絮凝沉淀。觀察干燥巖塊斷面，可見直徑小于1.0 mm的白色斑點(diǎn)賦存在砂粒中。

水質(zhì)分析和礦物鑒定表明，砂巖易溶鹽含量低，為0.043 g/kg，水化學(xué)類型為-Ca2+；礦物中普遍缺少長石，孔隙內(nèi)有粒徑小于0.074 mm弱結(jié)晶的高嶺土和分散的石英細(xì)粒及微量方解石。由此可見，白色絮狀物系斜長石顆粒在弱酸性環(huán)境水作用下高嶺石化的結(jié)果，壩基砂巖在滲流作用下易發(fā)生潛蝕，進(jìn)而導(dǎo)致巖體的滲透破壞。

（5）飽和或潮濕狀態(tài)下壩基砂巖結(jié)構(gòu)間黏聚力微弱，機(jī)械擾動(dòng)特別是剪切作用下極易造成結(jié)構(gòu)破壞，由巖石變?yōu)樯巴痢９こ淌┕ず瓦\(yùn)行中防止機(jī)械擾動(dòng)（震動(dòng)）是防止巖體變形破壞的關(guān)鍵性問題。

3 疏松砂巖滲透及滲透變形特性

疏松砂巖具有孔隙率大、密度低、滲透性強(qiáng)、抗?jié)B透變形能力差和易擾動(dòng)破壞等特性，作為壩基存在滲漏和滲透變形等工程地質(zhì)問題。

從壩基砂巖的滲透系數(shù)看，室內(nèi)滲透試驗(yàn)和鉆孔壓水試驗(yàn)成果一致，均屬中等透水性巖體。滲透系數(shù)和滲透變形試驗(yàn)成果見表1。

表1 壩基砂巖滲透變形試驗(yàn)成果

試驗(yàn)成果表明，壩基砂巖滲透性在垂直層面與平行層面方向差異不明顯，但在滲透變形上二者差異顯著，垂直層面的臨界坡降及破壞坡降是平行層面方向的近2倍，表明巖體沿層面方向更易于發(fā)生滲透變形破壞。

從地質(zhì)條件和試驗(yàn)成果分析，壩基砂巖顆粒組成較為均勻，發(fā)生管涌的概率很小，滲透破壞首先是乳白色膠體高嶺土析出，導(dǎo)致巖體的結(jié)構(gòu)破壞，有臨空面時(shí)發(fā)生溯源方向的流土破壞?；娱_挖中，邊坡滲水形成的孔洞以及排水孔在長時(shí)間抽水后沿層面掏蝕形成的滲漏通道等現(xiàn)象，均屬溯源流土破壞。加之巖體力學(xué)強(qiáng)度低、抗沖刷能力差，特別是沿層面極易發(fā)生沖刷破壞。因此，有必要采取滲流控制措施降低巖體滲透坡降，減少壩基滲漏量，防止壩基發(fā)生滲透變形。

4 巖體灌漿效果分析

4.1 灌漿試驗(yàn)成果分析

針對壩基砂巖可能采取的滲流控制措施，選擇了現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，以確定工程措施的適宜性。灌后巖體透水率和聲波波速檢查成果見表2。由試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

表2 灌漿試驗(yàn)效果檢查成果表

（1）從灌漿前后的巖體質(zhì)量檢測結(jié)果看，Ⅳ序灌漿之后巖體的透水率降低了14%，巖體波速提高了2%～3%。表明灌漿雖對巖體質(zhì)量的提高有一定作用但不甚顯著。究其原因：首先是巖體中破裂結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，這是導(dǎo)致可灌性較差的主要原因；其次，壩基砂巖屬密實(shí)的粉細(xì)砂孔隙結(jié)構(gòu)，巖體透水性主要受孔隙率控制，連通性差，采用普通水泥灌漿，巖體透水但不吸漿，漿液在孔隙中擴(kuò)散范圍有限，整體上難以形成完整連續(xù)的有效防滲體，這為論證設(shè)置防滲帷幕的必要性和可靠性提供了依據(jù)。

（2）經(jīng)過Ⅰ序孔灌漿，Ⅱ序孔的單位注漿量明顯減小。雖然Ⅱ序次以后單位注入量沒有明顯遞減的趨勢，但聲波速度有所提高，說明灌漿對施工擾動(dòng)裂隙、卸荷層面、混凝土與基巖的接觸面等起到一定的固結(jié)作用，在強(qiáng)化淺部巖體完整性的同時(shí)，也有利于提高被擾動(dòng)巖體抵抗?jié)B透變形的能力。

（3）灌漿孔距以接近Ⅱ序次孔距較為合適，過密的孔距 （如Ⅲ、Ⅳ序）單位注漿量沒有降低，巖體波速值也沒有顯著提高，而且還可能對壩基巖體的完整性造成破壞。

4.2 施工灌漿效果分析

固結(jié)灌漿施工中，根據(jù)灌漿試驗(yàn)成果對施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，采用了孔距、排距均為2.5 m的等腰三角形布置方式，排與排之間鉆孔互相交錯(cuò)，孔深為建基面以下3 m。

從施工檢測結(jié)果看，灌后巖體聲波速度有 6.70%～31.50%的提高，巖體透水率也相應(yīng)降低，說明固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)方案是合理的，提高了建基巖體的整體性和抗?jié)B透變形能力?？紤]到灌漿段巖體普遍位于地下水位以下以及不同灌漿壓力下地表抬動(dòng)觀測情況，設(shè)計(jì)的灌漿起始壓力不小于0.2 MPa，最大壓力不超過0.6 MPa的灌漿參數(shù)也是合適的。

5 壩基滲流控制措施

壩基砂巖屬無限深透水巖體，無相對隔水層。通過灌漿試驗(yàn)和滲流分析認(rèn)為，設(shè)置防滲帷幕對減少壩基滲漏量作用不大。在帷幕深度加大后，下游壩趾處滲流比降雖有所降低，但防滲效果依然不明顯。與此同時(shí)，經(jīng)過試驗(yàn)研究，無論設(shè)置帷幕與否，其壩基滲透比降都小于巖體允許滲透比降，因此，取消帷幕對壩基滲流穩(wěn)定基本沒有影響。

通過上述分析，最終決定取消灌漿帷幕，采取以下工程處理措施：（1）兩岸土壩上游設(shè)置防滲鋪蓋與心墻連接形成防滲體系。 （2）電站、泄水閘壩段上游設(shè)置混凝土防滲護(hù)坦進(jìn)行防滲。（3）大壩下游設(shè)置反濾層及排水系統(tǒng)，降低壩基揚(yáng)壓力。

通過近4年運(yùn)行檢驗(yàn)，電站處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，說明工程所采取的措施是穩(wěn)妥可靠的。

6 結(jié)語

（1）壩基白堊系砂巖成巖程度差，為大孔隙、低密度、結(jié)構(gòu)疏松和易擾動(dòng)破壞的極軟巖體，在滲流作用下，易發(fā)生滲透破壞。

（2）地下水賦存狀態(tài)主要表現(xiàn)為孔隙潛水，透水性在水平和垂直方向上差異不明顯，無相對隔水層。壩基巖體灌漿試驗(yàn)表明，普通水泥漿液在該類孔隙介質(zhì)巖體中的擴(kuò)散半徑小，無法形成有效防滲帷幕，難以達(dá)到防滲目的。

（3）通過壩基滲流分析和滲流控制措施的研究，最終采用取消灌漿帷幕、增加鋪蓋長度延長滲徑來降低壩基巖體滲透比降，達(dá)到了提高壩基巖體滲透穩(wěn)定性和減少壩基滲漏量的目的。

[1]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000（8）：46-62.

[2]馬國彥，林秀山.水利水電工程灌漿與地下水排水 [M].北京：水利水電出版社，2001.

李德群 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

秦玉龍 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

胡劍鋒 男 助理工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

TV223

B

1007-6980（2015）04-0039-02

2015-08-10）