唐 波, 張莉萍, 陳 勇, 曹凱波

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

軍民一級(jí)泵站軟巖工程地質(zhì)特性研究

唐 波, 張莉萍, 陳 勇, 曹凱波

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

軟巖工程因其易風(fēng)化、軟化等特性,通常引起地基強(qiáng)度衰減、不均勻沉降以及邊坡失穩(wěn)等工程地質(zhì)問(wèn)題。依托于軍民一級(jí)泵站拆建的工程實(shí)例,通過(guò)分析地質(zhì)資料,綜合比較基巖承載力特征值確定方法,針對(duì)白堊系泥質(zhì)粉砂巖地基進(jìn)行了相關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題研究,提出相應(yīng)的工程處理措施建議,為類似工程設(shè)計(jì)、施工提供了參考依據(jù)。

泵站;軟巖;承載力;工程地質(zhì)問(wèn)題;處理措施

軍民一級(jí)泵站位于安徽省全椒縣境內(nèi),屬駟馬山引江灌區(qū)的配套工程,原工程始建于1976年,1977年投入運(yùn)行,因泵站建筑物、機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)均老化嚴(yán)重,不能發(fā)揮原設(shè)計(jì)灌排作用,經(jīng)鑒定泵站安全鑒定結(jié)論為四類,故水利主管部門對(duì)原泵站進(jìn)行了拆除并原址重建。

新建泵站仍為排灌結(jié)合站,設(shè)計(jì)排澇抽水流量13.9 m3/s,設(shè)計(jì)排澇揚(yáng)程6.13 m,總裝機(jī)容量2 375 kW,屬中型泵站。泵站工程包括泵房、進(jìn)水池、輸水涵、進(jìn)水閘等主要建筑物,其設(shè)計(jì)底板高程分別位于-1.00 m、-0.50 m、1.00 m、1.00 m(國(guó)家85高程系統(tǒng),下同),建基面均處于泥質(zhì)粉砂巖地基上。泵站輸水軸線工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1[1]。

勘察結(jié)果表明,場(chǎng)區(qū)地層巖性上部為第四系粉質(zhì)粘土,下部為基巖?；鶐r為泥質(zhì)粉砂巖,屬軟—極軟巖、軟化巖石,具易風(fēng)化、遇水易軟化等特性。經(jīng)分析,本工程存在的工程地質(zhì)問(wèn)題包括地基強(qiáng)度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時(shí)邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題。為此,結(jié)合工程特點(diǎn),對(duì)地質(zhì)資料作進(jìn)一步分析,綜合比較基巖承載力特征值確定方法,具體探討工程存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題,并提出了相應(yīng)處理措施建議。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

工程場(chǎng)地位于安徽省全椒縣東觀聯(lián)圩排澇干溝與土橋水庫(kù)東河撇洪溝交匯處,場(chǎng)地地貌屬江淮波狀起伏地上丘陵地貌,崗地微地貌單元。場(chǎng)地地形相對(duì)平坦,局部有所起伏。地面高程6.40 m～21.50 m。

場(chǎng)地鉆孔揭露:表層為近現(xiàn)代形成的素填土、淤泥,淺部為第四系晚更新世粉質(zhì)粘土(Q3),下伏白堊系中統(tǒng)宣南組(K2xn)棕紅色泥質(zhì)粉砂巖。地層產(chǎn)狀傾向NE30°～40°,傾角約5°[2]。

勘察期間鉆孔場(chǎng)地地下水主要是第四系孔隙潛水,少量基巖裂隙潛水;地下水埋深標(biāo)高為5.29 m～14.11 m,水位埋藏較淺,地下水位線基本與地形一致。

2 軟巖的物理、力學(xué)性質(zhì)研究

巖體處于何種風(fēng)化程度決定巖石性質(zhì)好壞,對(duì)工程選擇建基面、確定地基加固措施和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案起到關(guān)鍵作用。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)附錄H判別,本工程勘察鉆孔揭示的泥質(zhì)粉砂巖劃分為③1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:棕紅色,風(fēng)化裂隙發(fā)育,錘擊聲啞,巖石組織結(jié)構(gòu)大部分破壞,變酥、易碎,巖體較破碎;③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:棕紅色,巖石原始組織結(jié)構(gòu)清楚完整,但大多數(shù)裂隙已風(fēng)化,錘擊聲啞,用鎬難以挖動(dòng),巖體較完整。

2.1 一般物理、力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)本工程特點(diǎn),依據(jù)設(shè)計(jì)方提供的勘察任務(wù)書要求,按照相關(guān)規(guī)范對(duì)本泵站工程進(jìn)行了地質(zhì)勘察工作。針對(duì)建基面以下白堊系泥質(zhì)粉砂巖,除進(jìn)行標(biāo)貫、動(dòng)探及壓水試驗(yàn)等原位測(cè)試工作外,還包括室內(nèi)試驗(yàn):如巖石塊體密度、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(天然、干燥、飽和狀態(tài))、飽和吸水率以及自由膨脹率等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

(1) 該工程場(chǎng)地所揭露③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于0.98～5.65 MPa,均值為2.52 MPa,<15 MPa;軟化系數(shù)值介于0.10～0.52,均值為0.27,<0.75。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)(2009年版)3.2.2、3.2.4條款判別:巖石堅(jiān)硬程度分類屬軟—極軟巖,且屬軟化巖石。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示:③1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬弱—中等透水,③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬弱透水;基巖滲透性隨埋深有變小趨勢(shì),與巖石風(fēng)化程度、完整性有關(guān)。

(3) 地質(zhì)勘察時(shí)除進(jìn)行野外地質(zhì)特征調(diào)查外,還進(jìn)行了巖石自由膨脹率試驗(yàn)、飽和吸水率室內(nèi)試驗(yàn)。依據(jù)《水電水利工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5414—2009)附錄W,綜合野外地質(zhì)調(diào)查、自由膨脹率、飽和吸水率等手段判別,場(chǎng)地泥質(zhì)粉砂巖不屬于膨脹巖范疇。

圖1 泵站輸水軸線地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section map of the water diversion line of pumping station1.鉆孔及其編號(hào);2.地下水位;3.素填土(粉質(zhì)粘土);4.粉質(zhì)粘土;5.強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;6.弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;7.走向;8.產(chǎn)狀(傾向、傾角);9.底板;10.高程、埋深。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值表

Table 1 Statistical table of physical and mechanical properties of rock

巖土體名稱含水率w/%天然塊體密度ρ/(g·cm-3)飽和吸水率/%巖石單軸抗壓強(qiáng)度/MPa天然飽和干燥軟化系數(shù)自由膨脹率/%軸向徑向壓水試驗(yàn)/Lu③1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖一般值1．85～3．52．23～2．411．25～5．620．95～1．920．52～1．494．78～9．250．05～0．3412．5～13．923．2～24．711．66～23．50均值2．22．313．121．5741．285．240．1812．824．212．50標(biāo)準(zhǔn)值1．211．064．45組數(shù)1111810101010666③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖一般值1．24～2．982．35～2．560．56～3．211．29～3．520．98～5．656．54～15．20．10～0．5211．9～12．521．5～22．70．62～3．54均值1．542．421．952．642．529．540．2712．121．71．24標(biāo)準(zhǔn)值2．252．148．11組數(shù)1010810101010666

2.2 承載力研究

在建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),建筑物基底壓力應(yīng)在地基巖土所允許的承載能力之內(nèi)。由于巖性特征、試驗(yàn)手段以及行業(yè)、地區(qū)差異,巖石地基承載力特征值確定有所差異,如何更科學(xué)、更合理確定巖基承載力應(yīng)引起重視。

2.2.1 承載力特征值的確定方法總結(jié)

(1) 理論公式計(jì)算法。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)第5.2.6條款計(jì)算基巖承載力特征值fa。

fa=φrfrk

式中:fa為巖石地基承載力特征值(kPa);φr為折減系數(shù);frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

其中折減系數(shù)應(yīng)根據(jù)巖石完整程度以及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀和組合,由地方經(jīng)驗(yàn)確定。無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí),對(duì)完整巖體可取0.5,對(duì)較完整巖體可取0.2～0.5,對(duì)較破碎巖體可取0.1～0.2。

(2) 原位測(cè)試法。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)5.2.6條及附錄H,對(duì)于完整、較完整、較破碎的巖石地基承載力特征值可按載荷試驗(yàn)方法確定;對(duì)于破碎、極破碎的巖石地基承載力特征值,可根據(jù)平板載荷試驗(yàn)確定。

(3) 規(guī)范、手冊(cè)查表法。根據(jù)巖體風(fēng)化程度鑒別、巖石軟化系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果,查規(guī)范或手冊(cè)可得巖石承載力值,如查《220kV以下架空送電線路勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5076—2008)附錄G可得巖石承載力特征值,查《港口工程地基規(guī)范》(JTS147-1—2010)附錄G可得巖石承載力設(shè)計(jì)值,以及《工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)》表4.8-18可得巖石承載力設(shè)計(jì)值。

(4) 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法。工程場(chǎng)地與南京市浦口區(qū)比鄰,泵站位置距離南京市與安徽省界河(滁河)約5 km,故本工程巖石地基承載力特征值可參考地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn),利用《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ32/j12—2005)附錄F來(lái)確定基巖承載力特征值fak。

2.2.2 承載力特征值取值原則

工程實(shí)踐表明,因工程性質(zhì)多樣,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同,工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的不同,對(duì)于確定地基承載力特征值,可總結(jié)以下幾點(diǎn)原則:

(1) 根據(jù)基巖不同風(fēng)化程度,分類確定所需地基承載力特征值。強(qiáng)風(fēng)化基巖相應(yīng)地基承載力特征值可主要依據(jù)規(guī)范、手冊(cè)查表法或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法所得;弱風(fēng)化、新鮮基巖相應(yīng)地基承載力特征值可主要依據(jù)理論公式計(jì)算法所得。

(2) 同一類基巖可采用多種方法進(jìn)行比較評(píng)價(jià),依據(jù)工程特性及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)綜合確定地基承載力特征值。憑單一的試驗(yàn)結(jié)果去計(jì)算,獲得的結(jié)果可能存在一定的潛在危險(xiǎn),也可能造成浪費(fèi),地區(qū)經(jīng)驗(yàn)往往更適合本地區(qū)工程的實(shí)際情況;在地方規(guī)范中,采用經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)確定地基承載力是允許的,但同樣不能絕對(duì)化[3]。

總之,在確定地基承載力特征值時(shí),需采取客觀、科學(xué)、合理的方法,綜合評(píng)價(jià)選取。

2.2.3 工程應(yīng)用

前述各種方法中承載力的術(shù)語(yǔ)有承載力特征值fa、fak,承載力設(shè)計(jì)值f0或fd′的區(qū)別,其中fak、f0或fd′為根據(jù)巖石類別、風(fēng)化程度查表獲得的承載力特征值或設(shè)計(jì)值;而承載力特征值fa、fak的區(qū)別在于:前者確定的地基土承載力特征值在使用時(shí)無(wú)需基礎(chǔ)深、寬修正。(fa、fak、f0或fd′是不同時(shí)代或不同行業(yè)規(guī)范所采用的術(shù)語(yǔ),相互關(guān)系本文不再贅述,詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3],但在具體工程應(yīng)用時(shí)需加以區(qū)分。

根據(jù)前述承載力取值方法及原則,本工程③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖采用“理論公式計(jì)算法”時(shí),巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度取自表1,φr取下限值0.2(較完整巖體可取0.2～0.5);利用“規(guī)范手冊(cè)查表法”、“地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法”等方法時(shí)根據(jù)巖石類型、風(fēng)化程度分別取下限值。在此基礎(chǔ)上,綜合巖性特征、風(fēng)化程度、試驗(yàn)手段,以及行業(yè)、地區(qū)規(guī)范等最終提出本工程巖石地基承載力特征值(fak)推薦值,結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 巖基承載力特征值匯總表

3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題及處理措施建議

3.1 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

勘察結(jié)果表明,本工程泥質(zhì)粉砂巖具快速風(fēng)化、遇水軟化等特性。依據(jù)工程設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行條件,本工程存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要包括基巖強(qiáng)度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時(shí)邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題。

3.1.1 地基強(qiáng)度衰減問(wèn)題

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,泵房、進(jìn)水池、輸水涵及涵閘等主要構(gòu)筑物上部設(shè)計(jì)荷載80～160 kPa,建基面高程-1.0 m～1.0 m,主要坐落在③2弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖基上,僅靠近引水涵進(jìn)口段部分位于③1泥質(zhì)粉砂巖下部基巖上,該兩層巖基承載力特征值均能滿足設(shè)計(jì)要求,可作為天然地基淺基礎(chǔ)的持力層。但現(xiàn)場(chǎng)鉆探反映:泥質(zhì)粉砂巖在空間暴露后極易失水干裂,浸水軟化,遇雨水浸泡即成碎塊、砂狀;室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明本工程泥質(zhì)粉砂巖屬軟巖—極軟巖,且軟化系數(shù)小,屬軟化巖石。故在設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行時(shí)需注意因巖體加速風(fēng)化、遇水軟化問(wèn)題使巖體強(qiáng)度降低的工程地質(zhì)問(wèn)題。

3.1.2 不均勻沉降問(wèn)題

工程建筑物底板分別位于不同風(fēng)化帶泥質(zhì)粉砂巖上,其地基強(qiáng)度本身存在差異勢(shì)必帶來(lái)建筑物不均勻沉降問(wèn)題;另外施工期巖體的快速風(fēng)化、遇水軟化特性亦將給工程帶來(lái)地基強(qiáng)度進(jìn)一步降低而產(chǎn)生不均勻沉降等工程地質(zhì)問(wèn)題。

3.1.3 基坑臨時(shí)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

工程施工時(shí),場(chǎng)地局部地形高差較大,泵房至灌溉出水口段、進(jìn)水池基坑開挖深度>10 m,形成的臨時(shí)邊坡高度>10 m,可能存在臨時(shí)邊坡失穩(wěn)問(wèn)題。

根據(jù)工程規(guī)模、建筑物級(jí)別,按照《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》本工程開挖邊坡為3級(jí) 。結(jié)合場(chǎng)地地基土層分布情況(圖1),工程邊坡上部主要為②粉質(zhì)粘土、粘土,且工程性質(zhì)較好;下部泥質(zhì)粉砂巖,巖層產(chǎn)狀按35°∠5°,屬上土下巖混合邊坡。由于巖層傾角較小、結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育,基本不存在外傾結(jié)構(gòu)面,初步分析邊坡基本穩(wěn)定。考慮到泥質(zhì)粉砂巖上部風(fēng)化程度較高、強(qiáng)度低,且屬軟化巖石,遇水軟化特性將在施工開挖時(shí)造成邊坡失穩(wěn)的安全隱患。

3.2 主要工程處理措施建議

針對(duì)本工程因軟巖所產(chǎn)生的工程地質(zhì)問(wèn)題,建議設(shè)計(jì)、施工采取如下處理措施:

(1) 巖土快速風(fēng)化而產(chǎn)生的地基強(qiáng)度降低,故施工時(shí)需快速開挖和快速澆筑回填。因建基面不完全處于同一風(fēng)化帶基巖上,特別是進(jìn)水涵底板部分處于強(qiáng)風(fēng)化巖上,建議基坑開挖驗(yàn)槽時(shí)視風(fēng)化程度采取必要的混凝土補(bǔ)強(qiáng)或超挖置換措施,以保證地基的承載能力,亦減小不均勻變形。

(2) 由于場(chǎng)地地下水位埋深較小,考慮到泥質(zhì)粉砂巖有遇水軟化特性,建議基坑開挖做好必要的降、排水措施,根據(jù)場(chǎng)區(qū)地形、氣象、水文、地質(zhì)條件,建議采用明溝排水、輕型井點(diǎn)降水,并視施工現(xiàn)場(chǎng)情況沿基坑周邊設(shè)置排水溝,及時(shí)排除雨水及地面徑流。

(3) 本工程場(chǎng)地具備放坡條件,且無(wú)不良地質(zhì)作用,邊坡開挖可采用放坡開挖,但由于基坑深度超過(guò)5 m,應(yīng)分級(jí)放坡開挖,分級(jí)處設(shè)過(guò)渡平臺(tái),對(duì)于土層開挖坡比可為1∶2～1∶2.5,對(duì)于巖質(zhì)邊坡開挖坡比可為1∶0.75～1∶1[4]。

(4) 施工中應(yīng)預(yù)留一定厚度保護(hù)層,做好開挖工作面的保護(hù)(防失水、防雨),及時(shí)完成緊鄰工序,以避免泥質(zhì)粉砂巖遇水軟化?；娱_挖到鄰近水平建基面,應(yīng)預(yù)留巖體保護(hù)層,厚度0.3～0.5 m。

(5)為防止基巖軟化,進(jìn)水池底板設(shè)置排水孔、反濾層的同時(shí),建議采用逆止閥內(nèi)排措施[5]。內(nèi)排工程措施主要由排水墊層、透水軟管、逆止閥等組成,且相互連通,逆止閥與進(jìn)水池連通。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谶M(jìn)水池水位時(shí),逆止閥受壓開啟,地下水排入水池;當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇浪粫r(shí),逆止閥復(fù)位關(guān)閉,避免進(jìn)水池水外漏。逆止閥內(nèi)排措施既保護(hù)基巖不被水浸泡,又能起到排水、消減揚(yáng)壓力等負(fù)面影響的作用[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 本工程揭露的泥質(zhì)粉砂巖軟化系數(shù)普遍較低,巖石軟化性質(zhì)劃分屬軟化巖石。

(2) 綜合野外地質(zhì)調(diào)查定性判別,與自由膨脹率、飽和吸水率定量判別,場(chǎng)地泥質(zhì)粉砂巖尚不屬于膨脹巖范疇。

(3) 按不同的方法確定的基巖承載力特征值有所區(qū)別,根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件,工程特性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方經(jīng)驗(yàn),確定綜合指標(biāo)更科學(xué)。

(4) 工程存在的主要地質(zhì)問(wèn)題包括地基強(qiáng)度衰減、不均勻沉降以及基坑臨時(shí)邊坡穩(wěn)定等。設(shè)計(jì)、施工時(shí)需注意建基面保護(hù),采取必要的降排水、地基補(bǔ)強(qiáng)、合理開挖坡比及反濾設(shè)計(jì)等措施。

[1] 唐波,陳勇,張莉萍,等.全椒縣軍民一級(jí)泵站拆建工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].南京:南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,2015.

[2] 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局,安徽省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1987:165-175.

[3] 高大釗,姜安龍,張少欽.確定地基承載力方法若干問(wèn)題的討論[J].工程勘察,2004(3):3-8.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB50330—2013[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[5] 中華人民共和國(guó)水利部.泵站施工規(guī)范:SL234—1999[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

[6] 黃煒,劉清明,冷星火.南水北調(diào)中線陶岔至魯山段渠道防滲排水設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江,2014,45(6):4-6.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Study on Engineering Geological Characteristics ofSoft Rock of the Junmin Pumping Station

TANG Bo, ZHANG Liping, CHEN Yong, CAO Kaibo

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCorporationLimited,Nanjing,Jiangsu200022)

Soft rock engineering because of its special geological conditions,usually accompanied by rock weathering,water softening and slope stability and other engineering geological problems. Based on the Junmin pumping station demolition construction engineering example,through the analysis of geological survey data and the comprehensive comparison of bedrock bearing force characteristic value determination method,the paper carries on geological research for Cretaceous argillaceous siltstone foundation,puts forward the corresponding engineering treatment measures and suggestions,provides the reference for similar engineering design and construction.

pumping station; soft rock; bearing capacity; engineering geological problems; treatment measures

2016-05-13;改回日期:2016-05-24

唐波(1979-),男,高級(jí)工程師,碩士,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)與巖土工程相關(guān)工作。E-mail:njslytb@163.com

P642; TV675

A

1671-1211(2016)03-0415-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.039

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.026.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37