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        雙港口拱壩凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

        2024-02-09 00:00:00吳桐雯劉建磊張濤
        人民長江 2024年14期
        關鍵詞:結(jié)構(gòu)

        摘要:流紋質(zhì)凝灰熔巖緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面是雙港口拱壩主要工程地質(zhì)問題,也是影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的關鍵因素。以雙港口拱壩為例,分析流紋質(zhì)凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容,提出軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的關鍵地質(zhì)參數(shù)。結(jié)果表明:該緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育在侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組(J3e)流紋質(zhì)凝灰熔巖地層,平硐揭露高程為左壩肩290 m,右壩肩308 m和328 m,以巖屑夾泥型為主,為原生火成結(jié)構(gòu)面;相關物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)具有不均一性,根據(jù)中型剪試驗值,在確定抗剪強度指標時應對地質(zhì)建議值做出適當調(diào)整,酌情折減使用;左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不利組合模式,且右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型結(jié)構(gòu)面對壩肩抗滑穩(wěn)定性影響較大,應重點復核其壩肩抗滑穩(wěn)定的影響,采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施,以確保左、右壩肩抗滑穩(wěn)定。

        關 鍵 詞:雙港口拱壩;流紋質(zhì)凝灰熔巖;軟弱結(jié)構(gòu)面;抗剪強度;抗滑穩(wěn)定

        中圖法分類號:TV642.4 文獻標志碼:ADOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.018

        0 引言

        凝灰熔巖是中國東南部中生代火山巖重要組成部分,在長江中下游、福建省、廣東省等地廣泛分布,在火山巖相類型中占比約34%[1-2。對流紋質(zhì)凝灰熔巖開展了大量的室內(nèi)巖石物理力學試驗、現(xiàn)場巖體原位試驗3,前人也曾對凝灰熔巖的巖石力學進行了深入的研究,取得了豐富的地質(zhì)資料成果2,4-5。然而,國內(nèi)學者對流紋質(zhì)凝灰熔巖中軟弱結(jié)構(gòu)面的研究較少。

        拱壩對巖體軟弱結(jié)構(gòu)面非常敏感,壩肩對巖體質(zhì)量要求高,完整巖體中常見的地質(zhì)缺陷類型(軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層、泥化夾層、層間剪切帶等)控制巖體的穩(wěn)定和變形,是壩基主要的工程地質(zhì)問題。尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面,作為壩肩完整巖體中最薄弱的部位,極大影響著拱壩的抗滑穩(wěn)定性[6-7。本文以雙港口拱壩為例,分析流紋質(zhì)凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容,提出軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的關鍵地質(zhì)參數(shù),論述流紋質(zhì)凝灰熔巖中的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特性和抗滑穩(wěn)定問題,以期為類似工程設計和施工提供地質(zhì)建議。

        1 工程地質(zhì)概況

        雙港口水庫位于江西省資溪縣斗垣村東港水,是一座以供水為主的樞紐工程,水庫大壩為堆石混凝土雙曲拱壩,最大壩高68 m,水庫總庫容600萬m3,為?。?)型水庫。

        工程區(qū)位于華南褶皺系武夷山隆斷束構(gòu)造單元,屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌。雙港口壩址河谷窄深,呈“V”字形(圖1),多數(shù)基巖裸露,巖性為侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組(J3e)流紋質(zhì)凝灰熔巖(圖2),厚層,壩基未出露斷層。兩岸壩肩覆蓋層厚度0.3~2.5 m,強風化帶厚度1.6~6.0 m,弱風化上帶厚度15.7~26.2 m,弱風化下帶厚度16.1~34.7 m,強卸荷帶水平厚度7.0~11.0 m。

        弱風化下帶為壩基建基巖體,飽和單軸抗壓強度范圍(小值均值—大值均值)為72.31~114.70 MPa,平均值為88.01 MPa,軟化系數(shù)平均值為0.81,為堅硬巖石,物理力學性質(zhì)較好。微新巖體類別屬AⅡ類,弱風化下帶巖體屬AⅢ1類,弱風化上帶巖體屬AⅢ2類,強風化巖體屬BⅣ1類。拱壩壩基巖體類別以AⅢ1類巖體為主,巖體變形模量5.0~7.0 GPa。

        2 軟弱結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

        2.1 軟弱結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

        2.1.1 物質(zhì)組成

        緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面主要由流紋質(zhì)凝灰熔巖巖屑、巖塊和泥質(zhì)組成,結(jié)合較緊密,杏仁體+斑晶含量占20%~30%,隱晶質(zhì)基質(zhì)含量占70%~80%。通過兩岸壩肩平硐揭露統(tǒng)計,J10軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約60%,J5、J6、J9、J11、J12軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約40%,J7、J8軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量小于30%,總體上勘探范圍內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約20%~60%,泥質(zhì)含量組分偏高。

        2.1.2 結(jié)構(gòu)特征

        軟弱結(jié)構(gòu)面主要為單層裂隙,一般寬度0.5~3.0 cm,局部達5.0 cm,巖屑和巖塊填充物呈塊狀、片狀鑲嵌分布,原巖結(jié)構(gòu)輕微破壞,組成結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為空間不均勻性(圖3)。

        2.2 軟弱結(jié)構(gòu)面空間發(fā)育規(guī)律

        兩岸壩肩發(fā)育的J5~J12數(shù)條軟弱結(jié)構(gòu)面總體上呈平行展布,局部不連續(xù)發(fā)育,產(chǎn)狀大致相同,傾向上游偏河流右岸,總體產(chǎn)狀70°~130°,傾角5°~30°,結(jié)構(gòu)面走向與壩軸線交角為0°~33°。各軟弱結(jié)構(gòu)面在總體產(chǎn)狀平緩的基礎上,呈不同程度的波浪形起伏形態(tài),起伏差約1~3 cm,起伏角1°~3°。鉆孔巖芯中未見軟弱結(jié)構(gòu)面,河床鉆孔ZK18光學成像發(fā)育水平狀寬大裂隙(圖4),地質(zhì)測繪過程中未在壩基陡坎發(fā)現(xiàn)出露的軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)開挖平硐內(nèi)各軟弱結(jié)構(gòu)面的觀察統(tǒng)計,各拱圈高程結(jié)構(gòu)面分布及厚度如表1所列。

        2.3 軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及分類

        雙港口拱壩壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面按物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征,可分為泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種,依次占比約20%,50%及30%。壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面分類統(tǒng)計見表1。

        壩肩流紋質(zhì)凝灰熔巖緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律如下:

        (1)軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與流紋質(zhì)凝灰熔巖的面理產(chǎn)狀大致相同,巖體呈流紋構(gòu)造,拉長現(xiàn)象明顯,揭示了火山碎屑熔巖的流動方向。火山碎屑熔巖侵入體與圍巖接觸面形成不整合破碎帶,為間歇噴溢的軟弱接觸面,屬于原生火成結(jié)構(gòu)面。在后期地質(zhì)過程中,長期受地下水及風化作用。

        (2)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育地層為單一巖性的流紋質(zhì)凝灰熔巖,流紋質(zhì)凝灰熔巖堅硬,厚層發(fā)育,不存在順層發(fā)育的層理構(gòu)造,巖性條件較簡單。

        (3)緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征存在不均一性,同一條軟弱結(jié)構(gòu)面厚度及不同部位泥質(zhì)含量不均一,不同位置的軟弱結(jié)構(gòu)面形狀不同,例如左壩肩PD02平硐內(nèi)J7、J8結(jié)構(gòu)面含泥量小于30%,PD03平硐內(nèi)J10結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約60%,軟弱結(jié)構(gòu)面呈不均一發(fā)育特征。

        3 抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)分析

        3.1 軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度確定

        拱壩壩肩平硐開挖后,選取右岸平硐PD03內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面J10開展中型剪抗剪強度試驗。8個試驗點均位于支洞樁號0+23 m附近,處于弱風化下帶巖體弱卸荷狀態(tài),出露高程308 m,貫穿左、右壁。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀70°~75°∠20°~25°,洞內(nèi)可見延伸長度約9 m,一般寬度為2~5 cm,起伏光滑,充填物以泥夾巖屑為主,剪切面上填充物浸水后較軟(圖5(a)),局部可見明顯擦痕,裂隙連通性較好。剪切面剪切方向左側(cè)被黃褐色水銹填充。試件整體上沿預設剪切面巖體剪斷,巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀。剪切面最大起伏差約3.0 cm。剪切面上擦痕遍布。PD03平硐結(jié)構(gòu)面中型剪試驗成果見表2,試驗τ-σ關系曲線如圖6所示,巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強度參數(shù)為f′=0.532MPa,c′=0.096 MPa;抗剪強度參數(shù)f=0.425 MPa。

        結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的不均一性是影響軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的重要因素,PD03平硐內(nèi)J10泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面性狀明顯差于其他結(jié)構(gòu)面,泥質(zhì)程度較高,結(jié)構(gòu)面結(jié)合不緊密并受到輕微的機械破碎,導致局部的結(jié)構(gòu)面具有較低的抗剪力學指標,對抗滑穩(wěn)定不利,因此在確定抗剪強度時應適當降低。此外由于取樣位置的影響,取樣試塊往往性狀較好以便于試驗操作,因此中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結(jié)果略優(yōu)于實際情況,結(jié)合拱壩地質(zhì)條件及工程安全性考慮,應適當降低試驗值作為軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度地質(zhì)建議值。

        依據(jù)壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征,并參考其他工程經(jīng)驗[8-10,提出壩基主要緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)地質(zhì)建議值(表3)??紤]軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有不均一性,在確定抗剪強度指標時給出了不同類型的地質(zhì)建議值,設計采用時應根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面位置、分類、特征和工程實際情況等做出適當調(diào)整,酌情折減或提高使用。應區(qū)別對待不同位置軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況,以避免用局部代替整體。

        3.2 巖體抗剪強度確定

        在右岸PD04平硐內(nèi)開展了1組6點巖體原位抗剪試驗,試驗點位于PD04支硐樁號14.0~24.3 m處,6個試點位于弱風化下帶巖體,巖體處于弱卸荷狀態(tài)。巖體抗剪試驗采用平推法,剪切面為水平面,水平方向施加剪切推力,鉛直方向施加法向應力??辜魪姸葏?shù)中的摩擦系數(shù)k和黏聚力c根據(jù)庫侖表達式確定,求解方法采用最小二乘法。剪切面剪切方向左側(cè)被黃褐色水銹填充,試件整體上沿預設剪切面巖體剪斷,巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀(圖5(b))。剪切面最大起伏差約3.0 cm,剪切面上擦痕遍布。

        PD04平硐巖體直剪試驗成果見表4,試驗τ-σ關系曲線如圖7所示。由表4可知,PD04平硐流紋質(zhì)凝灰熔巖的抗剪斷強度參數(shù)f′=1.253MPa,c′=1.700 MPa;抗剪強度參數(shù)f=0.732MPa。

        3.3 拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定地質(zhì)分析

        從整體拱壩條件來看,兩岸巖性完整,巖石強度較高,但受緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的影響,壩肩抗滑穩(wěn)定性問題較為突出。根據(jù)拱壩地質(zhì)條件,最可能的滑移模式為不同高程的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面,側(cè)向沿不連續(xù)的硬性節(jié)理面L1、L2剪斷構(gòu)成側(cè)滑面,以下游坡面作為滑動體下游臨空面。根據(jù)上述壩基滑移模式,結(jié)合巖體工程地質(zhì)特性,選擇典型拱圈高程進行壩肩抗滑穩(wěn)定分析。

        3.3.1 左壩肩抗滑穩(wěn)定分析

        左壩肩及抗力體范圍內(nèi),地形總體完整,坡向5°~15°,谷坡陡峻,有一小型溝谷臨空,無斷層,臨河陡峻岸坡構(gòu)成左岸臨空面。通過結(jié)構(gòu)面調(diào)查,構(gòu)成抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面主要有以下兩種:側(cè)裂面為隨機性硬性結(jié)構(gòu)面L1、L2,底滑面為確定性軟弱結(jié)構(gòu)面J5、J6、J7、J8。

        3.3.2 右壩肩抗滑穩(wěn)定分析

        右壩肩及抗力體范圍內(nèi),地形總體完整,坡向92°~101°,谷坡陡峻,無大的深切溝谷臨空,無斷層,臨河陡峻岸坡構(gòu)成右岸臨空面。構(gòu)成抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面主要有以下兩種:側(cè)裂面為隨機性硬性結(jié)構(gòu)面L1、L2,底滑面為確定性軟弱結(jié)構(gòu)面J9、J10、J11、J12。

        半確定性組合中,底滑面J10為泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面,底滑面J5、J6、J9、J11、J12為巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面,抗剪強度較低。在拱端力的作用下,存在發(fā)生剪切滑移的可能,需進行抗滑穩(wěn)定分析驗算。側(cè)滑面L1、L2均為硬性結(jié)構(gòu)面,發(fā)育較隨機,局部可能形成不利組合塊體。依據(jù)壩肩臨空面、側(cè)滑面和底滑面特征,拱端滑動不利組合為半確定性組合,構(gòu)成壩肩潛在滑移塊體組合模式如表5、圖8、圖9所示,底滑面軟弱結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)地質(zhì)建議值見表3。

        綜合以上分析,左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不利組合模式,針對以上不利組合,需進行抗滑穩(wěn)定分析計算,并根據(jù)計算成果,確定是否需采取處理措施或采取何種處理措施,以確保左、右壩肩抗滑穩(wěn)定。

        3.4 抗滑處理措施

        壩肩平面穩(wěn)定計算采用的是平面剛體極限平衡法,對273.50,283.00,292.50,302.00,311.50 m及321.00 m 6個高程平切面進行穩(wěn)定分析。以巖基線作為滑動體的下游臨空面,底滑面為剪斷水平巖石面,側(cè)滑面為一組通過上游壩踵的鉛直面(圖10)。

        壩肩左、右兩岸抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果顯示,基本組合下,右岸抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于3,特殊組合大于2.5,未達到拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定要求,需要加固處理保證壩肩抗滑穩(wěn)定安全。

        提高滑動面抗剪能力的措施一般通過抗剪齒槽、抗剪洞、抗滑樁、槽挖、混凝土塞、加密固結(jié)灌漿及軟弱結(jié)構(gòu)面的本身加固處理,且這幾種方案可以組合運用。對于壩肩巖體,由于平硐勘探范圍有限,其在一定高程區(qū)域內(nèi)可能存在多層軟弱結(jié)構(gòu)面,建議施工階段對不滿足抗滑穩(wěn)定要求的軟弱結(jié)構(gòu)面采取抗滑處理措施。

        4 結(jié)論

        本文分析了雙港口拱壩軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容,提出了軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的地質(zhì)參數(shù)。左、右壩肩存在影響抗滑穩(wěn)定的半確定性結(jié)構(gòu)面不利組合模式,需進行抗滑穩(wěn)定分析計算,并采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施。主要結(jié)論有:

        (1)雙港口拱壩緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面以巖屑夾泥型為主,泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種依次占比約20%,50%及30%。軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約20%~60%,其成因為原生火成結(jié)構(gòu)面。

        (2)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育在侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組流紋質(zhì)凝灰熔巖(J3e)地層,平硐揭露高程為左壩肩290 m,右壩肩308 m和328 m。

        (3)中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結(jié)果略高于實際情況,結(jié)合拱壩地質(zhì)條件及工程安全性考慮,適當降低試驗值作為抗剪強度地質(zhì)建議值。軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有不均一性,設計采用時應根據(jù)結(jié)構(gòu)面分類、特征和工程實際情況做出適當調(diào)整,酌情折減或提高使用。

        (4)滑移模式為緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面,硬性節(jié)理面構(gòu)成側(cè)滑面,下游坡面作為滑動體的下游臨空面。右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面性狀較差,對抗滑穩(wěn)定性影響大,應重點復核壩肩抗滑穩(wěn)定的影響。

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        (編輯:郭甜甜)

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