巖漿巖中軟弱夾層成因分析與工程特性

牛書安

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

李家河水庫壩址位于山西省垣曲縣境內的黃河一級支流西陽河上(李家河村附近)，設計壩高66.8 m，設計壩型為漿砌石雙曲拱壩;后河水庫壩址位于黃河一級支流沇西河上，設計壩高73.3 m，設計壩型為漿砌石重力拱壩。兩水庫相距約10 km，兩工程壩址和庫區的地層巖性均以震旦系下統許山組的安山巖為主，屬同一巖體，似層狀產出，巖性單一、堅硬，但巖層中分布有多層軟弱夾層，是壩基、壩肩抗滑穩定的主要控制因素，對其進行分析研究具有特別重要的意義。

1 巖體中軟弱夾層的特性

1.1 軟弱夾層的空間分布特性

軟弱夾層的走向為 60°～100°，傾角 10°～20°，局部較大達35°。在橫向連續長度一般＞50 m，少數厚度小的延伸較短，一般20～30 m;而厚度大的延伸長度可達200 m，其厚度一般0.1～0.6 m，有的 2 ～3 m;有些軟弱夾層橫向上性狀變化較大，甚至靠一條或多條裂隙連接。軟弱夾層在橫向上的起伏差一般為0.3～1 m，在縱向上的間距為4～10 m。

根據大量的野外調查，軟弱夾層可分為劈理帶、剪切錯動碎屑帶、泥化帶。

劈理帶 該帶一般位于軟弱夾層的外側，即剪切錯動帶的兩側，屬剪應力影響帶，多有兩組劈理組成，劈理與主剪切面呈銳角相交，一般長0.1～0.5 m，間距2～10 cm，劈理面見有綠簾石化現象，劈理間的透鏡狀石塊受后期地質作用的影響，性狀變差。出露在地表的多為強風化狀。劈理帶厚度一般為0.2～0.5 m，由于流水的長期作用，常常形成凹槽或空洞。

剪切錯動碎屑帶 調查發現該帶多呈香腸狀分布于劈理帶內側，厚度0.5～5 cm，碎屑粒徑一般2 cm以下，棱角明顯。地表附近由于風化和地下水的作用，該帶結構疏松，碎屑手可捏碎，常形成較深的洞穴。從探硐可以看出，隨深度的增加，該帶變得較密實。

泥化帶 該帶位于軟弱夾層的中間，厚度一般較小，連續性較差，有時呈泥膜出現。泥化帶多與碎屑帶混合出現，泥化帶按其含泥量，可細分為全泥、泥夾碎屑、碎屑夾泥三種類型。

上述三個帶具體到某層中，并不是發育都很齊全，有的甚至只有劈理帶，總體上看以碎屑巖、角礫巖、糜棱巖為主。李家河壩址區主要軟弱夾層特征見表1。在后河水庫壩址，也發現有16條緩傾角軟弱夾層和結構面，其中右岸12條，左岸4條，其特征與李家河壩址基本一致。

1.2 軟弱夾層的物質組成

根據對泥化層的取樣分析，其成分主要為安山巖塊、碎屑、石英、鈣膜、次生粘土礦物等，顆粒組成見表2。

1.3 軟弱夾層的抗剪強度［1］

后河水庫4#軟弱夾層，是本區發育廣、影響大、最具代表性的軟弱夾層，其破碎夾層厚3～5 cm，個別厚者達12 cm，成分為薄片狀安山巖碎塊、碎屑、角礫，底部伴生有次生夾泥，順夾層有地下水流出。勘察過程中，對其進行了現場抗剪強度試驗，現場采用70 cm×70 cm×35 cm試件，對試件剪切面進行了長達2個月的飽水，并對試件采取限制夾泥膨脹的措施，獲得了試件夾泥層在不擾動、不膨脹下的抗剪強度:峰值強度f=0.37，c=0.1 MPa;殘余強度 f=0.36，c=0.08 MPa。考慮到試驗的局限性和影響軟弱夾層強度的因素較多，如起伏差、夾層厚度、夾層物質組成等，并參考國內多個類似工程試驗成果和專家咨詢會議的意見，確定了軟弱夾層的抗剪強度指標:f=0.45 ～0.55，c=0.05～0.1 MPa。

表1 李家河壩址區主要軟弱夾層空間分布特征表Table 1 The spatial distribution characteristics of main weak interlayer of Lijiahe Dam site

表2 安山巖泥化層顆粒試驗成果表Table 2 Test results of mud layer particle of andesite

2 軟弱夾層的成因分析［2］

安山巖巖體中軟弱夾層的空間分布，受巖體中原生“軟弱面”(間歇性、流面性)及構造應力的控制，由于構造作用強烈、原生“軟弱面”延伸遠、分布廣、產狀變化大，決定了軟弱夾層橫向延伸遠、起伏差大的特點。

在長期的地質構造作用過程中，巖體產生錯動、剪切現象。壩址區的安山巖在其形成過程中，產生了多個噴發間歇面、流層面等強度較低的結構面，長期構造作用錯動、剪切現象即沿這些相對軟弱面發生，對其進行滲透、淋濾、浸泡等作用使之性狀變差，甚至使許多軟弱夾層發生泥化現象，從而形成了形狀差、分布廣，對工程影響較大的軟弱夾層。

3 軟弱夾層對工程的影響評價［3］

在進行李家河壩肩抗滑穩定性計算時，由于右壩肩缺少滑移體的側向切割面，不具滑移條件，因此，主要對左壩肩進行抗滑穩定計算，其底滑面即為軟弱夾層，抗剪強度指標從安全角度考慮取f=0.45，c=0。側滑面為節理面，抗剪強度指標取f=0.6，c=0。按照剛體極限平衡法(數解法)，其基本公式為:

式中:Kc為抗滑穩定安全系數;R1、R2為側滑面、底滑面上的法向反力;f1、f2為側滑面、底滑面上的抗剪摩擦系數;S1、S2為側滑面、底滑面上的切向力;U1、U2為側滑面滲透壓力和底滑面上的揚壓力。經計算Kc=1.09。

4 結論

安山巖中軟弱夾層是構造作用、地下水活動、風化作用等綜合作用的結果，構造作用是其最基本的因素，由于安山巖的強度高、性脆，使軟弱夾層的危害性更加突出。

軟弱夾層的空間分布受巖體中的原生間歇面、流層面控制。軟弱夾層縱向間距4～10 m，延伸長度＞50 m。軟弱夾層可分為三個帶:劈理帶、剪切錯動碎屑帶、泥化帶。通過施工開挖，所揭露的地質條件與勘察結果基本一致。軟弱夾層的抗剪強度與其性狀、厚度、起伏差等有關，通過現場試驗和對類似工程的分析研究，得到了工程所需的軟弱夾層的抗剪強度有關參數，進而為設計人員提供了設計依據。

［1］ 孫民偉.后河水庫壩基4號間歇面的成因及其抗剪強度分析［J］.焦作工學院學報，1988，17(1):50 －53.

［2］ 戴其祥，張瑞怡，付友蘇.后河水庫工程地質勘察研究概述［J］.人民黃河，2003，25(10):41 －42.

［3］ 尹晉忠.雙曲拱壩壩肩巖體抗滑穩定性分析［J］.山西水利，2003(4):31－33.