肯斯瓦特水利樞紐壩址區巖石崩解性特征

李新峰, 于 為, 張敬東

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司 工程勘察院,新疆 烏魯木齊 832000)

肯斯瓦特水利樞紐壩址區巖石崩解性特征

李新峰, 于 為, 張敬東

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司 工程勘察院,新疆 烏魯木齊 832000)

肯斯瓦特水利樞紐壩址區主要巖石為白堊系泥質砂巖和砂質泥巖,前期勘察結果曾判為軟巖,最終確定為中硬巖。隨著研究程度的加深和認識不斷提高,逐步發現忽略該巖石特有的崩解性特征,是導致巖石室內試驗結果不一致的主要原因之一。常規巖石物理性質試驗可以獲得耐崩解性指數Id,但該指標沒有統一的衡量標準,也缺乏直觀性。通過工程勘察實踐及現場觀察試驗方法,試圖取得直觀判斷巖石崩解特性途徑,效果良好。同時也為地面建筑物、地下開挖和邊坡工程的設計和施工提供合理的地質建議。

肯斯瓦特水利樞紐;巖石;崩解性;現場觀察試驗

肯斯瓦特水利樞紐工程是天山北坡經濟帶規模最大、地質情況最復雜的山區水利工程,該工程最大壩高129.4 m,庫容為1.88億m3,為大(2)型Ⅱ等工程。工程區位于北天山褶皺帶的烏魯木齊山前拗陷區的西段南緣斷褶隆起的山地,地貌單元上屬侵蝕構造低中山區峽谷區,山勢較陡,沿河谷和沖溝兩側基巖露頭較好,海拔高程1 000～1 800 m,相對高差150～500 m,河谷兩岸發育Ⅰ-Ⅵ級侵蝕堆積階地,頂部階地多被第四系上更新統黃土覆蓋,呈現二級夷平面。庫壩區出露的主要地層為白堊系呼圖壁河組(K1h),巖性主要為砂質泥巖、泥質粉砂巖。白堊系地層呈近東西走向、向北東傾斜的單斜地層構造,庫尾分布侏羅系砂巖、泥巖和砂礫巖。清水河子大斷裂和瑪納斯斷裂分別距樞紐區12 km和25 km,屬區域性活動斷裂和發震構造,樞紐區位于兩大活動斷裂的中間地帶,區域構造穩定性相對較差,據本工程地震安評報告,50年超越概率為10%的地震動峰值加速度為0.25g,相應地震基本烈度為8度。

本區巖石具有崩解性特點,常規巖石物理性質試驗可以獲得耐崩解性指數Id[1],但該指標在規范規程和一些文獻中鮮有涉及到其具體的物理意義和對力學性質的影響程度,也缺乏直觀性。此外,此類巖石在室內試驗效果與現場自然暴露的實際情況存在一定的差異。筆者通過工程勘察實踐及采取的一些現場觀察試驗方法,取得直觀判斷巖石崩解特性途徑,效果良好。

施工過程中,針對巖石崩解性特征,通過采取合理的施工保護措施,消除了崩解特性帶來的不良影響。目前該水庫已蓄水一年多,運行狀況良好。

1 巖石物理力學性質室內試驗成果分析

肯斯瓦特水利樞紐于2005年、2006年和2009年底,分別進行了該工程的項目建議書、可行性研究和初步設計階段的地質勘察工作,在不同階段勘探工作中,采取了大量的試驗樣品,取得較系統完整的室內試驗和現場測試資料,為工程地質分析和設計決策提供了有力的依據。根據對歷年巖石室內試驗統計匯總(表1),巖石各項物理性質指標變異性較小。2006年試驗自由膨脹率平均值45%,而2009年針對巖石膨脹性共進行48組試驗,其中僅1組試驗自由膨脹率為49%,其余均<40%,根據該巖石本身的礦物成分及全風化巖石遇水無泥化現象,且巖塊在干濕交替的浸水試驗過程中無變形現象,綜合分析判斷該巖石不具膨脹性。

通過試驗參數對比分析,筆者認為造成試驗結果差異性的主要原因是白堊系砂質泥巖或泥質粉砂巖具有特殊崩解性,野外采集的巖石樣品未及時密閉封存,出現不同程度地裂紋崩解,從而造成樣品的質量缺陷,加之樣品在野外獲取的完整性和及時性欠佳,對制樣加工和試驗過程均會產生影響,從而影響到試驗成果,尤其對巖石的力學性質指標影響更大。

由表2統計可知,巖石各項力學性質室內試驗指標存在明顯差異,通過對比分析可以看出:

(1) 2005年試驗組數較少,但試驗結果離散性較大,與初設階段試驗成果相比較,其飽和抗壓強度不大,為14.9 MPa,最大22.9 MPa,抗剪強度指標相近。

(2) 2006年試驗結果離散性較大,特別是抗壓強度指標,其中天然抗壓強度最大值為100 MPa,最小值為5 MPa;飽和抗壓強度最大值22.9 MPa,最小值0.03 MPa,飽和抗壓強度普遍偏小,大部分試驗結果<10 MPa,平均值為7.9 MPa,軟化系數0.12～0.25,巖塊靜彈模指標較本次初設階段試驗偏小,抗剪強度指標與初設階段試驗結果相近。

(3) 初設階段試驗結果離散性較小,飽和抗壓強度試驗結果平均值為29.8 MPa,為歷年最大值,并且巖石抗壓強度隨取樣深度加大而增大,符合巖石風化程度隨深度增加而減弱的基本規律。

針對巖石具崩解這一特性,2009年勘察中重點對巖石樣品采集進行全過程有效防護和控制,做到及時取樣、及時密閉保存、及時制樣試驗,在試驗室發現有缺陷樣品進行標注等,保證試驗樣品不受崩解因素影響;從試驗結果來看,巖石力學強度指標有大幅提高,這一結果也符合巖石本身應具有的工程特性。

根據河心鉆孔(孔位處于河流常年流水的斷面內)不同深度內采取多組巖樣進行試驗,根據該組試驗成果的統計分析(表3),取樣深度在20 m以下的微風化—新鮮巖石抗壓強度指標較大,平均值達到了37.2 MPa,分析是由于有河水保護,使巖體受風化作用抑制,基本能代表微風化—新鮮巖石的工程特性[2]。

表1 室內巖塊試驗物理性質匯總表

表2 室內巖塊試驗力學性質匯總表

表3 初設河心孔巖芯試驗成果匯總表

2 巖體風化崩解特性現場試驗

根據一些文獻資料和現行規范規程,常規巖石物理性質試驗主要是通過耐崩解性指數Id來了解巖石的崩解性,但該指標是在實驗室進行干濕循環試驗確定,且崩解性指數的物理意義沒有統一的衡量標準,也缺乏直觀性。從上節巖塊物理試驗統計結果看,工程區巖石耐崩解指數最小值63.8,平均值87.2,根據耐崩解性指數Id,參照巖石耐崩解性六個等級劃分,可判定該巖石具有中等崩解性。這只是在實驗室環境下得出的結論,但其對工程的影響程度及其具體物理意義無法獲知。由此在勘察過程中,試圖在自然環境狀態下通過不同工況取得的巖石試塊,現場觀察試驗獲得巖石崩解性直觀的解釋。現對各種試驗結果簡述如下:

(1) 鉆孔巖芯觀察,巖芯從鉆孔取出放置巖芯箱后,一般在2 h左右開始出現微細裂紋,裂紋為交錯碎裂狀,不受層面及結構面控制,呈隨機性發育。裂紋的發育和發展受天氣因素(日照、溫度、濕度、降雨、風等)影響較大。

(2) 比對不同部位、不同深度分別采取的巖石樣品,按自然暴露室外、室內、浸水三種狀況分別觀察巖石崩解速度。① 在自然暴露條件下巖塊崩解速度最快,直徑30 cm的巖塊完全風化崩解成碎塊狀在30～60 d之間;② 鉆孔巖芯在自然暴露條件下一般在2 h左右開始出現微細裂紋,崩解成碎塊狀在10～25 d之間;③ 室內觀測的巖塊及巖芯樣品崩解速度明顯減慢,直徑30 cm左右的巖塊90 d內未崩解成碎塊狀,表面出現張開1 mm左右的裂紋,呈碎塊狀掉落,鉆孔巖芯崩解成碎塊狀在60～80 d之間,個別巖芯樣品在觀測200多天后,未崩解成碎塊狀,僅在表面出現細裂紋;④浸水觀測的樣品觀測200余天后仍未出現明顯變化。

(3) 對2005年、2006年完成的平硐進行重新觀測,查看平硐內巖石塌落情況,測量平硐寬高的變化,綜合分析巖石的崩解特性,鉆孔巖芯及平硐巖石崩解特性見表4、表5。

表4 鉆孔巖芯崩解特性觀測表

表5 平硐洞身圍巖崩解特性觀測表

平硐圍巖觀測結果:①對2006年勘探平硐進行復測表明,所有平硐洞口都被崩解巖體封堵掩埋,平硐內巖體有大面積塌落,洞頂及洞壁均有,崩落深度在20～60 cm之間,圍巖不穩定,經常有小的掉塊發生。②據2009年勘探平硐觀測表明,勘探平硐在完工后15 d左右巖體開始出現掉塊現象,洞壁巖體節理形成的光面上開始出現裂隙紋,逐漸張開,最終形成裂隙發生掉塊。③根據對已完成平硐重新觀測發現,在同一平硐內,潮濕部位的巖體未發現明顯的崩解,只有少量的掉塊;而干燥部位的巖體,越接近洞口處塌落崩解的現象越嚴重。對洞內新鮮的巖體觀察發現,巖體內部發育有較多的裂紋,多與層面平行,其它隨機發育,地下水沿裂紋浸潤,局部張開形成滴水。

根據各種不同工況的統計結果可以看出,在自然暴露條件下巖體崩解速度最快,最終崩解成碎塊狀,室內條件下巖體崩解明顯減慢,浸水狀態巖塊不發生崩解。崩解產生的裂紋呈交錯碎裂狀,且不受層面及結構面控制,隨機性發育,裂紋的發育和發展受天氣因素(日照、溫度、濕度、降雨、風等)影響較大。

3 試驗對比的意義和施工過程的啟示與建議

根據上述巖石風化崩解特性現場試驗結果,可解釋以往勘察階段的巖石樣品由于保護措施不足,在風化崩解作用下使巖體內部結構發生微妙變化,并直接導致力學性質的削弱,表現在抗壓強度、靜彈模量和抗剪強度的明顯降低。

通過對巖石崩解特性認識的不斷深入,在采取巖石樣品過程中,增加有效保護措施,使得初步設計階段室內巖石物理力學試驗成果趨于合理,可為最終設計提供更加合理的參數和建議,為此,將前期勘探階段提出的巖質類型提高一級,由原來的軟質巖(較軟巖,飽和抗壓強度Rb=7.9～16.7 MPa)提高為硬質巖(中硬巖,飽和抗壓強度Rb=37.2 MPa),該指標的提高使壩基巖體工程地質分類和洞室圍巖分類也相應提高,避免設計參數過于保守,使得工程投資大大降低。

2009年10月導流洞開挖時,施工單位根據地質建議及時進行噴錨支護,為安全進洞開挖奠定了基礎。此后,發電洞、泄洪洞洞室開挖均遵循此原則,未出現大的隧洞穩定問題;與此相對應,在泄洪洞出口邊坡、聯合進水口高邊坡開挖過程中,部分施工單元由于跨越冬季,停工之前沒有及時對邊坡巖體進行覆蓋保護(噴錨支護),均出現不同程度地滑塌破壞。而處于強風化層的溢洪道出口明渠段地基,開挖后,風化崩解速度更為明顯,為清除軟弱破碎的巖石,常常出現基礎超挖現象。這從另一個方面說明,對于易風化崩解的巖石,及時采取保護措施的重要性。

4 結語

肯斯瓦特水利樞紐壩址區巖石在自然暴露條件下具有明顯風化崩解的作用,樣品采集過程中如果忽略對其保護,會影響和導致巖石單軸飽和抗壓強度等力學性質室內試驗指標的降低。初步設計勘察中,針對巖石的風化崩解特性,通過采取現場多種試驗方法對不同工況下巖石直觀的觀察,驗證了該巖石風化崩解的產生過程及可能對工程產生的不利影響。巖石在不失水、緩慢失水、保持一定溫度和濕度條件下,崩解緩慢;若受暴曬、降雨侵蝕、溫度變化等作用,則會迅速崩解。

根據以上分析,在確定本工程項目區巖石主要物理性質指標時,以歷年試驗成果匯總的算術平均值作為標準值[3];弱風化巖石的單軸抗壓強度(天然和飽和狀態)以初設階段的試驗成果算術平均值(去除異常值)作為標準值,微風化—新鮮巖石的標準值為初設階段的河心孔內微風化—新鮮巖石的試驗成果算術平均值(去除異常值),在此基礎上提出地質建議值。該指標的提高對壩基巖體工程地質分類和洞室圍巖分類的提高,避免設計參數過于保守,降低工程投資具有積極的意義。

肯斯瓦特水利樞紐工程壩址區巖石邊坡或洞室開挖后,巖體失水后會出現快速崩解現象。為確保地面建筑物、地下開挖工程的巖石基礎(或圍巖)以及巖質邊坡穩定,工程開挖后應及時采取噴混凝土的全面保護措施,防止工程巖體風化崩解帶來的力學性質降低,以減少風化崩解作用帶來的不良影響。

對于地面開挖工程重點做好保護層的預留,尤其對于強—中等風化層的巖石,宜適當增加保護層厚度;對于微風化—新鮮巖石,可減少保護層厚度;而一旦打開保護層后,就應及時采取速噴混凝土等保護措施。否則極易形成風化崩解面,此時所噴混凝土無法與巖石形成整體、貼服效果差,保護效果不理想。如導流洞出口部分段巖質邊坡噴錨支護后,僅僅在截流后不久,就造成嚴重崩落。

肯斯瓦特水利樞紐工程自2014年底下閘蓄水已近一年半,目前所有建筑物運行正常。實踐證明,對易風化崩解巖石采取合理保護措施是十分重要的。同時,也為今后類似巖石水利水電工程建設積累了有益的經驗。

[1] 徐志英.巖石力學[M].第三版.北京:中國水利水電出版社,2007.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質勘察規范:GB50487—2008[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[3] 新疆兵團勘測規劃設計研究院.新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程地質勘察報告(初步設計)[R].烏魯木齊:新疆兵團勘測規劃設計研究院,2009.

(責任編輯：陳文寶)

Discussion and Analysis of Disintegration Characteristics of Rockat the Ken Swart Hydro Junction

LI Xinfeng, YU Wei, ZHANG Jingdong

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

Main rocks of the Ken Swart dam site area are cretaceous argillaceous sandstone and sandy mudstone,preliminary survey results identified as soft rock,but ultimately determined that is medium hard rock. Through phased prospecting,with the reaserch degree deepening and understanding of continuous improved,gradually found that ignore the disintegration characteristics of the rock,it is the main reason for the laboratory tests’ results disaccord. The routine rock physical properties test can obtain the disintegration indexIdbut there is no uniform standard of measurement,and lack intuitive. This paper through the engineering prospecting practice and some of the field observation test method,attempts to find visual judgement of the disintegration characteristic of rock,and the effect is good. At the same time,it will provide reasonable geological suggestion for the design and construction of the surface buildings,underground excavation and slope engineering.

Ken Swart hydro junction; rock; disintegration; field observation test

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

李新峰(1966-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業，從事工程地質與水文地質勘察工作。E-mail:415211049@qq.com

TV223.1; P584

A

1671-1211(2016)03-0356-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.026

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.008.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31