龍塘水庫壩址溶蝕節理化巖體的工程特性研究

張 丙 先，馮 進 偉，張 濤，周 新 開

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

龍塘水庫壩址基巖為中厚-巨厚層狀灰巖，節理發育，沿節理普遍發生溶蝕風化，裂隙性溶蝕風化帶厚40～60 m，屬典型的溶蝕節理化巖體。溶蝕節理化巖體的強度決定了設計方案和工程量，成為影響樞紐工程建設的關鍵因素。巖體的節理化是常見的地質現象，相關學者做了大量的研究工作。節理巖體的影響因素方面，李建林等[1]開展了節理巖體三軸卸荷試驗，研究了卸荷條件下節理巖體的應力-應變關系、變形特征、強度特征和破壞模式；劉紅巖等[2]研究了節理巖體在凍融條件下的損傷破壞機制及其相應的力學特性。節理巖體的分析方法主要包括試驗[3]、數值分析[4-6]、三維激光掃描技術[7]和Hoek-Brown準則及其改進[8]。工程處理方面，張波等[9]研究了含交叉裂隙節理巖體的錨固效應及破壞模式，倪衛達等[10]提出一種考慮卸荷損傷的柱狀節理巖體開挖分析方法，Zhou等[11]提出了考慮節理巖體節理取向影響的損傷模型。

綜上可知，無論是對節理化巖體本身的研究還是考慮卸荷、凍融等作用的影響，在分析方法、工程處理以及模型建立等方面均取得了較大的進展。溶蝕作用不同于卸荷、凍融等物理作用，屬于化學作用。溶蝕往往從節理面開始對巖體產生破壞，巖溶形態復雜，分布規律性差，因此疊加溶蝕作用的節理化巖體的工程性質更為復雜。目前對溶蝕巖體的研究多集中在溶洞等巖溶現象方面[12]，而對龍塘水庫壩址而言，需要解決的是兼具溶蝕作用的節理化巖體的強度問題。本文在現場調查、綜合勘探的基礎上，重點進行了鉆孔壓水試驗、聲波測試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像，對巖體中節理的成因機制、溶蝕風化特征進行了分析，對溶蝕節理化巖體進行了原位試驗。考慮到原位試驗試體的尺寸相對偏小，巖體中溶蝕和節理的隨機分布存在缺陷，采用Hoek-Brown經驗公式[13-14]對溶蝕節理化巖體強度進行了估算，并與原位試驗成果進行了對比分析。在此基礎上，基于巖體力學強度結合聲波波速、結構面特征等綜合分析溶蝕節理化巖體質量，進而確定了巖體的利用及處理措施。評價方法和成果對類似工程具有借鑒意義。

1 壩址巖體節理的成因機制

1.1 壩址區地質構造背景

龍塘水庫壩址位于康藏高原東南部之鹽源盆地北部的丘陵區，在大地構造上位于揚子準地臺西北部的二級構造單元鹽源麗江臺緣拗陷區中部鹽源“山”字型構造脊柱部位。區內構造形跡受南北向推力的控制，形成了一系列北東及北西向延伸的寬緩褶皺。其中采石場向斜和石河壩背斜是分布于龍塘水庫壩址上游和下游的兩個褶皺(見圖1)。

圖1 壩址區褶皺地質剖面Fig.1 Geological profile of folds in the dam site area

采石場向斜軸面走向近東西，北翼巖層傾向170°～195°，傾角30°～50°；南翼巖層傾向340°～10°，傾角50°～70°。核部地層巖性為三疊系上統下博達組(T3xb)泥灰巖，兩翼地層巖性主要為三疊系中統白山組(T2b)灰巖。

石河壩背斜軸面走向80°～95°，北翼陡于南翼，北翼巖層傾向15°～35°，傾角50°～70°，南翼巖層傾向170°～210°，傾角19°～30°。核部及兩翼地層巖性均為三疊系中統白山組(T2b)灰巖。

1.2 巖體中節理的發育特征

龍塘水庫壩址位于采石場向斜與石河壩背斜的轉折部位，巖層傾向350°～10°，傾角50°～60°，呈中厚-巨厚層狀。巖體中節理發育，主要有5組節理(見圖2)，節理基本特征列于表1，其中以第1，2，3組節理較發育，沿節理面發育溶蝕風化現象。

圖2 節理等密圖(上半球投影)Fig.2 Joint contour diagram(upper hemisphere projection)

表1 壩址巖體節理分組統計Tab.1 Statistical table of joint grouping of rock mass at dam site

1.3 巖體中節理的成因機制

龍塘水庫壩址位于采石場向斜與石河壩背斜的轉折部位，巖體為灰巖，屬硬質巖。伴隨褶皺的形成，巖體發生脆性破裂，形成構造節理(縱剪節理)，其中第1組節理與第2組、第3組節理呈緩、陡相交的“X”型共軛節理系。巖體中主要構造節理的受力分析情況如圖3～4所示。由圖4可知，褶皺的壓應力并非水平，而向北傾伏，傾伏角30°左右。

圖3 主要節理面赤平投影Fig.3 Major joint planes stereographic projection

圖4 壩址巖體受力示意Fig.4 Stress diagram of rock mass at dam site

2 溶蝕節理化巖體的工程特性

2.1 壩址巖體的溶蝕風化特征

壩址巖體為灰巖，屬硬質巖。由于其位于褶皺轉折點，伴隨褶皺的形成，巖體在壓應力作用下發生脆性破裂，導致巖體中節理發育，屬典型的節理化巖體(見圖5(a))。灰巖亦屬可溶性巖石，節理成為溶蝕風化營力的通道，地下水沿節理運移，發生溶蝕風化，并沿節理溶蝕擴展，形成溶蝕風化裂隙，成為典型的溶蝕節理化巖體，工程上將其劃分為裂隙性溶蝕風化帶(見圖5(b))。

圖5 壩址節理化巖體溶蝕風化現象Fig.5 Karst and weathering of jointed rock mass at dam site

據鉆孔、平硐揭露和鉆孔壓水試驗、聲波測試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像等資料綜合分析，壩址巖體表層強烈溶蝕風化帶厚度：兩岸為5～15 m，河床為0～2.0 m；裂隙性溶蝕風化帶厚度：兩岸為50～60 m，聲波縱波速平均值為4 169 m/s；河床為40 m，聲波縱波速平均值為3 439 m/s。裂隙性溶蝕風化巖體厚度較大，巖體中直徑大于1.0 m的溶洞多分布于2 350 m以上，洞徑在0.5～1.0 m的溶洞多布在高程2 335～2 348 m以上，溶蝕節理化巖體質量自上而下差別不明顯。河床溶蝕風化程度高于兩岸(見圖5)，這與通常河床風化厚度和程度低于兩岸的情況相反。分析造成這種反常現象的原因為：① 節理發育程度相同，壩址巖體節理屬構造節理，其發育程度在兩岸和河床差別不大；② 地下水作用不同，兩岸地下水位略高于河水位，巖體多處于干燥狀態，也就是說當河流下切后，兩岸巖體的溶蝕風化作用強度較低，而河床巖體由于地下水的常年入滲，溶蝕風化作用強烈，因而造成河床溶蝕風化程度高于兩岸的反常現象。

2.2 節理及溶蝕風化對巖體質量的影響

龍塘水庫壩址灰巖呈中厚-巨厚層狀，但巖體中節理發育，主要有5組節理，節理相互切割破壞了巖體的完整程度，呈鑲嵌結構。溶蝕風化作用使節理擴展，甚至形成巖溶洞穴，進一步破壞了巖體的完整程度，呈塊裂結構，局部呈碎裂結構。因此，原本中厚-巨厚層狀且屬于硬質巖的灰巖，因發育節理及溶蝕風化使其完整程度和整體強度降低，不均勻性變差，導致壩址巖體產生一系列工程地質問題。

2.3 溶蝕節理化巖體的試驗成果

壩址溶蝕節理化巖體厚度達50～60 m，是壩址利用的主要巖體。為了查明巖體的工程性質，在壩址鉆孔內進行了聲波測試和電視錄像；兩岸分不同高程布置了3層平硐，平硐中選取典型地段進行原位變形和剪切試驗各18點。壩址溶蝕節理化巖體物理力學參數列于表2。彈性波波速值是巖體堅硬程度、完整程度及嵌合緊密程度等工程地質性質的綜合指標[15]，壩址巖體聲波縱波速為3 200～4 200 m/s，完整性系數為0.28～0.48，巖體破碎-完整性差，反映了節理及溶蝕風化對巖體強度的損傷、巖體的抗剪強度和變形指標相對完整巖體明顯降低。

表2 壩址溶蝕節理化巖體物理力學參數Tab.2 Physical and mechanical parameters of karst and jointed rock mass at dam site

2.4 基于Hoek-Brown經驗公式的強度估算

采用建立在GSI基礎上的Hoek-Brown經驗公式[16]估算溶蝕節理化巖體強度參數，計算參數取值及計算結果列于表3。

表3 溶蝕節理化巖體強度計算成果Tab.3 Calculation results of karst and jointed rock mass

2.5 Hoek-Brown計算結果與原位試驗成果對比

基于建立在GSI基礎上的Hoek-Brown經驗公式計算結果與原位試驗成果比較情況列于表4。由表4可知：Hoek-Brown經驗公式計算得到的凝聚力c值、變形模量E0值與原位試驗成果接近，而摩擦系數f明顯偏小，僅為原位試驗值的0.38倍。考慮到原位抗剪試驗試體的尺寸僅50 cm×50 cm，相對于壩基明顯偏小，而Hoek-Brown經驗公式計算得到的摩擦系數f值可理解為節理和巖橋提供的摩擦力按面積加權平均后的結果[17]，因而摩擦系數f值較小，可能更符合實際情況。

表4 Hoek-Brown經驗公式計算結果和原位試驗成果比較Tab.4 Comparison of results by Hoek-Brown empirical formula and in situ test

2.6 溶蝕節理化巖體質量綜合評價

龍塘水庫壩址巖體既具有較密集的成組節理，也有隨機分布的節理與裂隙，而且沿節理裂隙普遍發生溶蝕風化。節理及溶蝕風化在很大程度上降低了巖體強度，因此難以用單一的力學指標評價巖體的質量。基于巖體力學強度結合聲波波速、結構面特征等綜合分析巖體質量，分析成果列于表5。

表5 壩址溶蝕節理化巖體綜合分析Tab.5 Comprehensive analysis on karst and jointed rock mass at dam site

3 溶蝕節理化巖體的利用與處理

3.1 壩基巖體的利用與處理

溶蝕節理化巖體基本質量分級為Ⅲ級，壩基巖體工程地質分類屬AⅣ類。溶蝕節理化巖體呈裂隙性溶蝕風化狀態，巖體呈塊裂結構，沿裂隙溶蝕風化，局部存在溶洞。巖體處于圍壓情況下，巖體承載力可滿足中等壩高大壩地基的要求，但巖體完整性差，應重點關注壩基不均勻變形。處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結灌漿，以提高壩基巖體完整性和抗變形能力。

3.2 地下洞室圍巖的利用與處理

隧洞圍巖類別屬Ⅳ類，穩定性差。節理密集段和溶蝕發育段可能發生塌落、變形，處理措施為清除軟弱充填物及強烈溶蝕風化帶，然后進行回填和灌漿；一般節理化巖體破壞模式為結構面切割形成不穩定的塊體，支護措施為系統錨桿、噴混凝土。

3.3 開挖邊坡的處理措施

溶蝕節理化巖體中巖溶洞穴、溶蝕結構面相互組合，對邊坡穩定性不利。根據調查，邊坡現狀整體穩定，局部見塊體失穩的形跡。預測邊坡開挖時失穩模式主要為結構面切割形成不穩定的塊體，需分級開挖，及時采取噴錨支護措施，局部巖溶發育段進行回填并灌漿。

4 結 論

(1) 龍塘水庫壩址節理化巖體的形成是在褶皺構造背景下，灰巖受壓力作用發生脆性破裂。節理成為溶蝕風化營力的通道，地下水沿節理運移并溶蝕擴展，形成典型的溶蝕節理化巖體。

(2) 灰巖屬于硬質巖，呈中厚-巨厚層狀，但因發育節理及溶蝕風化使其完整程度和整體強度降低且不均勻，巖體的力學指標相對完整巖體明顯降低。原位抗剪試驗試體的尺寸相對偏小，對溶蝕節理化巖體適用性較差，Hoek-Brown強度準則在估算巖體強度方面可操作性較強，計算得到的力學參數比較符合實際情況。

(3) 壩址巖體既具有較密集的成組節理，也有隨機分布的節理與裂隙，而且沿節理普遍發生溶蝕風化，局部發育溶洞。節理及溶蝕風化在很大程度上損傷了巖體強度，處于圍壓狀況下，可滿足中等壩高大壩對地基的要求，但存在壩基不均勻變形問題；作為地下洞室圍巖，除了結構面切割形成不穩定的塊體，節理密集段和溶蝕發育段還易發生塌落、變形；開挖邊坡失穩模式主要為結構面切割形成不穩定的塊體。

(4) 壩基溶蝕節理化巖體處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結灌漿，以提高壩基巖體完整性和抗變形能力；地下洞室圍巖、開挖邊坡處理措施主要為噴錨支護，局部節理密集段和溶蝕發育段進行回填并灌漿。