馬街河水庫全風化巖體壩基工程地質特性研究

文肖逸，于 為

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

馬街河水庫位于云南省臨滄市云縣茶房鄉馬街村境內的馬街河中游,是馬街河上唯一控制性水源工程。馬街河屬瀾滄江水系一級支流-勐麻河支流,全長9.0 km,多年平均徑流量約1627 萬m3。擬建馬街河水庫是一座以解決灌區人畜飲水及灌溉供水的綜合性水利工程,包括引水工程、水庫和灌區輸水線路三部分。水庫需要從臨近的南洼河引水作為補充水源,引水工程由引水渠首、引水隧洞等建筑物組成；水庫由攔河大壩、導流泄洪等建筑物組成；灌區輸水線路由管道、倒虹吸等建筑物組成。水庫總庫容1155 萬m3,最大壩高85 m,控制灌溉面積3.5 萬畝。工程區巖性為蝕變花崗巖,區域地質構造穩定性較差,巖體風化層厚度大,其中全風化層巖體風化程度高、發育廣泛是其主要特點。巖體風化是本項目最主要的物理地質現象,也是工程處理建議需重視的問題。查明工程區全風化巖體的工程地質條件,提出工程處理建議,將對該工程的壩型選擇、壩基開挖深度、防滲處理深度等起至關重要的作用。

2 花崗巖風化特征

2.1 巖體風化帶厚度特征

表1 壩址區各風化層巖體特征表

2.2 風化巖成因分析

工程區花崗巖的風化程度及風化特征主要受巖石的結構、礦物成份影響,受地形地貌、地質構造、地下水活動、后期蝕變等多種因素共同作用影響。

（1）巖石結構及礦物成份：本工程花崗巖經后期蝕變作用,巖石結構及礦物成分存在明顯差異,風化程度會受一定影響。通常,粗顆粒巖體結構比細顆粒風化程度高；斜長石含量高的花崗巖比鉀長石含量高的風化程度明顯。壩址區的花崗巖以碎裂蝕變黑云母花崗巖為主,主要礦物成分有：鉀長石約占25%,多已發生高嶺石化且包裹石英,僅見殘留體,可見少量微斜條紋長石；斜長石約占30%,半自形板柱狀,相對折射率小于石英,鈉長石雙晶發育,且雙晶紋細而密,均已發生絹云母化,僅見殘留體；石英,它形粒狀,正突起低,正交下具一級黃白干涉色,有的包裹于長石中；黑云母約占5%,淡褐～深褐色,片狀,一組極完全解理,且解理彎曲,多已發生綠泥石化后,正交偏光下干涉色呈異常蘭色,并析出鐵質。巖體抗風化能力較弱,致使全風化層厚度大。

（2）地形地貌條件：壩址區兩岸沖溝較發育,是花崗巖地區地貌特點。沖溝兩壁巖體裸露,形成較多的臨空面,在風化營力的作用下,由低向高風化程度增加,在山頂處風化厚度大,低谷或鄰近河床風化較淺。由于在地形平緩處或低凹處,地表水排泄受阻,地表水垂直下滲,使風化產物不易被剝蝕,全風化巖體殘留厚度大。對于岸坡地形較陡地段,巖體的風化程度較淺。

（3）地質構造發育程度：印支期侵入巖（γ5i）與三疊系中統忙懷組（T2m）火山巖呈侵入接觸,受構造影響作用強烈。強烈的地質構造作用,使巖體的完整性變差,形成較多地表水入滲通道,降低巖石的抗風化能力。壩址區次級構造多為中、陡傾角,在這些次級構造和滲漏通道附近,地下水活動明顯使風化加深,主要原因是為地表水的入滲和地下水的運移提供了條件,使得沿斷層風化深度加大,通常會形成風化槽。地質構造作用強烈,使巖體中礦物成分發生動力蝕變,巖體強度降低,同時抗風化能力變弱,風化厚度變大。因此地質構造作用是巖體風化作用加劇,形成不均勻的風化殼等現象的主要原因。

3 全風化花崗巖工程地質特性

3.1 全風化花崗巖顆粒級配

壩址區揭露全風化基巖巖性多為粘土質砂,根據顆分試驗：全風化上帶粒徑＞5 mm顆粒含量為12.2%,5 mm~0.075 mm顆粒含量為56.5%,0.075 mm~0.005 mm顆粒含量為20.6%,＜0.005 mm含量為10.6%,塑性指數10.0~24.4；全風化下帶粒徑＞5 mm顆粒含量為11.6%,5 mm~0.075 mm顆粒含量為57.4%,0.075 mm~0.005 mm顆粒含量為23.9%,＜0.005 mm含量為7.1%,塑性指數11.2 ~17.5。依據顆粒分析成果可知,粗顆粒含量偏低且細顆粒離散性較大,對心墻的防滲及抗變形不利,作為防滲土料質量不夠理想。

3.2 全風化花崗巖基本物理性質

對壩址區開挖的平硐和探坑內全風化地層進行現場、室內物理性質試驗,選取代表性試驗成果進行統計,并將異常值剔除。壩址區全風層因風化程度差異及特殊風化現象的存在,試驗數據存在一定的離散性。壩址區全風化層物理力學性質成果統計見表2,其平均值可作為各分層物理性質參考特征值。

表2 壩址區全風化層物理力學性質成果統計表

3.3 全風化花崗巖透水性

壩址區全風化花崗巖體厚度較大,屬粘土質砂,具一定孔隙比,其透水性較其它風化狀態的基巖有較大差異,根據現場地質情況,分左右岸在平硐中的全風化巖（土）體段選取具有代表性的位置,采用雙環法進行滲水試驗,壩址區全風化上、下帶滲透系數1.39×10-4cm/s～8.22×10-3cm/s,表明全風化花崗巖透水率較大,屬中等透水巖（土）體。

3.4 全風化花崗巖力學性質分析

全風化巖體顆粒組成、結構特征有所差異,決定了巖體力學特征的差異。本階段在壩址區平硐、探坑全風化層進行現場、室內物理性質試驗,壩址區鉆孔內進行標準貫入試驗、重型動力觸探試驗,鉆孔內巖體縱波速測試等原位綜合測試方法,求取巖體的力學指標。選取代表性試驗成果進行統計,并將異常值剔除,其分帶試驗成果統計見表3。

表3 壩址區全風化巖體力學參數建議值

承載力特性：本次通過鉆孔內標準貫入試驗、重型動力觸探試驗,來確定全風化巖體的地基承載力標準值。通過剔除離散試驗值,取試驗平均值的小值作為巖體承載力標準值,經綜合分析,提出全風化帶巖體的承載力建議值。

變形特性：本次通過鉆孔內標準貫入試驗、重型動力觸探試驗,確定全風化巖體的變形指標。據試驗成果,整體上隨埋深的增大,變形模量也逐漸增大。根據力學指標差異,進行分帶劃分,全風化巖體抗變形的能力為下帶巖體高于上帶巖體。隨著全風化巖體密實程度增大,天然含水量降低,承載力提高,變形模量越大,抗變形的能力越強；反之,密實度降低,天然含水量增大,承載力降低,變形模量就越小,抗變形的能力越差。

抗剪特性：工程區全風化巖體風化厚度大、分布范圍廣,邊坡開挖時占主要部分,邊坡土體性質類似于散體均質邊坡,其穩定性由全風化巖體性質決定,結合抗剪試驗成果并類比其他工程經驗分析,建議全風化層上帶臨時坡比為1∶1.00,永久坡比為1∶1.25；全風化層下帶臨時坡比為1∶0.75,永久坡比為1∶1.00。建議全風化層邊坡開挖時,采取錨固、噴護等措施。

4 壩基持力層的選擇及防滲處理措施

4.1 壩基持力層的選擇

壩址區全風化巖體為軟質巖Ⅴ類（CV）,破碎且已失去原巖結構,抗滑、抗變形能力極差,不能作為高混凝土壩地基；強風化巖體為軟質巖Ⅴ類（CV）,破碎～較破碎,強度低,抗滑、抗變形能力差,不宜作為高混凝土壩地基；弱風化巖體為軟質巖Ⅳ類（CⅣ）,較破碎,局部完整性差,強度低,抗滑、抗變形性能差,不宜作為高混凝土壩地基；微風化巖體為中硬巖Ⅲ類（BⅢ2）,巖體完整性差,局部較完整,強度較高,抗滑、抗變形能力主要受巖體結構面和強度控制。壩址區代表壩型為土石壩,推薦壩型為粘土心墻風化料壩、瀝青混凝土心墻風化料壩、面板堆石壩。

壩基適應性：壩基地層巖性為蝕變花崗巖,細粒隱晶質結構、花崗結構,塊狀構造。兩岸全、強風化巖體層厚。建議粘土心墻基礎置于全風化層下帶（巖體類別CV）或強風化層（巖體類別CV）,瀝青混凝土心墻和面板壩趾板基礎置于弱風化層（巖體類別CⅣ）,壩殼基礎可置于全風化層上帶,并進行基礎處理。

4.2 壩基防滲處理措施

防滲帷幕處理：壩址區蝕變花崗巖全、強風化巖體屬中等透水性。上壩址＜10 Lu弱透水層埋深：左岸36 m~73 m,河床27 m~36 m,右岸32 m~78 m；下壩址＜10 Lu弱透水層埋深：左岸17 m~105 m,河床13 m~17 m,右岸17 m~52 m。＜5 Lu相對隔水層界線多為進入弱風化巖體一定深度,或建議按1 倍壩高進行防滲處理,因此各壩型防滲深度基本相同。

防滲處理建議：對于壩基的變形和滲透破壞,壩基與下部相對隔水層間的連接是重點。加強對全風化中顆粒間的“擠密”是關鍵。針對大壩不均勻沉降及協調變形的特點,地質建議為加強固結灌漿處理,結合本地區成熟經驗,提供壩基處理、灌漿處理建議：①適當增大壩基心墻底板的開挖深度和尺寸；②加深和加密灌漿的深度、孔排距；③控制好灌漿的壓力和漿液濃度等；④控制混凝土蓋板的抬動和兩側冒漿；⑤對灌漿效果進行檢測；⑥注漿后妥善封孔。通過現場灌漿試驗,確保壩基巖體滲漏改善,并滿足設計要求。

5 結語

（1）巨厚的巖體風化殼是火山巖分布地區的共同特點,研究其物理性質和工程地質條件對工程建設影響較大。

（2）本文通過對勘察成果資料統計分析,查明全風化帶巖體的物理力學性質,對比工程地質條件特性差異,作為粘土心墻壩壩基,全風化下帶巖體可作為地基持力層；隨著兩岸壩體填筑高度降低,對壩基巖體參數、適宜性要求也相對降低,在加強地基處理的條件下,建基面可適當提高。

（3）全風化帶巖體的物質組成差異大,風化程度不均一,致使其透水規律性差,施工期巖體可灌性較差。防滲處理建議采用固結灌漿,應在施工前進行灌漿試驗,以確定其可灌性和灌漿參數。