黃石盤水庫壩址區NJ2軟弱夾層成因分析

楊 鵬，吳曉鵬，胡秋越

（四川水發勘測設計研究有限公司，成都 610097）

紅層是指外觀以紅色系為主的中、新生代砂巖、泥質巖沉積地層，在我國分布面積較廣泛。據粗略統計， 僅在四川盆地 （含重慶市） 紅層出露面積達29.18 萬km2。由于紅層沉積年代晚，沉積環境動蕩，多以泥質巖為主，膠結較差，強度低，易風化崩解，軟弱夾層發育；因而對工程建設有重大影響。紅層地區的軟弱夾層通常是控制邊坡穩定、 大壩抗滑穩定等的關鍵因素， 因此研究紅層地區的軟弱夾層對水利水電工程的建設具有十分重要的意義。

黃石盤水庫壩址區在前期勘察及后期施工開挖中均揭示NJ2 軟弱夾層， 通過分析發現NJ2 對大壩抗滑穩定有決定性影響。 在壩址區構造作用微弱的條件下，NJ2 軟弱夾層最大泥化厚度厚達7 cm，大于紅層地區一般軟弱夾層的泥化厚度。 因此正確認識NJ2 軟弱夾層的成因，對總結前期勘察成果、采取合理的水工結構措施確保大壩抗滑穩定、 深入認識紅層地區軟弱夾層發育規律具有積極意義。

1 NJ2 軟弱夾層概況

1.1 黃石盤水庫壩址區地質概況

黃石盤水庫位于四川省巴中市恩陽區境內， 是一座以城鎮防洪為主，兼發電的大（2）型水利工程，壩型為混凝土重力壩，壩高43.8 m。壩址區河床基巖裸露；兩岸坡陡峻，岸坡高度40～45 m；岸坡以上為一級階地，地形平緩；區域內最低一級夷平面高于河床約65～70 m。

壩址區地層為中生代白堊系下統蒼溪組陸源碎屑沉積巖，以青灰色塊狀中～細粒長石細砂巖夾磚紅色粉砂質泥巖為主， 局部夾粉砂巖和泥質粉砂巖夾層。巖層產狀平緩，傾角2°～4°，為正常層序。勘探揭示壩肩及河床從上至下依次為：第1 層砂巖，總厚度49～62 m，河床以下砂巖厚度8～17 m；第2 層粉砂質泥巖，位于河床第1 層砂巖砂巖以下，厚度23～25 m；第3 層砂巖，厚度8～9 m；第4 層粉砂質泥巖，厚度8～9 m；巖層之間為整合接觸，地層無缺失。

壩址區砂巖較完整，軟弱夾層不發育；粉砂質泥巖中軟弱夾層較發育， 沿層面發育于粉砂質泥巖頂面及內部。 其中第1 層砂巖與第2 層粉砂質泥巖接觸部位發育編號為NJ2 的泥型軟弱夾層， 其他不同巖性接觸部位無軟弱夾層分布。經計算分析，NJ2 對大壩抗滑穩定有重大影響。

1.2 壩址區軟弱夾層發育情況

NJ2 軟弱夾層位于河床以下第1 層砂巖底部與第2 層粉砂質泥巖接觸部位，沿巖層層面延伸，河床以下埋深8～17 m；青灰色，成分以高液限黏土為主，呈軟塑狀；取樣對其進行礦物成分進行分析，發現該軟弱夾層物性成分以蒙脫石、伊利石為主，其中蒙脫石占62%～71%。

NJ2 軟弱夾層分布面積較廣， 通過勘探揭示沿河流方向長度約230～320 m， 垂直河流方向長度約162～188 m；在平面上以河床中心向兩岸延伸，深入兩側岸坡坡腳以內12～35 m。NJ2 軟弱夾層在不同部位泥化程度不同，具體表現為：在河床中央靠近右岸河水最深的部位，為泥型軟弱夾層；在靠近兩岸坡及深入岸坡以下部位為泥夾巖屑型及巖屑夾泥型。至壩肩以下部位尖滅。NJ2 軟弱夾層發育位置示意圖如圖1。

圖1 NJ2 軟弱夾層發育位置示意圖

2 地質因素對軟弱夾層的影響

軟弱夾層作為一種特殊的地質結構， 具有獨特的構造特征，同一類地層、不同地質環境，具有各自地質特征。針對NJ2 軟弱夾層的發育特征，通過對構造作用、巖體卸荷、地下水等作用的分析，來確定NJ2軟弱夾層發育過程中，各種因素對其造成的影響。

2.1 構造作用

壩址區位于恩陽向斜的北翼， 恩陽向斜沿巴中市巴州區獨柏～麻石埡～柳林鋪～磨子場一帶延伸，呈弧形展布，向正北方向凸起，延伸長約60 km，軸向由N50°W 逐漸轉為N50°E， 兩翼基本對稱， 巖層傾角2°～5°。向斜核部位于壩址區南西方向，距離壩址區約3km。壩址區附近5km 范圍內無斷層分布。

壩址區巖層平緩，傾角2°～4°。第1 層砂巖以中厚層狀為主， 次塊狀結構， 發育兩組陡傾角構造裂隙，平均間距2～4 m；第2 層粉砂質泥巖以薄層狀為主，裂隙不發育。兩壩肩鉆孔揭示第1 層砂巖與第2層粉砂質泥巖接觸面膠結較好， 該部位未發生泥化現象， 推知NJ2 軟弱夾層在層面上未向兩壩肩以下延伸，且構造作用在NJ2 的形成過程影響甚微。

2.2 巖體卸荷作用

壩址區所在區域為中山～低山丘陵區，兩壩肩為一級階地，為寬緩的平臺，一級階地后緣以上高度約20～30 m，為區域內最低一級夷平面，該夷平面高于河床65～70 m。 河床較為寬緩， 寬度約110～120 m，為典型的“U”型河谷。河床受侵蝕下降過程中， 夷平面以下巖體被剝蝕。考慮到壩址區構造應力微弱，河床中心部位巖體最大主應力為自重應力。卸荷最大主應力按公式σ1=γh 計算，砂巖、粉砂質泥巖平均重度取24kN/m3；h 為卸荷厚度，取65 m；則σ1= 1.56 MPa。該卸荷應力足以引起河床巖層部分回彈。加之砂巖、 粉砂質泥巖壓縮回彈模量的差異，會在砂巖、粉砂質泥巖界面處局部形成空腔，為軟弱夾層形成提供空間條件。

2.3 巖性差異

巖性差異對軟弱夾層的發育起到一定促進作用，表現在兩個方面：

（1）巖性強度差異是造成軟弱夾層多發育于粉砂質泥巖與砂巖接觸面及粉砂質泥巖內部的重要原因。壩址區第1 層砂巖強度25～41 MPa,第2 層粉砂質泥巖強度4～11 MPa。 砂巖強度遠大于粉砂質泥巖，在構造應力作用下，砂巖以其自身的強度抵抗變形，進而產生構造裂隙，而構造裂隙為地下水滲透至泥巖頂面提供通道；粉砂質泥巖因為強度較低，只能以其變形及破裂來抵抗構造應力， 故紅層地區軟弱夾層多發育于泥質巖與砂巖接觸部位及泥質巖內部。

（2）通過對壩址區粉砂質泥巖進行礦物成分分析，發現含水云母鱗片狀泥質物80%～85%、石英粉砂4%～8%、 微粒方解石2%～5%， 微粒白云石5%～7%。其中含水云母鱗片狀泥質物、方解石、白云石均可與地下水發生離子交換， 為粉砂質泥巖的泥化作用提供物質條件。

2.4 地下水作用

地下水對軟弱夾層的形成起到至關重要的作用。

（1）地下水含有的各種離子與泥巖礦物質發生交換，形成蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，造成泥巖的軟化，進而逐漸泥化。另外，NJ2 軟弱夾層整體呈現出灰綠色， 可能與泥巖當中Fe3+被還原成Fe2+有關，具體的微觀機理仍有待進一步研究。

（2）地下水在不同巖性當中的滲透速度對軟弱夾層的形成起到一定作用。 具體解釋為： 砂巖為透水層，粉砂質泥巖為不透水層，地下水在砂巖中以垂直下滲為主；至下部泥巖頂面，地下水滲透方向發生變化，開始沿粉砂質泥頂面流動。因地下水改變方向引起的滲透力在此處形成應力集中，在長期作用下，會加速接觸面泥巖的泥化。

（3）地下水與河水的補給關系變化，造成軟弱夾層局部的差異。在汛期，地下水補給河水，NJ2 夾層始終位于地下水位以下， 地下水中的離子與軟弱夾層中的離子發生交換。在枯水期，河水補給地下水，而軟弱夾層位于地下水位以上， 河水補給范圍內的軟弱夾層繼續發展， 該部分主要集中于河床中央部位；而靠近兩岸的部位，軟弱夾層在地下水位以上，也無法接受河水補給，因此，軟弱夾層發展緩慢。這也是NJ2 軟弱夾層在河床中央部位以泥型為主，而在靠近兩岸坡的部位以泥夾巖屑型為主的原因。而兩壩肩以下常年有地下水，處于地下水飽水帶以內，沒有地下水的流動，難以發生離子交換，故軟弱夾層未向該區域繼續延伸。

3 周期效應對軟弱夾層的影響

經歷以上地質因素對粉砂質泥巖的泥化作用，泥化作用仍十分微弱， 考慮到漫長地質時期當中的汛期枯水期交替、 水流變化引起的滲透力在界面上的應力集中，以及上覆巖體的不斷侵蝕剝落，進一步加劇粉砂質泥巖不可逆的泥化破壞， 因此泥化程度越來越高，導致軟弱夾層中蒙脫石、伊利石等黏土礦物的增多及軟化夾層厚度的增大。

4 結語

通過對NJ2 軟弱夾層的研究分析表明： 構造作用對NJ2 軟弱夾層的形成產生的影響較為微弱；巖體卸荷作用為NJ2 軟弱夾層的形成提供空間條件；巖性差異導致NJ2 軟弱夾層發育于泥巖頂部， 且泥巖成分為軟弱夾層的發育提供物質條件； 地下水對軟弱夾層的發育起到決定性影響。 地下水中的離子與泥巖發生離子交換，導致黏土礦物出現；在砂巖、粉砂質泥巖接觸部位水流方向改變產生微小的滲透力改變，導致泥巖加速泥化；地下水與河水在汛期、枯期的補給關系變化造成同一軟弱夾層不同部位的泥化程度不同；周期效應加劇泥巖泥化，影響軟弱夾層的厚度。