雙港口拱壩凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

摘要：流紋質(zhì)凝灰熔巖緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面是雙港口拱壩主要工程地質(zhì)問題，也是影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。以雙港口拱壩為例，分析流紋質(zhì)凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容，提出軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)。結(jié)果表明：該緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育在侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組（J₃e）流紋質(zhì)凝灰熔巖地層，平硐揭露高程為左壩肩290 m，右壩肩308 m和328 m，以巖屑夾泥型為主，為原生火成結(jié)構(gòu)面；相關(guān)物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)具有不均一性，根據(jù)中型剪試驗值，在確定抗剪強度指標(biāo)時應(yīng)對地質(zhì)建議值做出適當(dāng)調(diào)整，酌情折減使用；左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不利組合模式，且右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型結(jié)構(gòu)面對壩肩抗滑穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)重點復(fù)核其壩肩抗滑穩(wěn)定的影響，采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施，以確保左、右壩肩抗滑穩(wěn)定。

關(guān) 鍵 詞：雙港口拱壩；流紋質(zhì)凝灰熔巖；軟弱結(jié)構(gòu)面；抗剪強度；抗滑穩(wěn)定

中圖法分類號：TV642.4 文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.018

0 引言

凝灰熔巖是中國東南部中生代火山巖重要組成部分，在長江中下游、福建省、廣東省等地廣泛分布，在火山巖相類型中占比約34%^［1-2］。對流紋質(zhì)凝灰熔巖開展了大量的室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗、現(xiàn)場巖體原位試驗^［3］，前人也曾對凝灰熔巖的巖石力學(xué)進行了深入的研究，取得了豐富的地質(zhì)資料成果^{［2，4-5］}。然而，國內(nèi)學(xué)者對流紋質(zhì)凝灰熔巖中軟弱結(jié)構(gòu)面的研究較少。

拱壩對巖體軟弱結(jié)構(gòu)面非常敏感，壩肩對巖體質(zhì)量要求高，完整巖體中常見的地質(zhì)缺陷類型（軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層、泥化夾層、層間剪切帶等）控制巖體的穩(wěn)定和變形，是壩基主要的工程地質(zhì)問題。尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面，作為壩肩完整巖體中最薄弱的部位，極大影響著拱壩的抗滑穩(wěn)定性^［6-7］。本文以雙港口拱壩為例，分析流紋質(zhì)凝灰熔巖軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容，提出軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，論述流紋質(zhì)凝灰熔巖中的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特性和抗滑穩(wěn)定問題，以期為類似工程設(shè)計和施工提供地質(zhì)建議。

1 工程地質(zhì)概況

雙港口水庫位于江西省資溪縣斗垣村東港水，是一座以供水為主的樞紐工程，水庫大壩為堆石混凝土雙曲拱壩，最大壩高68 m，水庫總庫容600萬m³，為小（1）型水庫。

工程區(qū)位于華南褶皺系武夷山隆斷束構(gòu)造單元，屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌。雙港口壩址河谷窄深，呈“V”字形（圖1），多數(shù)基巖裸露，巖性為侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組（J₃e）流紋質(zhì)凝灰熔巖（圖2），厚層，壩基未出露斷層。兩岸壩肩覆蓋層厚度0.3～2.5 m，強風(fēng)化帶厚度1.6～6.0 m，弱風(fēng)化上帶厚度15.7～26.2 m，弱風(fēng)化下帶厚度16.1～34.7 m，強卸荷帶水平厚度7.0～11.0 m。

弱風(fēng)化下帶為壩基建基巖體，飽和單軸抗壓強度范圍（小值均值—大值均值）為72.31～114.70 MPa，平均值為88.01 MPa，軟化系數(shù)平均值為0.81，為堅硬巖石，物理力學(xué)性質(zhì)較好。微新巖體類別屬AⅡ類，弱風(fēng)化下帶巖體屬AⅢ1類，弱風(fēng)化上帶巖體屬AⅢ2類，強風(fēng)化巖體屬BⅣ1類。拱壩壩基巖體類別以AⅢ1類巖體為主，巖體變形模量5.0～7.0 GPa。

2 軟弱結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

2.1 軟弱結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 物質(zhì)組成

緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面主要由流紋質(zhì)凝灰熔巖巖屑、巖塊和泥質(zhì)組成，結(jié)合較緊密，杏仁體+斑晶含量占20%～30%，隱晶質(zhì)基質(zhì)含量占70%～80%。通過兩岸壩肩平硐揭露統(tǒng)計，J10軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約60%，J5、J6、J9、J11、J12軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約40%，J7、J8軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量小于30%，總體上勘探范圍內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約20%～60%，泥質(zhì)含量組分偏高。

2.1.2 結(jié)構(gòu)特征

軟弱結(jié)構(gòu)面主要為單層裂隙，一般寬度0.5～3.0 cm，局部達5.0 cm，巖屑和巖塊填充物呈塊狀、片狀鑲嵌分布，原巖結(jié)構(gòu)輕微破壞，組成結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為空間不均勻性（圖3）。

2.2 軟弱結(jié)構(gòu)面空間發(fā)育規(guī)律

兩岸壩肩發(fā)育的J5～J12數(shù)條軟弱結(jié)構(gòu)面總體上呈平行展布，局部不連續(xù)發(fā)育，產(chǎn)狀大致相同，傾向上游偏河流右岸，總體產(chǎn)狀70°～130°，傾角5°～30°，結(jié)構(gòu)面走向與壩軸線交角為0°～33°。各軟弱結(jié)構(gòu)面在總體產(chǎn)狀平緩的基礎(chǔ)上，呈不同程度的波浪形起伏形態(tài)，起伏差約1～3 cm，起伏角1°～3°。鉆孔巖芯中未見軟弱結(jié)構(gòu)面，河床鉆孔ZK18光學(xué)成像發(fā)育水平狀寬大裂隙（圖4），地質(zhì)測繪過程中未在壩基陡坎發(fā)現(xiàn)出露的軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)開挖平硐內(nèi)各軟弱結(jié)構(gòu)面的觀察統(tǒng)計，各拱圈高程結(jié)構(gòu)面分布及厚度如表1所列。

2.3 軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及分類

雙港口拱壩壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面按物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，可分為泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種，依次占比約20%，50%及30%。壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面分類統(tǒng)計見表1。

壩肩流紋質(zhì)凝灰熔巖緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律如下：

（1）軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與流紋質(zhì)凝灰熔巖的面理產(chǎn)狀大致相同，巖體呈流紋構(gòu)造，拉長現(xiàn)象明顯，揭示了火山碎屑熔巖的流動方向。火山碎屑熔巖侵入體與圍巖接觸面形成不整合破碎帶，為間歇噴溢的軟弱接觸面，屬于原生火成結(jié)構(gòu)面。在后期地質(zhì)過程中，長期受地下水及風(fēng)化作用。

（2）軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育地層為單一巖性的流紋質(zhì)凝灰熔巖，流紋質(zhì)凝灰熔巖堅硬，厚層發(fā)育，不存在順層發(fā)育的層理構(gòu)造，巖性條件較簡單。

（3）緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征存在不均一性，同一條軟弱結(jié)構(gòu)面厚度及不同部位泥質(zhì)含量不均一，不同位置的軟弱結(jié)構(gòu)面形狀不同，例如左壩肩PD02平硐內(nèi)J7、J8結(jié)構(gòu)面含泥量小于30%，PD03平硐內(nèi)J10結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約60%，軟弱結(jié)構(gòu)面呈不均一發(fā)育特征。

3 抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)分析

3.1 軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度確定

拱壩壩肩平硐開挖后，選取右岸平硐PD03內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面J10開展中型剪抗剪強度試驗。8個試驗點均位于支洞樁號0+23 m附近，處于弱風(fēng)化下帶巖體弱卸荷狀態(tài)，出露高程308 m，貫穿左、右壁。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀70°～75°∠20°～25°，洞內(nèi)可見延伸長度約9 m，一般寬度為2～5 cm，起伏光滑，充填物以泥夾巖屑為主，剪切面上填充物浸水后較軟（圖5（a）），局部可見明顯擦痕，裂隙連通性較好。剪切面剪切方向左側(cè)被黃褐色水銹填充。試件整體上沿預(yù)設(shè)剪切面巖體剪斷，巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀。剪切面最大起伏差約3.0 cm。剪切面上擦痕遍布。PD03平硐結(jié)構(gòu)面中型剪試驗成果見表2，試驗τ-σ關(guān)系曲線如圖6所示，巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強度參數(shù)為f′=0.532MPa，c′=0.096 MPa；抗剪強度參數(shù)f=0.425 MPa。

結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的不均一性是影響軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的重要因素，PD03平硐內(nèi)J10泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面性狀明顯差于其他結(jié)構(gòu)面，泥質(zhì)程度較高，結(jié)構(gòu)面結(jié)合不緊密并受到輕微的機械破碎，導(dǎo)致局部的結(jié)構(gòu)面具有較低的抗剪力學(xué)指標(biāo)，對抗滑穩(wěn)定不利，因此在確定抗剪強度時應(yīng)適當(dāng)降低。此外由于取樣位置的影響，取樣試塊往往性狀較好以便于試驗操作，因此中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結(jié)果略優(yōu)于實際情況，結(jié)合拱壩地質(zhì)條件及工程安全性考慮，應(yīng)適當(dāng)降低試驗值作為軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度地質(zhì)建議值。

依據(jù)壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征，并參考其他工程經(jīng)驗^［8-10］，提出壩基主要緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值（表3）。考慮軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有不均一性，在確定抗剪強度指標(biāo)時給出了不同類型的地質(zhì)建議值，設(shè)計采用時應(yīng)根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面位置、分類、特征和工程實際情況等做出適當(dāng)調(diào)整，酌情折減或提高使用。應(yīng)區(qū)別對待不同位置軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況，以避免用局部代替整體。

3.2 巖體抗剪強度確定

在右岸PD04平硐內(nèi)開展了1組6點巖體原位抗剪試驗，試驗點位于PD04支硐樁號14.0～24.3 m處，6個試點位于弱風(fēng)化下帶巖體，巖體處于弱卸荷狀態(tài)。巖體抗剪試驗采用平推法，剪切面為水平面，水平方向施加剪切推力，鉛直方向施加法向應(yīng)力。抗剪強度參數(shù)中的摩擦系數(shù)k和黏聚力c根據(jù)庫侖表達式確定，求解方法采用最小二乘法。剪切面剪切方向左側(cè)被黃褐色水銹填充，試件整體上沿預(yù)設(shè)剪切面巖體剪斷，巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀（圖5（b））。剪切面最大起伏差約3.0 cm，剪切面上擦痕遍布。

PD04平硐巖體直剪試驗成果見表4，試驗τ-σ關(guān)系曲線如圖7所示。由表4可知，PD04平硐流紋質(zhì)凝灰熔巖的抗剪斷強度參數(shù)f′=1.253MPa，c′=1.700 MPa；抗剪強度參數(shù)f=0.732MPa。

3.3 拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定地質(zhì)分析

從整體拱壩條件來看，兩岸巖性完整，巖石強度較高，但受緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，壩肩抗滑穩(wěn)定性問題較為突出。根據(jù)拱壩地質(zhì)條件，最可能的滑移模式為不同高程的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面，側(cè)向沿不連續(xù)的硬性節(jié)理面L1、L2剪斷構(gòu)成側(cè)滑面，以下游坡面作為滑動體下游臨空面。根據(jù)上述壩基滑移模式，結(jié)合巖體工程地質(zhì)特性，選擇典型拱圈高程進行壩肩抗滑穩(wěn)定分析。

3.3.1 左壩肩抗滑穩(wěn)定分析

左壩肩及抗力體范圍內(nèi)，地形總體完整，坡向5°～15°，谷坡陡峻，有一小型溝谷臨空，無斷層，臨河陡峻岸坡構(gòu)成左岸臨空面。通過結(jié)構(gòu)面調(diào)查，構(gòu)成抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面主要有以下兩種：側(cè)裂面為隨機性硬性結(jié)構(gòu)面L1、L2，底滑面為確定性軟弱結(jié)構(gòu)面J5、J6、J7、J8。

3.3.2 右壩肩抗滑穩(wěn)定分析

右壩肩及抗力體范圍內(nèi)，地形總體完整，坡向92°～101°，谷坡陡峻，無大的深切溝谷臨空，無斷層，臨河陡峻岸坡構(gòu)成右岸臨空面。構(gòu)成抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面主要有以下兩種：側(cè)裂面為隨機性硬性結(jié)構(gòu)面L1、L2，底滑面為確定性軟弱結(jié)構(gòu)面J9、J10、J11、J12。

半確定性組合中，底滑面J10為泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面，底滑面J5、J6、J9、J11、J12為巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強度較低。在拱端力的作用下，存在發(fā)生剪切滑移的可能，需進行抗滑穩(wěn)定分析驗算。側(cè)滑面L1、L2均為硬性結(jié)構(gòu)面，發(fā)育較隨機，局部可能形成不利組合塊體。依據(jù)壩肩臨空面、側(cè)滑面和底滑面特征，拱端滑動不利組合為半確定性組合，構(gòu)成壩肩潛在滑移塊體組合模式如表5、圖8、圖9所示，底滑面軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值見表3。

綜合以上分析，左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不利組合模式，針對以上不利組合，需進行抗滑穩(wěn)定分析計算，并根據(jù)計算成果，確定是否需采取處理措施或采取何種處理措施，以確保左、右壩肩抗滑穩(wěn)定。

3.4 抗滑處理措施

壩肩平面穩(wěn)定計算采用的是平面剛體極限平衡法，對273.50，283.00，292.50，302.00，311.50 m及321.00 m 6個高程平切面進行穩(wěn)定分析。以巖基線作為滑動體的下游臨空面，底滑面為剪斷水平巖石面，側(cè)滑面為一組通過上游壩踵的鉛直面（圖10）。

壩肩左、右兩岸抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果顯示，基本組合下，右岸抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于3，特殊組合大于2.5，未達到拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定要求，需要加固處理保證壩肩抗滑穩(wěn)定安全。

提高滑動面抗剪能力的措施一般通過抗剪齒槽、抗剪洞、抗滑樁、槽挖、混凝土塞、加密固結(jié)灌漿及軟弱結(jié)構(gòu)面的本身加固處理，且這幾種方案可以組合運用。對于壩肩巖體，由于平硐勘探范圍有限，其在一定高程區(qū)域內(nèi)可能存在多層軟弱結(jié)構(gòu)面，建議施工階段對不滿足抗滑穩(wěn)定要求的軟弱結(jié)構(gòu)面采取抗滑處理措施。

4 結(jié)論

本文分析了雙港口拱壩軟弱結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、形成原因、發(fā)育特征等特性內(nèi)容，提出了軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度的地質(zhì)參數(shù)。左、右壩肩存在影響抗滑穩(wěn)定的半確定性結(jié)構(gòu)面不利組合模式，需進行抗滑穩(wěn)定分析計算，并采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施。主要結(jié)論有：

（1）雙港口拱壩緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面以巖屑夾泥型為主，泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種依次占比約20%，50%及30%。軟弱結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)含量約20%～60%，其成因為原生火成結(jié)構(gòu)面。

（2）軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育在侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組流紋質(zhì)凝灰熔巖（J₃e）地層，平硐揭露高程為左壩肩290 m，右壩肩308 m和328 m。

（3）中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結(jié)果略高于實際情況，結(jié)合拱壩地質(zhì)條件及工程安全性考慮，適當(dāng)降低試驗值作為抗剪強度地質(zhì)建議值。軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有不均一性，設(shè)計采用時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面分類、特征和工程實際情況做出適當(dāng)調(diào)整，酌情折減或提高使用。

（4）滑移模式為緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面，硬性節(jié)理面構(gòu)成側(cè)滑面，下游坡面作為滑動體的下游臨空面。右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面性狀較差，對抗滑穩(wěn)定性影響大，應(yīng)重點復(fù)核壩肩抗滑穩(wěn)定的影響。

參考文獻：

［1］ 謝家瑩，陶奎元，謝芳貴.試論凝灰熔巖相特征、相模式及其成因［J］.火山地質(zhì)與礦產(chǎn)，1995（3）：1-6.

［2］ 章仕靈，鄧濤.風(fēng)化凝灰熔巖物理和力學(xué)特性的試驗研究［J］.山西建筑，2020，46（20）：95-97.

［3］ 吳桐雯，趙自強.資溪縣城鄉(xiāng)供水一體化項目——雙港口水源點水庫初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，2023.

［4］ 馬雨峰，左永振，劉雙華，等.弱風(fēng)化凝灰熔巖料的濕化變形試驗研究［J］.黑龍江水利科技，2018，46（11）：1-4，64.

［5］ 魏國安.閩南風(fēng)化凝灰熔巖強度特性的試驗研究［J］.地震工程學(xué)報，2013，35（3）：625-630，640.

［6］ 王強翔.涔天河水庫擴建工程軟弱結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特性研究［J］.湖南水利水電，2019（6）：18-20.

［7］ 蔡耀軍，徐福興.大壩建基巖體抗剪強度取值［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（7）：1040-1044.

［8］ 程庭鳳.金安橋水電站壩區(qū)凝灰?guī)r夾層的工程處理措施［J］.云南水力發(fā)電，2015，31（1）：43-45，49.

［9］ 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487—2008［S］.北京：中國計劃出版社，2023.

［10］彭土標(biāo).水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

（編輯：郭甜甜）