那吉水利枢纽坝基第三系软岩工程地质特性评价精.docx

1、那吉水利枢纽坝基第三系软岩工程地质特性评价精测量与地质那吉水利枢纽坝基第三系软岩工程地质特性评价黄国展(广西水利电力勘测设计研究院南宁530023文摘通过大量的勘探和试验工作,分析那吉水利枢纽坝基第三系软岩的工程地质特性,并参照国内外类似工程的经验,对软岩地基进行评价,最后提出初步处理措施。关键词那吉水利枢纽坝基软岩工程地质特性胀缩性评价分类号P642引言那吉水利枢纽位于郁江上游的右江河段,百色市下游38km的那吉村傍,是以航运和发电为主、,是百色水利枢纽的反调节水库,主要建筑物有船闸、溢流坝和厂房等。主坝设计坝高34m,设计正常蓄水位114m,相应库容为2.11亿m3,电站总装机容量51MW

2、,通航吨位为2500t。大坝基础为新第三系红层,岩性主要为泥岩、含粉砂泥岩、泥质粉砂岩、疏松粉细砂岩、生物碎屑岩、煤系(含炭页岩或薄煤层等,在水利水电建设中将第三系红层列为软岩之一,常具有一些特殊的工程地质问题,如:承载力低、抗滑稳定性差、抗冲刷能力低等。为此,必须对该软岩的工程地质特性进行评价。1软岩的物理力学指标分析1.1岩石矿物成份和结构为了了解软岩的矿物成份和结构,分别对含粉砂泥岩、疏松粉细砂岩、生物碎屑岩和煤系进行岩矿鉴定,其岩石矿物成份和结构详见表1。表1岩石矿物成份和结构表岩石名称主要矿物成份及含量次要矿物成份结构构造胶结物及胶结方式含粉砂泥岩绢云母28%83%或高岭石50%,石

3、英15%20%绿泥石、金红石、锆石、电气石、泥质、铁质等显微鳞片泥质结构、粉砂质结构块状构造疏松粉细砂岩石英94%96%绢云母、白云母、电气石、锆石、金红石、铁质、泥质、绿泥石、高岭石及碳酸岩矿物等显微鳞片泥质结构的细砂质及粉砂质结构块状构造胶结物主要为绢云母及少量细粒石英,为孔隙接触式胶结生物碎屑岩菱铁矿58%,方解石20%,高岭石18%绢云母、铁质、泥质显微粒结构、生物碎屑结构块状构造生物碎屑主要为螺壳,由方解石组成煤系石英74%,绢云母24%炭质、泥质、铁质、锆石、电气石、绿泥石、斜长石、金红石等显微鳞片泥质结构页状构造1.2物理力学指标分析室内岩石试验总共做了30组。岩石状况均为弱风化

4、,其试验成果整理汇总于表2。小试件(小口径岩芯样力学强度的试验受岩石失水干裂和软化的影响,成果的代表性较差。相对来说中型试件的试验成果可信度较高。为了验证室内试验成果的可信度,进行了野外大型抗剪试验和野外原位变形试验。野外大型抗剪试验,试验点岩性为含粉砂泥岩,86表2室内岩石物理力学性质试验成果统计表名称容重干湿/gcm-3干湿比重饱和吸水率/%单轴抗压强度/MPa干湿软化系数抗剪强度f c/MPa变形模量MPa剪切含粉砂泥岩 1.90 2.2117.1 4.88 1.410.1700.540.38560.8疏松粉细砂岩2.12 2.22 5.623.724.010.2410.890.9719

5、91.5泥岩 1.87 2.1615.820.940.4750.405中型剪泥岩 2.09 2.26 2.7125.7928.07 6.740.280.02泥质粉砂岩 2.23 2.35 2.7155.4121.070.3粉砂岩 2.23 2.42 2.707.0377.0227.440.360.970.87硬砂岩 2.54 2.56 2.71 1.72126.367.70.54土工剪岩体状态为弱风化。试验成果列于表3。试件的剪切破坏面,混凝土/岩石的5个点全在混凝土与岩石的接触面上,岩石/岩石的仅有1个点的剪断面是平直的,其余4个点均为凹凸不平的。从两组试件的破坏面看,混凝土/岩石的接触面将

6、是今后坝基抗滑稳定的控制面。野外原位变形试验,试验点岩性为含粉砂泥岩,岩体状态为弱风化,纵波速度为1800 m/s。试验压力设计共分5级,最大应力为0.6 MPa,但在试验过程中发现应力为0.12MPa时,变形模量高,当应力增加到0.24MPa,0.36MPa时,变形模量出现逐级降低,而且有一试点当应力增加到0.36MPa时,变形量达到9.94mm还难以稳定,有超岩体极限荷载之势,根据上述情况,将预定的4级应力改为3级应力,即删去0.36MPa级以上的试验。成果整理列于表4。从表4中明显看出含粉砂泥岩的变形模量很小。含粉砂泥岩胀缩性试验,据桂林工学院采用专家系统进行膨胀土判别的方法,即根据化学

7、成份、矿物成份、野外表象、物理力学指标、地质成因及形成环境等进行综合判定,结论为“那吉水利枢纽坝址泥岩为类膨胀,其胀缩性中等”。从单项指标分析我们认为,那吉坝址泥岩的胀缩性定为弱中等较为适宜。另用岩块干燥饱和吸水率来反映泥岩的胀缩特性,岩块干燥饱和吸水率大于等于20%时为膨胀性泥岩,而坝基泥岩的岩块干燥饱和吸水率为37.64%。因此,泥岩具有膨胀性。表3现场岩体抗剪(断试验成果汇总表试验内容各剪切阶段抗剪断抗剪fc/MPa f c/MPa试验条件平均含水量/%混凝土与含粉砂泥岩峰值0.50.200.490.08残余值0.450.160.430.10右岸露天平台12.4含粉砂泥岩与含粉砂泥岩峰值

8、0.480.0050.430.005残余值0.480.0050.430.005浸泡水10天后14.4表4现场岩体变形试验(刚性承压板成果汇总表岩体名称试验条件应力循环应力/MPa全变形/m弹性变形/m塑性变形/mk1k2变形模量/MPa弹性模量/MPa塑性模量/MPa含粉砂泥岩饱和10天以上10.12420200220485294.0198.2179.620.2417107001010415946.3113.178.330.36521010003410356522.866.034.6含粉砂泥岩饱和10天以上10.12630290340465462.8136.5116.420.242200880

9、1320406036.090.059.930.3645006403860148622.0154.625.6含粉砂泥岩饱和10天以上10.1217506501100376322.661.036.020.24402012102810307019.765.428.230.36994025907350267412.045.916.1961.3岩体纵波(V p测试通过对45个钻孔的声波测试成果进行分析研究,泥岩类岩体纵波速度在1500m/s3000m/s,砂岩类岩体纵波速度在1500m/s3700m/s间变化。岩体风化程度与岩体纵波速度之间的关系如表5。表5岩体风化程度与岩体纵波速度关系表m/s 岩性新

10、鲜微风化弱风化强风化全风化泥岩类岩体3000300024002400180018001600350035002800280020002000170017002工程地质特性评价2.1工程地质特性(1第三系软岩为内陆冲积相湖相堆积,为含煤的砂泥岩系。岩性随地区不同而变化,其工程地质条件也各异,其中砂质泥岩和泥岩是工程研究的重点。(2泥岩湿化后易崩解。泥岩在空间暴露后极易失水干裂,浸水易软化、崩解,具快速风化特性。钻孔岩芯取出不超过10分钟就开始出现裂纹,随后裂纹增多延展,几小时后岩芯就会干裂呈饼状。用成岩胶结系数(岩石结构的粉末材料干燥饱和吸水率与不规则岩块的干燥饱和吸水率之比来反映泥岩的湿化崩解

11、特性,岩块干燥饱和吸水率为37.64%,粉末干燥饱和吸水率为43.84%,胶结系数为1.16,泥岩的破坏性状为泥状。(3泥岩的胀缩特性。坝址泥岩为含伊利石、高岭石及绿泥石为主的膨胀性泥岩,其胀缩性为弱中等,且泥岩具有膨胀性,当其膨胀压力大于建筑物荷载时,将会影响建筑物安全。(4泥岩的渗透性一般比较低,当其裂隙不发育时,其透水率q1Lu,属微透水层。但由于泥岩具有膨胀性,特别是在无约束情况下,或其膨胀压力大于建筑物荷载时,岩石膨胀开裂,特别是失水干裂后水流将从裂缝中带走软化后的细颗粒,形成渗透通道并可能引起渗透变形。(5软岩的单轴抗压强度比较低,并与其含水状态有关,当岩石浸水饱和后,其抗压强度明

12、显降低。泥岩一般的单轴干抗压强度为0.33MPa9. 36MPa之间。由于岩石的抗压强度低,特别是湿化后其强度明显降低,可能会造成其承载力不能满足建筑物的要求等。(6软岩的抗剪强度低,特别是存在有层间剪切带或软弱夹层时,将会控制建筑物的抗滑稳定性。坝基虽然未发现有泥化夹层之类的特软层带,但是存在间夹于层间的生物碎屑层、煤线或炭质页岩等相对软弱层。(7软岩生成时代新,成岩作用差,波速低、变模小、流变特性明显。2.2力学参数建议值根据国内外资料(见表6以及利用工程类比法得出软岩的力学参数建议值(见表7。表6国内外软岩力学参数建议值坝名坝基岩层时代坝型坝高/mc/MPa/无侧限抗压强度/MPa日本龟

13、山坝上新世重力坝34.50.350.803614日本高龙坝更新世重力坝24.50.2632 1.7日本鲭石川坝更新世重力坝37.00.340.452937 2.55.7日本正善寺川坝中新世晚期重力坝47.00.350.635 3.74.3中国甘肃省尼那水电站上新世重力坝45.50.450.500.050.10.8中国湖北省王甫洲水电站古新世重力坝33.90.350.400.150.20.3表7那吉水利枢纽的力学参数建议值岩石类别风化程度饱和抗压强度/MPa弹性模量/MPa变形模量/MPa抗剪强度c/MPa f允许承载力/MPa泥岩弱风化0.7800.32(层面0.34(岩体0.300.35含粉

14、砂泥岩弱风化 1.03110.330.200.34(层面0.36(岩体0.350.40疏松细砂岩弱风化 1.21.400.500.550.50.6煤系、炭质页岩00.250.3007黄国展那吉水利枢纽坝基第三系软岩工程地质特性评价2.3工程地质评价(1软岩地基:坝址第三系那读组属内陆盆地边缘河湖相沉积,由于其古地理沉积环境的不稳定,岩相岩性变化大。在诸多岩层中,对坝基起控制作用的是疏松粉细砂岩、含粉砂泥岩和泥岩。这些岩体成岩作用差、波速低,岩性软弱,且不均一,属极软岩类。岩石的孔隙率较大,高达24%37%,天然容重与干容重的差值亦较大,力学强度低;泥岩类岩石粘粒含量较高,其胀缩性为弱中等。天然

15、状态下泥岩湿抗压强度为0.49MPa1.39MPa,岩体纵波速度为1500m/s3000m/s;含粉砂岩湿抗压强度为1.38MPa1.43MPa,变形模量为22. 4MPa63.1MPa,岩体纵波速度为1500m/s3 000m/s;疏松粉细砂岩湿抗压强度为0.92MPa 7.1MPa,岩体纵波速度为1500m/s3700m/s。因此,各类岩石作为混凝土建筑物的地基,其强度低,且泥岩类岩石具有一定的胀缩性,需采取结构措施;同时为保证岩体天然含水状态和岩体结构不受破坏,在施工开挖过程中要采取特殊的措施,如基坑排水、预留保护层、基础面及时覆盖等。(2软弱层带抗滑稳定:坝基持力层中未发现有泥化夹层之

16、类的特软层带,只有间夹于层间的生物碎屑层、煤系等相对软弱层。根据钻探资料,这些软弱层往往具有厚度小、不稳定,延续性差,呈透镜体状产出的特点。经镜下鉴定,生物碎屑层的矿物成份主要为菱铁矿和方解石,炭质页岩主要为石英、绢云母及炭质等,矿物较稳定,岩石自身具有一定的强度,对抗稳定不利的主要是煤系的层面。煤系主要出露在上坝线,埋藏最浅为基岩顶板以下3m和6m处各有一层,厚约25cm。对这些埋藏较浅的软弱层要作适当的处理,主要是防止层面的软化。致谢:该文得到了广西水利电力勘测设计研究院副总工欧阳季文高级工程师的大力帮助和指导,在此表示衷心的感谢。参考文献1范秋雁,凌国智,柯尊敬.广西第三系泥岩的物理力学

17、特性研究.广西大学学报(自然科学版.1997(22增刊:4043.(收稿日期:1998208202(责任编辑:周群Engineering geologic features of3rdsystem incompetent bed of the N aji WRPP dam foundationHuang GuozhanGuangxi WREP survey,design and research institute,Nanning,530023AbstractThrough a great quantity survey and test work,the author analysed th

18、e engineering geologic features of3rd system incompetent bed of the Naji WRPP dam foundation,evaluated the incompetent bed dam founda2 tion by consulting domestic and foreign similar project experiences,and proposed preliminary processing mea2 sures.K ey w ordsthe Naji WRPP,dam foundation,incompetent bed,Engineering geologic features,swell-shrink, evaluation17广西水利水电GX WA TER RESOURCES&HY DROPOWER EN GIN EERIN G1998(4