汾河二库坝基岩体张扭性结构面的工程地质特性及工程处理

白 滨

(山西省水利水电勘测设计研究院,山西 太原030024)

1 地质背景

山西省汾河二库坝址位于太原西山区的汾河峡谷型河段上,处于吕梁太行断块五台山块隆古交掀斜地块中部偏东。区内广泛分布寒武奥陶系碳酸盐岩地层,地层向SSW倾斜,构造变动轻微,产状平缓。坝址处发育一宽缓的悬泉寺背斜,并向南西倾伏。岩层产状坝基左侧为N60°W/SW∠3°,右侧为N80°W/SW∠2°～ 4°,微倾向上游偏右岸。 河床覆盖层厚度26 m～28 m,坝基为寒武系上统凤山组白云岩。按区域构造应力场分析,本区构造应力活动是以南北向的扭动为主要方式,具体为东部向北,西部向南的相对扭动。

第三纪以来以太原西边山断裂为界,汾河二库所在的太原西山区间歇抬升,而太原盆地相对下降。汾河从高程1 500 m夷平面下切形成高程1 300 m顺直的宽谷。进入第四纪,西山区与太原盆地的升降剧烈,河流在平直宽谷的初始轮廓基础上又进一步侵蚀下切,并发育蛇曲状河道,形成了峡谷型河谷段。

坝基岩体由上至下分为四层,寒武系上统凤山组第一岩组(∈3f-1)为中厚层白云岩,岩性均一,坚硬,厚度1.3 m;第二岩组(∈3f-2)为薄层条带白云岩,层面微起伏,厚5.1 m;第三岩组(∈3f-3)为厚层结晶白云岩,坚硬,层面起伏较粗糙,厚30.3m。第四岩组(∈3f-4)为深灰色粗晶白云岩,厚66.4 m。岩体中发育顺层开裂面,顺河向缓倾断层和NNW向(垂直于河流)扭性节理、断层。NNW向的节理为本区最发育的一组节理,表现为陡倾,分布密集,由方解石充填,胶结较好;NWW向的断层主要为位于坝上游的F9和坝下游的F10陡倾平移断层,分别构成大坝抗滑稳定的上游拉裂面和下游可压缩带。

2 张扭性结构面的发育特征[1,2]

汾河二库坝基岩体张扭性结构面主要为顺层开裂面和缓倾断层。顺层开裂面分布于河床基岩面以下数十米深度内。多沿层内弱面发育,具一定的等距性,间距0.7 m～1.2 m。裂面宽2mm～30 mm,充填原生片状碎石、岩屑和少量夹泥,局部架空。基坑开挖中揭露出的张扭性结构面共9条,其中LZ1和LZ3最为典型。

LZ1顺层开裂面发育于寒武系上统凤山组第一岩组(∈3f-1)与第二岩组(∈3f-2)的界面,裂面微具起伏,爬坡角 0.8°～2.2°。裂面宽度5 mm～20 mm,充填软塑状夹泥、风化白云岩薄片,裂面上下盘岩石风化厚度10 cm左右。

LZ3顺层开裂面发育于寒武系上统凤山组第二岩组(∈3f-2)内,裂面具起伏,爬坡角0.5°～7.5°。裂面具三种结构面典型单元,即架空结构面单元,其特点是上下壁互不接触,无充填;结构面型结构面单元,其特点是上下壁之间具灰黄色白云岩薄片,与结构面上下壁无接触;咬合型结构面单元,即上下壁接触的分裂面。

LZ1和LZ3与其他顺层开裂面在整个坝基内连同,并向两岸坡延伸,核心破碎带位于坝基中部偏左,裂面在坝右侧边缘和两岸坡地段的性状明显减弱。

坝基河谷底发育缓倾断层分别为F1和F2。其中F1发育于坝基中部偏左,产状 N46°E/NW∠7°～ 15°,顺河向发育,缓倾右岸,破碎带宽2 cm～80 cm,由碎石及泥质充填,破碎带及其影响范围,岩体结构松动,局部形成架空结构。F2发育于坝基左侧,与F1平行,规模稍小,二者均表现为张扭性特征逆断层。

3 张扭性结构面的成因[3,4]

3.1 坝区的特殊地质现象

在坝址勘察和施工中发现,坝址两岸出露的岩层较完整,岩体的透水性较小,而坝基岩体的完整性差,透水性强,其岩性均为寒武系上统凤山组坚硬的白云岩。曾在坝址下游探井和两岸的钻孔中揭露出与坝基相同层位的第二组(∈3f-2)岩层,河床之外的第二组(∈3f-2)白云岩新鲜完整,无层面开裂,而河谷底部的白云岩岩体中发育张扭性结构面,而且岩石的颜色也由深灰色变为灰黄色。地脉动测试反映出河床下可能有顺河向缓倾断层,但对其存在与否有争议。因为按构造地质学理论,在平缓而坚硬的层状地层中,由于岩体抗变形能力很强,变形量小,因而很难产生缓倾剪切破坏。另外,坝址区及外围未发现与F1相近似的缓倾断层。

针对这些疑问,在基坑开挖中继续进行了坝基岩体的勘察研究,获得了相关的对比资料。初步研究认为,上述现象与我国铜街子电站的浅生构造十分相似,而本工程发育程度相对较弱。分析认为F1不是真正意义上的断裂构造,顺层裂面也不是通常意义上的卸荷裂隙。坝址区的特殊变形结构面体系是在挽近时期区域地壳大面积抬升阶段,有较高应变能力的岩体在剥蚀过程中垂向卸荷释放能量形成的浅生构造。

3.2 张扭性结构面的形成条件

坝址区在地质历史时期多次经受挤压应力作用,但区域处在一个相对较为完整地块,岩体坚硬,其密度为 2.8 g/cm3,抗压强度达到 175 MPa。弹性模量为2.45×104MPa,泊松比0.24,纵波波速5 998 m/s。这种高强度的岩石能储存较高的应变能,从而成为应变能的良好载体。挽近期地壳较强烈的抬升和上覆岩层大厚度的剥蚀和河流的深切,造成垂向卸荷,其量级达到20 MPa以上。河谷下切使垂直应力释放和水平应力集中。在这一区域背景条件下,一方面岩体有积聚很高的残余应力的能力,另一方面由于汾河侵蚀下切,谷底岩体产生卸荷,为应力回弹释放创造条件,形成了坝基张扭性结构面。

4 张扭性结构面的工程地质影响[5,6]

4.1 岩体结构的变化

坝基岩体中张扭性结构面使完整的层状岩层白云岩遭到变形破坏,这些结构面将层状结构岩体切割成厚度1 m左右的板裂状结构岩体。造成垂直和水平方向岩体特性的显著差异。

4.2 岩体物理力学强度降低

坝基白云岩岩性坚硬,未受张扭性结构面影响的白云岩岩层面结合力强,具高强度脆性特征。遭受垂向卸荷层面开裂的白云岩,形成具等距性张扭性的结构面,岩体力学性质发生显著改变,使之具有层状板裂结构岩体特征。根据坝基完整白云岩岩体和发育张扭性结构面岩体的物理力学参数、波速等对比见表1、表2,张扭性结构面对坝基白云岩岩体的抗压强度与波速的影响较明显。第二岩组(∈3f-2)张扭性结构面发育的白云岩降至完整岩体的25%～51%和25%,第三岩组(∈3f-3)张扭性结构面发育的白云岩降至完整岩体的30%～59%和34%。与此相似,第二岩组(∈3f-2)中的张扭性结构面发育的岩体的 c、f值分别为未开裂层面的0.66%～1.07%和36%～47%,第三岩组(∈3f-3)中的张扭性结构面发育的岩体的c、f值分别为未开裂层面的0.9%～1.1%和37%～39%。

4.3 岩体渗透性增强

坝基寒武系上统凤山组白云岩岩体中岩溶发育较弱,岩体中分布互不连通的孤立岩溶孔洞,岩体渗透性小,两岸岩体的透水率一般在1以下,而谷底坝基岩体透水率平均达81.6 Lu。在坝基开挖中出现大量涌水,涌水主要来自这些结构面,齿槽的开挖,使F1破碎带涌水量达0.16 m3/s,迫使该处采取水下混凝土浇筑。这些张扭性结构面不仅构成坝基渗漏的通道,而且对大坝造成较大的扬压力。

表1 坝基白云岩抗压强度、波速与张扭性结构面的关系

表2 坝基白云岩抗剪参数与张扭性结构面的关系

4.4 基坑开挖中的岩体变形错动

坝基基坑开挖中,从钻孔和开挖面上发现,坝基岩体普遍发生了沿张扭性结构面的位错,错距1 cm～7 cm,由于错动的影响,部分增大了开挖范围。岩体位错必然引起岩体结构松动和结构面强度的降低。坝基面在齿槽开挖前,一组原本密闭的NE向节理在齿槽开挖后明显张开。岩体位错的结果既降低了岩体的强度,同时也引起岩体结构松弛。岩体位错是坝基高应力状态的反映,位错的原因是张扭性结构面的强度低,基坑开挖后地应力释放产生的回弹变形。

4.5 坝基岩体滑动

坝基岩体中的张扭性结构面在整个坝基内连通,产状平缓,性状较差,抗剪强度较低,其中除缓倾结构面兼有侧向切割面的作用外,这些张扭性结构面均构成了潜在的坝基滑移控制面。坝上游F9可形成滑移拉裂面,不甚发育的NE向节理构成不完全的侧向切割面,F10断层构成坝基滑移压缩空间。张扭性结构面与这些结构面的组合,对坝基岩体抗滑稳定不利。

5 工程处理[1,7]

5.1 恢复荷重

为控制沿张扭性结构面岩体变形的发展,在基坑开挖分块清理石渣后,及早浇筑混凝土,以恢复坝基的荷载。

5.2 齿槽和F10断层槽混凝土回填

针对坝基岩体中张扭性结构面的工程地质特性,设计采取了齿槽处理方案。即在坝基上游侧开挖底宽25 m,深度6 m的齿槽与位于坝趾处的横河向F10断层槽,用与坝体同标号的混凝土回填。齿槽混凝土提高坝基岩体的抗滑稳定性,并对坝基岩体中F10断层作置换槽处理后,减少了断层带压缩量,并可提供可观的尾岩抗力。

5.3 固结灌浆和孔内插筋

为增强坝基岩体整体性和抗渗性,减弱张扭性结构面及其层位错松弛的影响,整个坝基全部进行了固结灌浆。灌浆孔排距均为3 m,方格形布置,孔数1 014个。灌浆平均单耗灰量80 kg/m,最高达1 982.8 kg/m。坝基的全部灌浆孔均插入钢筋组,用300#水泥封固,以限制坝基岩体因张扭性结构面产生不利变形。

5.4 防渗帷幕与排水

为减弱由张扭性结构面引起的坝基渗漏和扬压力增高,坝基设帷幕灌浆孔2排,孔距2 m,帷幕长227.7 m,最大单耗1 106.23 kg/m。帷幕下游2.5 m设置孔距2 m的排水孔。

6 结 语

通过上述工程处理,使汾河二库坝基岩体达到了设计要求。据水库运行十余年的观测资料,其坝基岩体变形和渗透均在允许范围内,说明对坝基岩体张扭性结构面的工程处理效果较好,目前水库运行正常,为太原市的防洪和供水提供了可靠保证。

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