滇中红层坝基溶蚀岩体及物理力学特性研究

， ，

(1.河海大学 地球科学与工程学院, 南京 210098；

2.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司地质分院，昆明 650051)

1 研究背景

红层是外观以红色为主色调的碎屑岩沉积地层，主要沉积时代为三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪[1]。红层广泛分布于我国的西南、西北、华中及华南地区，覆盖到中国主干河流，包括金沙江、澜沧江。红层具有特殊的工程性质，是典型的易滑地层，雨季经常发生数量众多的滑坡灾害[2]。在水电水利工程建设中，红层地层软硬相间、钙质胶结物产生溶蚀对坝基岩体变形、渗透稳定性影响较大。岩溶多发生(出现)在碳酸盐岩石地区，国内外对岩溶的形成[2-3]、形态[4]、岩体完整性的变异及其对岩体力学性质的影响，对工程建筑特别是水工建筑物的影响均有大量的研究成果[5-13]。中新生代红层碎屑岩中由于钙质胶结物的溶蚀也出现溶蚀[7-8]，对水电工程或其它建筑物的稳定、安全有较大的影响[10-12]，国外也有较多的研究[14-16]。

金沙江中游大型水电工程——观音岩水电站坝址位于我国西南地区的川滇红层的滇中红层上，为中生代侏罗系中统红层，其中砾岩、砂岩出现溶蚀或喀斯特现象，砂岩由于钙质胶结物的溶蚀，造成砂岩解体砂化，砾岩由于钙质胶结物的溶蚀，不仅岩石解体，而且形成溶洞，造成岩体完整性变差，岩体的物理力学性质变坏。研究这些溶蚀砂化岩体的物理力学性质，评价它们能否作为高混凝土重力坝的地基，成为观音岩水电站的重大工程问题。在中新生代红层中出现砂岩、砾岩的喀斯特现象，在国内外虽有介绍[17-18]，但尚未见到系统研究其物理力学性质的文献，本文以金沙江中游观音岩大型水电站坝址红层勘察、试验、研究的成果，分析评价了红层砂岩、砾岩溶蚀砂化坝基岩体特征及物理力学特性。

2 云南红层沉积特征及分布特征

云南省内红层分布广泛，主要由中生代侏罗纪和白垩纪地层组成，厚达[5 000, 13 000]m，第三纪地层仅有零星分布。

云南红层的岩性复杂，多由薄—中厚层状的泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩等组成，多呈不等厚互层状产出，层与层之间的层面结合力差。当岩体解除约束力、出现临空面时，极易顺层面解体滑落，而砂岩、砾岩中的钙质胶结物易溶蚀，导致岩体强度降低、影响水电站坝基稳定性。

从云南省岩性分区图(如图1)所示，碎屑岩沉积区，就是云南红层主要分布区，大致以NW—SE向苍山—哀牢山变质带为界，可将云南红层分为滇中、滇西2大区。滇中红层区以楚雄为中心，顺南北向大致呈倒三角形分布，滇西红层区则沿兰坪—思茅一带呈NW—SE向展布，两头分布较宽，中间狭长。观音岩水电站位于滇中红层北侧川滇交界金沙江上。滇西红层地层层序及岩性组合较为复杂；滇中红层地层层序及岩性组合则相对较简单，但作为坝基岩体的软硬相间、钙质溶蚀等工程地质问题较复杂、且影响大。

图1 云南省岩性分区简图

3 坝址红层砂岩、砾岩溶蚀特征

3.1 观音岩坝址地质条件

观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县(左岸)与四川省攀枝花市(右岸)交界的塘坝河口附近。电站枢纽最大坝高159 m，装机规模3 000 MW。坝址河谷为斜向谷，左、右岸分别有大平坝背斜、干坪子向斜。

观音岩水电站坝址区地层为侏罗系中统蛇店组(J2s)碎屑岩红层。根据钻孔纵横剖面图比较，结合沿河床左右岸精细地质测绘资料，提出坝基侏罗系中统蛇店组3段11层2个亚层的分层结果(见表1)[1]，具陆相多个旋回交替沉积特征。

观音岩水电站双折混合坝设计方案左岸充分利用左岸及河床J2s2-1(即为侏罗系中统蛇店组中段第1层)和J2s2-2砂砾岩层的混凝土重力坝，而右岸J2s3-6(侏罗系中统蛇店组下段第6层)泥质岩集中分布区域采用心墙堆石坝。

坝基岩层主要特征：岩层软硬相间，中段J2s2坚硬砂砾相对集中，上段、下段岩层砂砾岩逐渐减少，岩层弱、微风化岩体RQD(Rock quality designation)主要在[70 %, 80 %]之间，完整性相对较好，砂砾岩层溶蚀是主要不利工程地质条件。

3.2 坝基砂砾岩钙质溶蚀及钙质流失特征研究

观音岩水电站坝址区J2s2-1,J2s2-2和J2s3-1,J2s3-3,J2s3-4,J2s3-5钙质砾岩、钙质砂岩中(见图2)，由于地下水渗流场的作用，沿层理或陡倾角裂隙产生溶蚀现象，局部形成小型溶洞，勘探揭露溶蚀洞穴最大直径约3 m，最大发育深度约150 m。岩层具以下溶蚀特征。

表1 侏罗系中统蛇店组J2s 岩性组合比例统计

图2 坝址岩性、构造图

(1)溶蚀岩性：砾岩溶蚀，易产生溶蚀空洞、溶蚀裂隙等；砂岩溶蚀主要发生在巨厚层砂岩中，为钙质胶结物溶蚀，岩石砂化。

(2)溶蚀岩体分布：坝基开挖揭露主要溶蚀岩带，左岸及河床有7条砾岩溶蚀岩带，河床地段有较多溶蚀砂岩条带；除成带溶蚀的砂岩、砾岩外，尚有沿高陡裂隙溶蚀的条状、斑状、小的带状溶蚀岩体。

(3)裂隙倾角：溶蚀条带或溶蚀的裂隙大多为高角度裂隙。大部分溶蚀裂隙为陡倾角，溶蚀裂隙倾角<30°占4.7 %、溶蚀裂隙倾角30°～50°占26.7 %、溶蚀裂隙倾角>60°占69.6 %。

(4)溶蚀发育高程：从图3中可见，枢纽区砂砾岩溶蚀发育高程在850～1 100 m，1 000 m左右相对发育，到微风化岩带仅沿裂面溶蚀，明显减弱。高坝基高程980 m的1～3 m范围内没有突变状况，这是优化减少坝基开挖1 m的依据。

图3 钻孔溶蚀发育高程

(5)不同风化带溶蚀岩体波速特征：强风化带或弱上风化带溶蚀岩体波速很低，绝大部分孔段波速在[1 500, 2 200]m/s，但有个别的孔段波速5 000 m/s左右。微风化带的砾岩溶蚀带实测波速大于3 000 m/s的测段62.6 %。

4 坝基红层溶蚀岩石(体)的物理力学性质

4.1 坝基红层溶蚀岩石(体)的密度及强度

4.1.1 岩石密度

对溶蚀成砂状的强溶蚀岩体(岩石)，现场开挖探槽，获取柱状样测定密度，中度溶蚀岩体、轻度溶蚀岩体，利用钻孔岩心获取试样。室内测试得到的不同溶蚀程度岩石密度见表2。岩体的溶蚀是由于钙质胶结物的流失呈现沙化状态，胶结物流失越重则岩(石)体溶蚀越强烈，结构越疏松，因而可以用岩石密度对溶蚀程度进行划分(见表2)。

表2 溶蚀砂岩密度及抗压强度统计

4.1.2 溶蚀岩石强度

现场在探槽、钻孔岩心中获取试样，测定溶蚀岩石的抗压强度结果，从表2中岩石抗压强度值可知：即使轻度溶蚀的砂岩，其抗压强度较低，多在30 MPa以下，中度溶蚀砂岩的抗压强度只有[8, 15] MPa，强烈溶蚀砂岩的抗压强度均值只有2 MPa。因而轻度溶蚀的岩石在坚硬程度上属于较软岩；中等溶蚀的岩石属于软岩，强烈溶蚀岩石属于极软岩。

4.2 坝基红层溶蚀岩石(体)的力学性质

4.2.1 观音岩水电站坝基岩体及溶蚀岩石(体)现场变形试验及成果

现场对开挖坝基岩体开展了29个点各类岩体的变形试验(包括溶蚀岩体)，从左岸到右岸坝基，高程从左岸6#坝段1 054 m到河床坝段18#高程981 m。图4中分别列出了砂岩、粉砂岩、泥质岩、溶蚀砂砾岩的现场变形试验成果，从图中可见，非溶蚀岩体各自有一个相对稳定延伸线，而溶蚀岩体起伏差别较大，说明溶蚀作用对岩体变形强度影响较大。砂砾岩溶蚀以条带状、透镜体状、裂隙分布，溶蚀部分强度偏低，但未溶蚀部分砂砾岩强度较高，这是可采取工程处理措施的重要依据之一。

图4 不同岩体变形试验成果

4.2.2 坝基溶蚀岩体抗剪强度试验及成果

现场用金刚石钻具和手工取样获得试样，在 MTS三轴伺服强度试验仪开展强度试验来获得溶蚀岩体的强度参数，见表3。

表3 溶蚀砂岩、溶蚀砾岩岩样三轴试验成果

溶蚀岩样强度试验成果表明：轻度溶蚀和中度溶蚀砂岩的内聚力差别很小，均值都在0.6 MPa左右，中度溶蚀砂岩的内摩擦角比轻度溶蚀砂岩低20°左右。

4.3 坝基溶蚀岩体质量的物理力学特性

4.3.1 坝基质量分类特征

根据观音岩水电站勘察工程地质条件，结合大量原位岩体试验成果，编制了岩体质量分类，见表4。总体上坝基岩体以Ⅲa和Ⅲb类为主，溶蚀岩体根据溶蚀程度，以Ⅳ或Ⅴ类岩体考虑采取处理措施。

4.3.2 坝基开挖建基面的物理力学特性

坝基开挖实际岩层、溶蚀岩体分布是有差别的，在坝基验收过程中，现场跟随开挖，采用多次定点测绘，获得各岩性界线的坐标、岩层产状，从而可以进行空间定位，准确划定各类岩体分布，并进行岩体质量确定。在各坝段精细化收资、分类，并按各类岩体力学参数进行加权平均基础上，结合实际适当调整，提出了各坝段建基面力学指标建议值。图5为坝基岩体参数实际统计成果。

图5 各坝段建基面砼-岩、岩-岩f′,C′力学指标统计

从图5可得出如下一些评价结果：

(1)坝基岩体质量有起伏、有高低差别，但加权平均整体以Ⅲa和Ⅲb为主，可满足建坝面要求。

(2)左岸4#，5#，7#坝段地质参数较低，地层以J2s2-1坚硬砂岩、砾岩为主，溶蚀岩层发育相对集中，导致地质参数偏低。

(3)河中17#，18#，19#坝段是最高坝段，开挖高程980 m，坝高159 m，长条带状溶蚀发育，对岩体参数有影响，但溶蚀条带之间岩体完整性较好，通过适当减少开挖、槽挖处理优化1 m工程量。

(4)21#，22#坝段砂岩集中分布，溶蚀相对不能发育，因此地质条件较好、地质参数较高。

(5)23#,24#,25#为导流明渠坝段，建基面高程1 012m，溶蚀较发育坝基地质参数不高。

(6)26#坝段以右坝段坝基高程1 045 m、坝高不足100 m，溶蚀不发育，完全满足坝基要求。

4.4 坝基溶蚀岩体地质缺陷处理措施

观音岩水电站坝基中溶蚀砂砾岩层是坝基地质缺陷之一。

(1)左岸发育7条延伸长、宽度较大的溶蚀条带，对较强的溶蚀条带必须进行槽挖处理，对溶蚀中等至轻微的溶蚀条带清除溶蚀宽缝中的残留物后加以利用，并采取针对性加强固结灌浆措施。

(2)钙质流失砂化条带及溶蚀条带宽度小于50 cm，该类型溶蚀发育在层内，其岩体内部未溶蚀岩体强度仍然较高，具有一定的支撑作用，采取直接清除软弱部岩土的措施；而对延伸较长的宽度大于50 cm的该类型溶蚀进行了槽挖处理，槽挖处理后其溶蚀依旧，鉴于该类溶蚀裂隙连通性较好，可经过固结灌浆处理提高岩体的完整性。

5 总 结

(1)观音岩水电站坝基地层为中生界侏罗系中统蛇店组红层，沉积相复杂的软硬相间岩层，属中国西南地区川滇红层中的滇中红层，以舒缓褶皱构造为主、断裂构造不发育，坝址区发育大坪坝背斜、干坪子向斜。

(2)由于观音岩水电坝址区红层地层的独特地质条件，在完成钻孔近203个，累计进尺15 000 m以上所收集资料的基础上，结合沿河床左右岸精细地质测绘资料，提出坝基侏罗系中统蛇店组3段11层2个亚层的分层结果。J2s2坚硬砂砾相对集中，上段、下段岩层砂砾岩逐渐减少，岩层弱、微风化岩体RQD主要在[70 %, 80 %]之间，完整性相对较好，砂砾岩层溶蚀是主要不利工程地质条件。

表4 岩体质量分类表

(3)观音岩水电站坝址区J2s2-1,J2s2-2和J2s3-1,J2s3-3,J2s3-4,J2s3-5钙质砾岩、钙质砂岩中，溶蚀发育集中在高程850 ～1 000 m，坝基5#—21#坝段揭露溶蚀砾岩带7条。根据溶蚀将高坝基高程980 m优化减少坝基开挖1 m。

(4)砂岩从强烈溶蚀到中度溶蚀、轻度溶蚀的岩石密度明显降低。轻度溶蚀的砂岩抗压强度在30 MPa以下，中等溶蚀砂岩的抗压强度只有[8, 15] MPa，强烈溶蚀砂岩的抗压强度均值只有2 MPa。轻度溶蚀的岩石在坚硬程度上接近中硬岩；中等溶蚀的岩石属于软岩，强烈溶蚀岩石属于极软岩。

(5)滇中红层坝基岩体质量分为6个等级：Ⅱ,Ⅲa,Ⅲb,Ⅳa,Ⅳb,V。以坝基工程地质开挖收资验收成果复核统计了坝基岩体分类显示，坝基实际岩体质量以Ⅲa和Ⅲb为主，岩体质量相对较差部分为溶蚀条带、溶蚀影响岩体。坝基以挖除溶蚀条带做混凝土塞置换和加强固结灌浆方法减少1m开挖和混凝土浇筑，效果显著。

(6)观音岩水电站设计坝型为混凝土坝与心墙堆石坝组合的混合坝，是昆明勘察设计研究院勘察设计的独特水电工程。在工程勘察、施工过程中针对坝基、坝型所采取的复杂层状地基分层与岩体质量分类、砂砾岩体溶蚀问题处理、水文地质条件的悬挂式帷幕灌浆处理等积累了一定经验。

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