山城河水库上第三系砂岩遇水软化后对坝基稳定性的影响分析

闫 鑫

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000）

上第三系上岩组（Nb）砂质或泥质接触式松散状胶结砂岩遇水软化和变形问题是民乐县山城河水库施工中遇到的比较特殊的工程地质问题之一。该类砂岩特征主要是成岩作用较差，在坝基开挖过程中，在水的浸润（泡）作用下强度降低，岩石软化，加大了施工难度，使工程进展缓慢。

1 上第三系砂岩地质成因及分布

上第三系上岩组在山城子区下部为橘黄色厚层中及细粒砂岩，上部为橘黄色砂质泥岩、泥岩夹砂岩及砂砾岩，总厚度540 m，其矿物成分以石英和长石为主，中细粒砂状结构，成岩性差，砂质或泥质弱胶结，属山麓相到泻湖相的沉积。民乐盆地和走廊南山北麓的第三系很相似，均具两分性，下岩组均以紫红色碎屑岩为主，上岩组则以橘黄色碎屑岩为主。该层主要分布在走廊南山北缘与民乐盆地接壤带上的洛阳大山北麓、马蹄寺、山城子等处。

2 上第三系砂岩的工程特性研究

2.1 物理特性

根据取样的颗粒分析及颗粒级配图，上第三系砂岩颗粒组成以中细粒为主，粒径主要集中在0.075～0.5mm，黏粒含量低，仅为5.0%左右。在勘察过程中通过取样测得上第三系砂岩的天然密度1.40 g/cm3，天然含水率5.98%，颗粒密度2.40 g/cm3，比重2.62～2.68,孔隙比1.024，渗透系数（1.58～8.13）×10-4cm/s，整体的渗透性能较差。

2.2 强度特性

2.2.1 抗压强度 上第三系砂岩受沉积环境的影响，形成过程中以泥质弱胶结为主，抗风化能力很差，尤其强风化岩层天然抗压强度很低，一般5～10 MPa，遇水短时间内崩解，其饱和抗压强度无法通过室内试验测得；弱—微风化岩层天然抗压强度相对较高，为30.1～32.6 MPa,饱和抗压强度约为13.2～13.3，软化系数0.41。

2.2.2 抗剪强度 根据坝基和两坝肩砂岩的直接剪切试验，砂岩粘聚力16.5～28.0 MPa，内摩擦角35.46～44.29°。

3 坝基稳定性问题研究

上第三系砂岩成岩性差，在坝基开挖过程中，由于地下水的浸泡作用，该层砂岩在短时间内变成松散的砂状，使坝基岩体稳定性迅速降低（见图1）。大坝建在该层之上，在坝基与坝肩引起稳定性问题。

主要是坝基沿软弱夹层的抗滑稳定问题；坝肩存在滑坡出现的坝肩稳定问题。上第三系砂岩中的节理裂隙密集带在渗透水的作用下，很容易形成软弱夹层，大坝建在这类软弱面上，应注意这些软弱面的抗滑稳定问题，以防止坝基沿软弱面发生滑动。就软弱面产状及不同产状的软弱面的组合关系，上第三系砂岩抗滑稳定问题基本有2种类型：一是软弱面呈单斜倾向下游，下游被侵蚀，形成临空面，软弱面在临空面出露的情况下抗滑稳定问题如图1所示，该软弱面上受的力有∑H：水平力总和；∑V：垂直力总和；U：扬压力；C2、f2为软弱夹层的凝聚力和摩擦系数；α：层面与水平面之间的夹角。在这种条件下，抗滑稳定系数Kc可按下列公式求得：

式中，L2为软弱面长度，这里的临空面可以是河槽，也可以是深坑，或者是未胶结十分松散的断层破碎带及节理十分密集的节理密集带。只有Kc＞4～5时，才能认为坝基是稳定的。当岩层单斜倾向下游，下游并无临空面时，上述公式不能用作计算抗滑稳定。二是两组软弱面组合成的双斜滑动面滑动抗滑的问题。由一层软弱夹层和一组节理面或断裂面组合而成双斜滑动面滑动，在上第三系砂岩层经常遇到。若E1软弱面的摩擦系数和粘聚力分别为f1、C1；E2软弱面为f2、C2；E1软弱面所受的力有i）∑V1：作用于软弱面E1上的垂直方向力的总和（主要是坝基E以上的岩体重）；j）∑H1：水平力总和；k）U1：扬压力。E2软弱面所受的力有a）∑V2：作用于E2软弱面上的垂直方向力的总和。坝基是否稳定，应对双斜滑动面作抗滑稳定分析，计算出抗滑稳定安全系数Kc。当Kc＞4～5时，认为坝基是稳定的。抗滑稳定安全系数Kc计算公式：

当软面倾向下游，而下游并没有临空面时，坝基沿软弱面滑动，势必将下游岩层措断。此时，f2和C2应是岩体抗剪断强度的摩擦系数和粘聚力。

坝基岩体抗滑稳定问题分析中，对于坝下游的临空面、岩体发生滑移的滑动面以及将坝基岩体切割成块状的侧向切割面、拉裂面不能忽视，需进行认真地野外调查。测量这些结构面的产状、延展情况及软弱夹层的厚度、充填物泥化程度等情况，找出它们的互相组合关系。只有在整体上把各结构面的组合关系搞清楚，才能对坝基抗滑稳定分析有一个正确的结论。当然，这里起决定性作用的是软弱层面。一般认为倾角15～30°的倾向下游滑动软弱面应予特别注意。除了注意各类结构面、软弱面的产状及相互组合关系外，对于软弱面的延展情况也应特别注意。因为软弱面延展开来贯通整个坝基的软弱面造成坝基失稳的可能性最大。而那些断断续续出现的软弱面对坝基沿软弱面滑动是有阻力的，滑动时必须把不连续段的岩层切断，构成统一的滑动面后才能造成滑动，这实际上增强了滑动面的抗滑能力。上第三系红层砂岩中，节理裂隙密集带形成的软弱层是对坝基稳定危害最大的。因为这种软弱层抗剪强度很低，是建坝中应特别注意的一种软弱夹层。

4 结束语

上第三系砂岩属特殊岩体，成岩作用差，当坝基岩体遇水浸泡后迅速崩解成松散的砂状，稳定性极差，对施工造成了一定的难度。上第三系砂岩中的节理裂隙密集带在渗透水的作用下，很容易形成软弱夹层，大坝建在这类软弱面上，应注意这些软弱面的抗滑稳定问题，以防止坝基沿软弱面发生滑动。

上第三系砂岩厚度较大，岩性较均，施工中应遵循“快、少”的原则。“快”为快开挖，快支护，及时封闭；“少”为少扰动。

建议在今后类似地层的勘察设计中，要充分认识到上第三系砂岩遇水软化尤其是强风化层遇水迅速崩解为松散砂状的工程特性。