团结水库极软岩平卧层面对坝基稳定的影响

陈卓 张新

国内外有诸多在软岩上建坝的先例，在有平卧软弱面的软岩、极软岩上建坝工程实例甚少，尤其欠缺针对性试验研究和稳定计算。云南省临沧市耿马县、双江县于20世纪90年代、2000年代建成的几座土石坝置于层面发育的新近系软岩，曾发生沿坝基滑坡，成为前车之鉴。耿马县团结水库大坝处于地震动峰值加速度0.3g的高烈度地震区，设计坝型为黏土心墙堆石坝，坝顶长度855 m，最大坝高54.5 m，正常蓄水位1 141.55 m，总库容2 220.6万m3。坝基地层岩性为新近系极软岩、软岩，可行性研究阶段推荐采用振冲碎石桩处理。初步设计技术评审要求重点研究坝基岩土力学特性尤其是岩层面的抗剪强度指标，计算大坝沉降变形和抗滑稳定，特别是沿坝基软弱面滑动失稳可能。研究结果为坝基软岩变形在允许值范围，不存在非层面滑动失稳问题，但存在沿坝基软弱面滑动失稳可能，经过方案比选确定坝基混凝土框格梁加固处理，有所创新。

1 坝基地质条件

1.1 岩土层分布

坝址为宽浅河谷，冲洪积层厚度1.1～6.1 m，上部为黏性土，下部为卵石混合土，结构松散-稍密，强透水。两岸残坡积黏土层厚1～11 m不等，软塑-硬塑。基岩为厚度数百米的新近系（N1）河湖相半成岩，为极薄层夹薄层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥页岩夹碳质纹层、煤线和砂岩，属极软岩、软岩，层面、层理发育间距5～20 cm。

1.2 岩石矿物鉴定

黏土矿物伊利石含量25%、高岭石含量16%，绿泥石含量11%；原生矿物石英含量39%，斜长石含量10%。观察岩层面多具丝绢光泽，绢云母、绿泥石膜厚1～4 mm。

1.3 新近系半成岩性状特征

局部分布的全风化岩呈土状；强、弱风化岩层面、层理密集长大，具泥化和绢云母化，平直光滑，产状近水平，判断具各向异性，垂直层面与平行层面力学特性差异大，构成坝基平卧软弱面，尤其强风化带（厚度0～8 m）内层间结合差，弱至微风化带内层间结合较好。

1.4 物理力学指标

1.4.1 室内试验

岩块试验18组，取样深度6.4～73 m。密度2.11～2.34 g/cm3，天然无侧限单轴抗压强度0.88～4.8 MPa，均值2.1 MPa，小值均值1.2 MPa。23组饱和压缩试验、固结快剪试验结果：压缩模量8.8～51.5 MPa，均 值20.4 MPa，小 值 均 值13.4 MPa；抗剪强度内摩擦角11.1°～46.6°，均值23°，小值均值17.3°，凝聚力17～230 kPa，均值88.1 kPa，小值均值47.1 kPa。

1.4.2 原位测试

钻孔纵波速测试强风化带波速1 500～1 700 m/s，岩体完整性差；弱风化带波速值1 600～1 900 m/s，岩体较完整。

强风化带标准贯入试验和静力触探试验成果汇总见表1，载荷试验成果汇总见表2，剪切试验成果汇总见表3，设计单位提出的饱和抗剪强度建议值见表4。

2 力学试验影响因素分析

（1）现场用锤敲击全风化岩有松软感，强风化岩哑声，敲击弱风化岩多沿层面、层理裂解，锤击声介于哑声与脆声。钻进时扰动常发生沿层面、层理破坏，难获得柱状岩芯，取芯后围压解除沿层理松驰，试样不连续，室内直剪试验多发生沿层面剪切破坏，部分非层面剪破。标贯试验强风化带修正击数较高，稠度属很硬；弱风化带击数大多超过25击，最大值49.5击，属坚硬。弱风化带尝试静力触探试验无法贯入，说明探头阻力很大。载荷试验、现场直剪试验在浅部强风化带内，因层面近水平，直剪试验近于平推剪切，沿层面破坏，所获沿层面抗剪强度数据可信度较高。

（2）综上影响因素，室内岩块试验抗压强度、压缩模量存在一定失真，数值偏小；岩块固结快剪低值大致反映层面抗剪强度，高值反映非层面抗剪强度；强、弱风化带按标贯试验击数计算的垂直层面抗剪断强度值高；载荷试验因膨胀、松驰变形模量偏小；直剪试验沿层面抗剪强度值低。鉴于基岩顶部5 m厚度岩层面泥化程度更高，设计单位按小于5 m、大于5 m深度分别提出抗剪强度建议值，沿层面抗剪强度值基本合理，非层面抗剪强度值偏低。

表1 标准贯入试验与静力触探试验结果汇总表

表2 载荷试验成果统计表

表3 基岩直剪试验强度统计表

表4 设计单位提出的饱和抗剪强度建议值

3 坝基岩土属性界定和力学特性评价

（1）新近系半成岩应界定为极软岩、软岩，大坝建基面置于基岩时，坝基类型属软质岩基，不能视为土基甚至软土坝基。

（2）坝基极软岩、软岩的承载力、压缩模量和非层面抗剪强度大于土基，低于一般软质岩基，能否满足高度54.5 m黏土心墙坝建基要求需做坝基变形沉降验算和抗滑稳定验算。

（3）现场用锤敲击和岩石试验均反映出岩石受力多沿层面破坏，各向异性特性明显反映在垂直层面抗剪抗度较高而平行层面抗剪强度很低，鉴于层面产状近水平且延伸长大，构成坝基平卧软弱面，大坝在承受库水荷载时存在沿岩层面滑移失稳可能，汲取当地同类坝基（未加固处理）发生过下游坝坡滑坡的教训，本工程坝基抗滑稳定计算必须考虑沿岩层面滑移模式。

4 大坝稳定计算

4.1 坝体和坝基沉降计算

经三维静力有限元计算，大坝建基面置于软岩强风化带时，坝基竖向变形沉降量小，坝体自身沉降集中发生在施工填筑期，竖向沉降最大值为218 cm；满蓄期水平位移最大值分别为30 cm（上游）和96 cm（下游）；心墙竖向、顺河向及沿坝轴线方向存在一定程度变形，但未出现拉应力。从力学试验影响因素分析坝基变形稳定应有一定安全裕度。

4.2 抗滑稳定计算

（1）不采取处理措施时，大坝抗滑稳定安全系数不满足规范数值要求。

（2）不做坝基加固处理，仅增加上、下游压重平台时，地震工况下抗滑稳定安全系数不满足规范数值要求，尤其沿坝基岩层面滑移模式的安全系数小，存在沿坝基岩层面滑动失稳可能。

（3）坝基采用地下混凝土框格梁加固或深开挖（5～13 m）置换处理时抗滑稳定安全系数满足规范要求，如图1所示。

图1 正常运行期极限地震下游坝坡滑弧位置（折线法，安全系数1.174）

5 坝基加固处理方案

鉴于坝基类型不属土基，属软质岩基，强度高于土基但低于一般软岩坝基，坝基平卧软弱面（岩层面）对抗滑稳定起控制作用。根据大坝沉降和抗滑稳定计算，不推荐采取振冲碎石桩加固处理，因为该方法处理将层状岩体捣碎为散土，反而破坏原岩结构，破坏坝基岩体整体性。

坝基采用地下混凝土框格梁加固或深开挖（5～13 m）置换处理均可解决大坝抗滑稳定问题。开挖置换方案将加大上下游水头差，不利于坝基层间渗流稳定，且弃渣量过大。混凝土框格梁加固方案可有效解决软岩层间滑动失稳问题，弃渣量小。经过比选，最终选择混凝土框格梁加固方案满足设计抗滑稳定计算，处理效果尚待大坝建成验证。

6 结语

鉴于极软岩、软岩坝基往往存在土基与岩基认识问题，应根据岩土物理力学试验加以界定。软岩内还发育长大软弱面时，土石坝方案也存在沿坝基软弱面滑动失稳可能，除一般试验研究外，还应专门试验研究软弱面的各向异性，以判断软弱面是否对坝基抗滑稳定起控制作用，在此基础上计算大坝变形稳定、抗滑稳定，然后才能确定切合工程实际的坝基处理方案。团结水库的坝基研究过程和方法对今后在类似地质条件建坝具有一定参考意义，希望引起对软岩坝基软弱面更细致深入的研究。