龙塘水库坝址溶蚀节理化岩体的工程特性研究

张 丙 先，冯 进 伟，张 涛，周 新 开

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

龙塘水库坝址基岩为中厚-巨厚层状灰岩，节理发育，沿节理普遍发生溶蚀风化，裂隙性溶蚀风化带厚40～60 m，属典型的溶蚀节理化岩体。溶蚀节理化岩体的强度决定了设计方案和工程量，成为影响枢纽工程建设的关键因素。岩体的节理化是常见的地质现象，相关学者做了大量的研究工作。节理岩体的影响因素方面，李建林等[1]开展了节理岩体三轴卸荷试验，研究了卸荷条件下节理岩体的应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式；刘红岩等[2]研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。节理岩体的分析方法主要包括试验[3]、数值分析[4-6]、三维激光扫描技术[7]和Hoek-Brown准则及其改进[8]。工程处理方面，张波等[9]研究了含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式，倪卫达等[10]提出一种考虑卸荷损伤的柱状节理岩体开挖分析方法，Zhou等[11]提出了考虑节理岩体节理取向影响的损伤模型。

综上可知，无论是对节理化岩体本身的研究还是考虑卸荷、冻融等作用的影响，在分析方法、工程处理以及模型建立等方面均取得了较大的进展。溶蚀作用不同于卸荷、冻融等物理作用，属于化学作用。溶蚀往往从节理面开始对岩体产生破坏，岩溶形态复杂，分布规律性差，因此叠加溶蚀作用的节理化岩体的工程性质更为复杂。目前对溶蚀岩体的研究多集中在溶洞等岩溶现象方面[12]，而对龙塘水库坝址而言，需要解决的是兼具溶蚀作用的节理化岩体的强度问题。本文在现场调查、综合勘探的基础上，重点进行了钻孔压水试验、声波测试、钻孔电视录像、电磁波跨孔CT影像，对岩体中节理的成因机制、溶蚀风化特征进行了分析，对溶蚀节理化岩体进行了原位试验。考虑到原位试验试体的尺寸相对偏小，岩体中溶蚀和节理的随机分布存在缺陷，采用Hoek-Brown经验公式[13-14]对溶蚀节理化岩体强度进行了估算，并与原位试验成果进行了对比分析。在此基础上，基于岩体力学强度结合声波波速、结构面特征等综合分析溶蚀节理化岩体质量，进而确定了岩体的利用及处理措施。评价方法和成果对类似工程具有借鉴意义。

1 坝址岩体节理的成因机制

1.1 坝址区地质构造背景

龙塘水库坝址位于康藏高原东南部之盐源盆地北部的丘陵区，在大地构造上位于扬子准地台西北部的二级构造单元盐源丽江台缘拗陷区中部盐源“山”字型构造脊柱部位。区内构造形迹受南北向推力的控制，形成了一系列北东及北西向延伸的宽缓褶皱。其中采石场向斜和石河坝背斜是分布于龙塘水库坝址上游和下游的两个褶皱(见图1)。

图1 坝址区褶皱地质剖面Fig.1 Geological profile of folds in the dam site area

采石场向斜轴面走向近东西，北翼岩层倾向170°～195°，倾角30°～50°；南翼岩层倾向340°～10°，倾角50°～70°。核部地层岩性为三叠系上统下博达组(T3xb)泥灰岩，两翼地层岩性主要为三叠系中统白山组(T2b)灰岩。

石河坝背斜轴面走向80°～95°，北翼陡于南翼，北翼岩层倾向15°～35°，倾角50°～70°，南翼岩层倾向170°～210°，倾角19°～30°。核部及两翼地层岩性均为三叠系中统白山组(T2b)灰岩。

1.2 岩体中节理的发育特征

龙塘水库坝址位于采石场向斜与石河坝背斜的转折部位，岩层倾向350°～10°，倾角50°～60°，呈中厚-巨厚层状。岩体中节理发育，主要有5组节理(见图2)，节理基本特征列于表1，其中以第1，2，3组节理较发育，沿节理面发育溶蚀风化现象。

图2 节理等密图(上半球投影)Fig.2 Joint contour diagram(upper hemisphere projection)

表1 坝址岩体节理分组统计Tab.1 Statistical table of joint grouping of rock mass at dam site

1.3 岩体中节理的成因机制

龙塘水库坝址位于采石场向斜与石河坝背斜的转折部位，岩体为灰岩，属硬质岩。伴随褶皱的形成，岩体发生脆性破裂，形成构造节理(纵剪节理)，其中第1组节理与第2组、第3组节理呈缓、陡相交的“X”型共轭节理系。岩体中主要构造节理的受力分析情况如图3～4所示。由图4可知，褶皱的压应力并非水平，而向北倾伏，倾伏角30°左右。

图3 主要节理面赤平投影Fig.3 Major joint planes stereographic projection

图4 坝址岩体受力示意Fig.4 Stress diagram of rock mass at dam site

2 溶蚀节理化岩体的工程特性

2.1 坝址岩体的溶蚀风化特征

坝址岩体为灰岩，属硬质岩。由于其位于褶皱转折点，伴随褶皱的形成，岩体在压应力作用下发生脆性破裂，导致岩体中节理发育，属典型的节理化岩体(见图5(a))。灰岩亦属可溶性岩石，节理成为溶蚀风化营力的通道，地下水沿节理运移，发生溶蚀风化，并沿节理溶蚀扩展，形成溶蚀风化裂隙，成为典型的溶蚀节理化岩体，工程上将其划分为裂隙性溶蚀风化带(见图5(b))。

图5 坝址节理化岩体溶蚀风化现象Fig.5 Karst and weathering of jointed rock mass at dam site

据钻孔、平硐揭露和钻孔压水试验、声波测试、钻孔电视录像、电磁波跨孔CT影像等资料综合分析，坝址岩体表层强烈溶蚀风化带厚度：两岸为5～15 m，河床为0～2.0 m；裂隙性溶蚀风化带厚度：两岸为50～60 m，声波纵波速平均值为4 169 m/s；河床为40 m，声波纵波速平均值为3 439 m/s。裂隙性溶蚀风化岩体厚度较大，岩体中直径大于1.0 m的溶洞多分布于2 350 m以上，洞径在0.5～1.0 m的溶洞多布在高程2 335～2 348 m以上，溶蚀节理化岩体质量自上而下差别不明显。河床溶蚀风化程度高于两岸(见图5)，这与通常河床风化厚度和程度低于两岸的情况相反。分析造成这种反常现象的原因为：① 节理发育程度相同，坝址岩体节理属构造节理，其发育程度在两岸和河床差别不大；② 地下水作用不同，两岸地下水位略高于河水位，岩体多处于干燥状态，也就是说当河流下切后，两岸岩体的溶蚀风化作用强度较低，而河床岩体由于地下水的常年入渗，溶蚀风化作用强烈，因而造成河床溶蚀风化程度高于两岸的反常现象。

2.2 节理及溶蚀风化对岩体质量的影响

龙塘水库坝址灰岩呈中厚-巨厚层状，但岩体中节理发育，主要有5组节理，节理相互切割破坏了岩体的完整程度，呈镶嵌结构。溶蚀风化作用使节理扩展，甚至形成岩溶洞穴，进一步破坏了岩体的完整程度，呈块裂结构，局部呈碎裂结构。因此，原本中厚-巨厚层状且属于硬质岩的灰岩，因发育节理及溶蚀风化使其完整程度和整体强度降低，不均匀性变差，导致坝址岩体产生一系列工程地质问题。

2.3 溶蚀节理化岩体的试验成果

坝址溶蚀节理化岩体厚度达50～60 m，是坝址利用的主要岩体。为了查明岩体的工程性质，在坝址钻孔内进行了声波测试和电视录像；两岸分不同高程布置了3层平硐，平硐中选取典型地段进行原位变形和剪切试验各18点。坝址溶蚀节理化岩体物理力学参数列于表2。弹性波波速值是岩体坚硬程度、完整程度及嵌合紧密程度等工程地质性质的综合指标[15]，坝址岩体声波纵波速为3 200～4 200 m/s，完整性系数为0.28～0.48，岩体破碎-完整性差，反映了节理及溶蚀风化对岩体强度的损伤、岩体的抗剪强度和变形指标相对完整岩体明显降低。

表2 坝址溶蚀节理化岩体物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of karst and jointed rock mass at dam site

2.4 基于Hoek-Brown经验公式的强度估算

采用建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验公式[16]估算溶蚀节理化岩体强度参数，计算参数取值及计算结果列于表3。

表3 溶蚀节理化岩体强度计算成果Tab.3 Calculation results of karst and jointed rock mass

2.5 Hoek-Brown计算结果与原位试验成果对比

基于建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验公式计算结果与原位试验成果比较情况列于表4。由表4可知：Hoek-Brown经验公式计算得到的凝聚力c值、变形模量E0值与原位试验成果接近，而摩擦系数f明显偏小，仅为原位试验值的0.38倍。考虑到原位抗剪试验试体的尺寸仅50 cm×50 cm，相对于坝基明显偏小，而Hoek-Brown经验公式计算得到的摩擦系数f值可理解为节理和岩桥提供的摩擦力按面积加权平均后的结果[17]，因而摩擦系数f值较小，可能更符合实际情况。

表4 Hoek-Brown经验公式计算结果和原位试验成果比较Tab.4 Comparison of results by Hoek-Brown empirical formula and in situ test

2.6 溶蚀节理化岩体质量综合评价

龙塘水库坝址岩体既具有较密集的成组节理，也有随机分布的节理与裂隙，而且沿节理裂隙普遍发生溶蚀风化。节理及溶蚀风化在很大程度上降低了岩体强度，因此难以用单一的力学指标评价岩体的质量。基于岩体力学强度结合声波波速、结构面特征等综合分析岩体质量，分析成果列于表5。

表5 坝址溶蚀节理化岩体综合分析Tab.5 Comprehensive analysis on karst and jointed rock mass at dam site

3 溶蚀节理化岩体的利用与处理

3.1 坝基岩体的利用与处理

溶蚀节理化岩体基本质量分级为Ⅲ级，坝基岩体工程地质分类属AⅣ类。溶蚀节理化岩体呈裂隙性溶蚀风化状态，岩体呈块裂结构，沿裂隙溶蚀风化，局部存在溶洞。岩体处于围压情况下，岩体承载力可满足中等坝高大坝地基的要求，但岩体完整性差，应重点关注坝基不均匀变形。处理措施为深开挖、全面冲洗、回填溶洞、固结灌浆，以提高坝基岩体完整性和抗变形能力。

3.2 地下洞室围岩的利用与处理

隧洞围岩类别属Ⅳ类，稳定性差。节理密集段和溶蚀发育段可能发生塌落、变形，处理措施为清除软弱充填物及强烈溶蚀风化带，然后进行回填和灌浆；一般节理化岩体破坏模式为结构面切割形成不稳定的块体，支护措施为系统锚杆、喷混凝土。

3.3 开挖边坡的处理措施

溶蚀节理化岩体中岩溶洞穴、溶蚀结构面相互组合，对边坡稳定性不利。根据调查，边坡现状整体稳定，局部见块体失稳的形迹。预测边坡开挖时失稳模式主要为结构面切割形成不稳定的块体，需分级开挖，及时采取喷锚支护措施，局部岩溶发育段进行回填并灌浆。

4 结 论

(1) 龙塘水库坝址节理化岩体的形成是在褶皱构造背景下，灰岩受压力作用发生脆性破裂。节理成为溶蚀风化营力的通道，地下水沿节理运移并溶蚀扩展，形成典型的溶蚀节理化岩体。

(2) 灰岩属于硬质岩，呈中厚-巨厚层状，但因发育节理及溶蚀风化使其完整程度和整体强度降低且不均匀，岩体的力学指标相对完整岩体明显降低。原位抗剪试验试体的尺寸相对偏小，对溶蚀节理化岩体适用性较差，Hoek-Brown强度准则在估算岩体强度方面可操作性较强，计算得到的力学参数比较符合实际情况。

(3) 坝址岩体既具有较密集的成组节理，也有随机分布的节理与裂隙，而且沿节理普遍发生溶蚀风化，局部发育溶洞。节理及溶蚀风化在很大程度上损伤了岩体强度，处于围压状况下，可满足中等坝高大坝对地基的要求，但存在坝基不均匀变形问题；作为地下洞室围岩，除了结构面切割形成不稳定的块体，节理密集段和溶蚀发育段还易发生塌落、变形；开挖边坡失稳模式主要为结构面切割形成不稳定的块体。

(4) 坝基溶蚀节理化岩体处理措施为深开挖、全面冲洗、回填溶洞、固结灌浆，以提高坝基岩体完整性和抗变形能力；地下洞室围岩、开挖边坡处理措施主要为喷锚支护，局部节理密集段和溶蚀发育段进行回填并灌浆。