固军水库软弱结构面发育特征研究

王玉秦,浮红山,李叶

(1.四川水发勘测设计研究有限公司,成都,610200)(2.四川省水利规划研究院,成都,610072)

1 工程概况

固军水库位于达州万源市固军镇,是在州河支流——中河中游河段兴建的一座以城镇防洪为主,兼发电的大(2)型水利工程。坝址位于中河固军镇固军大桥上游约130m处,距万源市城区约65km,推荐坝型为重力坝,主要水工建筑物由堆石混凝土重力坝、泄洪表孔、泄洪底孔、左岸发电引水压力管道、坝后电站厂房、过鱼设施等组成。工程设计正常蓄水位494m,水库回水长度12.74km,总库容1.27亿m3,最大坝高77.4m,装机11.6MW。

2 工程地质环境

2.1 地形地貌

坝址区河道顺直,属于构造剥蚀型低山～中低山地貌,河床高程430.5m～434.9m,河床比降约1‰,枯期河面宽度40m～54m,正常蓄水位494m时河谷宽约183m。河谷两岸为斜坡、陡崖地形,属不对称的“V”形横向河谷,左岸为陡崖,右岸相对较缓。

2.2 地质岩性

坝址区基岩为三叠系上统须家河组(T3xj),须家河组以岩屑砂岩、页岩为主,夹泥质砂岩透镜体和薄煤层,层间错动发育,岩体破碎,根据岩性特征及其组合共分为5个工区层,①和④层以页岩为主;②层为岩屑砂岩与含煤砂岩互层,含煤砂岩分布不稳定,连续性和厚度变化大,岩体破碎;③层为岩屑砂岩,岩体较完整;⑤层为岩屑砂岩层夹透镜状的泥质砂岩。坝址区河段为横向谷,各工区岩层在河床及两坝肩均有出露。

2.3 地质构造

工程区位于四川盆地东北部大巴山及其南麓,在大地构造单元上位于扬子陆块(YZB)北部边缘地带,北临秦岭造山带,东临大巴山前陆逆冲楔,形成了一系列弧顶向南的推覆构造带,近场区发育的主要断裂有万源-红池坝断裂和九盘石-巫溪断裂,场址区共计发育有18条断层。

3 软弱结构面物性特征

3.1 软弱结构面成因分类

软弱结构面为岩体中力学强度明显低于围岩,并对岩体稳定起控制作用的结构面。软弱结构面按成因分为原生软弱结构面、构造软弱结构面和次生软弱结构面3种类型。原生软弱结构面是在成岩过程中形成,如层面等;构造软弱结构面是在构造运动过程中形成,如断层;次生软弱结构是在物理风化等作用下形成,如风化节理等。

就固军水库来说,原生软弱结构面就是在沉积成岩过程中形成的薄煤层(M),煤层沿层面沉积发育,具有相对稳定的连续性和延伸性,如河床坝基段出露M①-21、M②-8、M②-7、M②-2和M②-4,厚度0.05m～0.48m,上述原生型软弱结构面对坝基的稳定和变形均有影响。

构造型软弱结构面除断层外主要为层间错动破碎带,其力学特性主要取决于结构面的物质组成及性状,按其形状分为4种类型:分别为岩块岩屑型(Rk)、岩屑夹泥型(Rx)、泥夹岩屑型(Rn)和泥型(N)四类[1]。通过对固军水库坝址区162条软弱结构面的统计,各类别软弱结构面分类情况见图1。

图1 软弱结构面类型统计

3.2 软弱结构面性状特征

(1)煤层(M):由成煤作用形成,厚度较大时在中间部位颗粒明显以细粒为主,含水量偏高,往两侧颗粒逐渐变大,煤的纯度明显降低,黏粒(<0.005mm)含量分布离散性极大。

(2)岩块岩屑型(Rk):由碎块、碎屑组成,局部夹泥化物,粗颗粒多于黏粒,黏粒(<0.005mm)极少量或者无。

(3)岩屑夹泥型(Rx):由碎块、碎屑及少量泥质物呈混杂状,夹泥不连续,粗颗粒多于黏粒,黏粒(<0.005mm)<10%[1]。

(4)泥夹岩屑型(Rn):主要由碎屑及粉粒组成,含有一定泥质物和角砾,10%<黏粒(<0.005mm)<30%[1]。

(5)泥型(N):有连续夹泥带,角砾很少,黏粒含量大于粗颗粒,黏粒(<0.005mm)>30%[1]。

其中,对于分布稳定,延伸长度大,贯通整个水工建筑物地基范围内的软弱结构面,单独命名编号(C),其结构面物质成分随分布部位的不同差异较大,同一结构面分布有岩屑、泥质薄层、岩块和煤层煤线几种结构面物质中的两种或两种以上。

3.3 软弱结构面颗分特征

按照软弱结构面在坝址区的类别、性状和分布部位,共计取样42组进行了室内物性试验,黏粒含量作为控制软弱结构面的主要因素[2],各类别软弱结构面黏粒含量统计见图2。

图2 软弱结构面黏粒含量统计

其中,煤层角砾含量60.4%,砂粒含量17.7%,黏粒含量3.0%;岩块岩屑中角砾含量78.8%,砂粒含量13.7%,黏粒含量1.5%;岩屑夹泥中角砾含量69.2%,砂粒含量11.3%,黏粒含量5.2%;泥夹岩屑中角砾含量45.0%,砂粒含量17.9%,黏粒含量15.7%。各型软弱夹层按性状由好到差角砾含量依次减小,黏粒含量依次增加,与规范界定的黏粒百分含量比较吻合;煤层的性状依据其物质组成接近于岩屑夹泥。

4 软弱结构分布特征

根据成因分类、性状特征和颗分特征,对固军水库坝址区软弱结构面分布特征进行了分析和研究,以坝址区河床段顺河向剖面为例(见图3),分布特征如下:

图3 河床段顺河向剖面

(1)软弱结构面在坝基范围内发育密度达条/5m,且随埋置深度、卸荷深度和风化条件没有明显变化,应以原生结构面和构造结构面为主。

(2)坝基范围内4种类型软弱结构面均有发育,以岩块岩屑型和岩屑夹泥型为主,合计占比约占一半。特别是泥型结构面仅占5%,延伸性和稳定性较差,应与其以次生构造形成密切相关。

(3)煤层作为单列软弱结构面分类,主要因其对坝体抗滑稳定具有与软弱结构面等同作用,且其成因无法归于上述软弱结构面成因之中。

(4)根据煤层颗分成果分析,煤层颗分成分与岩屑夹泥型软弱结构面颗分成果接近,其抗剪指标应与岩屑夹泥接近。

(5)各型软弱结构面虽然发育,但发育的稳定性较差,多以短小结构面为主,占比达95%以上,仅有约5%的结构面为分布稳定的长大结构面。

(6)对于分布稳定的长大结构面,其物质成分随分布部位的不同具有明显的差异性,同一长大结构面由多种类型结构面物质组成。

(7)对于长大结构面,以结构面类型为依据,采用加权法计算长大结构面的力学指标,以期更切合实际。

5 结语

通过对固军水库坝址区软弱结构面成因分类、性状特征和颗分特征的分析,在传统的水利水电四大软弱结构面分类的基础上,提出了长大结构面的概念。明确长大结构面上的物质成分随其空间分布位置的不同而具有明显的差异性[3],进而采用加权法提出结构面拟合力学指标,为设计计算坝基抗滑稳定分析提供了合理的边界条件。此次创新性地对软弱结构面进行分级和加权拟合力学指标,对今后在软弱结构面发育地区分析水工建筑物的抗滑稳定性具有一定的参考作用。