李新峰, 于 為, 張敬東

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程勘察院,新疆 烏魯木齊 832000)

肯斯瓦特水利樞紐壩址區(qū)巖石崩解性特征

李新峰, 于 為, 張敬東

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程勘察院,新疆 烏魯木齊 832000)

肯斯瓦特水利樞紐壩址區(qū)主要巖石為白堊系泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖,前期勘察結(jié)果曾判為軟巖,最終確定為中硬巖。隨著研究程度的加深和認(rèn)識不斷提高,逐步發(fā)現(xiàn)忽略該巖石特有的崩解性特征,是導(dǎo)致巖石室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果不一致的主要原因之一。常規(guī)巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)可以獲得耐崩解性指數(shù)Id,但該指標(biāo)沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn),也缺乏直觀性。通過工程勘察實(shí)踐及現(xiàn)場觀察試驗(yàn)方法,試圖取得直觀判斷巖石崩解特性途徑,效果良好。同時也為地面建筑物、地下開挖和邊坡工程的設(shè)計(jì)和施工提供合理的地質(zhì)建議。

肯斯瓦特水利樞紐;巖石;崩解性;現(xiàn)場觀察試驗(yàn)

肯斯瓦特水利樞紐工程是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶規(guī)模最大、地質(zhì)情況最復(fù)雜的山區(qū)水利工程,該工程最大壩高129.4 m,庫容為1.88億m3,為大(2)型Ⅱ等工程。工程區(qū)位于北天山褶皺帶的烏魯木齊山前拗陷區(qū)的西段南緣斷褶隆起的山地,地貌單元上屬侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)峽谷區(qū),山勢較陡,沿河谷和沖溝兩側(cè)基巖露頭較好,海拔高程1 000～1 800 m,相對高差150～500 m,河谷兩岸發(fā)育Ⅰ-Ⅵ級侵蝕堆積階地,頂部階地多被第四系上更新統(tǒng)黃土覆蓋,呈現(xiàn)二級夷平面。庫壩區(qū)出露的主要地層為白堊系呼圖壁河組(K1h),巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。白堊系地層呈近東西走向、向北東傾斜的單斜地層構(gòu)造,庫尾分布侏羅系砂巖、泥巖和砂礫巖。清水河子大斷裂和瑪納斯斷裂分別距樞紐區(qū)12 km和25 km,屬區(qū)域性活動斷裂和發(fā)震構(gòu)造,樞紐區(qū)位于兩大活動斷裂的中間地帶,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對較差,據(jù)本工程地震安評報告,50年超越概率為10%的地震動峰值加速度為0.25g,相應(yīng)地震基本烈度為8度。

本區(qū)巖石具有崩解性特點(diǎn),常規(guī)巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)可以獲得耐崩解性指數(shù)Id[1],但該指標(biāo)在規(guī)范規(guī)程和一些文獻(xiàn)中鮮有涉及到其具體的物理意義和對力學(xué)性質(zhì)的影響程度,也缺乏直觀性。此外,此類巖石在室內(nèi)試驗(yàn)效果與現(xiàn)場自然暴露的實(shí)際情況存在一定的差異。筆者通過工程勘察實(shí)踐及采取的一些現(xiàn)場觀察試驗(yàn)方法,取得直觀判斷巖石崩解特性途徑,效果良好。

施工過程中,針對巖石崩解性特征,通過采取合理的施工保護(hù)措施,消除了崩解特性帶來的不良影響。目前該水庫已蓄水一年多,運(yùn)行狀況良好。

1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)成果分析

肯斯瓦特水利樞紐于2005年、2006年和2009年底,分別進(jìn)行了該工程的項(xiàng)目建議書、可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察工作,在不同階段勘探工作中,采取了大量的試驗(yàn)樣品,取得較系統(tǒng)完整的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試資料,為工程地質(zhì)分析和設(shè)計(jì)決策提供了有力的依據(jù)。根據(jù)對歷年巖石室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)匯總(表1),巖石各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)變異性較小。2006年試驗(yàn)自由膨脹率平均值45%,而2009年針對巖石膨脹性共進(jìn)行48組試驗(yàn),其中僅1組試驗(yàn)自由膨脹率為49%,其余均<40%,根據(jù)該巖石本身的礦物成分及全風(fēng)化巖石遇水無泥化現(xiàn)象,且?guī)r塊在干濕交替的浸水試驗(yàn)過程中無變形現(xiàn)象,綜合分析判斷該巖石不具膨脹性。

通過試驗(yàn)參數(shù)對比分析,筆者認(rèn)為造成試驗(yàn)結(jié)果差異性的主要原因是白堊系砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖具有特殊崩解性,野外采集的巖石樣品未及時密閉封存,出現(xiàn)不同程度地裂紋崩解,從而造成樣品的質(zhì)量缺陷,加之樣品在野外獲取的完整性和及時性欠佳,對制樣加工和試驗(yàn)過程均會產(chǎn)生影響,從而影響到試驗(yàn)成果,尤其對巖石的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)影響更大。

由表2統(tǒng)計(jì)可知,巖石各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)存在明顯差異,通過對比分析可以看出:

(1) 2005年試驗(yàn)組數(shù)較少,但試驗(yàn)結(jié)果離散性較大,與初設(shè)階段試驗(yàn)成果相比較,其飽和抗壓強(qiáng)度不大,為14.9 MPa,最大22.9 MPa,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相近。

(2) 2006年試驗(yàn)結(jié)果離散性較大,特別是抗壓強(qiáng)度指標(biāo),其中天然抗壓強(qiáng)度最大值為100 MPa,最小值為5 MPa;飽和抗壓強(qiáng)度最大值22.9 MPa,最小值0.03 MPa,飽和抗壓強(qiáng)度普遍偏小,大部分試驗(yàn)結(jié)果<10 MPa,平均值為7.9 MPa,軟化系數(shù)0.12～0.25,巖塊靜彈模指標(biāo)較本次初設(shè)階段試驗(yàn)偏小,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與初設(shè)階段試驗(yàn)結(jié)果相近。

(3) 初設(shè)階段試驗(yàn)結(jié)果離散性較小,飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值為29.8 MPa,為歷年最大值,并且?guī)r石抗壓強(qiáng)度隨取樣深度加大而增大,符合巖石風(fēng)化程度隨深度增加而減弱的基本規(guī)律。

針對巖石具崩解這一特性,2009年勘察中重點(diǎn)對巖石樣品采集進(jìn)行全過程有效防護(hù)和控制,做到及時取樣、及時密閉保存、及時制樣試驗(yàn),在試驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)有缺陷樣品進(jìn)行標(biāo)注等,保證試驗(yàn)樣品不受崩解因素影響;從試驗(yàn)結(jié)果來看,巖石力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)有大幅提高,這一結(jié)果也符合巖石本身應(yīng)具有的工程特性。

根據(jù)河心鉆孔(孔位處于河流常年流水的斷面內(nèi))不同深度內(nèi)采取多組巖樣進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)該組試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析(表3),取樣深度在20 m以下的微風(fēng)化—新鮮巖石抗壓強(qiáng)度指標(biāo)較大,平均值達(dá)到了37.2 MPa,分析是由于有河水保護(hù),使巖體受風(fēng)化作用抑制,基本能代表微風(fēng)化—新鮮巖石的工程特性[2]。

表1 室內(nèi)巖塊試驗(yàn)物理性質(zhì)匯總表

表2 室內(nèi)巖塊試驗(yàn)力學(xué)性質(zhì)匯總表

表3 初設(shè)河心孔巖芯試驗(yàn)成果匯總表

2 巖體風(fēng)化崩解特性現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)一些文獻(xiàn)資料和現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程,常規(guī)巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)主要是通過耐崩解性指數(shù)Id來了解巖石的崩解性,但該指標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)確定,且崩解性指數(shù)的物理意義沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn),也缺乏直觀性。從上節(jié)巖塊物理試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,工程區(qū)巖石耐崩解指數(shù)最小值63.8,平均值87.2,根據(jù)耐崩解性指數(shù)Id,參照巖石耐崩解性六個等級劃分,可判定該巖石具有中等崩解性。這只是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得出的結(jié)論,但其對工程的影響程度及其具體物理意義無法獲知。由此在勘察過程中,試圖在自然環(huán)境狀態(tài)下通過不同工況取得的巖石試塊,現(xiàn)場觀察試驗(yàn)獲得巖石崩解性直觀的解釋?，F(xiàn)對各種試驗(yàn)結(jié)果簡述如下:

(1) 鉆孔巖芯觀察,巖芯從鉆孔取出放置巖芯箱后,一般在2 h左右開始出現(xiàn)微細(xì)裂紋,裂紋為交錯碎裂狀,不受層面及結(jié)構(gòu)面控制,呈隨機(jī)性發(fā)育。裂紋的發(fā)育和發(fā)展受天氣因素(日照、溫度、濕度、降雨、風(fēng)等)影響較大。

(2) 比對不同部位、不同深度分別采取的巖石樣品,按自然暴露室外、室內(nèi)、浸水三種狀況分別觀察巖石崩解速度。① 在自然暴露條件下巖塊崩解速度最快,直徑30 cm的巖塊完全風(fēng)化崩解成碎塊狀在30～60 d之間;② 鉆孔巖芯在自然暴露條件下一般在2 h左右開始出現(xiàn)微細(xì)裂紋,崩解成碎塊狀在10～25 d之間;③ 室內(nèi)觀測的巖塊及巖芯樣品崩解速度明顯減慢,直徑30 cm左右的巖塊90 d內(nèi)未崩解成碎塊狀,表面出現(xiàn)張開1 mm左右的裂紋,呈碎塊狀掉落,鉆孔巖芯崩解成碎塊狀在60～80 d之間,個別巖芯樣品在觀測200多天后,未崩解成碎塊狀,僅在表面出現(xiàn)細(xì)裂紋;④浸水觀測的樣品觀測200余天后仍未出現(xiàn)明顯變化。

(3) 對2005年、2006年完成的平硐進(jìn)行重新觀測,查看平硐內(nèi)巖石塌落情況,測量平硐寬高的變化,綜合分析巖石的崩解特性,鉆孔巖芯及平硐巖石崩解特性見表4、表5。

表4 鉆孔巖芯崩解特性觀測表

表5 平硐洞身圍巖崩解特性觀測表

平硐圍巖觀測結(jié)果:①對2006年勘探平硐進(jìn)行復(fù)測表明,所有平硐洞口都被崩解巖體封堵掩埋,平硐內(nèi)巖體有大面積塌落,洞頂及洞壁均有,崩落深度在20～60 cm之間,圍巖不穩(wěn)定,經(jīng)常有小的掉塊發(fā)生。②據(jù)2009年勘探平硐觀測表明,勘探平硐在完工后15 d左右?guī)r體開始出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,洞壁巖體節(jié)理形成的光面上開始出現(xiàn)裂隙紋,逐漸張開,最終形成裂隙發(fā)生掉塊。③根據(jù)對已完成平硐重新觀測發(fā)現(xiàn),在同一平硐內(nèi),潮濕部位的巖體未發(fā)現(xiàn)明顯的崩解,只有少量的掉塊;而干燥部位的巖體,越接近洞口處塌落崩解的現(xiàn)象越嚴(yán)重。對洞內(nèi)新鮮的巖體觀察發(fā)現(xiàn),巖體內(nèi)部發(fā)育有較多的裂紋,多與層面平行,其它隨機(jī)發(fā)育,地下水沿裂紋浸潤,局部張開形成滴水。

根據(jù)各種不同工況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,在自然暴露條件下巖體崩解速度最快,最終崩解成碎塊狀,室內(nèi)條件下巖體崩解明顯減慢,浸水狀態(tài)巖塊不發(fā)生崩解。崩解產(chǎn)生的裂紋呈交錯碎裂狀,且不受層面及結(jié)構(gòu)面控制,隨機(jī)性發(fā)育,裂紋的發(fā)育和發(fā)展受天氣因素(日照、溫度、濕度、降雨、風(fēng)等)影響較大。

3 試驗(yàn)對比的意義和施工過程的啟示與建議

根據(jù)上述巖石風(fēng)化崩解特性現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,可解釋以往勘察階段的巖石樣品由于保護(hù)措施不足,在風(fēng)化崩解作用下使巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生微妙變化,并直接導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的削弱,表現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度、靜彈模量和抗剪強(qiáng)度的明顯降低。

通過對巖石崩解特性認(rèn)識的不斷深入,在采取巖石樣品過程中,增加有效保護(hù)措施,使得初步設(shè)計(jì)階段室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果趨于合理,可為最終設(shè)計(jì)提供更加合理的參數(shù)和建議,為此,將前期勘探階段提出的巖質(zhì)類型提高一級,由原來的軟質(zhì)巖(較軟巖,飽和抗壓強(qiáng)度Rb=7.9～16.7 MPa)提高為硬質(zhì)巖(中硬巖,飽和抗壓強(qiáng)度Rb=37.2 MPa),該指標(biāo)的提高使壩基巖體工程地質(zhì)分類和洞室圍巖分類也相應(yīng)提高,避免設(shè)計(jì)參數(shù)過于保守,使得工程投資大大降低。

2009年10月導(dǎo)流洞開挖時,施工單位根據(jù)地質(zhì)建議及時進(jìn)行噴錨支護(hù),為安全進(jìn)洞開挖奠定了基礎(chǔ)。此后,發(fā)電洞、泄洪洞洞室開挖均遵循此原則,未出現(xiàn)大的隧洞穩(wěn)定問題;與此相對應(yīng),在泄洪洞出口邊坡、聯(lián)合進(jìn)水口高邊坡開挖過程中,部分施工單元由于跨越冬季,停工之前沒有及時對邊坡巖體進(jìn)行覆蓋保護(hù)(噴錨支護(hù)),均出現(xiàn)不同程度地滑塌破壞。而處于強(qiáng)風(fēng)化層的溢洪道出口明渠段地基,開挖后,風(fēng)化崩解速度更為明顯,為清除軟弱破碎的巖石,常常出現(xiàn)基礎(chǔ)超挖現(xiàn)象。這從另一個方面說明,對于易風(fēng)化崩解的巖石,及時采取保護(hù)措施的重要性。

4 結(jié)語

肯斯瓦特水利樞紐壩址區(qū)巖石在自然暴露條件下具有明顯風(fēng)化崩解的作用,樣品采集過程中如果忽略對其保護(hù),會影響和導(dǎo)致巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的降低。初步設(shè)計(jì)勘察中,針對巖石的風(fēng)化崩解特性,通過采取現(xiàn)場多種試驗(yàn)方法對不同工況下巖石直觀的觀察,驗(yàn)證了該巖石風(fēng)化崩解的產(chǎn)生過程及可能對工程產(chǎn)生的不利影響。巖石在不失水、緩慢失水、保持一定溫度和濕度條件下,崩解緩慢;若受暴曬、降雨侵蝕、溫度變化等作用,則會迅速崩解。

根據(jù)以上分析,在確定本工程項(xiàng)目區(qū)巖石主要物理性質(zhì)指標(biāo)時,以歷年試驗(yàn)成果匯總的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值[3];弱風(fēng)化巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(天然和飽和狀態(tài))以初設(shè)階段的試驗(yàn)成果算術(shù)平均值(去除異常值)作為標(biāo)準(zhǔn)值,微風(fēng)化—新鮮巖石的標(biāo)準(zhǔn)值為初設(shè)階段的河心孔內(nèi)微風(fēng)化—新鮮巖石的試驗(yàn)成果算術(shù)平均值(去除異常值),在此基礎(chǔ)上提出地質(zhì)建議值。該指標(biāo)的提高對壩基巖體工程地質(zhì)分類和洞室圍巖分類的提高,避免設(shè)計(jì)參數(shù)過于保守,降低工程投資具有積極的意義。

肯斯瓦特水利樞紐工程壩址區(qū)巖石邊坡或洞室開挖后,巖體失水后會出現(xiàn)快速崩解現(xiàn)象。為確保地面建筑物、地下開挖工程的巖石基礎(chǔ)(或圍巖)以及巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定,工程開挖后應(yīng)及時采取噴混凝土的全面保護(hù)措施,防止工程巖體風(fēng)化崩解帶來的力學(xué)性質(zhì)降低,以減少風(fēng)化崩解作用帶來的不良影響。

對于地面開挖工程重點(diǎn)做好保護(hù)層的預(yù)留,尤其對于強(qiáng)—中等風(fēng)化層的巖石,宜適當(dāng)增加保護(hù)層厚度;對于微風(fēng)化—新鮮巖石,可減少保護(hù)層厚度;而一旦打開保護(hù)層后,就應(yīng)及時采取速噴混凝土等保護(hù)措施。否則極易形成風(fēng)化崩解面,此時所噴混凝土無法與巖石形成整體、貼服效果差,保護(hù)效果不理想。如導(dǎo)流洞出口部分段巖質(zhì)邊坡噴錨支護(hù)后,僅僅在截流后不久,就造成嚴(yán)重崩落。

肯斯瓦特水利樞紐工程自2014年底下閘蓄水已近一年半,目前所有建筑物運(yùn)行正常。實(shí)踐證明,對易風(fēng)化崩解巖石采取合理保護(hù)措施是十分重要的。同時,也為今后類似巖石水利水電工程建設(shè)積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 徐志英.巖石力學(xué)[M].第三版.北京:中國水利水電出版社,2007.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50487—2008[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[3] 新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程地質(zhì)勘察報告(初步設(shè)計(jì))[R].烏魯木齊:新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2009.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Discussion and Analysis of Disintegration Characteristics of Rockat the Ken Swart Hydro Junction

LI Xinfeng, YU Wei, ZHANG Jingdong

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

Main rocks of the Ken Swart dam site area are cretaceous argillaceous sandstone and sandy mudstone,preliminary survey results identified as soft rock,but ultimately determined that is medium hard rock. Through phased prospecting,with the reaserch degree deepening and understanding of continuous improved,gradually found that ignore the disintegration characteristics of the rock,it is the main reason for the laboratory tests’ results disaccord. The routine rock physical properties test can obtain the disintegration indexIdbut there is no uniform standard of measurement,and lack intuitive. This paper through the engineering prospecting practice and some of the field observation test method,attempts to find visual judgement of the disintegration characteristic of rock,and the effect is good. At the same time,it will provide reasonable geological suggestion for the design and construction of the surface buildings,underground excavation and slope engineering.

Ken Swart hydro junction; rock; disintegration; field observation test

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

李新峰(1966-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:415211049@qq.com

TV223.1; P584

A

1671-1211(2016)03-0356-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.026

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.008.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31