摘 要：【目的】青峪口水庫(kù)壩址區(qū)巖體發(fā)育軟弱夾層，為確保大壩順利施工，需對(duì)軟弱夾層的分布規(guī)律及其工程特性進(jìn)行研究，并探討其形成機(jī)制，為壩址選擇及工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā坎捎镁C合勘查方法，包括地表調(diào)查、勘探、礦物分析、化學(xué)成分分析和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)等多種手段，全面研究壩址區(qū)巖體的軟弱夾層特征?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，軟弱夾層在壩址區(qū)廣泛發(fā)育，且泥質(zhì)含量較高，強(qiáng)度較低，尤其是k1c4、k1c3和k1c2層的軟弱夾層可能對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定性構(gòu)成威脅?！窘Y(jié)論】研究成果為青峪口水庫(kù)壩型選擇、樞紐布置及工程設(shè)計(jì)提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軟弱夾層；綜合勘察方法；物理化學(xué)性狀分析；抗滑穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）01-0044-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.008

Research on the Distribution and Engineering Characteristics of Weak Interlayers in Qingyukou Reservoir

LI Feng LIU Haiyang TANG Wanjin

（Changjiang Geotechnical Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： [Purposes] The rock mass in the Qingyukou Reservoir dam site area has developed weak interlayers. In order to ensure the smooth construction of the dam， it is necessary to study the distribution law and engineering characteristics of the weak interlayers， and explore their formation mechanism， providing scientific basis for dam site selection and engineering design. [Methods] This study adopted a comprehensive survey method， including surface investigation， exploration， mineral analysis， chemical composition analysis， and on-site shear tests to comprehensively study the characteristics of weak interlayers in the rock mass of the dam site area. [Findings] The results indicate that weak interlayers are widely developed in the dam site area， with high mud content and low strength， especially in the k1c4， k1c3， and k1c2 layers， which may pose a threat to the anti sliding stability of the dam foundation.[Conclusions] Through in-depth analysis of the distribution and engineering characteristics of weak interlayers， this study provides important geological basis for the selection of dam types， hub layout， and engineering design of Qingyukou Reservoir.

Keywords： weak interlayers; comprehensive survey method; physical and chemical properties analysis; anti-skid stability

收稿日期：2024-11-23

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江巖土工程有限公司自主科研項(xiàng)目（KCZC0965）。

作者簡(jiǎn)介：李鋒（1970—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：水利水電地質(zhì)勘查。

通信作者：劉海洋（1993—），男，碩士，工程師，研究方向：水利水電地質(zhì)勘查。

0 引言

青峪口水庫(kù)是小通江干流上的防洪控制性工程，兼具供水和發(fā)電功能，壩址位于四川省通江縣諾江鎮(zhèn)。擬建混凝土重力壩正常蓄水位為400 m，壩頂高程405.3 m，壩長(zhǎng)221 m，最大壩高71.3 m，總庫(kù)容1.42億m3，裝機(jī)容量20 MW，屬Ⅱ等大（2）型水庫(kù)工程。壩址區(qū)巖體為白堊系下統(tǒng)蒼溪組（k1c）的泥巖、砂巖及粉砂巖，軟硬相間，發(fā)育軟弱夾層。研究軟弱夾層的性狀特征和分布規(guī)律對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。

軟弱夾層是巖體中軟弱且具有一定厚度的結(jié)構(gòu)面或軟弱帶，成因包括原生沉積、火山碎屑、沉積變質(zhì)、層間錯(cuò)動(dòng)、斷裂破碎和地下水泥化等［1］。一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，胡濤等［2］認(rèn)為，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使砂巖與泥巖接觸帶抗剪強(qiáng)度降低，成為剪切薄弱區(qū)；楊發(fā)軍等［3］指出，碎屑巖中高黏粒含量的夾層易在構(gòu)造變動(dòng)中形成剪切部位；聶瓊等［4］認(rèn)為小南海的軟弱夾層為原生型；曹道寧等［5］通過(guò)對(duì)卡洛特水電站壩址區(qū)軟弱夾層進(jìn)行綜合分析，探討了不同類(lèi)型軟弱夾層的特性、分布及形成機(jī)制，指出其由構(gòu)造作用、卸荷、蠕變、風(fēng)化和地下水等多種因素綜合作用形成，為水電站工程設(shè)計(jì)提供了地質(zhì)依據(jù)；張家明［6］概述了軟弱夾層的定義、特性及其與泥化夾層的區(qū)別，分析了當(dāng)前研究的不足，提出未來(lái)在泥化演化、三維分布、剪切蠕變和動(dòng)力學(xué)特性等方面的研究方向。

本研究結(jié)合青峪口水庫(kù)的軟弱夾層，通過(guò)對(duì)其礦物成分、化學(xué)成分及物理性質(zhì)進(jìn)行分析，研究其在特定沉積環(huán)境中的發(fā)育規(guī)律，并總結(jié)成因。這對(duì)壩型選擇、樞紐布置、大壩抗滑穩(wěn)定性［7-8］、邊坡［9-11］和地下洞室圍巖［12-13］的穩(wěn)定性分析具有重要意義。

1 地質(zhì)構(gòu)造

青峪口水庫(kù)壩址區(qū)位于涪陽(yáng)壩背斜南西翼，壩址處發(fā)育一次級(jí)小褶皺（鄒家壩背斜），鄒家壩背斜軸向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，核部位于近河床地段，巖層近水平，具有向南（河床下游）傾伏的特征，左岸為背斜東翼，巖層傾向左岸偏下游，傾向約89°，傾角約3°，右岸為背斜西翼，巖層傾向右岸偏下游，傾向約195°，傾角約5°，壩址區(qū)地層平緩。

壩址區(qū)覆蓋層主要為第四系人工堆積層（Q4s）、崩坡積層（Q4col+dl）、沖積層（Q4al）及階地堆積層（Q41+2al），出露基巖主要為白堊系下統(tǒng)蒼溪組（k1c）泥巖、砂巖及粉砂巖，呈軟硬相間不等厚互層。根據(jù)巖性及其組合特征，可分為砂巖、泥巖兩大類(lèi)巖組，分為k1c1～k1c8共8層（為壩址區(qū)與工程相關(guān)巖體，并非蒼溪組整層），其中單號(hào)為泥巖類(lèi)巖組，雙號(hào)為砂巖類(lèi)巖組。

2 軟弱夾層

軟弱夾層的分類(lèi)和分布是影響大壩工程設(shè)計(jì)和安全的關(guān)鍵因素。青峪口水庫(kù)的軟弱夾層多屬構(gòu)造型，根據(jù)軟弱夾層的性狀、成因及其對(duì)工程的影響劃分為以下3類(lèi)。

2.1 Ⅰ類(lèi)夾層（巖屑夾泥型）

該類(lèi)夾層巖體擠壓破碎呈糜麟狀，巖屑為泥巖、粉砂巖及砂巖碎屑，泥質(zhì)膠結(jié)，且膠結(jié)較差，部分鉆孔鉆進(jìn)時(shí)遇水?dāng)噭?dòng)，表面呈泥狀。Ⅰ類(lèi)夾層鉆孔取芯揭示如圖1所示，鉆孔電視成像顯示Ⅰ類(lèi)夾層性狀如圖2所示。

2.2 Ⅱ類(lèi)夾層（巖塊巖屑型）

該類(lèi)夾層巖體受到后期剪切破壞，裂隙發(fā)育，呈破碎狀，巖塊為泥巖、砂巖，無(wú)充填、無(wú)膠結(jié)，局部脫落呈空腔；鉆孔取芯顯示為碎塊狀、鱗片狀。Ⅱ類(lèi)夾層鉆孔取芯揭示如圖3所示，鉆孔電視成像顯示Ⅱ類(lèi)夾層性狀如圖4所示。

2.3 Ⅲ類(lèi)夾層（硬巖夾軟巖型）

該類(lèi)夾層主要發(fā)育在砂巖類(lèi)巖組，厚層、巨厚層砂巖夾泥巖軟巖夾層，延伸長(zhǎng)度小，厚度不穩(wěn)定，厚度一般小于0.5 m，多呈囊狀，未發(fā)生泥化和剪切破壞。此類(lèi)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)與砂巖/泥巖層面相同。Ⅲ類(lèi)夾層鉆孔取芯揭示如圖5所示，鉆孔電視成像顯示Ⅲ類(lèi)夾層性狀如圖6 所示。

3 軟弱夾層特征

本研究在分類(lèi)的基礎(chǔ)上，對(duì)軟弱夾層的物理、化學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析，深入探討軟弱夾層的具體特征。

3.1 礦物成分

軟弱夾層的礦物成分主要由綠泥石、伊利石（水云母）等黏土礦物組成，且占比較大（如表1所示，PD1-J4、PD1-J5、PD1-J6中的黏土礦物分別占78%、82%、75%）。其次為粉細(xì)砂和礫石，方解石含量相對(duì)較少，而鐵氧化物（如氧化鐵礦物）含量在樣品中極為稀少，僅在PD1-J5中含量為2%。

從軟弱夾層的礦物成分來(lái)看，主要成分的變化直接與母巖性質(zhì)及其后期經(jīng)歷的地質(zhì)作用過(guò)程密切相關(guān)。具體而言，壩址區(qū)的地層雖未經(jīng)歷顯著的變質(zhì)作用，但在后期地下水溶液的滲透和作用下，母巖中的礦物成分發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)變化。這種地下水溶液作用可能包括化學(xué)溶解、礦物遷移和沉淀等過(guò)程，導(dǎo)致了黏土礦物含量的顯著增加，并在一定程度上影響了其他礦物（如砂和礫石）的分布比例［14］。

從礦物種類(lèi)來(lái)看，壩址區(qū)的礦物構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，未顯示出較大的變質(zhì)特征。礦物種類(lèi)并沒(méi)有顯著改變，而是表現(xiàn)在礦物含量的變化上。這可能意味著，雖然沒(méi)有顯著的高溫高壓變質(zhì)作用，但軟弱夾層在長(zhǎng)期地下水和低溫化學(xué)作用下，母巖中的成分逐漸轉(zhuǎn)化為較為易變形和破碎的黏土礦物（如伊利石和綠泥石）。這些黏土礦物具有高吸水性和低強(qiáng)度的特性，使得軟弱夾層在遇水時(shí)更容易產(chǎn)生滑移和變形，可能對(duì)壩體的穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。

綜合來(lái)看，軟弱夾層的形成主要是母巖在后期地下水作用下，經(jīng)歷了化學(xué)風(fēng)化和礦物再沉積過(guò)程，逐漸富集了大量的黏土礦物，削弱了其力學(xué)強(qiáng)度。表1中的礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)支持了這一點(diǎn)，顯示出在研究區(qū)域內(nèi)軟弱夾層普遍呈現(xiàn)高黏土礦物含量的特征，這為壩址區(qū)地質(zhì)工程分析提供了重要的依據(jù)。

3.2 化學(xué)成分

軟弱夾層的化學(xué)成分，一般以SiO2、CaO、Al2O3含量較高，再次是Fe2O3、MgO、K2O，而Na2O、TiO2、P2O5、MnO含量較少，具體見(jiàn)表2。從化學(xué)成分來(lái)看，母巖和泥化夾層的基本成分一致，但各成分的含量表現(xiàn)出明顯的差異，反映了軟弱夾層在后期經(jīng)歷了復(fù)雜的物理和化學(xué)改造過(guò)程。高含量的 SiO?、CaO 和 Al?O? 表明這些夾層在沉積后經(jīng)歷了化學(xué)風(fēng)化、礦物重結(jié)晶和水-巖相互作用。這些作用過(guò)程可能包括溶解、沉淀及黏土礦物的形成，導(dǎo)致軟弱夾層中的礦物成分和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。

軟弱夾層在地質(zhì)歷史上受到了地下水溶液的長(zhǎng)期作用，使其物理強(qiáng)度降低，導(dǎo)致軟弱夾層易于發(fā)生變形和破壞。這些化學(xué)成分的分布特征有助于進(jìn)一步揭示該區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性和工程性質(zhì)，為后續(xù)的地質(zhì)工程規(guī)劃提供了重要的依據(jù)。

3.3 物理性質(zhì)

本研究選取夾層性狀最差部分做現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為Ⅰ類(lèi)軟弱夾層，對(duì)應(yīng)壩址區(qū)Ⅰ-4夾層，夾層碎屑主要為灰黃色砂巖、紫紅色泥巖，部分膠結(jié)，部分破碎呈鱗片狀，局部泥化。直剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，所有試件均沿預(yù)剪面破壞，且剪切面凹凸不平，顯示出軟弱夾層在外部作用下容易發(fā)生剪切破壞［15］。對(duì)表中數(shù)據(jù)分析如下：①正應(yīng)力值為0.13 ～0.36 MPa，顯示了樣品承受的豎向壓力較低。這與巖層本身的弱膠結(jié)和易破碎性相關(guān)，特別是巖石的泥化狀態(tài)使其在較小的應(yīng)力下更容易發(fā)生破壞。②峰值強(qiáng)度范圍為0.08～0.17 MPa，顯示了剪切強(qiáng)度普遍偏低。這一現(xiàn)象主要是由于夾層內(nèi)部破碎嚴(yán)重，膠結(jié)作用不足，且受水化作用影響較大。含水率高的夾層更易軟化，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度進(jìn)一步降低。③屈服強(qiáng)度為0.05 ～0.12 MPa，殘余強(qiáng)度為0.08 ～0.16 MPa，表明軟弱夾層在破壞后仍有一定的承載能力，但強(qiáng)度較小。這反映了夾層材料的黏性特征及殘余摩擦力較弱。由于泥化和裂隙的存在，剪斷后的強(qiáng)度損失較大。

4 軟弱夾層分布

為了進(jìn)一步揭示這些軟弱夾層在壩址區(qū)的實(shí)際工程影響，接下來(lái)將探討其在不同區(qū)域的空間分布情況。根據(jù)地表調(diào)查及勘探揭示，壩軸線共揭示軟弱夾層30條，其中Ⅰ類(lèi)夾層8條，Ⅱ類(lèi)夾層19條，Ⅲ類(lèi)夾層3條，詳見(jiàn)表4。

4.1 左岸發(fā)育情況

k1c4層發(fā)育1條Ⅰ類(lèi)夾層和2條Ⅱ類(lèi)夾層。Ⅰ類(lèi)夾層通常具有較好的連通性和較高的變形性，需特別關(guān)注其可能對(duì)工程穩(wěn)定性造成的影響。Ⅱ類(lèi)夾層雖然性質(zhì)稍好，但仍需采取一定的工程措施。

k1c3層發(fā)育2條Ⅰ類(lèi)夾層和5條Ⅱ類(lèi)夾層。這表明k1c3層軟弱夾層較為發(fā)育，其中Ⅰ類(lèi)夾層的比例較高，意味著該層次在左岸可能是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的軟弱帶。

4.2 右岸發(fā)育情況

k1c5層發(fā)育2條Ⅱ類(lèi)夾層，Ⅱ類(lèi)夾層通常表現(xiàn)出中等的軟弱性，但對(duì)壩體安全性仍具有影響，需采取監(jiān)控措施。

k1c4層發(fā)育1條Ⅲ類(lèi)夾層。Ⅲ類(lèi)夾層相對(duì)較好，其穩(wěn)定性較Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)夾層高，但仍需對(duì)可能存在的局部弱點(diǎn)進(jìn)行處理。

k1c3層發(fā)育1條Ⅰ類(lèi)夾層。右岸的k1c3層發(fā)育的Ⅰ類(lèi)夾層數(shù)量少于左岸，但仍然需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，尤其在壩體建設(shè)期間防止?jié)撛诓环€(wěn)定因素的不良影響。

4.3 河床區(qū)域發(fā)育情況

k1c3層發(fā)育3條Ⅰ類(lèi)夾層和3條Ⅱ類(lèi)夾層。河床區(qū)域的軟弱夾層發(fā)育尤為復(fù)雜，Ⅰ類(lèi)夾層和Ⅱ類(lèi)夾層數(shù)量均較多，這意味著該區(qū)域在壩體基礎(chǔ)建設(shè)中可能面臨較大的挑戰(zhàn)，必須采取有效的加固和穩(wěn)定措施。

k1c2層發(fā)育1條Ⅰ類(lèi)夾層、6條Ⅱ類(lèi)夾層和3條Ⅲ類(lèi)夾層。該區(qū)域軟弱夾層的數(shù)量多，尤其是Ⅱ類(lèi)夾層較多，說(shuō)明該層在河床區(qū)域的整體穩(wěn)定性較差，需要在設(shè)計(jì)階段采取全面的分析和處理措施。

壩址區(qū)軟弱夾層的發(fā)育具有層次性和區(qū)域性特點(diǎn)。左岸及河床的k1c3層和k1c2層軟弱夾層發(fā)育顯著，Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)夾層較多，表明地質(zhì)條件復(fù)雜，需加強(qiáng)穩(wěn)定性控制。右岸軟弱夾層相對(duì)較少，但Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)夾層仍需加固，以確保工程安全。

5 壩基軟弱夾層的工程處理及抗滑穩(wěn)定性分析

壩基的穩(wěn)定性是大壩建設(shè)中至關(guān)重要的因素，尤其是軟弱夾層的存在可能對(duì)大壩的抗滑穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。在壩軸線區(qū)域，k1c4層、k1c3層和k1c2層等不同巖層均發(fā)育了多條軟弱夾層，其空間分布如圖7所示，這些夾層的巖性特征、厚度和連續(xù)性決定了其對(duì)壩基持力層的影響。

5.1 k1c4層兩岸發(fā)育的夾層

k1c4層在兩岸發(fā)育的夾層包括Ⅰ-4、Ⅱ-5、Ⅲ-1夾層，夾層的主要組成是砂巖夾薄層泥巖或薄層泥巖。這些夾層具有較好的連續(xù)性，埋藏深度較淺。由于這些夾層位于淺層，存在潛在的抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題。淺層夾層在受到外部荷載或水力作用時(shí)，可能導(dǎo)致滑移或崩塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于工程設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮防滑措施，并可能采取加強(qiáng)表層結(jié)構(gòu)的加固手段，防止滑坡或局部失穩(wěn)。建議在工程設(shè)計(jì)中對(duì)淺層進(jìn)行穩(wěn)定性分析，必要時(shí)采用錨固、護(hù)坡或加固措施，增強(qiáng)岸坡的穩(wěn)定性。

5.2 河床壩段k1c3夾層

k1c3層的泥巖為軟巖，具有較低的強(qiáng)度，且?jiàn)A層發(fā)育較為顯著，特別是發(fā)育了Ⅰ-8至Ⅰ-10以及Ⅱ-12至Ⅱ-15等夾層。這些夾層的性狀較差，可能表現(xiàn)出較高的變形性和較弱的承載力。當(dāng)將k1c3層作為大壩的基礎(chǔ)持力層時(shí)，這些軟弱夾層可能導(dǎo)致壩基的抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題。夾層的連續(xù)性和軟弱特性可能導(dǎo)致在高水壓或外部荷載下發(fā)生滑移，嚴(yán)重影響大壩的安全性?；趉1c3層泥巖的軟弱特性，建議在工程建設(shè)中對(duì)該層進(jìn)行挖除處理，避免將其作為壩基持力層，以消除滑移隱患。替代方案可以考慮選用較為堅(jiān)固的巖層作為大壩基礎(chǔ)持力層。

5.3 k1c2層砂巖夾層

k1c2層的砂巖強(qiáng)度較高，適合作為大壩的良好持力層。但砂巖中發(fā)育了Ⅰ-12、Ⅱ-17、Ⅱ-18、Ⅱ-20、Ⅱ-24、Ⅱ-25和Ⅲ-5等軟弱夾層，這些夾層性狀較差，但連續(xù)性較好。雖然砂巖的整體強(qiáng)度較高，但這些發(fā)育的軟弱夾層可能削弱壩基的抗滑能力。特別是在壩基受到外部荷載或水壓力時(shí)，軟弱夾層的存在會(huì)降低整個(gè)壩基的穩(wěn)定性，導(dǎo)致局部滑移的可能性增加。建議在工程設(shè)計(jì)中，結(jié)合k1c2層的砂巖特性及軟弱夾層的分布情況，采取針對(duì)性的處理措施。例如，可以通過(guò)灌漿或其他加固手段提高軟弱夾層的承載能力，確保壩基的整體穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)壩軸線區(qū)域不同層位軟弱夾層進(jìn)行分析，可以看出k1c4、k1c3和k1c2層的軟弱夾層在大壩基礎(chǔ)穩(wěn)定性中起著重要作用。k1c4層的淺層夾層存在抗滑風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行加固處理；k1c3層的泥巖夾層性狀較差，不宜作為壩基持力層，建議挖除處理；而k1c2層砂巖盡管強(qiáng)度較高，但夾層的發(fā)育仍可能導(dǎo)致滑移風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取必要的工程加固措施。通過(guò)合理的處理方案，可以有效提高壩基的抗滑穩(wěn)定性，確保大壩的長(zhǎng)期安全。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)青峪口水庫(kù)壩址區(qū)軟弱夾層進(jìn)行分類(lèi)、成分分析及物理力學(xué)特性研究，得出了以下結(jié)論。

①壩址區(qū)主要發(fā)育3類(lèi)軟弱夾層，分別為巖屑夾泥型、巖塊巖屑型及硬巖夾軟巖型，其中泥質(zhì)含量較高。

②通過(guò)礦物成分和化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層在長(zhǎng)期地下水作用下，發(fā)生了顯著的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。

③直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度較低，尤其是k1c4層和k1c3層的軟弱夾層在外力作用下易發(fā)生滑移。

結(jié)合工程實(shí)際，建議對(duì)軟弱夾層進(jìn)行加固處理，尤其是在壩基施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)處理k1c3層泥巖和k1c2層砂巖中的軟弱夾層。

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