白 濱

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院,山西 太原030024)

1 地質(zhì)背景

山西省汾河二庫壩址位于太原西山區(qū)的汾河峽谷型河段上,處于呂梁太行斷塊五臺山塊隆古交掀斜地塊中部偏東。區(qū)內(nèi)廣泛分布寒武奧陶系碳酸鹽巖地層,地層向SSW傾斜,構(gòu)造變動輕微,產(chǎn)狀平緩。壩址處發(fā)育一寬緩的懸泉寺背斜,并向南西傾伏。巖層產(chǎn)狀壩基左側(cè)為N60°W/SW∠3°,右側(cè)為N80°W/SW∠2°～ 4°,微傾向上游偏右岸。 河床覆蓋層厚度26 m～28 m,壩基為寒武系上統(tǒng)鳳山組白云巖。按區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分析,本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力活動是以南北向的扭動為主要方式,具體為東部向北,西部向南的相對扭動。

第三紀(jì)以來以太原西邊山斷裂為界,汾河二庫所在的太原西山區(qū)間歇抬升,而太原盆地相對下降。汾河從高程1 500 m夷平面下切形成高程1 300 m順直的寬谷。進(jìn)入第四紀(jì),西山區(qū)與太原盆地的升降劇烈,河流在平直寬谷的初始輪廓基礎(chǔ)上又進(jìn)一步侵蝕下切,并發(fā)育蛇曲狀河道,形成了峽谷型河谷段。

壩基巖體由上至下分為四層,寒武系上統(tǒng)鳳山組第一巖組(∈3f-1)為中厚層白云巖,巖性均一,堅硬,厚度1.3 m;第二巖組(∈3f-2)為薄層條帶白云巖,層面微起伏,厚5.1 m;第三巖組(∈3f-3)為厚層結(jié)晶白云巖,堅硬,層面起伏較粗糙,厚30.3m。第四巖組(∈3f-4)為深灰色粗晶白云巖,厚66.4 m。巖體中發(fā)育順層開裂面,順河向緩傾斷層和NNW向(垂直于河流)扭性節(jié)理、斷層。NNW向的節(jié)理為本區(qū)最發(fā)育的一組節(jié)理,表現(xiàn)為陡傾,分布密集,由方解石充填,膠結(jié)較好;NWW向的斷層主要為位于壩上游的F9和壩下游的F10陡傾平移斷層,分別構(gòu)成大壩抗滑穩(wěn)定的上游拉裂面和下游可壓縮帶。

2 張扭性結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征[1,2]

汾河二庫壩基巖體張扭性結(jié)構(gòu)面主要為順層開裂面和緩傾斷層。順層開裂面分布于河床基巖面以下數(shù)十米深度內(nèi)。多沿層內(nèi)弱面發(fā)育,具一定的等距性,間距0.7 m～1.2 m。裂面寬2mm～30 mm,充填原生片狀碎石、巖屑和少量夾泥,局部架空。基坑開挖中揭露出的張扭性結(jié)構(gòu)面共9條,其中LZ1和LZ3最為典型。

LZ1順層開裂面發(fā)育于寒武系上統(tǒng)鳳山組第一巖組(∈3f-1)與第二巖組(∈3f-2)的界面,裂面微具起伏,爬坡角 0.8°～2.2°。裂面寬度5 mm～20 mm,充填軟塑狀夾泥、風(fēng)化白云巖薄片,裂面上下盤巖石風(fēng)化厚度10 cm左右。

LZ3順層開裂面發(fā)育于寒武系上統(tǒng)鳳山組第二巖組(∈3f-2)內(nèi),裂面具起伏,爬坡角0.5°～7.5°。裂面具三種結(jié)構(gòu)面典型單元,即架空結(jié)構(gòu)面單元,其特點是上下壁互不接觸,無充填;結(jié)構(gòu)面型結(jié)構(gòu)面單元,其特點是上下壁之間具灰黃色白云巖薄片,與結(jié)構(gòu)面上下壁無接觸;咬合型結(jié)構(gòu)面單元,即上下壁接觸的分裂面。

LZ1和LZ3與其他順層開裂面在整個壩基內(nèi)連同,并向兩岸坡延伸,核心破碎帶位于壩基中部偏左,裂面在壩右側(cè)邊緣和兩岸坡地段的性狀明顯減弱。

壩基河谷底發(fā)育緩傾斷層分別為F1和F2。其中F1發(fā)育于壩基中部偏左,產(chǎn)狀 N46°E/NW∠7°～ 15°,順河向發(fā)育,緩傾右岸,破碎帶寬2 cm～80 cm,由碎石及泥質(zhì)充填,破碎帶及其影響范圍,巖體結(jié)構(gòu)松動,局部形成架空結(jié)構(gòu)。F2發(fā)育于壩基左側(cè),與F1平行,規(guī)模稍小,二者均表現(xiàn)為張扭性特征逆斷層。

3 張扭性結(jié)構(gòu)面的成因[3,4]

3.1 壩區(qū)的特殊地質(zhì)現(xiàn)象

在壩址勘察和施工中發(fā)現(xiàn),壩址兩岸出露的巖層較完整,巖體的透水性較小,而壩基巖體的完整性差,透水性強,其巖性均為寒武系上統(tǒng)鳳山組堅硬的白云巖。曾在壩址下游探井和兩岸的鉆孔中揭露出與壩基相同層位的第二組(∈3f-2)巖層,河床之外的第二組(∈3f-2)白云巖新鮮完整,無層面開裂,而河谷底部的白云巖巖體中發(fā)育張扭性結(jié)構(gòu)面,而且?guī)r石的顏色也由深灰色變?yōu)榛尹S色。地脈動測試反映出河床下可能有順河向緩傾斷層,但對其存在與否有爭議。因為按構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論,在平緩而堅硬的層狀地層中,由于巖體抗變形能力很強,變形量小,因而很難產(chǎn)生緩傾剪切破壞。另外,壩址區(qū)及外圍未發(fā)現(xiàn)與F1相近似的緩傾斷層。

針對這些疑問,在基坑開挖中繼續(xù)進(jìn)行了壩基巖體的勘察研究,獲得了相關(guān)的對比資料。初步研究認(rèn)為,上述現(xiàn)象與我國銅街子電站的淺生構(gòu)造十分相似,而本工程發(fā)育程度相對較弱。分析認(rèn)為F1不是真正意義上的斷裂構(gòu)造,順層裂面也不是通常意義上的卸荷裂隙。壩址區(qū)的特殊變形結(jié)構(gòu)面體系是在挽近時期區(qū)域地殼大面積抬升階段,有較高應(yīng)變能力的巖體在剝蝕過程中垂向卸荷釋放能量形成的淺生構(gòu)造。

3.2 張扭性結(jié)構(gòu)面的形成條件

壩址區(qū)在地質(zhì)歷史時期多次經(jīng)受擠壓應(yīng)力作用,但區(qū)域處在一個相對較為完整地塊,巖體堅硬,其密度為 2.8 g/cm3,抗壓強度達(dá)到 175 MPa。彈性模量為2.45×104MPa,泊松比0.24,縱波波速5 998 m/s。這種高強度的巖石能儲存較高的應(yīng)變能,從而成為應(yīng)變能的良好載體。挽近期地殼較強烈的抬升和上覆巖層大厚度的剝蝕和河流的深切,造成垂向卸荷,其量級達(dá)到20 MPa以上。河谷下切使垂直應(yīng)力釋放和水平應(yīng)力集中。在這一區(qū)域背景條件下,一方面巖體有積聚很高的殘余應(yīng)力的能力,另一方面由于汾河侵蝕下切,谷底巖體產(chǎn)生卸荷,為應(yīng)力回彈釋放創(chuàng)造條件,形成了壩基張扭性結(jié)構(gòu)面。

4 張扭性結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)影響[5,6]

4.1 巖體結(jié)構(gòu)的變化

壩基巖體中張扭性結(jié)構(gòu)面使完整的層狀巖層白云巖遭到變形破壞,這些結(jié)構(gòu)面將層狀結(jié)構(gòu)巖體切割成厚度1 m左右的板裂狀結(jié)構(gòu)巖體。造成垂直和水平方向巖體特性的顯著差異。

4.2 巖體物理力學(xué)強度降低

壩基白云巖巖性堅硬,未受張扭性結(jié)構(gòu)面影響的白云巖巖層面結(jié)合力強,具高強度脆性特征。遭受垂向卸荷層面開裂的白云巖,形成具等距性張扭性的結(jié)構(gòu)面,巖體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變,使之具有層狀板裂結(jié)構(gòu)巖體特征。根據(jù)壩基完整白云巖巖體和發(fā)育張扭性結(jié)構(gòu)面巖體的物理力學(xué)參數(shù)、波速等對比見表1、表2,張扭性結(jié)構(gòu)面對壩基白云巖巖體的抗壓強度與波速的影響較明顯。第二巖組(∈3f-2)張扭性結(jié)構(gòu)面發(fā)育的白云巖降至完整巖體的25%～51%和25%,第三巖組(∈3f-3)張扭性結(jié)構(gòu)面發(fā)育的白云巖降至完整巖體的30%～59%和34%。與此相似,第二巖組(∈3f-2)中的張扭性結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體的 c、f值分別為未開裂層面的0.66%～1.07%和36%～47%,第三巖組(∈3f-3)中的張扭性結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體的c、f值分別為未開裂層面的0.9%～1.1%和37%～39%。

4.3 巖體滲透性增強

壩基寒武系上統(tǒng)鳳山組白云巖巖體中巖溶發(fā)育較弱,巖體中分布互不連通的孤立巖溶孔洞,巖體滲透性小,兩岸巖體的透水率一般在1以下,而谷底壩基巖體透水率平均達(dá)81.6 Lu。在壩基開挖中出現(xiàn)大量涌水,涌水主要來自這些結(jié)構(gòu)面,齒槽的開挖,使F1破碎帶涌水量達(dá)0.16 m3/s,迫使該處采取水下混凝土澆筑。這些張扭性結(jié)構(gòu)面不僅構(gòu)成壩基滲漏的通道,而且對大壩造成較大的揚壓力。

表1 壩基白云巖抗壓強度、波速與張扭性結(jié)構(gòu)面的關(guān)系

表2 壩基白云巖抗剪參數(shù)與張扭性結(jié)構(gòu)面的關(guān)系

4.4 基坑開挖中的巖體變形錯動

壩基基坑開挖中,從鉆孔和開挖面上發(fā)現(xiàn),壩基巖體普遍發(fā)生了沿張扭性結(jié)構(gòu)面的位錯,錯距1 cm～7 cm,由于錯動的影響,部分增大了開挖范圍。巖體位錯必然引起巖體結(jié)構(gòu)松動和結(jié)構(gòu)面強度的降低。壩基面在齒槽開挖前,一組原本密閉的NE向節(jié)理在齒槽開挖后明顯張開。巖體位錯的結(jié)果既降低了巖體的強度,同時也引起巖體結(jié)構(gòu)松弛。巖體位錯是壩基高應(yīng)力狀態(tài)的反映,位錯的原因是張扭性結(jié)構(gòu)面的強度低,基坑開挖后地應(yīng)力釋放產(chǎn)生的回彈變形。

4.5 壩基巖體滑動

壩基巖體中的張扭性結(jié)構(gòu)面在整個壩基內(nèi)連通,產(chǎn)狀平緩,性狀較差,抗剪強度較低,其中除緩傾結(jié)構(gòu)面兼有側(cè)向切割面的作用外,這些張扭性結(jié)構(gòu)面均構(gòu)成了潛在的壩基滑移控制面。壩上游F9可形成滑移拉裂面,不甚發(fā)育的NE向節(jié)理構(gòu)成不完全的側(cè)向切割面,F10斷層構(gòu)成壩基滑移壓縮空間。張扭性結(jié)構(gòu)面與這些結(jié)構(gòu)面的組合,對壩基巖體抗滑穩(wěn)定不利。

5 工程處理[1,7]

5.1 恢復(fù)荷重

為控制沿張扭性結(jié)構(gòu)面巖體變形的發(fā)展,在基坑開挖分塊清理石渣后,及早澆筑混凝土,以恢復(fù)壩基的荷載。

5.2 齒槽和F10斷層槽混凝土回填

針對壩基巖體中張扭性結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特性,設(shè)計采取了齒槽處理方案。即在壩基上游側(cè)開挖底寬25 m,深度6 m的齒槽與位于壩趾處的橫河向F10斷層槽,用與壩體同標(biāo)號的混凝土回填。齒槽混凝土提高壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性,并對壩基巖體中F10斷層作置換槽處理后,減少了斷層帶壓縮量,并可提供可觀的尾巖抗力。

5.3 固結(jié)灌漿和孔內(nèi)插筋

為增強壩基巖體整體性和抗?jié)B性,減弱張扭性結(jié)構(gòu)面及其層位錯松弛的影響,整個壩基全部進(jìn)行了固結(jié)灌漿。灌漿孔排距均為3 m,方格形布置,孔數(shù)1 014個。灌漿平均單耗灰量80 kg/m,最高達(dá)1 982.8 kg/m。壩基的全部灌漿孔均插入鋼筋組,用300#水泥封固,以限制壩基巖體因張扭性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生不利變形。

5.4 防滲帷幕與排水

為減弱由張扭性結(jié)構(gòu)面引起的壩基滲漏和揚壓力增高,壩基設(shè)帷幕灌漿孔2排,孔距2 m,帷幕長227.7 m,最大單耗1 106.23 kg/m。帷幕下游2.5 m設(shè)置孔距2 m的排水孔。

6 結(jié) 語

通過上述工程處理,使汾河二庫壩基巖體達(dá)到了設(shè)計要求。據(jù)水庫運行十余年的觀測資料,其壩基巖體變形和滲透均在允許范圍內(nèi),說明對壩基巖體張扭性結(jié)構(gòu)面的工程處理效果較好,目前水庫運行正常,為太原市的防洪和供水提供了可靠保證。

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