長(zhǎng)江某水電站壩基剪切帶發(fā)育規(guī)律與抗滑穩(wěn)定研究*

項(xiàng) 偉 柳景華 賈海梁 黃 偉

XIANG Wei① LIU Jinghua② JIA Hailiang① HUANG Wei①

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長(zhǎng)江某水電站壩基剪切帶發(fā)育規(guī)律與抗滑穩(wěn)定研究*

項(xiàng) 偉①柳景華②賈海梁①黃 偉①

壩基剪切帶是水利水電工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的重大工程地質(zhì)問(wèn)題，常對(duì)壩基巖體穩(wěn)定性有著直接影響； 研究剪切帶的工程地質(zhì)特征特別是空間發(fā)育與分布特征，對(duì)紅層地區(qū)水利水電工程建設(shè)具有重要意義。本文以長(zhǎng)江某水電站為例，從壩基紅層沉積環(huán)境與沉積相分析入手，通過(guò)對(duì)壩基巖性組合、礦物組成、結(jié)構(gòu)和粒度標(biāo)志、沉積構(gòu)造等的綜合分析，恢復(fù)壩基古沉積環(huán)境，進(jìn)一步確定原生軟弱夾層的沉積微相； 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，分析剪切帶發(fā)育規(guī)律與空間分布特征，進(jìn)而開(kāi)展壩基抗滑穩(wěn)定研究。研究結(jié)果表明：層間剪切帶的發(fā)育及空間分布特征主要受紅層沉積環(huán)境與沉積相控制； 壩基層間剪切帶大多發(fā)育在半韻律層的頂部，即發(fā)育在軟硬巖層接觸面及厚層軟巖內(nèi)； 由于巖相變化快，所以同一剪切帶的空間分布常不連續(xù)，在不同空間位置的類型也不盡相同； 剪切帶是具多種黏土礦物成分且含量不同的高分散體系，其具有不同的工程地質(zhì)特征及強(qiáng)度參數(shù)； 剪切帶空間分布特征與性狀的不連續(xù)性，對(duì)壩基巖體穩(wěn)定性有著重要影響，常直接關(guān)系到工程的建設(shè)工期與造價(jià)。因此，以沉積環(huán)境和沉積相分析為切入點(diǎn)，能夠清晰的認(rèn)識(shí)剪切帶的空間發(fā)育分布規(guī)律，可用于指導(dǎo)紅層地區(qū)工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與壩基巖體穩(wěn)定性分析。

沉積環(huán)境 沉積相 剪切帶 空間分布特征 抗滑穩(wěn)定

XIANG Wei①LIU Jinghua②JIA Hailiang①HUANG Wei①

0 引 言

紅層主要是指中生代以來(lái)的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相碎屑巖。該地層巖相變化大，由軟硬相間的不等厚地層組合而成，其間軟弱夾層強(qiáng)度較弱，性狀差，黏粒含量高，受構(gòu)造應(yīng)力及地下水長(zhǎng)期作用影響，多不同程度地發(fā)育剪切帶(Krynine， 1949； Skempton， 1966； Schoeman et al.，1987; 徐瑞春， 1991； 郭永春， 2007)。壩基剪切帶是水利水電工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的重大工程地質(zhì)問(wèn)題(程開(kāi)庠， 1992； 柴波等， 2009)，直接影響到大壩的設(shè)計(jì)方案、工程投資和施工工期。研究剪切帶工程地質(zhì)特征特別是空間分布特征對(duì)于水利水電工程建設(shè)的順利進(jìn)行具有重要意義(Xiao et al.，2000)。由于剪切帶的空間發(fā)育特征取決于壩基紅層的沉積相(宋自成等， 2012)，因此本文擬以長(zhǎng)江某水電站為例，從壩基紅層沉積環(huán)境和沉積相入手，分析軟弱夾層的沉積規(guī)律，掌握剪切帶發(fā)育規(guī)律及空間分布特征，建立剪切帶空間分布三維模型，進(jìn)而開(kāi)展壩基抗滑穩(wěn)定研究，為今后類似紅層地區(qū)的工程地質(zhì)研究提供有益的參考。

1 研究概述

擬建的長(zhǎng)江某水電站壩址區(qū)位于重慶市江津區(qū)。壩址區(qū)內(nèi)河谷開(kāi)闊，河道長(zhǎng)約6～7km，呈NE向。該水電站以航運(yùn)和發(fā)電為主，同時(shí)兼具灌溉供水、滯洪、攔沙減淤等功能。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL5108-2003)以及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，該水電站屬一等大(1)型工程，主要包括溢流壩、電站廠房、擋水壩、船閘、魚(yú)道等建筑物。大壩采用混凝土重力壩和土石壩，壩頂高程204m，最大壩高68m。水電站中壩址工程布置平面示意圖(圖1)。

圖1 水電站中壩址工程布置平面示意圖

水電站壩址區(qū)兩岸地貌為構(gòu)造剝蝕低山丘陵，地表水系較發(fā)育，山體多被沖溝深切，地形連續(xù)性差。地質(zhì)構(gòu)造方面，水電站位于四川臺(tái)坳之川東梳狀褶皺束內(nèi)，其中典型的隔檔式褶皺發(fā)育。壩址區(qū)位于金鏊寺向斜內(nèi)，向斜北起江北大灣，南經(jīng)大路坪、重慶市，止于土橋南西。向斜軸向北東20°～30°，呈近SN方向斜穿壩軸線。向斜內(nèi)相伴的小型地質(zhì)構(gòu)造主要有斷層破碎帶、褶曲、剪切帶及裂隙等。建壩地層主要為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紅層砂巖、粉砂巖、黏土質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)黏土巖，該地層巖性、巖相變化大，巖體物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，且?guī)r層呈軟硬相間分布。地下水類型主要為孔隙水和裂隙水，其化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg。壩址區(qū)屬華南震區(qū)長(zhǎng)江中游地震帶，為弱地震帶。根據(jù)2001年《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，壩址區(qū)絕大部分地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g和小于0.05g范圍內(nèi)。

表1 ZK251鉆孔第六段軟巖礦物成分表(ω(B)/10-2)

Table1 Mineral composition of weak rock in the sixth section of ZK251

樣品編號(hào)粉晶衍射(礦物成分全量)定向片(以黏土礦物總量100%計(jì))石英/%長(zhǎng)石/%方解石/%赤鐵礦/%黏土礦物/%蒙脫石/%綠泥石/%伊利石/%高嶺石/%ZK251-1251210350510805ZK251-22510123501010800ZK251-14331223230155755ZK251-16312123025155755

2 剪切帶的成因機(jī)制

2.1 壩基紅層沉積環(huán)境與沉積相

沉積環(huán)境是一個(gè)發(fā)生沉積作用的、具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特征的地貌單元，即為地理景觀單位，其在物質(zhì)上的表現(xiàn)即為沉積相。所謂的物質(zhì)表現(xiàn)包括成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、生物、定向性和層序等方面的特征，這些就是判別古環(huán)境的標(biāo)志(Middleton， 1978; Schoeman et al.，1987)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)沉積環(huán)境的判別標(biāo)志大致可分為沉積構(gòu)造標(biāo)志，巖石的結(jié)構(gòu)和粒度標(biāo)志，巖礦成分標(biāo)志3類(Miall， 1977)，因其有成因意義和能鑒別劃分沉積相，也可稱為成因標(biāo)志和相標(biāo)志。

長(zhǎng)江某水電站壩基沉積環(huán)境與沉積相的判斷主要通過(guò)相標(biāo)志。結(jié)果表明，壩址區(qū)的沉積相以河流相(曲流河相)沉積為主，根據(jù)沉積環(huán)境和沉積物特征其又可進(jìn)一步劃分為河床、堤岸、河漫、牛軛湖4個(gè)亞相，亞相又可以劃分為多個(gè)微相，如：河床亞相：分為河床滯留沉積和邊灘沉積兩個(gè)微相； 堤岸亞相：分為天然堤沉積和決口扇沉積兩個(gè)微相； 河漫亞相：又稱為洪泛平原沉積或洪泛盆地沉積，分為河漫灘、河漫湖泊和河漫沼澤3個(gè)微相(H?hanson et al.，2002; 陳建強(qiáng)， 2004)。

下面將以某水電站ZK251鉆孔揭露的J3s第六段為例，開(kāi)展沉積環(huán)境和沉積相分析，該段孔深7.5～26.6m，所在部位為主要的建壩巖體。

勘察資料顯示，該段鉆孔以紫紅色黏土質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)黏土巖為主，夾0.15m灰綠色極細(xì)砂巖和1.6m灰綠色鈣質(zhì)石英粉砂巖。從下至上可分為兩小段，由新至老為： Ⅱ段7.5～18.1m，厚10.6m，以紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖為主，底部為厚0.15m的灰綠色極細(xì)砂巖，中部夾0.6m紫紅色黏土巖； Ⅰ段18.1～26.6m，厚8.5m，以紫紅色黏土質(zhì)粉砂巖為主，夾1.6m灰綠色鈣質(zhì)石英粉砂巖。

該段沉積構(gòu)造為： Ⅰ段中發(fā)育小型交錯(cuò)層理； Ⅱ段底部極細(xì)砂巖發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理。

采用巖石薄片鏡下分析和“線計(jì)法”薄片粒度分析的方法(聶瓊， 2014)開(kāi)展砂巖類物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)特征的鑒定和分析。通過(guò)觀察巖石薄片照片，可以得出砂巖樣品的物質(zhì)成分、膠結(jié)物特征、結(jié)構(gòu)特征、礦物顆粒形態(tài)大小與定向性等。對(duì)上述ZK251鉆孔的第六段中17.05～18.1m砂巖進(jìn)行巖石薄片鑒定，巖石定名為粉暗紫色鈣質(zhì)石英粉砂巖，砂狀結(jié)構(gòu)，巖石由約80%粉砂和約20%膠結(jié)物組成，主要為孔隙式膠結(jié)。針對(duì)沉積地層其他軟巖，如黏土質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖以及黏土巖的礦物成分與化學(xué)成分，采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室X射線衍射儀和X射線熒光光譜儀分別進(jìn)行分析。其中，軟巖的礦物成分的鑒定分別從粉晶衍射和定向片開(kāi)展。該段鉆孔礦物成分與化學(xué)成分分析結(jié)果(表1、表2)(聶瓊， 2014)。

表2 ZK251鉆孔第六段軟巖化學(xué)成分表(ω(B)/10-2)

Table2 Chemical composition of weak rock in the sixth section of ZK251

樣品編號(hào)SiO2/%Al2O3/%Tfe2O3/%MgO/%CaO/%Na2O/%K2O/%H2O/%燒失量/%ZK251-152.9316.286.993.204.470.893.352.9410.94ZK251-253.5315.506.273.055.310.963.242.5210.98ZK251-359.769.282.561.4811.391.511.700.6811.42ZK251-464.279.841.611.248.871.591.841.009.86

由于巖石中礦物的粒度分布特征能夠直接地反映沉積物形成過(guò)程中的水動(dòng)力條件與沉積環(huán)境(Glaister et al.，1974； 肖裕行等， 1997; Schiickher， 2014)，因此通過(guò)“線計(jì)法”統(tǒng)計(jì)分析薄片粒度，計(jì)算出砂巖樣組成礦物的長(zhǎng)寬比，確定其是否具有定向性，并得出每個(gè)粒徑區(qū)間的百分比含量。針對(duì)沉積地層中其他軟巖，采用虹吸比重瓶法開(kāi)展分析，即可得到粒徑小于0.075mm各組分的質(zhì)量分布。另考慮到黏粒組分是形成剪切帶的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)剪切帶物理力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響作用，因此著重計(jì)算黏粒組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)?？撕臀值赂髁６葏?shù)計(jì)算方法(Folk et al.，1957)，可知ZK251第六段中的黏土質(zhì)粉砂巖中值粒徑為0.011～0.015mm，黏粒含量(粒徑<0.005mm)為24.39%～31.85%； 粉砂質(zhì)黏土巖，中值粒徑為0.005～0.008mm，黏粒含量為36.31%～49.80%； 黏土巖中值粒徑為0.003～0.004mm，黏粒含量為60.58%～63.91%。經(jīng)計(jì)算，該段分選系數(shù)σ1為0.39～0.56，分選好，正偏、負(fù)偏均有，偏度變化大，峰度平坦。如圖2 所示，為該段細(xì)粒沉積物中值粒徑隨深度變化曲線圖(聶瓊， 2014)，圖中結(jié)果表明細(xì)粒沉積物在剖面上有上細(xì)下粗的韻律變化。以累積曲線上1%處的粒徑為C值， 50%處的粒徑為M值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作CM圖(Passega， 1964)，其落點(diǎn)均在均勻懸浮區(qū)內(nèi)，表示該段為洪泛平原(或洪泛盆地)沉積(Royse， 1968)。

圖2 中值粒徑隨深度變化曲線

對(duì)薄片粒度分析的結(jié)果作粒度概率圖，即粒度分布曲線，結(jié)果顯示，該段沉積物的粒度范圍在4～8Φ(即0.031～0.063mm)，曲線多為一段式直線，少數(shù)為兩段式，角度約在60°～65°(圖3)，故而可判定該段為洪泛平原(或洪泛盆地)沉積。

圖3 ZK251-20黏土質(zhì)粉砂巖粒度概率曲線

根據(jù)ZK251鉆孔第六段相標(biāo)志，即前文分析的沉積構(gòu)造、巖石的結(jié)構(gòu)和粒度以及巖礦成分，可確定該段的沉積環(huán)境為： Ⅰ段為洪泛平原； Ⅱ段下部為邊灘沉積，上部為洪泛盆地和洪泛平原沉積(表3)(聶瓊， 2014)。

表3 ZK251第六段沉積環(huán)境

Table3 Sedimentary environment of the sixth section of ZK251

地層起止深度/m巖性代碼微相微相描述J63s7.50～11.00Zf洪泛平原洪泛平原沉積,厚3.5m,沉積物為粉砂巖和黏土質(zhì)粉砂巖11.00～13.50Cr洪泛盆地洪泛平原沉積,厚6.05m,沉積物為粉砂質(zhì)黏土巖13.50～13.60Zf13.60～13.85Cr13.85～13.95Zf13.95～17.05Cr17.05～17.20St邊灘邊灘沉積,厚0.15m,沉積物為細(xì)砂巖,大型板狀交錯(cuò)層理17.20～17.30Zf、Cr天然堤天然堤沉積,厚0.10m,砂泥互層狀,小型槽狀交錯(cuò)層理17.30～18.90Fs洪泛平原洪泛平原沉積,厚3.0m,沉積物為鈣質(zhì)石英粉砂巖和黏土質(zhì)粉砂巖18.90～20.30Zf20.30～20.45Zf、Cr天然堤天然堤沉積,厚0.15m,砂泥互層狀,小型槽狀交錯(cuò)層理20.45～23.70Zf洪泛平原洪泛平原沉積,厚3.25m,沉積物為細(xì)砂巖和黏土質(zhì)粉砂巖23.70～23.80Zf、Cr天然堤天然堤沉積,厚0.10m,砂泥互層狀,小型槽狀交錯(cuò)層理23.80～26.50Zf洪泛平原洪泛平原沉積,厚2.8m,沉積物主要為黏土質(zhì)粉砂巖26.50～26.60Cr

粉砂巖(Fs)、黏土質(zhì)粉砂巖(Zf)、粉砂質(zhì)黏土巖-黏土巖(Cr)、細(xì)砂巖(St)

2.2 水文地質(zhì)條件

從勘探、測(cè)繪的成果分析，擬建的長(zhǎng)江某水電站壩址區(qū)巖層是一個(gè)地下水水力聯(lián)系較弱的統(tǒng)一地下水含水單元。壩址區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為多層含水層特征，壩址區(qū)上部為第四系孔隙水含水層，淺部為風(fēng)化巖體中賦存的孔隙-裂隙水含水層，并與上部孔隙水含水層之間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系； 風(fēng)化帶巖體以下巖層之間地下水聯(lián)系較弱，砂巖巖體由于長(zhǎng)大裂隙較發(fā)育，具層間裂隙水特征，因此水力聯(lián)系多表現(xiàn)為裂隙網(wǎng)絡(luò)式。巖體透水性總體表現(xiàn)為弱透水，但淺部存在強(qiáng)透水帶。

地下水類型主要為孔隙水和裂隙水兩種，其中孔隙水主要賦存于砂卵石層中； 裂隙水主要有兩種賦存情況，分別為賦存、運(yùn)移于侏羅系沙溪廟組(J2s)和遂寧組(J3s)地層裂隙網(wǎng)絡(luò)中的層間裂隙水以及黏土巖、粉砂巖風(fēng)化巖體內(nèi)的淺層風(fēng)化帶裂隙水，兩者流量一般較小。

地下水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg，在此類型裂隙水長(zhǎng)期作用下，發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)的剪切帶進(jìn)一步泥化，物理力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2.3 剪切帶的空間發(fā)育與分布特征

參考國(guó)內(nèi)外在紅層地區(qū)修建大壩的工程實(shí)踐，結(jié)合長(zhǎng)江某水電站實(shí)際工程情況，壩基剪切帶的形成必須具備3個(gè)條件。(1)物質(zhì)條件：具有一定黏粒含量、黏土礦物組分的母巖，且?guī)r層呈軟硬相間分布； (2)動(dòng)力條件：構(gòu)造運(yùn)動(dòng)提供了剪切帶形成的動(dòng)力條件。相互接觸的軟硬巖層因抗變形能力及抗剪強(qiáng)度差異，在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪切位移從而引起母巖結(jié)構(gòu)破壞； (3)環(huán)境條件：在一定地下水的作用下，地下水與巖石發(fā)生一定物理化學(xué)作用，導(dǎo)致軟弱夾層的礦物成分和結(jié)構(gòu)連接特性發(fā)生變化(曲永新等， 1977)圖4為長(zhǎng)江某水電站剪切帶的形成演化過(guò)程示意圖。

圖4 剪切帶發(fā)育過(guò)程示意圖

綜合前期勘察資料、壩基紅層沉積環(huán)境和沉積相、壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件分析，得到長(zhǎng)江某水電站壩基剪切帶空間發(fā)育與分布特征：

2.3.1 剪切帶空間分布受沉積相控制

沉積相為剪切帶的發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，制約著剪切帶的空間分布(圖5，圖6)。

圖5 沉積相與剪切帶發(fā)育位置關(guān)系圖

圖6 透鏡體狀邊灘沉積中的剪切帶發(fā)育特征

邊灘沉積中，在洪水期上部邊灘?？蓻_刷出溝槽而發(fā)育沖槽-充填沉積，沖槽下部可為粗粒沉積物，也可為細(xì)粒沉積物，上部一般都是黏土巖類，剖面多呈下凸透鏡體狀。此外，因河流河道遷移頻繁河床不穩(wěn)定，在此環(huán)境中不易生成黏土質(zhì)巖，或只是局部出現(xiàn)黏土巖團(tuán)塊。因此，這種沉積環(huán)境中形成的剪切帶一般連續(xù)性差，分布不穩(wěn)定。

天然堤沉積通常由砂礫石和動(dòng)、植物殘?bào)w組成，巖性為薄的砂泥巖互層，構(gòu)成薄互層或楔狀層理，薄至幾厘米或幾十厘米，洪水期易受洪水沖決，難以形成發(fā)育剪切帶的物質(zhì)基礎(chǔ)。

洪泛平原沉積中，若洪水快漲快落，以垂向加積為主，此種環(huán)境能形成厚度較大、分布穩(wěn)定的粉砂巖層，只有在局部低洼地帶及洪水退積層頂部才有較細(xì)粒沉積物(如黏土質(zhì)粉砂巖薄層)，所以此類剪切帶的分布不甚穩(wěn)定。若洪水漲落時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，則沉積分選較好、相對(duì)較細(xì)的黏土巖類夾層，發(fā)育的剪切帶厚度較大，分布穩(wěn)定。

洪泛盆地沉積中，河流穩(wěn)定，洪水上漲較慢，越岸洪水分選徹底，沉積厚層黏土巖。因此，在這種沉積相中發(fā)育的剪切帶粒度細(xì)，厚度大，連續(xù)性好，分布穩(wěn)定，對(duì)工程影響大(陳建強(qiáng)，2004； 聶瓊，2014)。

2.3.2 剪切帶分布受沉積環(huán)境垂向演變影響

在不同的沉積環(huán)境形成了性狀各異的軟弱夾層，但是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中，沉積環(huán)境不斷演變，影響著軟弱夾層的分布，因此形成的剪切帶亦受其影響。

邊灘沉積中，水動(dòng)力條件強(qiáng)，在洪水期常能夠沖刷出溝槽，這些溝槽深切到下伏巖層后常影響剪切帶的發(fā)育。天然堤沉積中，所形成的很薄的軟弱夾層容易受到洪水沖刷，難以保存，影響剪切帶的發(fā)育。洪泛平原中，沉積環(huán)境變得穩(wěn)定，所形成的軟弱夾層得以保存，剪切帶因此厚度大，分布范圍廣泛，對(duì)工程影響大(項(xiàng)偉， 1988)

2.3.3 壩基紅層中剪切帶大多發(fā)育在半韻律層的頂部

半韻律層重點(diǎn)指粒度這一沉積特征在垂向上有呈規(guī)律性重復(fù)變化特點(diǎn)的層系。韻律層的頂部巖層軟硬相差最大，在構(gòu)造變動(dòng)中，極易發(fā)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)滑移，形成剪切帶，同時(shí)該處又是透水巖體(砂巖類)與不透水巖體(黏土質(zhì)巖類)的分界面，所以常?？煞e水而導(dǎo)致層間剪切帶泥化。

2.3.4 剪切帶大部分是斷續(xù)的，發(fā)育穩(wěn)定而連續(xù)的剪切帶較少

剪切帶空間分布的不連續(xù)，對(duì)壩基穩(wěn)定性有利。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，右岸電站廠房壩段ZK236鉆孔揭露的J3s第五段剪切帶極為發(fā)育(圖7)。但與ZK236鉆孔相鄰的ZK234鉆孔第五段內(nèi)很少發(fā)育剪切帶。

圖7 ZK234、ZK236揭露段剪切帶對(duì)比圖

2.3.5 同一剪切帶在不同的部位類型的劃分可能不同

剪切帶的形成是受沉積相所控制，若同一剪切帶的不同部位的物質(zhì)成分不一樣，那么各部位所對(duì)應(yīng)的剪切帶類型是不一樣的。

2.3.6 壩基紅層剪切帶的礦物成分含有膨脹性黏土礦物

定向片分析結(jié)果顯示，剪切帶的黏土礦物成分中包含伊利石、綠泥石、蒙脫石以及高嶺石，壩基剪切帶是具多種黏土礦物成分且含量不同的高分散體系。前人研究表明(馮光愈等， 1987)，蒙脫石對(duì)剪切帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響相較其他類型黏土礦物最為明顯，其能夠降低剪切帶的抗剪強(qiáng)度。

3 剪切帶的分類與三維可視化

從剪切帶的成因考慮，長(zhǎng)江某水電站的剪切帶屬于原生構(gòu)造型軟弱夾層。因此，在考慮剪切帶粒度成分、礦物成分、泥化程度及構(gòu)造特征等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合《SL55-2005中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄C軟弱夾層工程地質(zhì)分類方法將壩址區(qū)剪切帶劃分為3大類(表4)。依據(jù)勘查結(jié)果和室內(nèi)分析，長(zhǎng)江某水電站壩址區(qū)各主要建筑物建基面30m范圍內(nèi)剪切帶分類結(jié)果及抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值分別如表5、表6所示。

表4 剪切帶分類表

Table4 Classification of shear zones

類型特 點(diǎn)Ⅰ類破碎夾層(巖塊巖屑型)層間具有節(jié)理帶、破碎帶、劈理帶和泥化光面等分帶現(xiàn)象,物質(zhì)組成以粗顆粒為主,細(xì)顆粒成分較少,黏粒極少,含量多小于3%Ⅱ類破碎夾泥層(巖屑夾泥型)破碎夾層進(jìn)一步破碎,同時(shí)產(chǎn)生許多裂隙,地下水活動(dòng)增強(qiáng),在地下水的作用下部分破碎夾層產(chǎn)生泥化,組成物質(zhì)以細(xì)碎屑和粗碎屑為主,細(xì)顆粒中黏粒含量和粉粒含量多小于10%Ⅲ類泥化夾層Ⅲ1泥夾巖屑型碎塊巖屑間泥質(zhì)填充物物較多,呈泥包碎塊狀,黏粒含量多在10%～30%,上下層面多見(jiàn)薄層泥化帶Ⅲ2全泥型薄層粉砂質(zhì)黏土巖、黏土巖或破碎夾泥層后期經(jīng)地下水及風(fēng)化作用而軟化、泥化,形成一定厚度、斷續(xù)或連續(xù)的泥層。由粗碎屑、細(xì)碎屑、粉粒、黏粒組成,且黏粒含量大于30%

表5 長(zhǎng)江某水電站建基面30m內(nèi)剪切帶統(tǒng)計(jì)表

Table5 Statistics of shear zones below the dam site less than 30m

建筑物部位總條數(shù)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類左岸溢流壩1#-7#(壩塊)113S525,3S413,3S428,3S426,3S4223S5023S602,3S620,3S501,3S418,3S430右岸溢流壩1#-6#(壩塊)133S624,3S601,3S527,3S526,3S525,3S522,3S5203S502,3S523,3S5213S602,3S620,3S501右岸廠房9#-14#(機(jī)組)173S601,3S527,3S526,3S520,3S431,3S429,3S4133S502,3S521,3S417,3S414,3S602,3S620,3S501,3S418,3S412,3S430左岸廠房1#-8#(機(jī)組)93S525,3S5203S502,3S521,3S417,3S416,3S4143S501,3S412

表6 長(zhǎng)江某水電站中壩址剪切帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值

Table6 Suggestive value of shear strength of shear zones of central dam site

剪切帶及結(jié)構(gòu)面類型抗剪斷強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度特征描述f'c'/MPafC/MPaⅠ類巖塊巖屑型0.40～0.450.10～0.120.340破碎巖塊、巖屑Ⅱ類巖屑夾泥型0.35～0.400.05～0.080.300巖屑、部分泥化Ⅲ類Ⅲ1泥夾巖屑0.25～0.280.013～0.0180.240具泥化特征,沿剪切面破壞Ⅲ2全泥型0.20～0.220.01～0.0130.210泥化,沿泥化面破壞

為直觀研究剪切帶空間分布特征，分析剪切帶的空間分布與大壩的空間關(guān)系，筆者結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、鉆孔、豎井、鉆孔彩色數(shù)字錄相、平硐資料，利用GOCAD三維地質(zhì)建模軟件建立壩基下剪切帶三維模型(許國(guó)等， 2007； 明鏡， 2011)，如下圖8 所示，其中3S501剪切帶連續(xù)性好，分布廣泛，其平面投影圖(圖9)。

圖8 壩基下剪切帶三維模型

圖9 3S501剪切帶平面投影圖

4 剪切帶對(duì)壩基巖體穩(wěn)定性影響

采用理論計(jì)算和數(shù)值分析方法開(kāi)展壩基巖體抗滑穩(wěn)定性的研究。

勘察資料以及壩基下剪切帶三維模型顯示，右岸溢流壩下部為緩傾角剪切帶，此類型剪切帶使壩基巖體可能發(fā)生單斜滑動(dòng)破壞，穩(wěn)定性計(jì)算可簡(jiǎn)化為(圖10)。根據(jù)極限平衡理論，壩基安全系數(shù)計(jì)算式可表達(dá)為：

(1)

其中，f為滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)； W為混凝土壩體自重； G為滑動(dòng)面上部巖體自重； U為作用于滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力； P為上游水平力合力； K為安全系數(shù)。

圖10 右溢流壩計(jì)算簡(jiǎn)圖

剪切帶的抗剪強(qiáng)度參照表7所示Ⅲ2全泥型剪切帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值，即 f=0.21，C=0。單位長(zhǎng)度內(nèi)，混凝土壩壩體自重W=20800kN，滑動(dòng)面上部巖體自重G=14880kN，揚(yáng)壓力U=10339.74kN，上游水平力合力P=4414.5kN(表7)。結(jié)果表明，單斜滑動(dòng)的模式下，右岸溢流壩壩基巖體能夠保持穩(wěn)定。

表7 右溢流壩壩基安全系數(shù)

Table7 Factor of safety of right overflow dam site

計(jì)算條件考慮揚(yáng)壓力不考慮揚(yáng)壓力穩(wěn)定系數(shù)K1.2051.697

壩基下剪切帶三維模型可視化結(jié)果顯示，剪切帶3S501的連續(xù)發(fā)育且性狀很差，對(duì)壩基巖體穩(wěn)定性影響較為明顯，故采用ANSYS軟件和FLAC3D軟件對(duì)左溢流壩段4#壩段開(kāi)展相關(guān)分析(陳育民等， 2013； 黃偉等， 2016)。分析模型為單個(gè)溢流壩段，其采用3孔一聯(lián)、邊墩分縫型式，兩個(gè)邊墩厚5.4m，中墩厚5.6m，單個(gè)壩段寬64m，壩頂順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度57.5m。為了充分考慮大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖及大壩自重對(duì)下伏地層的影響，因此模型范圍設(shè)定為橫向600m，垂向204m。在此范圍的邊界處，大壩的影響已經(jīng)基本消失。同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略了大壩兩端側(cè)向阻滑力的作用。大壩下游配合以40°的反傾角裂隙，同時(shí)在大壩上游處同樣配合以裂隙，使之組成完整的滑移面。按照風(fēng)化程度將地層分為風(fēng)化層和新鮮巖層兩種巖性，剪切帶強(qiáng)度參數(shù)參照Ⅲ2全泥型剪切帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值，各計(jì)算參數(shù)(表8，表9)。大壩運(yùn)營(yíng)期上游水位按正常蓄水位197m，下游按正常運(yùn)營(yíng)水位172.8m考慮。

表8 數(shù)值計(jì)算地層參數(shù)表

Table8 Parameters of stratum for numerical calculation

巖性剪切模量/GPa體積模量/GPa黏聚力/MP摩擦角/(°)密度/g·cm-3風(fēng)化層1.754.902.1136.892.57新鮮巖層2.715.883.3339.372.59

表9 數(shù)值計(jì)算剪切帶參數(shù)表

Table9 Shear strength of shear zones for numerical calculation

結(jié)構(gòu)面剪切剛度/MPa·mm-1法向剛度/MPa·mm-1抗剪強(qiáng)度摩擦角/(°)黏聚力/MPa3S5016.3766.37611.90

圖11 大主應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖12 位移場(chǎng)云圖

計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示，分別為大壩運(yùn)營(yíng)期間的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)云圖。由圖中可以看出，在剪切帶附近出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中和變形現(xiàn)象，表明該剪切帶對(duì)壩基巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。但查看模型的塑性變形區(qū)，在剪切帶附近并未發(fā)現(xiàn)塑性破壞塊體，表明壩基整體能夠保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文依托擬建的長(zhǎng)江某水電站工程項(xiàng)目，從壩基紅層沉積相入手，通過(guò)巖層的構(gòu)造標(biāo)志，巖石的結(jié)構(gòu)和粒度標(biāo)志，巖礦成分標(biāo)志3類相標(biāo)志的研究，通過(guò)恢復(fù)古沉積環(huán)境，進(jìn)而以此對(duì)剪切帶的發(fā)育特征作出科學(xué)的解釋，為剪切帶的空間分布預(yù)測(cè)分析提供依據(jù)，得到剪切帶空間分布特征。在此基礎(chǔ)上，對(duì)壩址區(qū)剪切帶進(jìn)行分類，給出對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值，并通過(guò)GOCAD三維建模軟件建立壩基剪切帶分布三維模型。最后，根據(jù)剪切帶分布三維模型及其空間分布特征，選取連續(xù)性好，性狀差的剪切帶開(kāi)展壩基巖體穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

(1)壩基剪切帶的分布取決于紅層沉積環(huán)境和沉積相，開(kāi)展剪切帶的工程地質(zhì)特征特別是空間發(fā)育分布規(guī)律研究應(yīng)當(dāng)從沉積環(huán)境和沉積相入手，即通過(guò)沉積構(gòu)造、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、粒度參數(shù)、巖礦成分、古生物等相標(biāo)志綜合分析，恢復(fù)古沉積環(huán)境，進(jìn)而得到剪切帶的空間分布特征。

(2)剪切帶多沉積在韻律層頂部，即軟硬巖層接觸面和軟巖內(nèi)。其多為斷續(xù)發(fā)育，部分剪切帶連續(xù)發(fā)育，性狀差，并且黏土礦物中包含膨脹性黏土礦物，對(duì)剪切帶抗剪強(qiáng)度有降低的作用。剪切帶空間分布特征及性狀的不連續(xù)性，對(duì)工程造價(jià)及工期影響明顯。

(3)連續(xù)性好，性狀差的剪切帶對(duì)壩基巖體穩(wěn)定性存在一定的影響，在剪切帶附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和變形現(xiàn)象，但是壩基整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 0798- 08

DEVELOPMENT MECHANISM OF SHEAR ZONES AND STABILITY OF DAM FOUNDATION OF A HYDROPOWER STATION LOCATED IN YANGTZE RIVER

Shear zone has direct influence on stability of dam foundation， which is an important engineering geological issue， and is very common in the construction of hydroelectric project. Studying the engineering geological characteristics especially development and distribution characteristics of shear zones has significant and positive influence on the process of construction. In this paper， the sedimentary environment and facies in the dam area are investigated by the result of lithology， mineral composition， mineral formation， grain size parameters， sedimentary structure and so on. Development mechanism and distribution characteristics of shear zone then are studied based on the regional geological structure and the results of palaeosedimentary environment and sedimentary microfacies of protosomatic weak intercalation. Taking the distribution characteristics of shear zones into account， stability of dam foundation further is analyzed and evaluated. The results display that development and distribution of shear zones are determined by sedimentary environment and facies. It arises at the top of hemicyclothem frequently. Due to the multiple lithofacies， uncontinuity of spatial distribution of shear zones is very common. The types of the same shear zone in different position are also various. In addition， XRD and XRF results show that shear zones are highly dispersed system which is composed of various clay minerals， which demonstrates different engineering geological characteristics and strength parameters. Furthermore， FLAC3Dstates that the uncontinuity of spatial distribution and behaviors of shear zones have great influence on the stability of dam foundation， concerning to the project duration and cost directly. Consequently， studying the shear zones from the perspective of sedimentary environment and facies is available to have a clear understanding about development and distribution characteristics of shear zones， having significant influence on the evaluation of engineering geological condition and stability analysis of dam foundation．

Sedimentary environment， Sedimentary facies， Shear zone， Spatial distribution， Stability analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.008

2016-06-28;

2016-08-22.

長(zhǎng)江三峽勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司委托專題研究項(xiàng)目資助.

項(xiàng)偉(1953-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程性質(zhì)研究. Email: xiangwei@cug.edu.cn

P642

A