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      四川盆地紅層巖體質(zhì)量劣化特征及其保護(hù)措施研究

      2020-05-23 10:51:02殊,平,彥,山,
      四川水力發(fā)電 2020年2期
      關(guān)鍵詞:紅層粉砂四川盆地

      張 世 殊, 趙 小 平, 冉 從 彥, 胡 金 山, 張 佑 廷

      (中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 611130 )

      0 引 言

      “紅層”是外觀顏色以紅色系為主的陸上沉積地層,在我國(guó)分布廣泛,主要是指形成于三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和古近紀(jì)的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相的陸相碎屑巖,巖性有礫巖、砂巖和泥巖,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,以西南地區(qū)尤其是四川盆地的“紅層”最具代表性。其巖性主要為一套砂巖與泥巖不等厚互層、軟硬相間的地質(zhì)組合,具有強(qiáng)度低和易遇水軟化而導(dǎo)致巖體大變形和難以支護(hù)等問(wèn)題。隨著水電資源的不斷開發(fā)、聯(lián)通東西部的水利水運(yùn)和交通設(shè)施的不斷建設(shè),這些紅層特有的工程特性越來(lái)越明顯。目前,針對(duì)“紅層”巖體的研究主要集中在水理特性、力學(xué)行為和其邊坡失穩(wěn)機(jī)制等方面。如周翠英等[1-5]基于單軸和三軸試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備,研究了“紅層”巖體不同圍壓、環(huán)境溫度、含水量下的強(qiáng)度、破壞演化過(guò)程、蠕變特性等;李果等[6-8]研究了紅層軟巖具有軟化系數(shù)隨著含水率增加而減少的水理特性,并且泥巖和泥質(zhì)砂巖都具有崩解性,其中泥巖的崩解程度更高;肖尊群等[9-10]從微細(xì)觀角度出發(fā),研究了紅層軟巖的力學(xué)特性和破壞機(jī)理;舒中潘等[11-13]研究了紅層滑坡的失穩(wěn)機(jī)理和穩(wěn)定性分析方法。

      總而言之,目前針對(duì)“紅層”巖體的水理特征和力學(xué)行為等研究成果較為豐碩,但鮮有針對(duì)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高的防護(hù)措施研究,以紅層邊坡為例,其工程影響更多的是開挖或其他工程影響下,“紅層”巖體快速風(fēng)化或遇水軟化等質(zhì)量劣化影響導(dǎo)致的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

      1 四川盆地紅層分布及建造

      四川盆地紅層的沉積建造是一個(gè)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程,也是伴隨古四川盆地的形成過(guò)程,其特有的沉積環(huán)境造就了其特有的分布和沉積建造,從而表現(xiàn)出特有的工程特性。

      1.1 四川盆地紅層分布特點(diǎn)

      四川盆地紅層主要分布在四川盆地及周邊的嘉陵江流域、涪江流域、渠江流域、沱江流域、岷江下游流域、雅礱江下游流域、金沙江下游流域、長(zhǎng)寧河流域、赤水河流域、長(zhǎng)江的川江流域等區(qū)域。四川盆地紅層沉積環(huán)境有湖相沉積、河湖相沉積、沖積相沉積和河流相沉積,各時(shí)期的沉積比例[14]如圖1所示,早侏羅世以湖相(占16%)及河湖交替相(68%)為主(小計(jì)84%);中侏羅世的湖相(7%)及河湖交替相(37%)占44%,晚侏羅世占40%,這時(shí)期大致與沖積扇相及河流相的面積相當(dāng);早白堊世的沖積扇相(12%)與河流相(83%)占到95%。

      四川盆地紅層沉積物緣主要源自盆地周邊山系,不同時(shí)期的地質(zhì)活動(dòng)也造就了紅層不同的分布特征:近盆周山體的前緣一帶均沉積了礫巖、含礫砂巖等粗碎屑巖,向盆地中心過(guò)渡帶則為砂巖、粉砂巖等,湖盆中心地帶則為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁(yè)巖及泥灰?guī)r等。顯示了盆地內(nèi)從北西向南東,或由北向南巖石的顆粒粒徑由粗到細(xì)的總體趨勢(shì)。

      圖1 各地質(zhì)歷史時(shí)期四川盆地紅層沉積相面積 占四川盆地總面積比例

      1.2 四川盆地紅層沉積建造

      四川盆地紅層沉積環(huán)境和各沉積相所占比例變化表明,從早侏羅世到古近紀(jì)的各地質(zhì)歷史沉積期,紅層巖石的巖性組合受沉積盆地的逐漸萎縮、沉積環(huán)境的變化,從以泥頁(yè)巖為主,向砂泥巖互層過(guò)渡變化的總體趨勢(shì)明顯。巖性主要表現(xiàn)為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖,其化學(xué)成分見表1。

      表1 四川盆地紅層主要巖性化學(xué)組成

      圖2 四川盆地紅層主要巖性化學(xué)成分對(duì)比

      如圖2四川盆地紅層主要巖性化學(xué)成分對(duì)比所示,砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖四種巖石主要化學(xué)成份基本一致,均以SiO2為主,其次為R2O3(Fe和Al的倍半氧化物)、Fe2O3和CaO。相比砂巖和泥質(zhì)粉砂巖SiO2含量較高,泥巖和粉砂質(zhì)泥巖Fe2O3、CaO和MgO含量相對(duì)較高,而正是由于這些含量的差異,使砂巖和泥巖的水理特性和強(qiáng)度特征差異顯著,即紅層地區(qū)的泥巖普遍具有遇水敏感,強(qiáng)度普遍低于砂巖的特點(diǎn)。

      2 紅層巖體質(zhì)量劣化特征

      “紅層”巖體獨(dú)特的沉積環(huán)境和成巖建造,造就了特有的巖石結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成,在工程上宏觀表現(xiàn)出特有的工程特性,如紅層巖體快速風(fēng)化和水致劣化等。

      2.1 快速風(fēng)化

      結(jié)合大量四川盆地紅層分布地區(qū)的工程實(shí)踐,本文總結(jié)了多個(gè)工程紅層巖體的風(fēng)化深度和開挖后快速風(fēng)化深度,并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)。

      表2 四川盆地紅層地區(qū)主要工程強(qiáng)/弱風(fēng)化深度統(tǒng)計(jì)

      四川盆地紅層地區(qū)多個(gè)水利水電工程統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖3、4),受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖體礦物組成影響,個(gè)別岸坡強(qiáng)風(fēng)化深度達(dá)45 m,弱風(fēng)化深度可達(dá)100 m,且砂巖為主的岸坡風(fēng)化深度均小于泥巖為主岸坡,但在統(tǒng)計(jì)意義上,天然邊坡“紅層”巖體強(qiáng)風(fēng)化深度范圍主要分布在2~7.6 m,弱風(fēng)化深度分布范圍主要為4.6~22.8 m,而這對(duì)指導(dǎo)工程布置、開挖、支護(hù)等具有重要意義。

      圖3 四川盆地紅層巖體強(qiáng)風(fēng)化深度范圍

      由于“紅層”巖體特殊的成巖建造和礦物成分,天然紅層岸坡在開挖影響下有具有快速風(fēng)化特征。大量工程實(shí)踐表明,紅層巖體開挖揭露后6 h內(nèi),快速風(fēng)化厚度可達(dá)10~30 cm,隨時(shí)間推移,風(fēng)化程度逐漸加重,并產(chǎn)生表面崩離和風(fēng)化繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展的趨勢(shì)(圖5)。

      2.2 水致劣化

      如前文所述,四川盆地“紅層”巖體特有的物質(zhì)組成,造成其具有明顯的水致劣化特征,內(nèi)在機(jī)理表現(xiàn)為:化學(xué)和物理化學(xué)反應(yīng)引發(fā)軟巖顆粒及粒間的力學(xué)連結(jié)減弱,導(dǎo)致軟巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生變異。在四川盆地10余個(gè)紅層地區(qū)的水利水電工程紅層巖體強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)了33組紅層巖體的水致劣化前后的強(qiáng)度值。

      圖4 四川盆地紅層巖體弱風(fēng)化深度范圍

      圖5 紅層邊坡開挖后快速風(fēng)化、崩落

      a.泥巖

      b.粉砂質(zhì)泥巖

      c.泥質(zhì)粉砂巖

      d.砂巖圖6 四川盆地紅層干/濕單軸抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)

      如圖6所示,在大量“紅層”巖體主要的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖干、濕飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,四川地區(qū)紅層中的泥巖干抗壓強(qiáng)度一般在1.47~8.08 MPa之間,濕抗壓強(qiáng)度為1.02~4.78 MPa,其軟化系數(shù)為0.51~0.80;粉砂質(zhì)泥巖干抗壓強(qiáng)度約7~28 MPa,濕抗壓強(qiáng)度為5~14 MPa,其軟化系數(shù)為0.41~0.77;泥質(zhì)粉砂巖干抗壓強(qiáng)度約5.41~54 MPa,濕抗壓強(qiáng)度3.95~28.2 MPa,其軟化系數(shù)0.51~0.73;砂巖干抗壓強(qiáng)度約33~82 MPa,濕抗壓強(qiáng)度20~36.1MPa,其軟化系數(shù)0.35~0.64。比較而言,四川地區(qū)紅層泥巖的軟化系數(shù)最高,粉砂質(zhì)泥巖其次,砂巖最低;但就其軟化系數(shù)范圍而言,泥巖軟化系數(shù)分布范圍最廣,砂巖分布范圍最小,其原因在于泥巖遇水更敏感。

      3 紅層巖體保護(hù)措施

      由于四川盆地紅層具有強(qiáng)度低、親水能力強(qiáng)、易遇水軟化等特有工程特點(diǎn),在紅層地區(qū)建設(shè)時(shí)存在巖體大變形、難支護(hù)等問(wèn)題。在上文研究的基礎(chǔ)上,提出了基于紅層快速風(fēng)化、水致劣化特點(diǎn)的 “防滲排水-預(yù)留開挖-加固封閉”快速工程保護(hù)措施,具有可實(shí)施性高、施工速度快、針對(duì)性強(qiáng)、工程投入低等特點(diǎn)。具體措施如下:

      防滲排水:邊坡開挖前應(yīng)首先做好外圍的截排水措施,禁止先開挖后排水,基坑開挖中,在基坑四周應(yīng)有完整有效的抽排水系統(tǒng),滲水、積水特別嚴(yán)重的部位,還應(yīng)專門采用“堵”、“抽”、“排”等有效措施,確?;痈傻厥┕?;

      預(yù)留開挖:采用科學(xué)合理的開挖方式。優(yōu)先選擇光面爆破或預(yù)裂爆破,少藥量,多梯段,基坑開挖最底層應(yīng)預(yù)留30 cm采取人工撬挖;

      加固封閉:在卸荷擾動(dòng)前提下,風(fēng)化崩解速度尤其很快,施工中,壩基巖體應(yīng)在清基完成后4h內(nèi)進(jìn)行澆筑或封閉,邊坡巖體應(yīng)在分層分段驗(yàn)收完成后及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行保護(hù)。

      4 結(jié) 語(yǔ)

      本文在四川盆地10余個(gè)水電水利工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,以四川盆地紅層巖體為研究對(duì)象,系統(tǒng)研究了四川盆地紅層巖體的分布、物質(zhì)組成、巖體質(zhì)量劣化特征及其保護(hù)措施等,取得的主要結(jié)論如下:

      (1)四川盆地紅層巖石的巖性組合受沉積盆地的逐漸萎縮、沉積環(huán)境的變化,從以泥頁(yè)巖為主,向砂、泥巖互層過(guò)渡變化的總體趨勢(shì)明顯。

      (2)四川盆地紅層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖四種巖石主要化學(xué)成份基本一致,均以SiO2為主,其次為R2O3(Fe和Al的倍半氧化物)、Fe2O3和CaO。

      (3)四川盆地紅層巖體開挖揭露后6h內(nèi),快速風(fēng)化厚度可達(dá)10 cm~30 cm,隨時(shí)間推移,風(fēng)化程度逐漸加重,并產(chǎn)生表面崩離和風(fēng)化繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展的趨勢(shì),為工程開挖提供了指導(dǎo)。

      (4)四川盆地紅層巖體在水致劣化作用下,泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖軟化系數(shù)分別為0.51~0.80、0.41~0.77、0.51~0.73和0.35~0.64。

      (5)基于紅層快速風(fēng)化、水致劣化特點(diǎn),提出了 “防滲排水-預(yù)留開挖-加固封閉”快速工程保護(hù)措施,具有可實(shí)施性高、施工速度快、針對(duì)性強(qiáng)、工程投入低等特點(diǎn)。

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