皂市水利樞紐工程壩基巖體利用研究

顏 慧 明，吳 宏 鈞，羅 仁 輝

(長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

皂市水利樞紐工程位于湖南省石門縣皂市鎮上游約2 km的渫水上，是澧水流域骨干防洪工程之一。皂市樞紐屬Ⅰ等工程，大壩、泄洪建筑物等為1級建筑物，大壩設計為碾壓混凝土重力壩，最大壩高82 m，壩頂長341 m[1]。

皂市大壩壩基巖體主要為泥盆系云臺觀組石英砂巖夾少量粉砂巖、砂頁巖，巖石礦物成份SiO2含量高。巖塊具有很高的抗壓強度，一般大于100 MPa，但巖體變形模量卻很低，一般不高于5 GPa，具有單軸抗壓強度高、變形模量低的特點，是典型的“硬、脆、碎”巖體。

“硬、脆、碎”巖體的RQD值、巖體完整性系數及聲波值均很低，巖體多被切割成六面體碎塊，呈緊密的鑲嵌結構。巖體在未擾動情況下，整體強度較高，但一經擾動，巖體的完整性即大幅下降。按現有規范中的評價體系，該類弱風化巖體基本質量以C類為主，壩基巖體工程地質分類為Ⅲ～Ⅳ類，巖體質量受結構面與強度的影響明顯，弱風化巖體大部分不滿足作為大壩建基巖體的質量要求；微風化開挖深度大，且會面臨隨開挖隨松弛、挖不勝挖的兩難局面[2]。

目前較多水利樞紐工程，如新疆精河下天吉水利樞紐[3]、大崗山水電站[4]、洪口水電站[5]、洛河上的故縣水庫等壩基巖體均具有此特點。巖體中裂隙特別是隱微裂隙發育，壩基開挖后巖體破碎，建基面彈性波速僅有3 500～4 000 m/s[6-7]，為尋求較完整的巖體，繼續加深開挖，但巖體完整性也未明顯好轉，只好停止下挖，進行壩基專門性處理工作。

經驗表明，對于這類巖體想依靠加大開挖來尋求完整的巖體是難于做到，也是不必要的。陳德基對這類巖體工程性質評價為：這類巖體的主要特點是巖體強度較高，但巖體變形模量較低，壩基開挖應力解除后，巖體易解體，完整性差?？够?、抗變形性能受結構面發育程度、巖塊間嵌合能力，以及巖體整體強度特性控制，基礎處理要以提高巖體的整體性為重點[6-7]。

如何建立一套針對該類巖體的質量評價方法，有效利用該類巖體作為大壩建基巖體，是壩基勘察工作需要解決的主要技術問題之一。為此，在皂市工程勘察中，對大壩壩基涉及的建基巖體利用問題進行了深入研究，提出了在“硬、脆、碎”巖體地區進行工程地質勘察，正確認識和評價巖體質量和建基巖體的技術方法。從巖組巖性、風化特征、結構類型、完整程度、物理力學性質和透水性等開展了系統研究，正確去認識和評價了這類巖體質量，再根據巖體的工程特性、力學性質、巖體質量等在垂直方向上的差異，選擇合適的建基巖體，并由此確定建基面利用高程。

1 “硬、脆、碎”巖體工程特性

1.1 巖組巖性

皂市水利樞紐工程壩址區地層，除第四系覆蓋層外，從上游至下游依次出露二疊系下統碳酸鹽巖，泥盆系中、上統和志留系中、下統碎屑巖，其間缺失志留系上統、泥盆系下統和石炭系地層，二疊系與泥盆系、泥盆系與志留系地層均為假整合接觸。

大壩壩基涉及的地層巖組主要由泥盆系中統云臺觀組(D2y)石英砂巖夾少量粉砂巖、砂頁巖組成，巖層走向80°～100°，傾向上游，傾角40°～60°。D2y層厚度145～160 m，主要分為4層：D2y2-2主要為厚層石英砂巖，D2y2-1、D2y1-2主要為中厚層至厚層石英砂巖，D2y1-1主要為中厚層至薄層石英砂巖。該組巖體中還分布有一定數量的軟弱夾層(軟巖夾層、破碎夾層、泥化夾層)，由D2y2-2層至D2y1-1層，軟弱夾層密度逐漸增大，性狀逐漸變差[8]。

1.2 巖體風化

由于巖性的差異、裂隙及巖體結構不均一，導致壩址巖體風化程度不均勻和風化形式多樣，總體上可劃分為巖體均勻風化、裂隙及斷層風化和夾層風化3類。壩址巖體風化又分為強風化、弱風化、微風化3個帶。在壩基范圍，根據巖體風化特征及工程地質性質的差異，又將弱風化巖體分為弱上和弱下2個亞帶[1]。其中，強風化巖體僅出現在兩岸斜坡地帶，河床下基本沒有分布；弱風化巖體在壩肩及河床均有較大厚度，特別在斷層附近，其深度可達30～40 m；微風化帶埋藏一般較深。云臺觀組地層巖體風化與構造、巖性及地下水滲流條件密切相關，突出表現在斷層帶及其附近風化明顯加深，具有弱風化上帶特征的最大深度可達40 m左右。同時順夾層常形成帶狀風化加深現象，即夾層的風化程度比兩側砂巖風化程度高。

1.3 巖石(體)物理力學性質

壩址云臺觀組(D2y)石英砂巖主要物理性質指標如下(詳見表1)：比重2.60～2.67，干容重24.0～24.7 kN/m3，濕容重24.6～25.2 kN/m3，天然含水率0.11%～0.15%，飽水率1.56%～2.41%，孔隙率4.29%～5.89%。石英砂巖巖塊的飽和單軸抗壓強度：D2y2層為143.3～182.67 MPa，D2y1層為124～147.6 MPa。巖塊的變形模量：D2y2層為30.40～53.10 GPa，D2y1層為16.6～37.74 GPa。

表1 巖石(體)力學性質統計Tab.1 Mechanical properties of rock mass

從表1可知，巖體的變形試驗參數(鉛直)波動較大，變形模量值在D2y2-2層為2.22～10.14 GPa、D2y2-1層為1.65～7.26 GPa、D2y1-2層為2.08～17.19 GPa、D2y1-1層為1.96～2.85 GPa，與室內巖塊的變形模量相差較大。巖體變形特征的差異是巖體地質條件(尤其是結構面的發育特征差異)的綜合反映，裂隙發育程度越高時，變形模量值越低。

1.4 巖體透水性

巖體透水性與結構面的發育程度、巖體的卸荷風化程度密切相關。據壩址區鉆孔近400段壓水試驗段統計：D2y層石英砂巖透水率q>10 Lu的占30%～35%，5～10 Lu的占10%～20%，巖體具有弱-中等透水性，滲透系數(K)為i×10-4～i×10-5cm/s。其中壩址巖體透水性隨深度增加呈減弱的趨勢，透水率q≤3 Lu頂板埋深在左、右岸與河床分別為20～70 m，60～80 m和30～55 m，與壩基巖體裂隙發育有一定的相關性。

1.5 巖體塊度模數

巖體是非連續介質的地質體，由巖塊和結構面組成，巖塊的大小、組合比例以及裂隙的性狀三者是控制巖體工程地質性質的基本因素。裂隙的發育間距、充填物的特征等都對巖體性質影響巨大。相比于完整系數，塊度模數能更全面地反映裂隙對巖體性狀的控制作用。因此在對D2y巖體特性研究中引入巖體塊度模數。

巖體的塊度模數是通過統計被裂隙切割而成的巖塊大小及其組合關系、結構面的性狀來表征巖體質量好壞的一個數值指標。陳德基提出了塊度模數的相關計算方法，并認為塊度模數與巖體完整性、巖體基本質量類別之間存在著一定關系[9]。

巖體裂隙密度的等級劃分和相應的塊度分級見表2。裂隙性狀系數(AK)是反映裂隙充填物情況和膠結程度的參數。如果裂隙為泥質充填，則裂隙性狀系數低；反之，裂隙閉合或充填膠結良好，其值就高。圖1是裂隙性狀系數與裂隙含泥量的關系曲線，它的變化區間在0.2～1.2之間。

表2 裂隙密度和塊度分級Tab.2 Fracture density and fragmentation classification

巖體塊度模數的計算公式為

MK=AK(A1+2A2+3A3+4A4+5A5)/100

式中：MK為巖體塊度模數；A1，A2，A3，A4，A5為小于0.01 至大于1.0各級塊度所占百分數；AK為裂隙性狀系數，根據裂隙的填充情況和膠結好壞選定。

按上述方法統計的塊度模數對壩基巖體進行工程地質分類，其標準見表3。

在左右壩肩不同高程的D2y層巖體中進行了巖體塊度模數MK值統計(見圖2～3)。根據現場的裂隙性狀記錄，巖體的裂隙多為閉合或充填膠結良好，少數為碎屑或泥質充填，裂隙間距0.3～1.0 m。給出裂隙性狀系數的范圍值0.60～0.95。再根據表3所給出的塊度分級標準進行統計，得出巖體的塊度模數值為2.45～3.06，巖體大部分屬于中等巖體，少數屬于較完整巖體。

表3 塊度模數分類Tab.3 Lumpiness module classification

2 “硬、脆、碎”巖體質量評價

2.1 巖體高強度-低變模特征與塊度模數

對于堅硬和半堅硬巖體，變形主要取決于結構面的數量和性狀。從D2y層巖石(體)試驗成果中可以看出：D2y層巖體變形模量參數波動范圍大，現場原位試驗的變形模量很低。室內巖塊變形模量與現場巖體相比，相差4～5倍左右，表明巖體的變形性質明顯受到夾層及裂隙的影響。事實上，大多數試點巖體裂隙發育，一般受到1～3組裂隙的切割，塊度模數MK值在2～3之間。泥質充填的裂隙及其它各類結構面的存在使變形模量顯著降低，D2y層石英砂巖巖體的變形模量與巖體裂隙發育程度去匹配，大致可分為4個量級：巖體完整、裂隙不發育、塊度模數MK值在4以上的巖體，變形模量10～15 GPa；巖體較完整、裂隙不甚發育、塊度模數MK值在3～4之間的巖體，變形模量7～10 GPa；裂隙較發育、塊度模數MK值在2～3之間的巖體，變形模量4～7 GPa；裂隙發育且見泥質充填，塊度模數MK值在2～3之間的巖體，變形模量2～4 GPa。

由于D2y層巖體總體上裂隙較發育，塊度模數MK值主要分布在2.5～3.0之間，因而盡管巖石的抗壓強度及抗剪強度都很高，巖體的變形模量仍然很低，現場試驗結果基本反映了巖體的客觀情況。

2.2 D2y層巖體基本質量評價

巖體基本質量主要由巖體的堅硬程度和巖體的完整程度兩個因素確定，同時受外部因素如地下水、初始地應力狀態等因子的影響。按GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[10]，根據巖石的單軸飽和抗壓強度、巖體完整性系數Kv值、巖體基本質量指標BQ值、質量系數Z值、塊度模數Mk值，對D2y層巖體基本質量進行定量分級(見表4)。

從表4中可以看出：D2y層巖體主要為堅硬巖與較堅硬巖，受構造和風化作用，其完整性和強度均有不同程度的降低，但大部分巖體質量屬于B、C級(較好與中等巖體)。

表4 壩基巖體基本質量定量分級Tab.4 Quantitative classification for rock mass basic quality of dam foundation

2.3 D2y層巖體工程特性評價

從巖體工程特性研究相關成果來看，云臺觀組巖體的突出特點就是“硬、脆、碎”或高抗壓強度-低變模特征。巖體中的夾層、斷層、裂隙及風化作用構成了工程巖體的不利因素。巖體中的夾層從上游到下游逐漸增多，巖體的工程性狀也逐漸變差，由此構成了巖體力學性狀不均勻問題。

巖體力學性狀不均勻問題主要受巖性和Ⅴ級結構面、隱性結構面發育的影響，這一影響因素在鉆探及平硐開挖時得到充分體現，受機械振動與爆破振動作用，鉆孔巖芯與平硐棄渣普遍給人一種“破碎”的感覺，尤其是平硐棄渣很少見到大塊石。這一易碎特點會給工程施工開挖提出較高要求。同時，平硐揭示：在一般情況下，盡管巖體存在較多的結構面，但巖塊間的嵌合(咬合)比較緊密，巖體塊度多在0.1～0.5之間，而且結構面充填物極少，大部分巖體質量屬B、C級，因此仍然不失為建壩的良好巖體。

3 “硬、脆、碎”巖體作大壩建基巖體的選擇與利用

3.1 D2y層巖體作壩基巖體工程地質分類

根據GB 50487—2018《水利水電工程地質勘察規范》[2]中“壩基巖體工程地質分類”相關分類評價標準，結合巖體風化狀態、結構類型、巖體完整性、巖石強度、結構面形態與特征、巖體滲透性等將D2y層巖體分為5類。

Ⅰ類巖體：BQ值>550。微風化、新鮮的厚層狀、巨厚層狀結構的石英砂巖，巖體完整，單軸飽和抗壓強度>100 MPa，巖體不需作專門處理，是混凝土高壩的優質建基巖體。

Ⅱ類巖體：BQ值=550～450。弱風化下帶的厚層狀或結構面不甚發育的中厚層狀石英砂巖、微新中厚層狀石英砂巖，單軸飽和抗壓強度>100 MPa或100～70 MPa。只需作常規處理，是良好的大壩基礎。

Ⅲ類巖體：BQ值=450～350。弱風化下帶中厚-厚層狀、不等厚互層狀石英砂巖及弱風化上帶中厚層狀裂隙不發育的石英砂巖。巖體質量受結構面與強度的影響明顯，需作專門性處理工作，屬一般性壩基巖體。

Ⅳ類巖體：BQ值=350～250，塊度模數MK值2.0～1.0。弱風化上帶巖體、完整性差的弱風化下帶巖體(裂隙密集帶)及膠結較差的斷層影響帶。此類巖體不宜作為大壩建基巖體。

Ⅴ類巖體：BQ值≤250。破碎夾層、泥化夾層、斷層破碎帶及全強風化巖體，單軸飽和抗壓強度<10 MPa。此類巖體不能作為大壩壩基，需進行開挖或置換處理。

3.2 D2y層巖體作壩基巖體的選擇與利用

從對D2y層巖體作壩基巖體的工程地質分類可以看出：D2y層全、強風化帶巖體的強度低，完整性差，不能作為水工建筑物的建基巖體；微風化帶巖體堅硬、完整性較好、力學強度高，其所夾軟巖與構造巖天然狀態下性狀較好，基本可以滿足混凝土高壩對地基的要求，是良好的混凝土高壩建基巖體，但埋藏一般較深，開挖量大。因此，大壩建基巖體選擇的關鍵在于對弱風化巖體的利用[1，11]。

弱風化上帶巖體為堅硬、較堅硬巖，壩基巖體工程地質分類為Ⅲ～Ⅳ類，結構面發育-較發育，裂面局部充填巖屑和泥質，裂隙面大多附鐵錳質膜，局部沿裂面見1～2 mm蝕變風化。巖體力學性質不均一，聲波速度Vp=1 500～4 200 m/s，波動大，平均值為3 192 m/s，變形模量2～5 GPa，巖體完整性系數Kv值平均小于0.4，巖體透水性較大，其中中等以上透水試段占70%；巖體質量屬中等-差，不能滿足混凝土高壩對地基的要求[12-13]，工程處理難度及工程量均較大。

弱風化下帶巖體以硬質巖為主，壩基巖體工程地質分類為Ⅱ～Ⅲ類，結構面較發育，多短小，裂面一般無充填，沿裂隙也有風化蝕變現象及鐵錳質浸染現象，變形模量一般為4～7 GPa，聲波速度一般為3 100～4 300 m/s，平均值為3 716 m/s，巖體完整性系數Kv值為0.48～0.80[14]。透水性中等-較弱，以較好和中等類巖體為主，壩基專門性處理的工程量不大；弱風化下帶巖體的力學強度、變形特性與微風化帶巖體相差不大，基本能滿足混凝土高壩對地基的要求[15]。

根據弱風化帶巖體工程特性、力學性質、巖體質量等在垂直方向上存在的差異，建議利用弱風化下帶巖體作為大壩建基巖體。實際工作中根據巖體風化特征、結構類型、完整程度、物理力學性質和透水性等綜合確定弱風化下帶巖體作為壩基可利用巖體，由此來確定建基面[16]。同時在基坑開挖確定建基面時，需要根據工程部位、巖體性狀、局部地質缺陷的分布范圍與特征、工程措施的難易度、大壩安全需要等因素綜合確定開挖面高程，要有針對性地制定合理的施工方法并加強固結灌漿。

3.3 建基巖體的開挖控制與確定

由于弱風化下帶巖體有易碎的特點，為盡量減輕對建基巖體的擾動，采用以下措施進行開挖控制：單層爆除厚度一段不超過7～8 m，建基面以上預留2.5 m保護層。同時對保護層進行分層爆破，最后剩余的0.5 m 厚巖層作為水平建基面的預留巖體保護層，在澆筑基礎混凝土前人工撬除。另外加強固結灌漿處理，固結灌漿壓力不宜過大，控制在0.4 MPa[17-18]。

根據弱風化下帶巖體的工程特性，其特點是“高強度，低彈?！?，巖體裂隙和微裂隙發育，巖體在未受擾動的原位條件下處于密實狀態，一旦基礎開挖，圍壓應力解除，巖體解體松動，表現出完整性很差，而且即使加深開挖，巖體的完整性也得不到明顯的改善[19]。在現場確定壩基建基面時，不能以巖體完整性和聲波波速為主要標準，而是要將巖體裂隙的風化程度和充填情況為主要標準，開挖后裂隙面較新鮮或略有風化蝕變現象及鐵錳質浸染現象，基本沒有泥質充填，錘擊發音清脆，塊度模數Mk值為2.0～3.0，即可作為建基巖體[20]。

4 結 語

皂市大壩壩基為“硬、脆、碎”巖體，對這類巖體的巖體質量評價和作為大壩壩基巖體的利用，沒有成熟的經驗與遵循的標準。若按已有規范確定建基巖體，則開挖深度很大，且結合類似工程的經驗教訓，會面臨隨挖隨松弛，進而演變為“挖不勝挖”的兩難局面。

對“硬、脆、碎”巖體作高壩建基巖體，需先從巖組巖性、風化特征、結構類型、完整程度、物理力學性質和透水性等進行系統研究，綜合評價巖體的基本質量，再根據巖體的工程特性、力學性質、巖體質量等在垂直方向上的差異，選擇利用合適的建基巖體，由此確定建基面利用高程。

“硬、脆、碎”巖體裂隙和微裂隙發育，在未受擾動下處于密實狀態，一旦基礎開挖，圍壓應力解除，受爆破等影響巖體松動，完整性變差，即使加深開挖，巖體的完整性也得不到明顯的改善。因此，盡量減輕對此類巖體的擾動并預留保護層，在現場確定壩基建基面時，不要以巖體完整性和聲波波速為準，而要將巖體裂隙的風化程度和充填情況作為主要標準，開挖后裂隙面較新鮮或略有風化蝕變現象及鐵錳質浸染現象，基本沒有泥質充填，即可作為建基巖體。

皂市工程根據D2y層巖體弱風化帶巖體工程特性、力學性質、巖體質量等在垂直方向上存在的差異，綜合巖體風化特征、結構類型、完整程度、物理力學性質和透水性等，選擇弱風化下帶巖體作為壩基可利用巖體，由此來確定建基面。

目前皂市工程已建成并竣工驗收，對于重力壩壩型，皂市工程總結出來的有關對“硬、脆、碎”巖體作建基可利用巖體的研究方法、質量評價、建基巖體選擇利用、開挖控制與確定等方法可以為其他工程借鑒。