五马水库坝基泥化夹层对工程稳定性影响分析

李桂平

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

五马水库工程位于临汾市古县县城西南五马村附近。坝址所在河流属汾河一级支流——洪安涧河的南支，大坝坝型为浆砌石重力坝，是一座以工业供水、发电为主，兼有防洪、农业灌溉等综合利用的小（一）型水库。

大坝坝基为三叠系下统刘家沟组砂页岩，大坝坝基位于T1l-15岩组中，坝基下部在T1l-12，14岩组中发育多层软弱的泥化夹层，即地基中存在的软弱结构面直接影响大坝稳定性和安全运行，是该工程存在的主要工程地质问题。

2 泥化夹层特征及成因分析

大坝坝基基岩位于T11-15岩组中，岩性主要为细粒长石石英砂岩、粉砂岩及泥岩。在坝基下部T11-12，14岩组岩性主要为泥岩及粉砂岩，层中发育有多层泥化夹层，经坝基上游齿槽开挖和勘查发现，泥化夹层呈棕红色，湿，软弱，可塑状，已泥化呈泥状。泥化夹层在坝基范围内大部分地段是连续分布的。泥化夹层都是沿砂岩或粉砂岩与泥岩的界面附近发育，产状与地层产状一致。泥化夹层上、下界面较平缓，层面起伏差0.3～0.8 cm，界面附近常见有擦痕，层内常见微型挤压褶曲现象，多含有大量云母。泥化夹层呈紫红色，多与泥岩、粉砂质泥岩或粉砂岩相伴生，含有明显的次生绿色条带，具塑性，有光滑面。

泥化夹层是由于构造作用导致层间错动而致，泥岩或泥质粉砂岩层与砂岩软硬交界面是层间错动最易发生的部位，在长期地应力作用下，砂页岩分布区容易沿泥岩或泥质粉砂岩层与砂岩软硬交界面产生层间错动，形成泥化夹层。从坝基上游齿槽开挖过程揭露的泥化夹层来看，其上下界面存在擦痕，界面光滑具油脂光泽，下面泥岩呈片状。

3 泥化夹层勘察方法

由于存在于砂页岩中的泥化夹层软弱，层薄，大部分泥化夹层厚度不足1 cm，且抗剪强度很低，往往沿层面缓倾角展布。因此在现场勘查过程中如果不针对性地进行勘察工作，采取必要的勘察方法和工艺，很容易在勘察时被漏掉，给工程埋下安全隐患。因此在砂页岩中进行工程地质勘察时应注意以下事项：一是在砂页岩中进行工程建设，最主要的工程地质问题之一就是地基存在软弱结构面，特别是有无泥化夹层的发育，在工程地质勘察时需高度重视，提前预测软弱层位的大致位置，做到有的放矢，重点关注。二是采用小口径双管单动金刚石钻进，由于其他钻井方法在钻进过程中对岩芯扰动较大，容易漏掉薄层泥化夹层。三是钻进过程中要做到小进尺、小水量，每钻进尺应小于1 m，给水量要尽量小一点，防止把薄层软弱层位冲掉。四是钻孔结束后尽量进行钻孔内高清电视录像，以查明在钻井过程中漏掉的软弱层位。五是在砂页岩中进行的建设工程如发现有软弱层位，特别是有泥化夹层的发育，尽量采取现场原位试验为主，参考室内试验指标综合确定其力学强度指标，为工程设计提供可靠的地质依据。

4 泥化夹层物理力学性质

泥化夹层颗粒组成：砾粒含量0～33.1%，平均4.9%；砂粒含量5.7%～61.8%，平均18.0%；粉粒含量3.8%～70.5%，平均53.9%；黏粒含量 1.3%～36.7%，平均23.2%；曲率系数0.3～2.5，平均值1.2；不均匀系数1.3～35.0，平均值18.1。根据《混凝土重力坝设计规范》，泥化夹层大部分归类为泥含粉粒碎屑型，局部为黏泥型、碎屑碎块型或碎屑夹泥型。

据现场及室内试验：泥化夹层含水率12.8%～22.4%，平均值 17.1%；天然密度 1.74～2.27 g/cm3，平均值 2.08 g/cm3；干密度 1.50～1.98 g/cm3，平均值 1.78 g/cm3；孔隙比 0.427～0.684，平均值 0.559；液限 24.9%～38.7%，平均值31.9%；塑限15.2%～21.8%，平均值18.0%。

按干密度1.85 g/cm3配样后，其压缩系数0.13～0.21 MPa-1，平均值 0.18 MPa-1，属中等压缩性土，压缩模量7.01～10.94 MPa，平均值8.22 MPa；按干密度1.65 g/cm3配样后，其压缩系数 0.49～0.61 MPa-1，属中等至高压缩性土，压缩模量2.68～3.34 MPa。

泥化夹层配样饱和直剪试验：取泥化夹层按干密度1.65 g/cm3和1.85 g/cm3配样进行饱和直剪试验：当干密度为1.65 g/cm3时，凝聚力25.9～34.4 kPa，平均值30.2 kPa，内摩擦角 16.5 °～18.5 °，平均值 17.5 °；当干密度为1.85 g/cm3时，凝聚力13.8～27.8 kPa，平均值20.5 kPa，小值平均值 16.0 kPa，内摩擦角 9.0°～21.0°，平均值14.6°，小值平均值10.5°。

泥化夹层室内反复剪试验：反复剪试验残余凝聚力为1.3～22.8 kPa，平均值12.8 kPa，小值平均值1.8 kPa，残余内摩擦角 15.0 °～23.0 °，平均值 18.8 °，小值平均值16.3°。

现场直剪试验：泥化夹层饱和抗剪断凝聚力c′=31.9～33.8 kPa，平均值 32.8 kPa，摩擦系数 f′=0.27～0.28，平均值0.28；多点摩擦饱和抗剪凝聚力c=22.4～28.7 kPa，平均值 25.6 kPa，摩擦系数 f=0.19～0.23，平均值0.21。

泥化夹层矿物成分含量：伊蒙混层（主要为蒙脱石）含量4%～11%，平均含量7%，伊利石含量13%～45%，平均含量24%，以蒙脱石含量为控制指标，按天津市水利水电勘测设计研究院在山西引黄工程的分类标准，属无膨胀性或微膨胀性岩石。

5 泥化夹层抗剪强度指标建议值

泥化夹层抗剪强度指标建议值主要考虑以下几个方面：

第一，泥化夹层现场剪切试验位于T1l-14岩组中上部的泥化夹层，泥岩层呈碎屑状，原结构已发生变化，经历过层间错动，厚度3 cm，上部和下部为粉砂岩层。试验在饱和条件下进行，且试验后检查泥岩层全部泥化，认为上述现场试验成果基本代表了坝址区的情况，多点摩擦及单点摩擦试验代表了泥化夹层的抗剪强度。

第二，室内反复抗剪试验测得的强度是软化夹层的残余强度，其试验状态为排水慢剪。由于坝基泥化夹层位于地下水位以下，不具备排水固结条件，故分析该试验的内摩擦角试验值可能偏大。

第三，配样土饱和快剪试验，配样干密度1.85 g/cm3较已有泥化夹层干密度的试验平均值稍大，该试验值为在不排水状态下的强度，其结果具有一定的代表性，其抗剪断摩擦系数平均值为0.26，与现场试验结果相近。

第四，从泥化夹层颗分试验结果分析，按照《混凝土重力坝设计规范》，该层多属泥夹粉粒碎屑型，其抗剪断参数标准值为 f′=0.19～0.25，c′=43～64 kPa。

第五，据《水利水电工程地质勘察规范》，软弱结构面为泥时经验值为 f′=0.18～0.25，c′=2～5 kPa。

综上所述，五马水库坝基下发育的泥化夹层大部分归类为泥含粉粒碎屑型，抗剪强度指标主要根据现场试验、重塑土试验结果，考虑工程地质条件，建议泥化夹层抗剪断指标 f′=0.25，c′=0.01 MPa，抗剪指标 f=0.21。

6 工程处理措施

五马水库坝基存在的泥化夹层产状与地层一致，软弱、抗剪强度低，泥化夹层倾向下游，对建筑物稳定条件不利，坝基存在抗滑稳定问题，建议采取以下处理措施：

第一，由于泥化夹层软弱、多具可塑性，应考虑主持力层范围内泥化夹层对坝基压缩变形的影响。第二，由于地基中泥化夹层存在一定的膨胀矿物，尚应考虑泥化夹层的膨胀性对地基的影响。第三，建议根据坝基稳定计算的情况采取坝基锚索加固、加宽、加深上下游齿槽，或采取坝基岩体抗滑措施等。第四，建议在水库运营后加强滑坡体变形安全监测工作，及时对坝基稳定性进行预报。