砂页岩中主要工程地质问题的分析评价

李桂平

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

1 工程简介

张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上，属大（2）型Ⅱ等工程，水库总库容3.94亿m3，坝型为黏土斜心墙堆石坝，最大坝高66.1 m.是国家“十五期间全国大型水库建设规划”中的水利建设项目，目前工程建设已近尾声。

五马水库工程位于山西省临汾市古县，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型水库，目前工程正在建设当中。

上述水库坝址区地基均为三叠系下统刘家沟组，岩性为细粒长石石英砂岩、粉砂岩及泥岩，岩层中普遍发育多层软弱的泥化夹层，均已经泥化呈泥状。地基中存在的软弱结构面，抗剪强度低，直接影响上部建筑物的稳定性和安全运行，是工程存在的主要工程地质问题。

2 泥化夹层的特征及成因分析

根据坝基开挖和勘查发现，泥化夹层呈棕红色，湿，软弱，可塑状，已泥化呈泥状，手搓有黏滑感或砂感。泥化夹层在坝基范围内大部分地段是连续分布的，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，常见有擦痕，层面起伏差0.2～0.8 cm，层内局部发育微型挤压褶曲现象，与泥岩、粉砂质泥岩或粉砂岩相伴生，含有明显次生绿色条带，具塑性，有光滑面。

泥化夹层黏性含量较大，在58%～71%，平均66.4%，根据《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999），该泥化夹层属于黏泥型。五马水库泥化夹层黏粒含量平均23.2%，为泥含粉粒碎屑型。泥化夹层矿物成分含量：伊蒙混层（主要为蒙脱石）含量平均7%，伊利石含量平均24%，属于无膨胀性或微膨胀性。

泥化夹层的成因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容易发生的部位。由于长期地应力作用下，在砂页岩分布区易沿泥岩或粉砂质泥岩层与砂岩软硬交界面产生层间错动，形成泥化夹层。在坝基开挖过程揭露的泥化夹层来看，其上下界面上存在擦痕，界面光滑具油脂光泽，下面泥岩呈片状，破碎或具揉塑印模，都证实了这一点。

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有的放矢，有针对性地进行勘察工作，采取必要的勘察方法和工艺，很容易不被发现，在勘察中被漏掉，作为工程建筑物的地基，给工程埋下危险的安全隐患。因此在砂页岩中进行工程地质勘察中应注意以下事项。

1）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，特别是有没有泥化夹层的发育，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。

2）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，对于薄层泥化夹层容易漏掉。

3）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。

4）钻孔结束后尽量进行钻孔内高清电视录像，以便查明在钻井过程中漏掉的软弱层位。

5）在砂页岩中进行的建设工程如果发现有软弱层位，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 泥化夹层的物理力学性质

1）张峰水库泥化夹层属于黏泥型，据现场及室内试验成果平均值如下：

泥化夹层原状样室内试验成果，峰值凝聚力Cs′=20.8kPa，摩擦系数 f′=0.30；残余凝聚力 Cs′=4.2kPa，摩擦系数 f′=0.28.

中型剪试样进行室内抗剪与抗剪断试验成果，饱和抗剪断凝聚力C=28.6 kPa，摩擦系数f=0.33.

现场原位抗剪断及变形试验，饱和抗剪断凝聚力C=30 kPa，摩擦系数f=0.23。变形模量为9.66×103MPa，弹性模量为2.3×103MPa.

2）五马水库泥化夹层多属于泥含粉粒碎屑型，现场及室内试验成果为：

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、1.85 g/cm3配样进行了饱和直剪试验：当干密度为1.65 g/cm3时，凝聚力 25.9～34.4 kPa，平均值 30.2 kPa，摩擦系数f=0.32；当干密度为1.85 g/cm3时，凝聚力20.5 kPa，小值平均值16.0 kPa，摩擦系数f=0.26，小值平均值0.19.

泥化夹层室内反复剪试验：反复剪试验残余凝聚力12.8 kPa，小值平均值1.8 kPa，残余，摩擦系数f=0.34，小值平均值0.29.

根据现场直剪试验：泥化夹层饱和抗剪断凝聚力c′=32.8 kPa，摩擦系数f′=0.28；多点摩擦饱和抗剪凝聚力c=25.6 kPa，摩擦系数f=0.21.

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应考虑以下几个方面：

1）泥化夹层现场剪切试验位于工程现场泥化夹层中，原结构已经发生变化，已经历过层间错动，试验是在饱和条件下进行的，多点摩擦试验代表了泥化夹层的抗剪强度。

2）室内反复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。由于现场泥化夹层大多位于地下水位以下，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。

3）配样土饱和快剪试验，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，与现场试验结果相近。

4）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》（DL5108-1999），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.

5）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，建议黏泥型软弱泥化夹层有关力学指标：C′=2.0～2.5 kPa，f′=0.27～0.29；泥含粉粒碎屑型：c′=5.0～10.0 kPa，f′=0.30～0.35、抗剪指标 f=0.21.

6 工程处理措施

建筑物地基存在的泥化夹层软弱、抗剪强度低，影响建筑物稳定性，建议处理措施如下：

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。