肯斯瓦特水利枢纽坝址区岩石崩解性特征

李新峰, 于 为, 张敬东

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 工程勘察院,新疆 乌鲁木齐 832000)

肯斯瓦特水利枢纽坝址区岩石崩解性特征

李新峰, 于 为, 张敬东

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 工程勘察院,新疆 乌鲁木齐 832000)

肯斯瓦特水利枢纽坝址区主要岩石为白垩系泥质砂岩和砂质泥岩,前期勘察结果曾判为软岩,最终确定为中硬岩。随着研究程度的加深和认识不断提高,逐步发现忽略该岩石特有的崩解性特征,是导致岩石室内试验结果不一致的主要原因之一。常规岩石物理性质试验可以获得耐崩解性指数Id,但该指标没有统一的衡量标准,也缺乏直观性。通过工程勘察实践及现场观察试验方法,试图取得直观判断岩石崩解特性途径,效果良好。同时也为地面建筑物、地下开挖和边坡工程的设计和施工提供合理的地质建议。

肯斯瓦特水利枢纽;岩石;崩解性;现场观察试验

肯斯瓦特水利枢纽工程是天山北坡经济带规模最大、地质情况最复杂的山区水利工程,该工程最大坝高129.4 m,库容为1.88亿m3,为大(2)型Ⅱ等工程。工程区位于北天山褶皱带的乌鲁木齐山前拗陷区的西段南缘断褶隆起的山地,地貌单元上属侵蚀构造低中山区峡谷区,山势较陡,沿河谷和冲沟两侧基岩露头较好,海拔高程1 000～1 800 m,相对高差150～500 m,河谷两岸发育Ⅰ-Ⅵ级侵蚀堆积阶地,顶部阶地多被第四系上更新统黄土覆盖,呈现二级夷平面。库坝区出露的主要地层为白垩系呼图壁河组(K1h),岩性主要为砂质泥岩、泥质粉砂岩。白垩系地层呈近东西走向、向北东倾斜的单斜地层构造,库尾分布侏罗系砂岩、泥岩和砂砾岩。清水河子大断裂和玛纳斯断裂分别距枢纽区12 km和25 km,属区域性活动断裂和发震构造,枢纽区位于两大活动断裂的中间地带,区域构造稳定性相对较差,据本工程地震安评报告,50年超越概率为10%的地震动峰值加速度为0.25g,相应地震基本烈度为8度。

本区岩石具有崩解性特点,常规岩石物理性质试验可以获得耐崩解性指数Id[1],但该指标在规范规程和一些文献中鲜有涉及到其具体的物理意义和对力学性质的影响程度,也缺乏直观性。此外,此类岩石在室内试验效果与现场自然暴露的实际情况存在一定的差异。笔者通过工程勘察实践及采取的一些现场观察试验方法,取得直观判断岩石崩解特性途径,效果良好。

施工过程中,针对岩石崩解性特征,通过采取合理的施工保护措施,消除了崩解特性带来的不良影响。目前该水库已蓄水一年多,运行状况良好。

1 岩石物理力学性质室内试验成果分析

肯斯瓦特水利枢纽于2005年、2006年和2009年底,分别进行了该工程的项目建议书、可行性研究和初步设计阶段的地质勘察工作,在不同阶段勘探工作中,采取了大量的试验样品,取得较系统完整的室内试验和现场测试资料,为工程地质分析和设计决策提供了有力的依据。根据对历年岩石室内试验统计汇总(表1),岩石各项物理性质指标变异性较小。2006年试验自由膨胀率平均值45%,而2009年针对岩石膨胀性共进行48组试验,其中仅1组试验自由膨胀率为49%,其余均<40%,根据该岩石本身的矿物成分及全风化岩石遇水无泥化现象,且岩块在干湿交替的浸水试验过程中无变形现象,综合分析判断该岩石不具膨胀性。

通过试验参数对比分析,笔者认为造成试验结果差异性的主要原因是白垩系砂质泥岩或泥质粉砂岩具有特殊崩解性,野外采集的岩石样品未及时密闭封存,出现不同程度地裂纹崩解,从而造成样品的质量缺陷,加之样品在野外获取的完整性和及时性欠佳,对制样加工和试验过程均会产生影响,从而影响到试验成果,尤其对岩石的力学性质指标影响更大。

由表2统计可知,岩石各项力学性质室内试验指标存在明显差异,通过对比分析可以看出:

(1) 2005年试验组数较少,但试验结果离散性较大,与初设阶段试验成果相比较,其饱和抗压强度不大,为14.9 MPa,最大22.9 MPa,抗剪强度指标相近。

(2) 2006年试验结果离散性较大,特别是抗压强度指标,其中天然抗压强度最大值为100 MPa,最小值为5 MPa;饱和抗压强度最大值22.9 MPa,最小值0.03 MPa,饱和抗压强度普遍偏小,大部分试验结果<10 MPa,平均值为7.9 MPa,软化系数0.12～0.25,岩块静弹模指标较本次初设阶段试验偏小,抗剪强度指标与初设阶段试验结果相近。

(3) 初设阶段试验结果离散性较小,饱和抗压强度试验结果平均值为29.8 MPa,为历年最大值,并且岩石抗压强度随取样深度加大而增大,符合岩石风化程度随深度增加而减弱的基本规律。

针对岩石具崩解这一特性,2009年勘察中重点对岩石样品采集进行全过程有效防护和控制,做到及时取样、及时密闭保存、及时制样试验,在试验室发现有缺陷样品进行标注等,保证试验样品不受崩解因素影响;从试验结果来看,岩石力学强度指标有大幅提高,这一结果也符合岩石本身应具有的工程特性。

根据河心钻孔(孔位处于河流常年流水的断面内)不同深度内采取多组岩样进行试验,根据该组试验成果的统计分析(表3),取样深度在20 m以下的微风化—新鲜岩石抗压强度指标较大,平均值达到了37.2 MPa,分析是由于有河水保护,使岩体受风化作用抑制,基本能代表微风化—新鲜岩石的工程特性[2]。

表1 室内岩块试验物理性质汇总表

表2 室内岩块试验力学性质汇总表

表3 初设河心孔岩芯试验成果汇总表

2 岩体风化崩解特性现场试验

根据一些文献资料和现行规范规程,常规岩石物理性质试验主要是通过耐崩解性指数Id来了解岩石的崩解性,但该指标是在实验室进行干湿循环试验确定,且崩解性指数的物理意义没有统一的衡量标准,也缺乏直观性。从上节岩块物理试验统计结果看,工程区岩石耐崩解指数最小值63.8,平均值87.2,根据耐崩解性指数Id,参照岩石耐崩解性六个等级划分,可判定该岩石具有中等崩解性。这只是在实验室环境下得出的结论,但其对工程的影响程度及其具体物理意义无法获知。由此在勘察过程中,试图在自然环境状态下通过不同工况取得的岩石试块,现场观察试验获得岩石崩解性直观的解释。现对各种试验结果简述如下:

(1) 钻孔岩芯观察,岩芯从钻孔取出放置岩芯箱后,一般在2 h左右开始出现微细裂纹,裂纹为交错碎裂状,不受层面及结构面控制,呈随机性发育。裂纹的发育和发展受天气因素(日照、温度、湿度、降雨、风等)影响较大。

(2) 比对不同部位、不同深度分别采取的岩石样品,按自然暴露室外、室内、浸水三种状况分别观察岩石崩解速度。① 在自然暴露条件下岩块崩解速度最快,直径30 cm的岩块完全风化崩解成碎块状在30～60 d之间;② 钻孔岩芯在自然暴露条件下一般在2 h左右开始出现微细裂纹,崩解成碎块状在10～25 d之间;③ 室内观测的岩块及岩芯样品崩解速度明显减慢,直径30 cm左右的岩块90 d内未崩解成碎块状,表面出现张开1 mm左右的裂纹,呈碎块状掉落,钻孔岩芯崩解成碎块状在60～80 d之间,个别岩芯样品在观测200多天后,未崩解成碎块状,仅在表面出现细裂纹;④浸水观测的样品观测200余天后仍未出现明显变化。

(3) 对2005年、2006年完成的平硐进行重新观测,查看平硐内岩石塌落情况,测量平硐宽高的变化,综合分析岩石的崩解特性,钻孔岩芯及平硐岩石崩解特性见表4、表5。

表4 钻孔岩芯崩解特性观测表

表5 平硐洞身围岩崩解特性观测表

平硐围岩观测结果:①对2006年勘探平硐进行复测表明,所有平硐洞口都被崩解岩体封堵掩埋,平硐内岩体有大面积塌落,洞顶及洞壁均有,崩落深度在20～60 cm之间,围岩不稳定,经常有小的掉块发生。②据2009年勘探平硐观测表明,勘探平硐在完工后15 d左右岩体开始出现掉块现象,洞壁岩体节理形成的光面上开始出现裂隙纹,逐渐张开,最终形成裂隙发生掉块。③根据对已完成平硐重新观测发现,在同一平硐内,潮湿部位的岩体未发现明显的崩解,只有少量的掉块;而干燥部位的岩体,越接近洞口处塌落崩解的现象越严重。对洞内新鲜的岩体观察发现,岩体内部发育有较多的裂纹,多与层面平行,其它随机发育,地下水沿裂纹浸润,局部张开形成滴水。

根据各种不同工况的统计结果可以看出,在自然暴露条件下岩体崩解速度最快,最终崩解成碎块状,室内条件下岩体崩解明显减慢,浸水状态岩块不发生崩解。崩解产生的裂纹呈交错碎裂状,且不受层面及结构面控制,随机性发育,裂纹的发育和发展受天气因素(日照、温度、湿度、降雨、风等)影响较大。

3 试验对比的意义和施工过程的启示与建议

根据上述岩石风化崩解特性现场试验结果,可解释以往勘察阶段的岩石样品由于保护措施不足,在风化崩解作用下使岩体内部结构发生微妙变化,并直接导致力学性质的削弱,表现在抗压强度、静弹模量和抗剪强度的明显降低。

通过对岩石崩解特性认识的不断深入,在采取岩石样品过程中,增加有效保护措施,使得初步设计阶段室内岩石物理力学试验成果趋于合理,可为最终设计提供更加合理的参数和建议,为此,将前期勘探阶段提出的岩质类型提高一级,由原来的软质岩(较软岩,饱和抗压强度Rb=7.9～16.7 MPa)提高为硬质岩(中硬岩,饱和抗压强度Rb=37.2 MPa),该指标的提高使坝基岩体工程地质分类和洞室围岩分类也相应提高,避免设计参数过于保守,使得工程投资大大降低。

2009年10月导流洞开挖时,施工单位根据地质建议及时进行喷锚支护,为安全进洞开挖奠定了基础。此后,发电洞、泄洪洞洞室开挖均遵循此原则,未出现大的隧洞稳定问题;与此相对应,在泄洪洞出口边坡、联合进水口高边坡开挖过程中,部分施工单元由于跨越冬季,停工之前没有及时对边坡岩体进行覆盖保护(喷锚支护),均出现不同程度地滑塌破坏。而处于强风化层的溢洪道出口明渠段地基,开挖后,风化崩解速度更为明显,为清除软弱破碎的岩石,常常出现基础超挖现象。这从另一个方面说明,对于易风化崩解的岩石,及时采取保护措施的重要性。

4 结语

肯斯瓦特水利枢纽坝址区岩石在自然暴露条件下具有明显风化崩解的作用,样品采集过程中如果忽略对其保护,会影响和导致岩石单轴饱和抗压强度等力学性质室内试验指标的降低。初步设计勘察中,针对岩石的风化崩解特性,通过采取现场多种试验方法对不同工况下岩石直观的观察,验证了该岩石风化崩解的产生过程及可能对工程产生的不利影响。岩石在不失水、缓慢失水、保持一定温度和湿度条件下,崩解缓慢;若受暴晒、降雨侵蚀、温度变化等作用,则会迅速崩解。

根据以上分析,在确定本工程项目区岩石主要物理性质指标时,以历年试验成果汇总的算术平均值作为标准值[3];弱风化岩石的单轴抗压强度(天然和饱和状态)以初设阶段的试验成果算术平均值(去除异常值)作为标准值,微风化—新鲜岩石的标准值为初设阶段的河心孔内微风化—新鲜岩石的试验成果算术平均值(去除异常值),在此基础上提出地质建议值。该指标的提高对坝基岩体工程地质分类和洞室围岩分类的提高,避免设计参数过于保守,降低工程投资具有积极的意义。

肯斯瓦特水利枢纽工程坝址区岩石边坡或洞室开挖后,岩体失水后会出现快速崩解现象。为确保地面建筑物、地下开挖工程的岩石基础(或围岩)以及岩质边坡稳定,工程开挖后应及时采取喷混凝土的全面保护措施,防止工程岩体风化崩解带来的力学性质降低,以减少风化崩解作用带来的不良影响。

对于地面开挖工程重点做好保护层的预留,尤其对于强—中等风化层的岩石,宜适当增加保护层厚度;对于微风化—新鲜岩石,可减少保护层厚度;而一旦打开保护层后,就应及时采取速喷混凝土等保护措施。否则极易形成风化崩解面,此时所喷混凝土无法与岩石形成整体、贴服效果差,保护效果不理想。如导流洞出口部分段岩质边坡喷锚支护后,仅仅在截流后不久,就造成严重崩落。

肯斯瓦特水利枢纽工程自2014年底下闸蓄水已近一年半,目前所有建筑物运行正常。实践证明,对易风化崩解岩石采取合理保护措施是十分重要的。同时,也为今后类似岩石水利水电工程建设积累了有益的经验。

[1] 徐志英.岩石力学[M].第三版.北京:中国水利水电出版社,2007.

[2] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范:GB50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.

[3] 新疆兵团勘测规划设计研究院.新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程地质勘察报告(初步设计)[R].乌鲁木齐:新疆兵团勘测规划设计研究院,2009.

(责任编辑：陈文宝)

Discussion and Analysis of Disintegration Characteristics of Rockat the Ken Swart Hydro Junction

LI Xinfeng, YU Wei, ZHANG Jingdong

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

Main rocks of the Ken Swart dam site area are cretaceous argillaceous sandstone and sandy mudstone,preliminary survey results identified as soft rock,but ultimately determined that is medium hard rock. Through phased prospecting,with the reaserch degree deepening and understanding of continuous improved,gradually found that ignore the disintegration characteristics of the rock,it is the main reason for the laboratory tests’ results disaccord. The routine rock physical properties test can obtain the disintegration indexIdbut there is no uniform standard of measurement,and lack intuitive. This paper through the engineering prospecting practice and some of the field observation test method,attempts to find visual judgement of the disintegration characteristic of rock,and the effect is good. At the same time,it will provide reasonable geological suggestion for the design and construction of the surface buildings,underground excavation and slope engineering.

Ken Swart hydro junction; rock; disintegration; field observation test

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

李新峰(1966-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业，从事工程地质与水文地质勘察工作。E-mail:415211049@qq.com

TV223.1; P584

A

1671-1211(2016)03-0356-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.026

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.008.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31