军民一级泵站软岩工程地质特性研究

唐 波, 张莉萍, 陈 勇, 曹凯波

(南京市水利规划设计院股份有限公司,江苏 南京 210022)

军民一级泵站软岩工程地质特性研究

唐 波, 张莉萍, 陈 勇, 曹凯波

(南京市水利规划设计院股份有限公司,江苏 南京 210022)

软岩工程因其易风化、软化等特性,通常引起地基强度衰减、不均匀沉降以及边坡失稳等工程地质问题。依托于军民一级泵站拆建的工程实例,通过分析地质资料,综合比较基岩承载力特征值确定方法,针对白垩系泥质粉砂岩地基进行了相关工程地质问题研究,提出相应的工程处理措施建议,为类似工程设计、施工提供了参考依据。

泵站;软岩;承载力;工程地质问题;处理措施

军民一级泵站位于安徽省全椒县境内,属驷马山引江灌区的配套工程,原工程始建于1976年,1977年投入运行,因泵站建筑物、机电设备及金属结构均老化严重,不能发挥原设计灌排作用,经鉴定泵站安全鉴定结论为四类,故水利主管部门对原泵站进行了拆除并原址重建。

新建泵站仍为排灌结合站,设计排涝抽水流量13.9 m3/s,设计排涝扬程6.13 m,总装机容量2 375 kW,属中型泵站。泵站工程包括泵房、进水池、输水涵、进水闸等主要建筑物,其设计底板高程分别位于-1.00 m、-0.50 m、1.00 m、1.00 m(国家85高程系统,下同),建基面均处于泥质粉砂岩地基上。泵站输水轴线工程地质剖面见图1[1]。

勘察结果表明,场区地层岩性上部为第四系粉质粘土,下部为基岩。基岩为泥质粉砂岩,属软—极软岩、软化岩石,具易风化、遇水易软化等特性。经分析,本工程存在的工程地质问题包括地基强度衰减、不均匀沉降以及基坑临时边坡稳定等问题。为此,结合工程特点,对地质资料作进一步分析,综合比较基岩承载力特征值确定方法,具体探讨工程存在的主要工程地质问题,并提出了相应处理措施建议。

1 场地工程地质概况

工程场地位于安徽省全椒县东观联圩排涝干沟与土桥水库东河撇洪沟交汇处,场地地貌属江淮波状起伏地上丘陵地貌,岗地微地貌单元。场地地形相对平坦,局部有所起伏。地面高程6.40 m～21.50 m。

场地钻孔揭露:表层为近现代形成的素填土、淤泥,浅部为第四系晚更新世粉质粘土(Q3),下伏白垩系中统宣南组(K2xn)棕红色泥质粉砂岩。地层产状倾向NE30°～40°,倾角约5°[2]。

勘察期间钻孔场地地下水主要是第四系孔隙潜水,少量基岩裂隙潜水;地下水埋深标高为5.29 m～14.11 m,水位埋藏较浅,地下水位线基本与地形一致。

2 软岩的物理、力学性质研究

岩体处于何种风化程度决定岩石性质好坏,对工程选择建基面、确定地基加固措施和基础设计方案起到关键作用。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)附录H判别,本工程勘察钻孔揭示的泥质粉砂岩划分为③1强风化泥质粉砂岩:棕红色,风化裂隙发育,锤击声哑,岩石组织结构大部分破坏,变酥、易碎,岩体较破碎;③2弱风化泥质粉砂岩:棕红色,岩石原始组织结构清楚完整,但大多数裂隙已风化,锤击声哑,用镐难以挖动,岩体较完整。

2.1 一般物理、力学性质

根据本工程特点,依据设计方提供的勘察任务书要求,按照相关规范对本泵站工程进行了地质勘察工作。针对建基面以下白垩系泥质粉砂岩,除进行标贯、动探及压水试验等原位测试工作外,还包括室内试验:如岩石块体密度、单轴抗压强度试验(天然、干燥、饱和状态)、饱和吸水率以及自由膨胀率等试验。试验结果如表1。

(1) 该工程场地所揭露③2弱风化泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度介于0.98～5.65 MPa,均值为2.52 MPa,<15 MPa;软化系数值介于0.10～0.52,均值为0.27,<0.75。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)(2009年版)3.2.2、3.2.4条款判别:岩石坚硬程度分类属软—极软岩,且属软化岩石。

(2) 现场压水试验结果显示:③1强风化泥质粉砂岩属弱—中等透水,③2弱风化泥质粉砂岩属弱透水;基岩渗透性随埋深有变小趋势,与岩石风化程度、完整性有关。

(3) 地质勘察时除进行野外地质特征调查外,还进行了岩石自由膨胀率试验、饱和吸水率室内试验。依据《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》(DL/T 5414—2009)附录W,综合野外地质调查、自由膨胀率、饱和吸水率等手段判别,场地泥质粉砂岩不属于膨胀岩范畴。

图1 泵站输水轴线地质剖面图Fig.1 Geological section map of the water diversion line of pumping station1.钻孔及其编号;2.地下水位;3.素填土(粉质粘土);4.粉质粘土;5.强风化泥质粉砂岩;6.弱风化泥质粉砂岩;7.走向;8.产状(倾向、倾角);9.底板;10.高程、埋深。

表1 岩石物理力学性质指标统计值表

Table 1 Statistical table of physical and mechanical properties of rock

岩土体名称含水率w/%天然块体密度ρ/(g·cm-3)饱和吸水率/%岩石单轴抗压强度/MPa天然饱和干燥软化系数自由膨胀率/%轴向径向压水试验/Lu③1强风化泥质粉砂岩一般值1．85～3．52．23～2．411．25～5．620．95～1．920．52～1．494．78～9．250．05～0．3412．5～13．923．2～24．711．66～23．50均值2．22．313．121．5741．285．240．1812．824．212．50标准值1．211．064．45组数1111810101010666③2弱风化泥质粉砂岩一般值1．24～2．982．35～2．560．56～3．211．29～3．520．98～5．656．54～15．20．10～0．5211．9～12．521．5～22．70．62～3．54均值1．542．421．952．642．529．540．2712．121．71．24标准值2．252．148．11组数1010810101010666

2.2 承载力研究

在建筑物基础设计时,建筑物基底压力应在地基岩土所允许的承载能力之内。由于岩性特征、试验手段以及行业、地区差异,岩石地基承载力特征值确定有所差异,如何更科学、更合理确定岩基承载力应引起重视。

2.2.1 承载力特征值的确定方法总结

(1) 理论公式计算法。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)第5.2.6条款计算基岩承载力特征值fa。

fa=φrfrk

式中:fa为岩石地基承载力特征值(kPa);φr为折减系数;frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)。

其中折减系数应根据岩石完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合,由地方经验确定。无经验时,对完整岩体可取0.5,对较完整岩体可取0.2～0.5,对较破碎岩体可取0.1～0.2。

(2) 原位测试法。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)5.2.6条及附录H,对于完整、较完整、较破碎的岩石地基承载力特征值可按载荷试验方法确定;对于破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值,可根据平板载荷试验确定。

(3) 规范、手册查表法。根据岩体风化程度鉴别、岩石软化系数等试验结果,查规范或手册可得岩石承载力值,如查《220kV以下架空送电线路勘测技术规程》(DL/T 5076—2008)附录G可得岩石承载力特征值,查《港口工程地基规范》(JTS147-1—2010)附录G可得岩石承载力设计值,以及《工程地质手册(第四版)》表4.8-18可得岩石承载力设计值。

(4) 地区经验法。工程场地与南京市浦口区比邻,泵站位置距离南京市与安徽省界河(滁河)约5 km,故本工程岩石地基承载力特征值可参考地区工程经验,利用《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ32/j12—2005)附录F来确定基岩承载力特征值fak。

2.2.2 承载力特征值取值原则

工程实践表明,因工程性质多样,行业标准不同,工程地质与水文地质条件的不同,对于确定地基承载力特征值,可总结以下几点原则:

(1) 根据基岩不同风化程度,分类确定所需地基承载力特征值。强风化基岩相应地基承载力特征值可主要依据规范、手册查表法或地区经验法所得;弱风化、新鲜基岩相应地基承载力特征值可主要依据理论公式计算法所得。

(2) 同一类基岩可采用多种方法进行比较评价,依据工程特性及行业标准综合确定地基承载力特征值。凭单一的试验结果去计算,获得的结果可能存在一定的潜在危险,也可能造成浪费,地区经验往往更适合本地区工程的实际情况;在地方规范中,采用经验方法来确定地基承载力是允许的,但同样不能绝对化[3]。

总之,在确定地基承载力特征值时,需采取客观、科学、合理的方法,综合评价选取。

2.2.3 工程应用

前述各种方法中承载力的术语有承载力特征值fa、fak,承载力设计值f0或fd′的区别,其中fak、f0或fd′为根据岩石类别、风化程度查表获得的承载力特征值或设计值;而承载力特征值fa、fak的区别在于:前者确定的地基土承载力特征值在使用时无需基础深、宽修正。(fa、fak、f0或fd′是不同时代或不同行业规范所采用的术语,相互关系本文不再赘述,详见参考文献[3],但在具体工程应用时需加以区分。

根据前述承载力取值方法及原则,本工程③2弱风化泥质粉砂岩采用“理论公式计算法”时,岩石饱和单轴抗压强度取自表1,φr取下限值0.2(较完整岩体可取0.2～0.5);利用“规范手册查表法”、“地区经验法”等方法时根据岩石类型、风化程度分别取下限值。在此基础上,综合岩性特征、风化程度、试验手段,以及行业、地区规范等最终提出本工程岩石地基承载力特征值(fak)推荐值,结果详见表2。

表2 岩基承载力特征值汇总表

3 主要工程地质问题及处理措施建议

3.1 主要工程地质问题

勘察结果表明,本工程泥质粉砂岩具快速风化、遇水软化等特性。依据工程设计、施工以及运行条件,本工程存在的工程地质问题主要包括基岩强度衰减、不均匀沉降以及基坑临时边坡稳定等问题。

3.1.1 地基强度衰减问题

根据设计资料,泵房、进水池、输水涵及涵闸等主要构筑物上部设计荷载80～160 kPa,建基面高程-1.0 m～1.0 m,主要坐落在③2弱风化泥质粉砂岩基上,仅靠近引水涵进口段部分位于③1泥质粉砂岩下部基岩上,该两层岩基承载力特征值均能满足设计要求,可作为天然地基浅基础的持力层。但现场钻探反映:泥质粉砂岩在空间暴露后极易失水干裂,浸水软化,遇雨水浸泡即成碎块、砂状;室内试验结果表明本工程泥质粉砂岩属软岩—极软岩,且软化系数小,属软化岩石。故在设计、施工以及运行时需注意因岩体加速风化、遇水软化问题使岩体强度降低的工程地质问题。

3.1.2 不均匀沉降问题

工程建筑物底板分别位于不同风化带泥质粉砂岩上,其地基强度本身存在差异势必带来建筑物不均匀沉降问题;另外施工期岩体的快速风化、遇水软化特性亦将给工程带来地基强度进一步降低而产生不均匀沉降等工程地质问题。

3.1.3 基坑临时边坡稳定问题

工程施工时,场地局部地形高差较大,泵房至灌溉出水口段、进水池基坑开挖深度>10 m,形成的临时边坡高度>10 m,可能存在临时边坡失稳问题。

根据工程规模、建筑物级别,按照《水利水电工程边坡设计规范》本工程开挖边坡为3级 。结合场地地基土层分布情况(图1),工程边坡上部主要为②粉质粘土、粘土,且工程性质较好;下部泥质粉砂岩,岩层产状按35°∠5°,属上土下岩混合边坡。由于岩层倾角较小、结构面不甚发育,基本不存在外倾结构面,初步分析边坡基本稳定。考虑到泥质粉砂岩上部风化程度较高、强度低,且属软化岩石,遇水软化特性将在施工开挖时造成边坡失稳的安全隐患。

3.2 主要工程处理措施建议

针对本工程因软岩所产生的工程地质问题,建议设计、施工采取如下处理措施:

(1) 岩土快速风化而产生的地基强度降低,故施工时需快速开挖和快速浇筑回填。因建基面不完全处于同一风化带基岩上,特别是进水涵底板部分处于强风化岩上,建议基坑开挖验槽时视风化程度采取必要的混凝土补强或超挖置换措施,以保证地基的承载能力,亦减小不均匀变形。

(2) 由于场地地下水位埋深较小,考虑到泥质粉砂岩有遇水软化特性,建议基坑开挖做好必要的降、排水措施,根据场区地形、气象、水文、地质条件,建议采用明沟排水、轻型井点降水,并视施工现场情况沿基坑周边设置排水沟,及时排除雨水及地面径流。

(3) 本工程场地具备放坡条件,且无不良地质作用,边坡开挖可采用放坡开挖,但由于基坑深度超过5 m,应分级放坡开挖,分级处设过渡平台,对于土层开挖坡比可为1∶2～1∶2.5,对于岩质边坡开挖坡比可为1∶0.75～1∶1[4]。

(4) 施工中应预留一定厚度保护层,做好开挖工作面的保护(防失水、防雨),及时完成紧邻工序,以避免泥质粉砂岩遇水软化。基坑开挖到邻近水平建基面,应预留岩体保护层,厚度0.3～0.5 m。

(5)为防止基岩软化,进水池底板设置排水孔、反滤层的同时,建议采用逆止阀内排措施[5]。内排工程措施主要由排水垫层、透水软管、逆止阀等组成,且相互连通,逆止阀与进水池连通。当地下水位高于进水池水位时,逆止阀受压开启,地下水排入水池;当地下水位低于渠道水位时,逆止阀复位关闭,避免进水池水外漏。逆止阀内排措施既保护基岩不被水浸泡,又能起到排水、消减扬压力等负面影响的作用[6]。

4 结语

(1) 本工程揭露的泥质粉砂岩软化系数普遍较低,岩石软化性质划分属软化岩石。

(2) 综合野外地质调查定性判别,与自由膨胀率、饱和吸水率定量判别,场地泥质粉砂岩尚不属于膨胀岩范畴。

(3) 按不同的方法确定的基岩承载力特征值有所区别,根据实际工程地质条件,工程特性、行业标准及地方经验,确定综合指标更科学。

(4) 工程存在的主要地质问题包括地基强度衰减、不均匀沉降以及基坑临时边坡稳定等。设计、施工时需注意建基面保护,采取必要的降排水、地基补强、合理开挖坡比及反滤设计等措施。

[1] 唐波,陈勇,张莉萍,等.全椒县军民一级泵站拆建工程地质勘察报告[R].南京:南京市水利规划设计院有限责任公司,2015.

[2] 安徽省地质矿产局,安徽省区域地质志[M].北京:地质出版社,1987:165-175.

[3] 高大钊,姜安龙,张少钦.确定地基承载力方法若干问题的讨论[J].工程勘察,2004(3):3-8.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑边坡工程技术规范:GB50330—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[5] 中华人民共和国水利部.泵站施工规范:SL234—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[6] 黄炜,刘清明,冷星火.南水北调中线陶岔至鲁山段渠道防渗排水设计[J].人民长江,2014,45(6):4-6.

(责任编辑：陈姣霞)

Study on Engineering Geological Characteristics ofSoft Rock of the Junmin Pumping Station

TANG Bo, ZHANG Liping, CHEN Yong, CAO Kaibo

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCorporationLimited,Nanjing,Jiangsu200022)

Soft rock engineering because of its special geological conditions,usually accompanied by rock weathering,water softening and slope stability and other engineering geological problems. Based on the Junmin pumping station demolition construction engineering example,through the analysis of geological survey data and the comprehensive comparison of bedrock bearing force characteristic value determination method,the paper carries on geological research for Cretaceous argillaceous siltstone foundation,puts forward the corresponding engineering treatment measures and suggestions,provides the reference for similar engineering design and construction.

pumping station; soft rock; bearing capacity; engineering geological problems; treatment measures

2016-05-13;改回日期:2016-05-24

唐波(1979-),男,高级工程师,硕士,水文地质与工程地质专业,从事工程地质与岩土工程相关工作。E-mail:njslytb@163.com

P642; TV675

A

1671-1211(2016)03-0415-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.039

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.026.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37