石家峡水库坝址区岩体抗滑稳定分析及处理方法研究

2021-12-21李刚

河北水利电力学院学报 2021年4期

李刚

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，宁夏回族自治区银川市兴庆区胜利街629号 750000)

对于混凝土重力坝，坝址区范围内岩体的结构面稳定性尤为重要，这是决定水库及枢纽工程正常运行的必要条件。近年来，国内外众多大中型水利工程的建设，为坝址区岩体抗滑稳定的研究积累了丰富的实践经验和详实的观测数据。刘洪[3]等基于极射赤平投影的岩质边坡稳定性评价和防治措施一文中，对极射赤平投影在岩体结构面稳定性中的应用进行了详细的研究，并做了分类讨论。张丽、庞丹、刘建等[11]基于有限元法的碾压混凝土重力坝整体抗滑稳定分析也有一定的研究。因极射赤平投影和有限元法分析设置的边界条件、整体黏聚效应、局部应力集中和应力扩散等条件存在差异，所以得到的结果也存在一定的差别。

文中以野外工程地质测绘成果为基础，结合钻孔、基岩区开挖断面资料，对岩体中多种结构面(层理面、节理面、卸荷裂隙面等)进行了分类统计，运用极射赤平投影的方式判别结构面与原始坡面的关系，研究岩体及楔形体(多组结构面将岩体切割形成)的稳定性，对不稳定岩体结合工程规模提出了较为经济适用的处理方案，为工程后续施工以及类似工程的建设实施提供了理论支撑和实践经验。

1 工程地质条件

1.1 地层岩性

坝址区地面海拔高程在1485～1545m之间，冲沟较发育，地势陡峭，属高中山地貌单元。河道走向104°～130°，呈“U”形，河床底宽11m,沟底宽约30m，河床两侧分布有不连续的河漫滩台地，宽度不等，见图1。

图1 石家峡水库坝址区工程地质图

1.2 地质构造

坝址区河谷两岸上部黄土覆盖较厚，沿河道两侧基岩出露；坝轴线沟道及左坝肩坡脚处出露的奥陶系下统天景山组(O1-2t)灰岩，右坝肩岸坡出露白垩系下统洛河组(K1lh)砂岩、宜君组(K1y)砾岩。O1-2t灰岩与白垩系底部砾岩、砂岩呈角度不整合接触，洛河组(K1lh)砂岩与上覆保德组(N1b)砂质泥岩呈平行不整合接触。接触面位置与坝轴线相交于左、右坝肩，且延伸至坝轴线下部。

坝址区及两岸未发现顺河向的断裂、褶皱构造及全新世活动构造，以奥陶系灰岩为基底，白垩系、新近系为盆地内陆碎屑岩沉积，各层之间为沉积接触。古近系地层短期缺失，白垩系与奥陶系之间为较大的沉积间断，早期原生沉积接触关系为角度不整合接触，后期受燕山晚期-喜马拉雅山早期构造(造山带)隆起作用的远程影响，在坝址右岸沿接触带两侧一定范围受地下热水改造、淋滤作用强烈，表现为白垩系底部砂岩裂隙面、层理面褐铁矿化发育，裂隙带内充填成分为泥质、铁质，铁质充填为弱胶结状态；局部发育泥化蚀变，空间上呈透镜状、蜂窝状；奥陶系底部灰岩溶蚀裂隙发育，溶蚀孔(带)内碳酸盐矿物晶簇极为发育。后期受热液改造的岩石(体)透水性强，工程性质较差。

白垩系下统洛河组组(K1lh)砂岩岩体主要发育两组节理：①280°∠75°，平直，延伸2.5m，张开5～10mm，钙质充填，3～6条/m；②215°∠70°，平直，闭合，无充填，延伸长度1m。裂隙发育。

奥陶系下统天景山组(O1-2t)灰岩岩体主要发育两组节理：①走向295°∠90°，平直，张开12mm，钙质充填，延伸1～2m，6条/m；②280°∠85°，平直，闭合—张开1～2mm，钙质充填，延伸1m，3～5条/m。裂隙发育。

2 坝基岩体工程地质分类

坝址区的出露岩体主要有：沟道为O1-2t灰岩；两侧岸坡为N1b砂质泥岩，K1lh砂岩、砾岩，O1-2t灰岩。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类方法，坝基岩体工程地质分类如表1所示。

表1 坝基岩体工程地质分类表

3 坝基岩体及左右岸边坡的抗滑稳定分析

对水库坝址区两岸和沟道岩体结构面产状进行了两侧统计，分别对左岸、右岸、沟道砂岩和灰岩结构面进行可极射赤平投影分析组合(见图2)，综合分析结果如下：

图2 坝址区结构面极射赤平投影图

①左岸上部黄土具湿陷性，建议全部清除，并设置合理的边坡比。黄土层下部N1b砂质泥岩产状近乎水平，建议上部强风化层进行合理削坡减载；下部K1lh砂岩产状310°∠10°，倾角较小，倾向山体，与边坡倾向相反，为抗滑稳定有利结构面，因此坝址左岸岩体产生滑移的可能性较小。

②右岸上部黄土具有湿陷性，建议全部挖除，并设置合理的边坡比。黄土下部K1lh砂岩产状310°∠10°，倾角较小，倾向库区，与边坡倾向相同，且倾角小于边坡坡角，为同向缓倾角结构面，岸坡岩体容易产生滑移破坏，且砂岩层中夹薄层粉砂岩、泥岩(见图3)，遇水易软化，抗剪强度剧减，会加速岸坡岩土体向库区滑动。建议对右岸砂岩体采用锚喷支护，提高岩体的整体性及抗滑稳定性。

图3 坝址区右岸砂岩节理

③坝基岩体为天景山组O1-2t灰岩，灰岩原生层面产状为286°∠45°，倾向上游，对坝基抗滑移稳定有利，灰岩局部发育垂层节理裂隙，规模较小，且裂隙面多为钙质胶结，因此坝基岩体发生表层及深层滑移的可能性较小。

4 坝基处理建议

将主沟道表层人工填土、角砾、壤土全部清除，将下部灰岩弱风化层上带也全部清除。在轴线位置应采用帷幕灌浆处理，灌浆深度应深入到相对不透水层，且满足渗透坡降的要求。帷幕灌浆应遵循分排、分序加密的原则。

两岸坝肩建基面下部为砂岩，砂岩的力学指标及压缩性指标与灰岩相差较大；特别要注意右岸坝肩下部的砾岩层(K1y)，该层砾岩厚度较大，分布不均匀，胶结差，溶蚀裂隙极发育，褐铁矿化、碳酸盐化强烈，抗压及抗剪强度低，工程性质较差，且为中等～强～极强透水层。建议对坝肩下部砂岩首先采用固结灌浆，固结灌浆应连片处理，灌浆压力应小于3MPa，灌浆孔深为8～15m，且在灌浆结束后14d进行质量检查。质量检查方法可采用岩体弹性波速测试和钻孔压水试验。固结灌浆旨在提高砂岩岩体的整体稳定性及抗压、抗剪强度，并且防止后期帷幕灌浆过程中发生地表抬动和冒浆现象。然后应在坝肩及坝基帷幕线上进行帷幕灌浆，帷幕灌浆应遵循分排、分序加密的原则。灌浆分为两排或三排，先灌下游排孔、再灌上游排孔、最后灌中间排孔。且应在灌浆结束后14d进行质量检查，质量检查采用钻孔压水试验。灌浆深度应深入相对不透水层，相对不透水层按照q<5Lu控制。