马街河水库坝基蚀变花岗岩勘察研究及其处理分析

赵 静 郑培溪

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南鲁布革顾问有限公司，云南 昆明 650051)

水库大坝蓄水运行后，坝基或两岸岩体承受的荷载迅速增大，岩体稳定性是坝体稳定的关键因素之一。同时，坝基防渗效果亦直接影响水库能否正常蓄水。蚀变花岗岩在水理性质、风化特征、可灌性等方面较为特殊，已有文献[1-2]对其力学和湿化性质进行了试验研究，对其可灌性、灌浆方法、浆材选择及灌浆加固体特性等亦有不少研究结论[3-7]，表明在全风化花岗岩中适当增加灌浆孔、排距，合理选择灌浆参数等，能较好地形成完整防渗帷幕，这些研究成果为花岗岩地区的水库大坝建设提供了有益的参考。因此，采用多种可靠手段查清蚀变花岗岩的成因、发育规律和特性，相应从坝型选择、地基防渗处理等方面合理设计，能够确保水库正常修建和安全蓄水。

1 工程概况

马街河水库位于云南省临沧市澜沧江水系一级支流勐麻河支流马街河中游，为Ⅲ等中型水利工程，水库总库容1194万m3，黏土心墙风化料坝最大坝高86.8m，坝顶长220.0m，坝顶高程1800.9m。坝址上游约410m处左库岸存在一低矮垭口，在垭口处修建高约13m的黏土心墙风化料副坝以解决其渗漏问题。水库及枢纽工程区分布蚀变花岗岩。

工程区地处云南省西部横断山脉南段，碧罗雪山南部延伸支脉，属临沧中山区，位于冈底斯-念青-唐古拉褶皱系昌宁-孟连褶皱带临沧-勐海褶皱束内。山顶高程1500～2400m，相对高差500～700m。河谷多呈陡峻的“V”形，为强烈切割的侵蚀构造峡谷地貌，两岸坡坡度15°～50°，地表植被覆盖较好，基岩少量出露。工程区地震动峰值加速度0.20g，反应谱特征周期值0.45s，相应地震基本烈度Ⅷ度，属区域构造稳定性较差地区。

2 坝址区工程地质条件

坝址区河谷底宽25～40m，左岸山脊单薄，呈缓顶梁状，山顶高程1862.0m，相对高差约140m，坡度15°～45°，局部基岩裸露；右岸山体雄厚，山顶高程1964.1m，相对高差约240m，坡度20°～50°，局部基岩裸露。

坝址左、右岸坡表层多被第四系全新统残坡积层含砂低液限黏土、黏土质砂覆盖，厚约1.0m，山顶处略厚；下伏蚀变花岗岩。河床表层为第四系全新统洪坡积层含细粒土砾，厚0.5～1.5m；其下为第四系全新统冲洪积层混合土卵石，厚2.0～5.0m，粒径最大达1.0m；下伏蚀变花岗岩。其中全风化蚀变花岗岩呈砂状(见图1)，力学性质差。

图1 坝址区全风化蚀变花岗岩

坝址区发育7条断层(编号f26～f32)，为Ⅲ～Ⅳ级构造，倾角36°～70°，延伸长度148～400m，均为压性或压扭性、中等—陡倾角逆断层，破碎带宽0.2～0.8cm，组成物质为碎裂岩、糜棱岩，其中f29断层斜交并穿过坝基，交角约19°。同时还发育四组节理，其产状见节理走向玫瑰花图(见图2)，均为微张—张开，泥、铁锈色物质充填，起伏粗糙，延伸2～10m，发育间距10～80cm。

图2 坝址区节理走向玫瑰花图

3 花岗岩体蚀变特征

坝址区基岩为印支期侵入蚀变花岗岩、碎裂蚀变花岗岩、蚀变黑云母花岗岩。受区域构造活动、应力演化及岩体风化作用影响，热液交代、动力构造和次生风化蚀变均存在。

3.1 热液交代蚀变

坝址区靠近侵入接触带，热液交代蚀变现象普遍，主要是由岩浆期后热液侵入时热液的交代作用而形成的原生热液蚀变作用，热液蚀变类型主要包括钾长石化、绿帘石化、钠黝帘石化和硅化[8]类型，热液来源与坝址区侵入岩体及其邻近岩体形成有关。

3.2 动力构造蚀变

由于区域长期强烈的构造活动，岩体内发生动力构造蚀变作用，形成一系列构造动力蚀变岩。坝址区局部花岗岩受断层及节理控制，动力构造蚀变多沿早期断裂发育，规模较小，主要构造物质为碎裂岩、糜棱岩，规律性不明显。其典型岩芯见图3。

图3 坝址右岸动力构造蚀变花岗岩

3.3 次生风化蚀变

坝址区花岗岩次生风化蚀变较普遍，长期的隆起剥蚀使花岗岩体接近或暴露于地表，并受多期冷热交替自然气候影响，岩体表层风化严重，部分矿物受表生淋滤水化交代而产生次生风化蚀变，主要表现为风化隐微裂隙发育和部分矿物蚀变为黏土矿物，如长石类的高岭土化、绢云母化，黑云母的绿泥石化等。风化蚀变强度和空间分布特征与风化营力及其作用通道有关，主要影响全—弱风化带。据钻孔揭露，次生风化蚀变发育最深约90m，位于岸坡。

4 蚀变花岗岩矿物组成及工程地质特性

4.1 矿物组成

坝址区分布印支期侵入蚀变花岗岩、碎裂蚀变花岗岩、蚀变黑云母花岗岩，呈灰白、灰黑色，细粒隐晶质结构，具花岗结构，发生动力地质作用后，结构面发育，后期在蚀变及风化作用下，岩石被压碎成碎粒、碎块，沿裂隙分布。主要矿物成分：钾长石，多已发生高岭石化且包裹石英，仅见残留体，可见少量微斜条纹长石；斜长石，半自形板柱状，相对折射率小于石英，钠长石双晶发育，且双晶纹细而密，均已发生绢云母化，仅见残留体；石英，它形粒状，正突起低，正交下具一级黄白干涉色，有的包裹于长石中；黑云母，淡褐—深褐色，片状，一组极完全解理，且解理弯曲，多已发生绿泥石化，正交偏光下干涉色呈异常蓝色，并析出铁质。岩矿鉴定成果见表1。

表1 岩矿鉴定成果

4.2 水理特性及力学性质

现场浸水试验(见图4)表明：全风化蚀变花岗岩浸水30min后呈散体结构，饱和岩块强度极低；强风化蚀变花岗岩浸水24h后变化较小，饱和岩块强度受蚀变作用影响较小，主要受结构面控制。

图4 全风化(左)、强风化(右)蚀变花岗岩浸水试验

根据标贯、重型动力触探和岩石室内试验，蚀变花岗岩强度较低，局部不均匀。全风化上、下带承载力特征值分别为241～569kPa、442～830kPa。强、弱、微风化岩石饱和单轴抗压强度分别为5.9～8.6MPa、17.2～26.8MPa、20.0～39.0MPa，软化系数分别为0.34～0.48、0.47～0.62、0.49～0.68。

4.3 岩体风化特征

综合物探及地质钻探表明：坝址区蚀变花岗岩全风化层性状类似细粒土质砂，各风化层界限存在渐变关系，其风化带划分见表2。由表2可见，全、强风化层厚度大，两岸风化厚度大于河床，右岸弱风化底界最深95.3m。分析原因主要是坝址区处于侵入接触带边界，次级构造发育，受结构面控制影响明显。

表2 风化带划分

另外，根据岩芯及孔内声波存在异常区分析，坝址区风化花岗岩存在球状、槽状、囊状、带状风化等异于同层风化程度的特殊风化现象，典型强风化层岩芯见图5。其中，全风化层内强风化团块占0～7.3%，强风化层内全风化团块占7.6%～27.5%，弱风化层内全、强风化团块占11.4%～22.7%。整体而言，风化岩体存在异于同层风化程度的特殊风化体占比在15%～25%之间，比例较高。

图5 强风化花岗岩中的特殊风化体

4.4 岩体完整性

钻孔声波测试可以较准确地确定岩体完整性系数Kv[9]，本次通过钻孔岩石质量指标RQD、钻孔声波测试及孔内电视成像综合评价岩体完整性，见表3，典型钻孔全孔壁成像见图6。可见，坝址区花岗岩体纵波波速VP随岩体风化分带差异性明显，波速较之新鲜基岩普遍下降明显，且局部不规律。岩体完整性受构造、不均匀风化、蚀变作用影响，节理裂隙发育，裂隙面多张开，起伏粗糙，少量钙质薄膜附着，铁锈色氧化程度高。钻孔深度范围内强—弱风化岩体极破碎—较破碎，微风化岩体普遍完整性差，局部较完整。

表3 岩体完整性评价

图6 弱～微风化岩体典型钻孔全孔壁成像

4.5 岩体渗透性

根据现场单环渗水试验，坝址两岸残坡积层渗透系数K=6.0×10-5～4.0×10-4cm/s，为弱—中等透水；河床洪坡积层K=5.0×10-3～3.0×10-2cm/s、冲洪积层K=7.5×10-3～1.5×10-2cm/s，均为中等—强透水；全风化蚀变花岗岩上、下带K=1.39×10-4cm/s～8.22×10-3cm/s，为中等透水。根据钻孔压水试验(见表4)，坝址强—微风化蚀变花岗岩体透水性规律不明显，局部不均匀，相对隔水层(5Lu)界线埋深为左岸75～125m，河床35～40m，右岸65～80m。

表4 坝址岩体透水率

4.6 小结

坝址区蚀变花岗岩体破碎，声波波速普遍偏低；岩块强度较低，微风化岩石饱和单轴抗压强度最大约39MPa；岩体渗透性变化规律不明显，相对隔水层埋深较大；且蚀变生成一定量的黏土矿物，弱化了岩体的物理力学、水理性质。可以说，蚀变对花岗岩体的工程特性产生了较大影响。

5 对工程的主要影响及处理措施

5.1 坝基稳定

坝址区蚀变花岗岩强度较低，岩体完整性普遍较差。根据规范[10]及工程经验，全风化蚀变花岗岩为软质岩Ⅴ类(CⅤ)，破碎且已失去原岩结构，抗滑、抗变形能力极差，不能作为高混凝土坝地基，不宜作为防渗体地基；强风化蚀变花岗岩为软质岩Ⅴ类(CⅤ)，破碎—较破碎，强度低，抗滑、抗变形能力差，不宜作为高混凝土坝地基；弱风化蚀变花岗岩为软质岩Ⅳ类(CⅣ)，较破碎，局部完整性差，强度低，抗滑、抗变形性能差，不宜作为高混凝土坝地基；微风化蚀变花岗岩为中硬岩Ⅲ类(BⅢ2)，岩体完整性差，局部较完整，强度较高，抗滑、抗变形性能力在一定程度上受结构面和岩石强度控制。

综合考虑地质条件和料源、投资等，设计选择黏土心墙风化料坝，心墙基础置于强风化层，坝壳料基础置于全风化或强风化层。对于穿过坝基的f29断层，开挖清理后采用混凝土封堵，开挖底宽3B(B为断层破碎带宽)，顶宽5B，深3B，长度等于断层在坝基范围的长度。同时，在心墙范围底部进行固结灌浆以提高地基岩体的整体稳定性。

5.2 岸坡稳定

坝址两岸坡及河床黏土心墙基础开挖段出露全—强风化蚀变花岗岩，通过赤平投影[11](见图7)初步分析岸坡坡面与主要结构面的关系可知：左岸坡整体较稳定，开挖后会形成小规模楔形卸荷体，产生局部掉块，但不会造成整体失稳；右岸坡开挖后易形成潜在楔形卸荷体，但卸荷体规模小，多为掉块、掉渣。

图7 坝址左、右岸坡赤平投影图

分别采取如下处理措施：坝肩1810m高程以下位于强风化层，采用系统砂浆锚杆(L=4.0m、φ25、2.0m×2.0m)锚固，并挂网(φ8@200)喷C20混凝土；1810m高程以上位于全风化层，采用C20钢筋混凝土框格梁，间距2.0m×2.0m，矩形布置。坝体心墙基础开挖临时边坡采用喷C20混凝土封闭。

5.3 坝基渗漏

5.3.1 渗漏量估算

河床坝基渗漏量按式(1)估算。因左岸山体单薄，为一缓顶山梁，左岸至上游副坝防渗处理延长线地下水位均低于正常蓄水位，渗漏带宽度不能确定，因此按式(2)估算左岸绕坝渗漏量；右岸绕坝渗漏量按式(3)估算。参数选择及计算结果见表5、表6。

表5 坝基渗漏量

表6 绕坝渗漏量

q=KH[T/(B+T)]L

(1)

q=KH(h1+H1)

(2)

q=0.366KH(h1+H1)lg(B/r0)

(3)

式(1)中：q为渗漏量；K为渗透系数，取透水层至相对隔水层吕荣值大值加权平均值；H为上、下游水位差；T为透水岩层平均厚度；B为坝底宽；L为坝长。式(2)和式(3)中：K取坝肩处正常蓄水位至相对隔水层吕荣值大值加权平均值；H为正常蓄水位与未蓄水时地下水位之差；B为渗漏带宽度；h1为未蓄水时地下水位至相对隔水层厚度；H1为正常蓄水位至相对隔水层厚度；r0为坝接头处绕渗流线的圆半径。

假定按每年渗漏280天估算，则河床坝基渗漏量为102.3万m3/年，左、右岸绕坝渗漏量分别为231.4万m3/年、12.0万m3/年，总渗漏量约345.7万m3/年。应采取必要的防渗处理措施。

5.3.2 坝基防渗处理

根据勘察资料、已有试验研究成果和工程经验，结合坝址区蚀变花岗岩的工程地质特性，采用水泥灌浆帷幕防渗处理。坝基范围内为强—微风化层，采用双排孔布置，排距1.2m，孔距1.5m，主、副帷幕深度相等；两岸坝肩及左岸临谷段上部主要为全风化层，采用单排孔布置，孔距加密至1.0m。防渗底界为相对隔水层(5Lu线)以下5m，最大灌浆深度97m。左岸防渗边界从坝轴线左岸绕坝渗漏点折向上游后沿左岸临谷段延伸到副坝左坝肩，右岸防渗边界为正常蓄水位与地下水位相交点。

为防止冒浆和地层抬动，在黏土心墙底浇筑6.0m宽、1.5m厚，与心墙截水槽底宽相当的C25钢筋混凝土压浆盖板。

为保证心墙基础形成完整承载体，避免不均匀沉降造成的应力集中导致心墙开裂，对心墙范围内地基进行固结灌浆，在灌浆帷幕上、下游侧对称布置，孔、排距2m，分Ⅱ序错孔布置，孔深10m。

6 结 语

a.通过物探、区域地质调查、地质钻孔和试验研究等，基本查清了马街河水库坝址区为印支期侵入蚀变花岗岩，其工程地质特性主要表现为：全风化岩体呈砂状，力学性质和可灌性差；强—微风化岩体普遍破碎—较破碎，强度偏低，遇水易软化，岩石饱和单轴抗压强度5.9～39.0MPa，软化系数0.34～0.68，完整性系数0.11～0.69；岩体渗透性不均匀，相对隔水层(5Lu)界线埋深35～125m。

b.蚀变花岗岩主要影响坝基稳定和防渗，对两岸坡稳定也有一定影响。设计选择黏土心墙风化料坝以较好地适应坝基地质条件；全风化层采用加密孔距至1.0m的水泥灌浆帷幕防渗，心墙范围内坝基进行固结灌浆以增强地基岩体整体性；两岸开挖边坡根据不同风化岩层采用系统砂浆锚杆或钢筋混凝土框格梁等加固措施。

c.鉴于蚀变花岗岩性质特殊，尤其是全风化层可灌性差，建议在施工前，对灌浆施工方法、灌浆压力、注浆量等，进一步进行试验和研究，据此相应优化调整设计。同时，应重视坝基及岸坡渗流、应力和变形等安全监测设施的布设和数据采集分析，以便及时监控和反馈工程实施效果。