黄石盘水库坝址区NJ2软弱夹层成因分析

杨 鹏，吴晓鹏，胡秋越

（四川水发勘测设计研究有限公司，成都 610097）

红层是指外观以红色系为主的中、新生代砂岩、泥质岩沉积地层，在我国分布面积较广泛。据粗略统计， 仅在四川盆地 （含重庆市） 红层出露面积达29.18 万km2。由于红层沉积年代晚，沉积环境动荡，多以泥质岩为主，胶结较差，强度低，易风化崩解，软弱夹层发育；因而对工程建设有重大影响。红层地区的软弱夹层通常是控制边坡稳定、 大坝抗滑稳定等的关键因素， 因此研究红层地区的软弱夹层对水利水电工程的建设具有十分重要的意义。

黄石盘水库坝址区在前期勘察及后期施工开挖中均揭示NJ2 软弱夹层， 通过分析发现NJ2 对大坝抗滑稳定有决定性影响。 在坝址区构造作用微弱的条件下，NJ2 软弱夹层最大泥化厚度厚达7 cm，大于红层地区一般软弱夹层的泥化厚度。 因此正确认识NJ2 软弱夹层的成因，对总结前期勘察成果、采取合理的水工结构措施确保大坝抗滑稳定、 深入认识红层地区软弱夹层发育规律具有积极意义。

1 NJ2 软弱夹层概况

1.1 黄石盘水库坝址区地质概况

黄石盘水库位于四川省巴中市恩阳区境内， 是一座以城镇防洪为主，兼发电的大（2）型水利工程，坝型为混凝土重力坝，坝高43.8 m。坝址区河床基岩裸露；两岸坡陡峻，岸坡高度40～45 m；岸坡以上为一级阶地，地形平缓；区域内最低一级夷平面高于河床约65～70 m。

坝址区地层为中生代白垩系下统苍溪组陆源碎屑沉积岩，以青灰色块状中～细粒长石细砂岩夹砖红色粉砂质泥岩为主， 局部夹粉砂岩和泥质粉砂岩夹层。岩层产状平缓，倾角2°～4°，为正常层序。勘探揭示坝肩及河床从上至下依次为：第1 层砂岩，总厚度49～62 m，河床以下砂岩厚度8～17 m；第2 层粉砂质泥岩，位于河床第1 层砂岩砂岩以下，厚度23～25 m；第3 层砂岩，厚度8～9 m；第4 层粉砂质泥岩，厚度8～9 m；岩层之间为整合接触，地层无缺失。

坝址区砂岩较完整，软弱夹层不发育；粉砂质泥岩中软弱夹层较发育， 沿层面发育于粉砂质泥岩顶面及内部。 其中第1 层砂岩与第2 层粉砂质泥岩接触部位发育编号为NJ2 的泥型软弱夹层， 其他不同岩性接触部位无软弱夹层分布。经计算分析，NJ2 对大坝抗滑稳定有重大影响。

1.2 坝址区软弱夹层发育情况

NJ2 软弱夹层位于河床以下第1 层砂岩底部与第2 层粉砂质泥岩接触部位，沿岩层层面延伸，河床以下埋深8～17 m；青灰色，成分以高液限黏土为主，呈软塑状；取样对其进行矿物成分进行分析，发现该软弱夹层物性成分以蒙脱石、伊利石为主，其中蒙脱石占62%～71%。

NJ2 软弱夹层分布面积较广， 通过勘探揭示沿河流方向长度约230～320 m， 垂直河流方向长度约162～188 m；在平面上以河床中心向两岸延伸，深入两侧岸坡坡脚以内12～35 m。NJ2 软弱夹层在不同部位泥化程度不同，具体表现为：在河床中央靠近右岸河水最深的部位，为泥型软弱夹层；在靠近两岸坡及深入岸坡以下部位为泥夹岩屑型及岩屑夹泥型。至坝肩以下部位尖灭。NJ2 软弱夹层发育位置示意图如图1。

图1 NJ2 软弱夹层发育位置示意图

2 地质因素对软弱夹层的影响

软弱夹层作为一种特殊的地质结构， 具有独特的构造特征，同一类地层、不同地质环境，具有各自地质特征。针对NJ2 软弱夹层的发育特征，通过对构造作用、岩体卸荷、地下水等作用的分析，来确定NJ2软弱夹层发育过程中，各种因素对其造成的影响。

2.1 构造作用

坝址区位于恩阳向斜的北翼， 恩阳向斜沿巴中市巴州区独柏～麻石垭～柳林铺～磨子场一带延伸，呈弧形展布，向正北方向凸起，延伸长约60 km，轴向由N50°W 逐渐转为N50°E， 两翼基本对称， 岩层倾角2°～5°。向斜核部位于坝址区南西方向，距离坝址区约3km。坝址区附近5km 范围内无断层分布。

坝址区岩层平缓，倾角2°～4°。第1 层砂岩以中厚层状为主， 次块状结构， 发育两组陡倾角构造裂隙，平均间距2～4 m；第2 层粉砂质泥岩以薄层状为主，裂隙不发育。两坝肩钻孔揭示第1 层砂岩与第2层粉砂质泥岩接触面胶结较好， 该部位未发生泥化现象， 推知NJ2 软弱夹层在层面上未向两坝肩以下延伸，且构造作用在NJ2 的形成过程影响甚微。

2.2 岩体卸荷作用

坝址区所在区域为中山～低山丘陵区，两坝肩为一级阶地，为宽缓的平台，一级阶地后缘以上高度约20～30 m，为区域内最低一级夷平面，该夷平面高于河床65～70 m。 河床较为宽缓， 宽度约110～120 m，为典型的“U”型河谷。河床受侵蚀下降过程中， 夷平面以下岩体被剥蚀。考虑到坝址区构造应力微弱，河床中心部位岩体最大主应力为自重应力。卸荷最大主应力按公式σ1=γh 计算，砂岩、粉砂质泥岩平均重度取24kN/m3；h 为卸荷厚度，取65 m；则σ1= 1.56 MPa。该卸荷应力足以引起河床岩层部分回弹。加之砂岩、 粉砂质泥岩压缩回弹模量的差异，会在砂岩、粉砂质泥岩界面处局部形成空腔，为软弱夹层形成提供空间条件。

2.3 岩性差异

岩性差异对软弱夹层的发育起到一定促进作用，表现在两个方面：

（1）岩性强度差异是造成软弱夹层多发育于粉砂质泥岩与砂岩接触面及粉砂质泥岩内部的重要原因。坝址区第1 层砂岩强度25～41 MPa,第2 层粉砂质泥岩强度4～11 MPa。 砂岩强度远大于粉砂质泥岩，在构造应力作用下，砂岩以其自身的强度抵抗变形，进而产生构造裂隙，而构造裂隙为地下水渗透至泥岩顶面提供通道；粉砂质泥岩因为强度较低，只能以其变形及破裂来抵抗构造应力， 故红层地区软弱夹层多发育于泥质岩与砂岩接触部位及泥质岩内部。

（2）通过对坝址区粉砂质泥岩进行矿物成分分析，发现含水云母鳞片状泥质物80%～85%、石英粉砂4%～8%、 微粒方解石2%～5%， 微粒白云石5%～7%。其中含水云母鳞片状泥质物、方解石、白云石均可与地下水发生离子交换， 为粉砂质泥岩的泥化作用提供物质条件。

2.4 地下水作用

地下水对软弱夹层的形成起到至关重要的作用。

（1）地下水含有的各种离子与泥岩矿物质发生交换，形成蒙脱石、高岭石等黏土矿物，造成泥岩的软化，进而逐渐泥化。另外，NJ2 软弱夹层整体呈现出灰绿色， 可能与泥岩当中Fe3+被还原成Fe2+有关，具体的微观机理仍有待进一步研究。

（2）地下水在不同岩性当中的渗透速度对软弱夹层的形成起到一定作用。 具体解释为： 砂岩为透水层，粉砂质泥岩为不透水层，地下水在砂岩中以垂直下渗为主；至下部泥岩顶面，地下水渗透方向发生变化，开始沿粉砂质泥顶面流动。因地下水改变方向引起的渗透力在此处形成应力集中，在长期作用下，会加速接触面泥岩的泥化。

（3）地下水与河水的补给关系变化，造成软弱夹层局部的差异。在汛期，地下水补给河水，NJ2 夹层始终位于地下水位以下， 地下水中的离子与软弱夹层中的离子发生交换。在枯水期，河水补给地下水，而软弱夹层位于地下水位以上， 河水补给范围内的软弱夹层继续发展， 该部分主要集中于河床中央部位；而靠近两岸的部位，软弱夹层在地下水位以上，也无法接受河水补给，因此，软弱夹层发展缓慢。这也是NJ2 软弱夹层在河床中央部位以泥型为主，而在靠近两岸坡的部位以泥夹岩屑型为主的原因。而两坝肩以下常年有地下水，处于地下水饱水带以内，没有地下水的流动，难以发生离子交换，故软弱夹层未向该区域继续延伸。

3 周期效应对软弱夹层的影响

经历以上地质因素对粉砂质泥岩的泥化作用，泥化作用仍十分微弱， 考虑到漫长地质时期当中的汛期枯水期交替、 水流变化引起的渗透力在界面上的应力集中，以及上覆岩体的不断侵蚀剥落，进一步加剧粉砂质泥岩不可逆的泥化破坏， 因此泥化程度越来越高，导致软弱夹层中蒙脱石、伊利石等黏土矿物的增多及软化夹层厚度的增大。

4 结语

通过对NJ2 软弱夹层的研究分析表明： 构造作用对NJ2 软弱夹层的形成产生的影响较为微弱；岩体卸荷作用为NJ2 软弱夹层的形成提供空间条件；岩性差异导致NJ2 软弱夹层发育于泥岩顶部， 且泥岩成分为软弱夹层的发育提供物质条件； 地下水对软弱夹层的发育起到决定性影响。 地下水中的离子与泥岩发生离子交换，导致黏土矿物出现；在砂岩、粉砂质泥岩接触部位水流方向改变产生微小的渗透力改变，导致泥岩加速泥化；地下水与河水在汛期、枯期的补给关系变化造成同一软弱夹层不同部位的泥化程度不同；周期效应加剧泥岩泥化，影响软弱夹层的厚度。