新第三系紅層工程地質(zhì)特性研究

1、,,新第三系紅層工程地質(zhì)特性研究,,,黃河上游中型水電站,,內(nèi) 容,1 工程概況及主要技術(shù)問題 2 黃河上游新第三系紅層形成的地質(zhì)環(huán)境 3 第三系紅層巖體結(jié)構(gòu)特征 4 第三系紅層的水文地質(zhì)特征 5 黃河上游第三系紅層的工程特性 6 第三系紅層開挖松弛及防護措施研究,1.工程概況及主要技術(shù)問題,黃河上游龍羊峽至劉家峽河段，由堅硬巖石形成的深切峽谷，目前已建、在建的大型電站有五座.在這些深切峽谷的上下游往

2、往為較為開闊的山間盆地(或構(gòu)造盆地)。黃河在這些河段的河床較為開闊,仍然具有一定的落差，利用這些水頭，可以開發(fā)上百萬千瓦的電力資源。目前已規(guī)劃七座中型水電站(其中尼那電站已在施工)。 第三系紅層時代新、成巖作用差、巖性較軟弱、強度及變形模量低，開挖暴露后易受環(huán)境條件的影響。系統(tǒng)研究新第三系紅層軟巖的工程地質(zhì)持性，合理地給定第三系紅層巖體的各種工程參數(shù)及開挖防護措施，為本研究的主要技術(shù)問題。,,對國內(nèi)外有關(guān)軟巖、硬粘土研究現(xiàn)狀分析

3、表明，目前對軟巖、硬粘土的工程地質(zhì)研究已取得了相當大的進展，尤其在軟巖 、硬粘土的物理力學(xué)性質(zhì)及其影響因素方面研究較多。但這些研究成果大多數(shù)是在室內(nèi)試驗條件下按常規(guī)試驗規(guī)范進行。由于軟巖、硬粘土的劃分國內(nèi)外多以飽和抗壓強度為標準，而泥質(zhì)巖的工程特性受環(huán)境條件影響顯著，當其從鉆孔中取出或平洞開挖后將受應(yīng)力松弛和吸濕、膨脹松弛的雙重影響。目前進行泥質(zhì)巖巖石的飽和抗壓強度測定時，是將鉆孔或平洞中取出的巖石再次浸入水中，這對于富含蒙脫石、伊利石

4、等親水性粘土礦物的軟巖具有顯著的遇水膨脹崩解特性，即使巖石不發(fā)生崩解，由于軟巖遇水膨脹，造成原有的天然孔隙度發(fā)生顯著地改變，因此測得的抗壓強度也就顯著降低。而在天然條件下軟巖的飽和度達100%時，仍具有較高的強度特征。因此，忽視環(huán)境條件來研究和評價泥質(zhì)巖的工程特性，這是當前泥質(zhì)巖飽和抗壓強度及浸水軟化特性測試等研究中存在主要問題。,軟巖、硬粘土研究中存在的主要問題,2 黃河上游新第三系紅層形成的地質(zhì)環(huán)境,位于祁連加里東褶皺系和松潘甘孜印

5、支褶皺系兩個大地構(gòu)造單元交界地帶，由青海南山深斷裂帶、拉脊山深斷裂帶、鄂拉山斷裂帶、阿尼瑪卿斷裂帶構(gòu)成的化隆 、貴德斷陷盆地內(nèi)。,（1）構(gòu)造部位,圖 研究區(qū)深大斷裂分布圖1西寧、民和盆地；2化隆、循化盆地；3共和、貴德盆地；4巖石圈斷裂5較大斷裂；6祁連加里東褶皺系；7松潘、甘孜印支褶皺系。① 青海南山深斷裂帶；② 拉脊山深斷裂帶；③ 鄂拉山斷裂帶；④ 阿尼瑪卿斷裂帶；⑤ 中祁連山北化深斷裂帶,黃河上游第三系紅

6、層盆地,（2）巖性 、巖相特征,,表 研究區(qū)第三系紅層巖性、巖相及氣候,,（3）第三系紅層沉積后的地質(zhì)環(huán)境條件,A 上新統(tǒng)地層沉積厚度可以達到500～６００ｍ ---------自重壓密作用B 喜山運動第三幕較高的構(gòu)造 應(yīng)力 ------------構(gòu)造應(yīng)力壓密作用C 有限元分析表明，盆地內(nèi)第三系紅層泥質(zhì)巖在喜山運動承受的構(gòu)造應(yīng)力量值大致為鄰近堅硬巖體應(yīng)力量值的１／５～１／８倍。因此，

7、第三系紅層成巖過程中受到的構(gòu)造應(yīng)力壓密，是該區(qū)第三系紅層工程性質(zhì)形成，以及不同于其它地區(qū)第三系紅層的重要原因。,有限元計算模型①斷裂(玫瑰紅色條帶)；②三疊系、侏羅系巖體(綠色)；③堅硬巖體(大紅)；④ 紅層巖體(黃色),3 第三系紅層巖體結(jié)構(gòu)特征,第三系紅層巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面不太發(fā)育，間距多在3 m 以上，巖體完整性好，各向異性特征表顯不明顯，基本近各向同性特征。因此，可運用巖石力學(xué)參數(shù)的方法來評價這類巖體的力學(xué)參數(shù)進行了新的探索。,

8、圖 直崗拉卡電站PD1平洞波速的各向異性分布圖,4 第三系紅層的水文地質(zhì)特征,第三系紅層地下水主要為裂隙水。巖體透水性微弱，多數(shù)小于 1 Lu。一般在強風(fēng)化或卸荷帶內(nèi)巖體呈弱—微透水性；弱～微風(fēng)化、新鮮巖帶則為相對不透水層。,5 黃河上游第三系紅層的工程特性,黃河上游第三系三趾馬紅層較我國北方的三趾馬紅土具有質(zhì)好得多的物理性質(zhì)。,（1）物理性質(zhì),第三系紅層天然抗壓強度較高，一般在5—16Mpa之間，但隨暴露時間的延長，其干密度逐漸降低

9、，相應(yīng)的天然抗壓強度也隨之減小。,尼那電站試驗區(qū)粘土巖物理力學(xué)性質(zhì)隨暴露時間的關(guān)系,（2）紅層巖體的天然抗壓強度,第三系紅層按現(xiàn)行室內(nèi)巖石試驗規(guī)范的試驗方法獲得的飽和抗壓強度值很低，多數(shù)小于 1 Mpa.,僅尼那電站消力池部位的粘土飽和抗壓強度值較高，一般達1.0─7.0 Mpa。但天然條件下飽和度在90～100%范圍巖石的抗壓強度值較高，處于強～弱風(fēng)化帶的粘土巖的抗壓強度可達7.0─15.0，平均值為11.0 Mpa.,（3）紅層巖

10、體的飽和抗壓強度,天然條件下紅層巖石的飽和抗壓強度,研究表明： ①紅層泥質(zhì)巖浸水后巖石的強度變化大，并且?guī)r石的抗壓強度隨含水量的增大而顯著減小，甚至強度可緩慢降為零，軟化系數(shù)可在0.2以下。,粘土巖(尼那)的單軸抗壓強度(R)隨含水量(W)的變化曲線,② 按現(xiàn)行室內(nèi)巖石試驗規(guī)范，對天然飽水或基本飽水的紅層樣再進行室內(nèi)人工飽水，實際上是對巖樣進行了無側(cè)限條件下的先崩裂、超吸水、再弱化、后抗壓的不符合工程地質(zhì)巖體真實天然環(huán)境

11、和力學(xué)環(huán)境的試驗，其成果不能代表壩基深部巖體所具有的真實力學(xué)特性，僅能代表未來基坑開挖后暴露于大氣環(huán)境并經(jīng)水浸泡飽和的表面巖石的強度。紅層建壩施工開挖過程中對建基巖體的保護是紅層建基關(guān)鍵。,紅層巖石具有較高的抗剪強度參數(shù)，f 值一般0.64─ 1.02。,注：表中括號內(nèi)的值為平均值,（4）紅層巖石的抗剪強度,在天然條件下尼那壩址4.34 ─ 7.11 Gpa，直崗拉卡為2.02 Gpa 。但在飽水條件下較低，一般為0.578 ─0.85

12、7 Gpa 最大僅1.11Gpa 最下0.287Gpa，與天然條件下的模量值差異較大。,（5）紅層軟巖的變形特征,① 紅層軟巖彈性模量,紅層軟巖的物理力學(xué)性狀受控于所處的應(yīng)力環(huán)境及濕度變化的影響。在平洞中進行巖體的變形試驗時，不僅洞室圍巖的應(yīng)力重分布引起的巖體發(fā)生卸荷、松弛；而且暴露在平洞中的粘土巖吸收洞內(nèi)潮濕空氣或水的作用（水環(huán)境），引起巖石的膨脹或松弛，這是粘土巖獨有的特征， 紅層軟巖的變形特征評價應(yīng)于環(huán)境條件相對應(yīng)。,② 層

13、軟巖的變形特性與環(huán)境的關(guān)系密切,a 盡量防止巖體吸濕松弛，獲得的變形參數(shù)較高,b 平洞開挖后松弛時間較長，或試驗點位于地下水位以下，巖體有吸濕情況下變形參數(shù)偏低,與同一地區(qū)、同一巖性、同樣風(fēng)化程度、相近干密度、孔隙率、同樣的環(huán)境條件下的粘土巖的變形模量相差8—9倍。,c 對平洞開挖后放置時間稍長的洞底巖體的波速測試表明，從洞底向0.6~0.7ｍ深度縱波速度仍有明顯的衰減;洞壁縱波速度可降低1.4倍。,圖 平洞底巖體松

14、弛造成波速的降低,當前進行的巖體變形試驗從平洞開挖、制件到試驗一般需要1—2個月，在這1—2個月內(nèi)粘土巖的松弛可以達到較大的值。,d 室內(nèi)超高壓試驗研究紅層軟巖的變形特征 由于新生代泥質(zhì)巖中結(jié)構(gòu)面很少，巖石和巖體的工程特性大多相差較小；而且新生代泥質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上受密度、孔隙比的控制。因此，可以在室內(nèi)用超高壓試驗，獲得不同干密度、孔隙比下巖石的變形模量，揭示其相互關(guān)系，來盡量避免粘土巖的吸濕、吸水膨脹、松弛等

15、問題。,紅層粘土巖壓力（p）與孔隙比（e）的關(guān)系,紅層砂巖壓力（p）與孔隙比（e）的關(guān)系,,,當粘土巖孔隙比ｅ≤0.22以后，其變形模量E0≈1.5Gpa,稍高于盡量盡量防止巖體吸濕松弛條件下的參數(shù)，如果考慮應(yīng)力松弛，其值有所降低，則與現(xiàn)場試驗接近。這為變形參數(shù)評價提供了依據(jù)。,（6） 基坑開挖后的松弛厚度,尼那電站的試驗成果表明，開挖1天后松弛帶的厚度為1.5 ｍ左右，十天后松弛帶厚度在3.5ｍ左右。按其趨勢取松弛帶厚度為3.5ｍ。

16、即在認真作好開挖保護措施的條件下，敞露10天粘土巖在基坑中的松弛帶厚度按3.5ｍ取值，3.5～10ｍ為受影響的巖體，以下則為“原巖體”。,（7）巖體變形參數(shù)的選取,考慮紅層地層的時代，巖體沉積厚度，構(gòu)造環(huán)境以及開挖松弛等因素，建議的紅層粘土巖的變形參數(shù)見下表。砂巖、砂礫巖的變形參數(shù)可按相鄰粘土巖變形模量的1.1倍。,（8）紅層巖體的抗剪強度特征,第三系紅層巖體間、 巖體與砼之間具有較高的抗剪強度特征,且?guī)r體強度與巖石強度接近，巖體呈似

17、均質(zhì)體。,,紅層巖體大剪正應(yīng)力（σ）剪應(yīng)力（τ）點群分布圖,(a) 抗剪斷,(b) 抗剪,,,砼與巖體大剪試驗正應(yīng)力（σ）與峰值剪應(yīng)力（τ）點群分布圖,(a) 抗剪斷,(b) 抗剪,綜合研國內(nèi)外膨脹巖各分類方案，從泥質(zhì)巖遇水膨脹的根本原因：①富含粘土顆粒；②粘土顆粒中富含粘土礦物；③粘土礦物中有遇水易于膨脹的蒙脫石。提出了紅層巖體的膨脹類型劃分指標。,,,（9）三系紅層巖體的脹縮性特征,根據(jù)上述確定的分類指標對各壩

18、址巖體膨脹性作出的分類見表。,,,上述評價紅層粘土巖的膨脹性參數(shù)與西寧盆地新第三系粘土巖的膨脹性指標基本一致，與北方三趾馬紅土（Ｎ2）膨脹性參數(shù)及國內(nèi)其它泥質(zhì)巖膨脹性指標接近，但北方三趾馬紅土的膨脹力稍低一些。,（10）紅層巖體承載力評價,綜合考慮紅層壩基巖體的環(huán)境條件，按巖體現(xiàn)場載荷試驗及飽和抗壓強度參數(shù)，紅層巖體的承載力取值： 尼那、黃豐電站：R = 1.05 Mpa 康揚、直崗拉卡電站：R = 0.8 Mpa,泥質(zhì)巖的工程特

19、性既受巖石自身的特性控制，又受環(huán)境條件（應(yīng)力環(huán)境、水環(huán)境(或濕度、氣候環(huán)境))的影響，特別是水環(huán)境對泥質(zhì)巖工程特性影響極大，且未真正考慮“原位下”天然圍壓的作用。處于天然環(huán)境下，特別是處于地下水位以下，泥質(zhì)巖本身已達到的與環(huán)境條件相匹配的“原位飽和含水量”。按該含水量對巖體工程特性評價，不僅參數(shù)穩(wěn)定，而且泥質(zhì)巖的工程特性參數(shù)有了很大的提高，這是當前國內(nèi)外軟巖研究應(yīng)注意的問題。,6 開挖松弛及防護措施研究,現(xiàn)場對紅層巖體重點進行了(開挖

20、保護措施、固結(jié)灌漿、錨筋拉拔三項試驗,圖 尼那試驗場地開挖及布置示意圖,（1）現(xiàn)場爆破試驗,爆破試驗表明，壩基開挖時建基面以上預(yù)留至少1.3ｍ厚的保護層，然后在進行人工撬挖可以有效地防止壩基巖體松動，這與王甫洲水電工程推薦的建基面以上1.5ｍ厚的保護層基本一致。,（2）現(xiàn)場敞露試驗,在防止因爆破開挖對試驗面影響下，預(yù)留了40ｃｍ厚的保護層采用人工撬挖分三次挖除，每次挖除厚度約15ｃｍ，場地開挖平整后進行試驗。,尼那第三系粘土巖敞

21、露試驗布置安裝示意圖,尼那第三系粘土巖敞露試驗變形觀測歷時曲線,,紅層巖體隨暴露時間經(jīng)歷了失水收縮-遇水膨脹-失水收縮的干濕交替過程，相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化.,,單軸抗壓強度、孔隙比與敞露時間關(guān)系圖,(3) 建基面抗風(fēng)化性能防護試驗,采用:① 基坑開挖后噴射水泥砂漿保護建基面；②用覆蓋物蓋住基坑開挖后的建基面；③基坑開挖后建基面受大氣營力的自然風(fēng)化三種方法并研究個條件下的強度特征,結(jié)果表明, 基坑開挖后將建基面清掃干凈，及時地對

22、建基面噴射沙漿后保護，再澆筑砼，是最為有效地保護建基面措施。,(4)固結(jié)灌漿試驗,試驗場地采取爆破法開挖，開挖面形成約30小時后，人工掃凈,澆筑厚2ｍ的砼蓋重板，待凝7天后進行灌漿試驗。,結(jié)果表明, 粘土巖具有一定的可灌性，特別對結(jié)構(gòu)面發(fā)育段及表層(4-6m)巖體固結(jié)灌漿效果較好，取得的主要參數(shù)如下： 灌漿孔深度：不小于4ｍ(巖面以下)； 孔距排距：２～３ｍ（Ⅰ、Ⅱ序灌漿后)； 灌漿壓力：０．３～０．８ＭＰａ；

23、灌漿材料：超細水泥與４２５＃普通水泥； 漿液配合比：超細水泥：2∶１、１∶１、６∶１,固結(jié)灌漿試驗區(qū)示意圖,(5) 錨筋拉拔試驗,在弱風(fēng)化粘土巖場地上，分別布置孔深3.5m、 4.5m孔深的錨孔，錨筋Φ２５ｍｍ在不同水泥砂漿配合比和低微膨脹水泥試驗條件下的拉拔試驗。,錨筋拉拔試驗孔布置及錨筋編號（圖中數(shù)字單位為ｍ),,拉拔試驗加荷裝置示意圖,錨筋拉拔試驗量測系統(tǒng)示意圖,,試驗取得的建議參數(shù)：①鋼筋采用Φ25mm的螺紋鋼；②

24、水泥砂漿：水泥可采用425#普通硅酸鹽水泥，水灰比1:0.42-1:0.47，灰砂比1:1.2；③鉆孔孔徑及錨筋埋深：孔徑45-50mm，埋深＞3.5m；④ 錨固力：錨筋3.5m為7.0t，4.5ｍ為7.7t, 5m為7.7t。,對第三系紅層巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及開挖措施等的研究表明，紅層巖體隨著環(huán)境條件的改變，特別是卸荷松弛以及水的浸入，其工程特性將發(fā)生顯著惡化。因此，為了防止紅層開挖暴露后的風(fēng)化、遇水崩解軟化作用，制定如下建基面地質(zhì)驗

25、收標準：① 建基面應(yīng)為弱風(fēng)化—微風(fēng)化；② 表面無浮土和松動裂隙；③ 無失水干縮裂縫或浸水軟化現(xiàn)象；④ 巖石含水量應(yīng)為天然狀態(tài)；⑤ 地震面波縱波速度應(yīng)大于1800ｍ／ｓ；⑥ 斷層帶及性狀較差的砂巖，砂礫巖夾層應(yīng)進行砼置換。 在基坑開挖過程中，當建基面保護層開挖至建基面以上20-30cm時，清理并用風(fēng)吹干凈，作為地質(zhì)編錄和地震波測試面。然后人工撬控至建基面，根據(jù)地質(zhì)編錄和地震面波測試情況，確定建基面處理方式。,建基