山城河水庫上第三系砂巖遇水軟化后對壩基穩定性的影響分析

閆 鑫

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000）

上第三系上巖組（Nb）砂質或泥質接觸式松散狀膠結砂巖遇水軟化和變形問題是民樂縣山城河水庫施工中遇到的比較特殊的工程地質問題之一。該類砂巖特征主要是成巖作用較差，在壩基開挖過程中，在水的浸潤（泡）作用下強度降低，巖石軟化，加大了施工難度，使工程進展緩慢。

1 上第三系砂巖地質成因及分布

上第三系上巖組在山城子區下部為橘黃色厚層中及細粒砂巖，上部為橘黃色砂質泥巖、泥巖夾砂巖及砂礫巖，總厚度540 m，其礦物成分以石英和長石為主，中細粒砂狀結構，成巖性差，砂質或泥質弱膠結，屬山麓相到瀉湖相的沉積。民樂盆地和走廊南山北麓的第三系很相似，均具兩分性，下巖組均以紫紅色碎屑巖為主，上巖組則以橘黃色碎屑巖為主。該層主要分布在走廊南山北緣與民樂盆地接壤帶上的洛陽大山北麓、馬蹄寺、山城子等處。

2 上第三系砂巖的工程特性研究

2.1 物理特性

根據取樣的顆粒分析及顆粒級配圖，上第三系砂巖顆粒組成以中細粒為主，粒徑主要集中在0.075～0.5mm，黏粒含量低，僅為5.0%左右。在勘察過程中通過取樣測得上第三系砂巖的天然密度1.40 g/cm3，天然含水率5.98%，顆粒密度2.40 g/cm3，比重2.62～2.68,孔隙比1.024，滲透系數（1.58～8.13）×10-4cm/s，整體的滲透性能較差。

2.2 強度特性

2.2.1 抗壓強度 上第三系砂巖受沉積環境的影響，形成過程中以泥質弱膠結為主，抗風化能力很差，尤其強風化巖層天然抗壓強度很低，一般5～10 MPa，遇水短時間內崩解，其飽和抗壓強度無法通過室內試驗測得；弱—微風化巖層天然抗壓強度相對較高，為30.1～32.6 MPa,飽和抗壓強度約為13.2～13.3，軟化系數0.41。

2.2.2 抗剪強度 根據壩基和兩壩肩砂巖的直接剪切試驗，砂巖粘聚力16.5～28.0 MPa，內摩擦角35.46～44.29°。

3 壩基穩定性問題研究

上第三系砂巖成巖性差，在壩基開挖過程中，由于地下水的浸泡作用，該層砂巖在短時間內變成松散的砂狀，使壩基巖體穩定性迅速降低（見圖1）。大壩建在該層之上，在壩基與壩肩引起穩定性問題。

主要是壩基沿軟弱夾層的抗滑穩定問題；壩肩存在滑坡出現的壩肩穩定問題。上第三系砂巖中的節理裂隙密集帶在滲透水的作用下，很容易形成軟弱夾層，大壩建在這類軟弱面上，應注意這些軟弱面的抗滑穩定問題，以防止壩基沿軟弱面發生滑動。就軟弱面產狀及不同產狀的軟弱面的組合關系，上第三系砂巖抗滑穩定問題基本有2種類型：一是軟弱面呈單斜傾向下游，下游被侵蝕，形成臨空面，軟弱面在臨空面出露的情況下抗滑穩定問題如圖1所示，該軟弱面上受的力有∑H：水平力總和；∑V：垂直力總和；U：揚壓力；C2、f2為軟弱夾層的凝聚力和摩擦系數；α：層面與水平面之間的夾角。在這種條件下，抗滑穩定系數Kc可按下列公式求得：

式中，L2為軟弱面長度，這里的臨空面可以是河槽，也可以是深坑，或者是未膠結十分松散的斷層破碎帶及節理十分密集的節理密集帶。只有Kc＞4～5時，才能認為壩基是穩定的。當巖層單斜傾向下游，下游并無臨空面時，上述公式不能用作計算抗滑穩定。二是兩組軟弱面組合成的雙斜滑動面滑動抗滑的問題。由一層軟弱夾層和一組節理面或斷裂面組合而成雙斜滑動面滑動，在上第三系砂巖層經常遇到。若E1軟弱面的摩擦系數和粘聚力分別為f1、C1；E2軟弱面為f2、C2；E1軟弱面所受的力有i）∑V1：作用于軟弱面E1上的垂直方向力的總和（主要是壩基E以上的巖體重）；j）∑H1：水平力總和；k）U1：揚壓力。E2軟弱面所受的力有a）∑V2：作用于E2軟弱面上的垂直方向力的總和。壩基是否穩定，應對雙斜滑動面作抗滑穩定分析，計算出抗滑穩定安全系數Kc。當Kc＞4～5時，認為壩基是穩定的。抗滑穩定安全系數Kc計算公式：

當軟面傾向下游，而下游并沒有臨空面時，壩基沿軟弱面滑動，勢必將下游巖層措斷。此時，f2和C2應是巖體抗剪斷強度的摩擦系數和粘聚力。

壩基巖體抗滑穩定問題分析中，對于壩下游的臨空面、巖體發生滑移的滑動面以及將壩基巖體切割成塊狀的側向切割面、拉裂面不能忽視，需進行認真地野外調查。測量這些結構面的產狀、延展情況及軟弱夾層的厚度、充填物泥化程度等情況，找出它們的互相組合關系。只有在整體上把各結構面的組合關系搞清楚，才能對壩基抗滑穩定分析有一個正確的結論。當然，這里起決定性作用的是軟弱層面。一般認為傾角15～30°的傾向下游滑動軟弱面應予特別注意。除了注意各類結構面、軟弱面的產狀及相互組合關系外，對于軟弱面的延展情況也應特別注意。因為軟弱面延展開來貫通整個壩基的軟弱面造成壩基失穩的可能性最大。而那些斷斷續續出現的軟弱面對壩基沿軟弱面滑動是有阻力的，滑動時必須把不連續段的巖層切斷，構成統一的滑動面后才能造成滑動，這實際上增強了滑動面的抗滑能力。上第三系紅層砂巖中，節理裂隙密集帶形成的軟弱層是對壩基穩定危害最大的。因為這種軟弱層抗剪強度很低，是建壩中應特別注意的一種軟弱夾層。

4 結束語

上第三系砂巖屬特殊巖體，成巖作用差，當壩基巖體遇水浸泡后迅速崩解成松散的砂狀，穩定性極差，對施工造成了一定的難度。上第三系砂巖中的節理裂隙密集帶在滲透水的作用下，很容易形成軟弱夾層，大壩建在這類軟弱面上，應注意這些軟弱面的抗滑穩定問題，以防止壩基沿軟弱面發生滑動。

上第三系砂巖厚度較大，巖性較均，施工中應遵循“快、少”的原則。“快”為快開挖，快支護，及時封閉；“少”為少擾動。

建議在今后類似地層的勘察設計中，要充分認識到上第三系砂巖遇水軟化尤其是強風化層遇水迅速崩解為松散砂狀的工程特性。