國(guó)外某水電站工程廠(chǎng)房區(qū)泥質(zhì)巖工程地質(zhì)性狀研究

董承山，方海艷

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222）

0 引言

國(guó)外某水電站位于印度河（Indus River）支流吉拉姆河（Jhelum River）上，該項(xiàng)工程擬建的主電站裝機(jī)1100MW（4×275MW），電站廠(chǎng)房區(qū)巖性為第三系中新統(tǒng)Murree組（N1Tm）地層，由砂巖和泥質(zhì)巖組成[1]，其中泥巖類(lèi)軟巖約占1/3，呈棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部含綠泥石，有干裂現(xiàn)象。由于成巖時(shí)間較短、膠結(jié)程度較差，巖石強(qiáng)度低。新鮮狀態(tài)為中厚層-厚層，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，局部劈理發(fā)育，呈頁(yè)巖狀。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試及綜合分析等方法，對(duì)泥質(zhì)巖工程地質(zhì)性狀進(jìn)行研究[2]。

1 泥質(zhì)巖礦物成分

根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)室?guī)r相磨片鑒定結(jié)果，泥質(zhì)巖主要礦物成分為黏土礦物、石英和方解石，平均含量分別為59.8%、17.3%和10.0%，其中黏土礦物主要為伊利石，含量介于59.0%～60.5%之間。

國(guó)內(nèi)磨片鑒定結(jié)果為：褐鐵礦化含粉砂泥質(zhì)粉泥晶灰?guī)r、褐鐵礦化灰質(zhì)泥巖和褐鐵礦化粉細(xì)砂灰質(zhì)泥巖。

2 泥質(zhì)巖物理力學(xué)性質(zhì)

泥質(zhì)巖的物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。

表1 廠(chǎng)房區(qū)泥質(zhì)巖物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Physical characteristics of argillaceous rock at powerhouse area

3 泥巖的力學(xué)特性

3.1 膨脹性

分別進(jìn)行了6塊鉆孔中泥巖樣品的膨脹試驗(yàn)，膨脹力Pp為78～533kPa，平均值為137kPa；軸向自由膨脹率Fs為0.69%～1.85%，徑向自由膨脹率Fs為0.46%～2.24%。該區(qū)泥巖的自由膨脹率均小于3，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷，廠(chǎng)房區(qū)的泥巖為非膨脹巖。

3.2 崩解性

這些巖石樣品具有不同程度的遇水崩解、失水干裂等現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。

圖1 泥質(zhì)巖遇水崩解和失水干裂現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of disintegration and desiccation crack after absorbing water

為了解泥巖巖塊隨時(shí)間變化情況下的崩解情況，基于巖塊的縱波速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)鉆孔揭露泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等巖芯樣品進(jìn)行了測(cè)試。初始測(cè)試時(shí)間為巖芯從鉆孔內(nèi)取出時(shí)間；測(cè)試的時(shí)間間隔為1～24h不等。

①泥巖：巖芯波速-時(shí)間衰減曲線(xiàn)呈下降型，見(jiàn)圖2，初始波速分別為2210、2570m/s。在0～22h階段，隨時(shí)間增加，波速急劇降低，至8h末，波速值分別為2050、2290m/s，與初始波速相比，波速下降率分別為7.2%和10.9%，平均9.1%；至22h末，波速值分別為1280、1790m/s，波速下降率分別為42.1%和30.4%，平均36.3%；22h之后，波速曲線(xiàn)呈平緩波動(dòng)、基本趨于穩(wěn)定。

圖2 泥巖Vp-t曲線(xiàn)（下降型）Fig.2 Vp-t curve of argillaceous rock（descending type）

②粉砂質(zhì)泥巖：巖芯波速-時(shí)間衰減曲線(xiàn)呈上升-下降型，見(jiàn)圖3，初始波速為2950、3080m/s，平均值為2985m/s；隨時(shí)間增加，波速逐漸增大，在16～25h時(shí)達(dá)到峰值，最大值為3090、3340m/s，增長(zhǎng)率分別為4.7%和8.4%，平均6.6%；之后開(kāi)始逐漸下降，至30～47h間急劇降低；約47h之后，波速曲線(xiàn)整體上呈緩慢下降或波動(dòng)下降，至166～196h后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，波速值分別為2720、2530m/s，平均值為2625m/s，比初始波速分別下降7.8%和17.9%，平均12.1%。

圖3 粉砂質(zhì)泥巖Vp-t曲線(xiàn)（上升-下降型）Fig.3 Vp-t curve of silty mudstone（ascending-descending type）

3.3 流變性

工程實(shí)踐與研究結(jié)果[3-5]表明：巖石的流變破壞普遍存在，對(duì)鉆孔泥巖樣進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，其中原狀樣5組，重塑樣5組，試驗(yàn)圍壓分別為3、4、5MPa。

試驗(yàn)結(jié)果反映出明顯的蠕變特征。采用冪指數(shù)擬合模型來(lái)反映其蠕變特性，該模型的一維形式可以表示為：

其中，A、m、n為待定參數(shù)，ε為應(yīng)變，σ為偏 應(yīng)力（MPa），t為時(shí)間（h）。擬合得到的蠕變參數(shù) 見(jiàn)表2。

表2 擬合得到的試樣蠕變參數(shù)Tab.2 Fitted creep parameters of testing samples

4 結(jié)論

通過(guò)本文的分析，可以得出以下基本結(jié)論：

①電站廠(chǎng)房區(qū)泥質(zhì)巖具有膠結(jié)程度較弱、力學(xué)強(qiáng)度較低的工程特性。

②天然狀態(tài)下的泥質(zhì)巖工程特性較為穩(wěn)定，但浸水飽和后急劇惡化，尤其是在干燥失水后二次浸水條件下，可能出現(xiàn)蠕變、崩解或膨脹等現(xiàn)象。

③施工期應(yīng)避免開(kāi)挖面長(zhǎng)時(shí)間暴露、風(fēng)干或泡水，盡量保持工作面的天然狀態(tài)，是防止或減少泥巖工程性質(zhì)惡化的重要措施[2]。

④建議對(duì)泥質(zhì)巖的一期支護(hù)采用能夠封閉圍巖的柔性支護(hù)為主，且在開(kāi)挖后8h之內(nèi)完成，以充分保護(hù)巖體強(qiáng)度，降低圍巖塑性變形。