雙港口拱壩凝灰熔巖軟弱結構面工程地質特征

摘要：流紋質凝灰熔巖緩傾角軟弱結構面是雙港口拱壩主要工程地質問題，也是影響拱壩壩肩抗滑穩定的關鍵因素。以雙港口拱壩為例，分析流紋質凝灰熔巖軟弱結構面的物質組成、形成原因、發育特征等特性內容，提出軟弱結構面抗剪強度的關鍵地質參數。結果表明：該緩傾角軟弱結構面發育在侏羅系上統鵝湖嶺組（J₃e）流紋質凝灰熔巖地層，平硐揭露高程為左壩肩290 m，右壩肩308 m和328 m，以巖屑夾泥型為主，為原生火成結構面；相關物質組成與結構具有不均一性，根據中型剪試驗值，在確定抗剪強度指標時應對地質建議值做出適當調整，酌情折減使用；左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩定的結構面不利組合模式，且右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型結構面對壩肩抗滑穩定性影響較大，應重點復核其壩肩抗滑穩定的影響，采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施，以確保左、右壩肩抗滑穩定。

關 鍵 詞：雙港口拱壩；流紋質凝灰熔巖；軟弱結構面；抗剪強度；抗滑穩定

中圖法分類號：TV642.4 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.018

0 引言

凝灰熔巖是中國東南部中生代火山巖重要組成部分，在長江中下游、福建省、廣東省等地廣泛分布，在火山巖相類型中占比約34%^［1-2］。對流紋質凝灰熔巖開展了大量的室內巖石物理力學試驗、現場巖體原位試驗^［3］，前人也曾對凝灰熔巖的巖石力學進行了深入的研究，取得了豐富的地質資料成果^{［2，4-5］}。然而，國內學者對流紋質凝灰熔巖中軟弱結構面的研究較少。

拱壩對巖體軟弱結構面非常敏感，壩肩對巖體質量要求高，完整巖體中常見的地質缺陷類型（軟弱結構面、斷層、泥化夾層、層間剪切帶等）控制巖體的穩定和變形，是壩基主要的工程地質問題。尤其是軟弱結構面，作為壩肩完整巖體中最薄弱的部位，極大影響著拱壩的抗滑穩定性^［6-7］。本文以雙港口拱壩為例，分析流紋質凝灰熔巖軟弱結構面的物質組成、形成原因、發育特征等特性內容，提出軟弱結構面抗剪強度的關鍵地質參數，論述流紋質凝灰熔巖中的緩傾角軟弱結構面的工程地質特性和抗滑穩定問題，以期為類似工程設計和施工提供地質建議。

1 工程地質概況

雙港口水庫位于江西省資溪縣斗垣村東港水，是一座以供水為主的樞紐工程，水庫大壩為堆石混凝土雙曲拱壩，最大壩高68 m，水庫總庫容600萬m³，為小（1）型水庫。

工程區位于華南褶皺系武夷山隆斷束構造單元，屬構造剝蝕中低山地貌。雙港口壩址河谷窄深，呈“V”字形（圖1），多數基巖裸露，巖性為侏羅系上統鵝湖嶺組（J₃e）流紋質凝灰熔巖（圖2），厚層，壩基未出露斷層。兩岸壩肩覆蓋層厚度0.3～2.5 m，強風化帶厚度1.6～6.0 m，弱風化上帶厚度15.7～26.2 m，弱風化下帶厚度16.1～34.7 m，強卸荷帶水平厚度7.0～11.0 m。

弱風化下帶為壩基建基巖體，飽和單軸抗壓強度范圍（小值均值—大值均值）為72.31～114.70 MPa，平均值為88.01 MPa，軟化系數平均值為0.81，為堅硬巖石，物理力學性質較好。微新巖體類別屬AⅡ類，弱風化下帶巖體屬AⅢ1類，弱風化上帶巖體屬AⅢ2類，強風化巖體屬BⅣ1類。拱壩壩基巖體類別以AⅢ1類巖體為主，巖體變形模量5.0～7.0 GPa。

2 軟弱結構面工程地質特征

2.1 軟弱結構面物質組成及結構特征

2.1.1 物質組成

緩傾角軟弱結構面主要由流紋質凝灰熔巖巖屑、巖塊和泥質組成，結合較緊密，杏仁體+斑晶含量占20%～30%，隱晶質基質含量占70%～80%。通過兩岸壩肩平硐揭露統計，J10軟弱結構面泥質含量約60%，J5、J6、J9、J11、J12軟弱結構面泥質含量約40%，J7、J8軟弱結構面泥質含量小于30%，總體上勘探范圍內軟弱結構面泥質含量約20%～60%，泥質含量組分偏高。

2.1.2 結構特征

軟弱結構面主要為單層裂隙，一般寬度0.5～3.0 cm，局部達5.0 cm，巖屑和巖塊填充物呈塊狀、片狀鑲嵌分布，原巖結構輕微破壞，組成結構表現為空間不均勻性（圖3）。

2.2 軟弱結構面空間發育規律

兩岸壩肩發育的J5～J12數條軟弱結構面總體上呈平行展布，局部不連續發育，產狀大致相同，傾向上游偏河流右岸，總體產狀70°～130°，傾角5°～30°，結構面走向與壩軸線交角為0°～33°。各軟弱結構面在總體產狀平緩的基礎上，呈不同程度的波浪形起伏形態，起伏差約1～3 cm，起伏角1°～3°。鉆孔巖芯中未見軟弱結構面，河床鉆孔ZK18光學成像發育水平狀寬大裂隙（圖4），地質測繪過程中未在壩基陡坎發現出露的軟弱結構面。根據開挖平硐內各軟弱結構面的觀察統計，各拱圈高程結構面分布及厚度如表1所列。

2.3 軟弱結構面發育特征及分類

雙港口拱壩壩肩軟弱結構面按物質組成和結構特征，可分為泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種，依次占比約20%，50%及30%。壩肩軟弱結構面分類統計見表1。

壩肩流紋質凝灰熔巖緩傾角軟弱結構面發育規律如下：

（1）軟弱結構面產狀與流紋質凝灰熔巖的面理產狀大致相同，巖體呈流紋構造，拉長現象明顯，揭示了火山碎屑熔巖的流動方向。火山碎屑熔巖侵入體與圍巖接觸面形成不整合破碎帶，為間歇噴溢的軟弱接觸面，屬于原生火成結構面。在后期地質過程中，長期受地下水及風化作用。

（2）軟弱結構面發育地層為單一巖性的流紋質凝灰熔巖，流紋質凝灰熔巖堅硬，厚層發育，不存在順層發育的層理構造，巖性條件較簡單。

（3）緩傾角軟弱結構面物質組成和結構特征存在不均一性，同一條軟弱結構面厚度及不同部位泥質含量不均一，不同位置的軟弱結構面形狀不同，例如左壩肩PD02平硐內J7、J8結構面含泥量小于30%，PD03平硐內J10結構面泥質含量約60%，軟弱結構面呈不均一發育特征。

3 抗滑穩定工程地質分析

3.1 軟弱結構面抗剪強度確定

拱壩壩肩平硐開挖后，選取右岸平硐PD03內軟弱結構面J10開展中型剪抗剪強度試驗。8個試驗點均位于支洞樁號0+23 m附近，處于弱風化下帶巖體弱卸荷狀態，出露高程308 m，貫穿左、右壁。結構面產狀70°～75°∠20°～25°，洞內可見延伸長度約9 m，一般寬度為2～5 cm，起伏光滑，充填物以泥夾巖屑為主，剪切面上填充物浸水后較軟（圖5（a）），局部可見明顯擦痕，裂隙連通性較好。剪切面剪切方向左側被黃褐色水銹填充。試件整體上沿預設剪切面巖體剪斷，巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀。剪切面最大起伏差約3.0 cm。剪切面上擦痕遍布。PD03平硐結構面中型剪試驗成果見表2，試驗τ-σ關系曲線如圖6所示，巖體結構面的抗剪斷強度參數為f′=0.532MPa，c′=0.096 MPa；抗剪強度參數f=0.425 MPa。

結構和物質組成的不均一性是影響軟弱結構面抗剪強度的重要因素，PD03平硐內J10泥夾巖屑型軟弱結構面性狀明顯差于其他結構面，泥質程度較高，結構面結合不緊密并受到輕微的機械破碎，導致局部的結構面具有較低的抗剪力學指標，對抗滑穩定不利，因此在確定抗剪強度時應適當降低。此外由于取樣位置的影響，取樣試塊往往性狀較好以便于試驗操作，因此中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結果略優于實際情況，結合拱壩地質條件及工程安全性考慮，應適當降低試驗值作為軟弱結構面抗剪強度地質建議值。

依據壩址區結構面地質特征，并參考其他工程經驗^［8-10］，提出壩基主要緩傾角軟弱結構面力學參數地質建議值（表3）。考慮軟弱結構面發育具有不均一性，在確定抗剪強度指標時給出了不同類型的地質建議值，設計采用時應根據軟弱結構面位置、分類、特征和工程實際情況等做出適當調整，酌情折減或提高使用。應區別對待不同位置軟弱結構面的發育情況，以避免用局部代替整體。

3.2 巖體抗剪強度確定

在右岸PD04平硐內開展了1組6點巖體原位抗剪試驗，試驗點位于PD04支硐樁號14.0～24.3 m處，6個試點位于弱風化下帶巖體，巖體處于弱卸荷狀態。巖體抗剪試驗采用平推法，剪切面為水平面，水平方向施加剪切推力，鉛直方向施加法向應力。抗剪強度參數中的摩擦系數k和黏聚力c根據庫侖表達式確定，求解方法采用最小二乘法。剪切面剪切方向左側被黃褐色水銹填充，試件整體上沿預設剪切面巖體剪斷，巖體剪斷后呈塊狀和少量片狀（圖5（b））。剪切面最大起伏差約3.0 cm，剪切面上擦痕遍布。

PD04平硐巖體直剪試驗成果見表4，試驗τ-σ關系曲線如圖7所示。由表4可知，PD04平硐流紋質凝灰熔巖的抗剪斷強度參數f′=1.253MPa，c′=1.700 MPa；抗剪強度參數f=0.732MPa。

3.3 拱壩壩肩抗滑穩定地質分析

從整體拱壩條件來看，兩岸巖性完整，巖石強度較高，但受緩傾角軟弱結構面的影響，壩肩抗滑穩定性問題較為突出。根據拱壩地質條件，最可能的滑移模式為不同高程的緩傾角軟弱結構面構成底滑面，側向沿不連續的硬性節理面L1、L2剪斷構成側滑面，以下游坡面作為滑動體下游臨空面。根據上述壩基滑移模式，結合巖體工程地質特性，選擇典型拱圈高程進行壩肩抗滑穩定分析。

3.3.1 左壩肩抗滑穩定分析

左壩肩及抗力體范圍內，地形總體完整，坡向5°～15°，谷坡陡峻，有一小型溝谷臨空，無斷層，臨河陡峻岸坡構成左岸臨空面。通過結構面調查，構成抗滑穩定的不利結構面主要有以下兩種：側裂面為隨機性硬性結構面L1、L2，底滑面為確定性軟弱結構面J5、J6、J7、J8。

3.3.2 右壩肩抗滑穩定分析

右壩肩及抗力體范圍內，地形總體完整，坡向92°～101°，谷坡陡峻，無大的深切溝谷臨空，無斷層，臨河陡峻岸坡構成右岸臨空面。構成抗滑穩定的不利結構面主要有以下兩種：側裂面為隨機性硬性結構面L1、L2，底滑面為確定性軟弱結構面J9、J10、J11、J12。

半確定性組合中，底滑面J10為泥夾巖屑型軟弱結構面，底滑面J5、J6、J9、J11、J12為巖屑夾泥型軟弱結構面，抗剪強度較低。在拱端力的作用下，存在發生剪切滑移的可能，需進行抗滑穩定分析驗算。側滑面L1、L2均為硬性結構面，發育較隨機，局部可能形成不利組合塊體。依據壩肩臨空面、側滑面和底滑面特征，拱端滑動不利組合為半確定性組合，構成壩肩潛在滑移塊體組合模式如表5、圖8、圖9所示，底滑面軟弱結構面力學參數地質建議值見表3。

綜合以上分析，左、右壩肩均存在影響拱壩壩肩抗滑穩定的結構面不利組合模式，針對以上不利組合，需進行抗滑穩定分析計算，并根據計算成果，確定是否需采取處理措施或采取何種處理措施，以確保左、右壩肩抗滑穩定。

3.4 抗滑處理措施

壩肩平面穩定計算采用的是平面剛體極限平衡法，對273.50，283.00，292.50，302.00，311.50 m及321.00 m 6個高程平切面進行穩定分析。以巖基線作為滑動體的下游臨空面，底滑面為剪斷水平巖石面，側滑面為一組通過上游壩踵的鉛直面（圖10）。

壩肩左、右兩岸抗滑穩定計算結果顯示，基本組合下，右岸抗滑穩定安全系數小于3，特殊組合大于2.5，未達到拱壩壩肩抗滑穩定要求，需要加固處理保證壩肩抗滑穩定安全。

提高滑動面抗剪能力的措施一般通過抗剪齒槽、抗剪洞、抗滑樁、槽挖、混凝土塞、加密固結灌漿及軟弱結構面的本身加固處理，且這幾種方案可以組合運用。對于壩肩巖體，由于平硐勘探范圍有限，其在一定高程區域內可能存在多層軟弱結構面，建議施工階段對不滿足抗滑穩定要求的軟弱結構面采取抗滑處理措施。

4 結論

本文分析了雙港口拱壩軟弱結構面的物質組成、形成原因、發育特征等特性內容，提出了軟弱結構面抗剪強度的地質參數。左、右壩肩存在影響抗滑穩定的半確定性結構面不利組合模式，需進行抗滑穩定分析計算，并采取抗剪齒槽、抗剪洞或抗滑樁等處理措施。主要結論有：

（1）雙港口拱壩緩傾角軟弱結構面以巖屑夾泥型為主，泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型3種依次占比約20%，50%及30%。軟弱結構面泥質含量約20%～60%，其成因為原生火成結構面。

（2）軟弱結構面發育在侏羅系上統鵝湖嶺組流紋質凝灰熔巖（J₃e）地層，平硐揭露高程為左壩肩290 m，右壩肩308 m和328 m。

（3）中型剪試驗確定的抗剪強度試驗結果略高于實際情況，結合拱壩地質條件及工程安全性考慮，適當降低試驗值作為抗剪強度地質建議值。軟弱結構面發育具有不均一性，設計采用時應根據結構面分類、特征和工程實際情況做出適當調整，酌情折減或提高使用。

（4）滑移模式為緩傾角軟弱結構面構成底滑面，硬性節理面構成側滑面，下游坡面作為滑動體的下游臨空面。右壩肩308 m高程J10泥夾巖屑型軟弱結構面性狀較差，對抗滑穩定性影響大，應重點復核壩肩抗滑穩定的影響。

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（編輯：郭甜甜）