青峪口水庫軟弱夾層的分布與工程特性研究

摘 要：【目的】青峪口水庫壩址區巖體發育軟弱夾層，為確保大壩順利施工，需對軟弱夾層的分布規律及其工程特性進行研究，并探討其形成機制，為壩址選擇及工程設計提供科學依據。【方法】采用綜合勘查方法，包括地表調查、勘探、礦物分析、化學成分分析和現場剪切試驗等多種手段，全面研究壩址區巖體的軟弱夾層特征。【結果】結果表明，軟弱夾層在壩址區廣泛發育，且泥質含量較高，強度較低，尤其是k1c4、k1c3和k1c2層的軟弱夾層可能對壩基抗滑穩定性構成威脅。【結論】研究成果為青峪口水庫壩型選擇、樞紐布置及工程設計提供了重要的地質依據。

關鍵詞：軟弱夾層；綜合勘察方法；物理化學性狀分析；抗滑穩定性

中圖分類號：TV223" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0044-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.008

Research on the Distribution and Engineering Characteristics of Weak Interlayers in Qingyukou Reservoir

LI Feng LIU Haiyang TANG Wanjin

（Changjiang Geotechnical Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： [Purposes] The rock mass in the Qingyukou Reservoir dam site area has developed weak interlayers. In order to ensure the smooth construction of the dam， it is necessary to study the distribution law and engineering characteristics of the weak interlayers， and explore their formation mechanism， providing scientific basis for dam site selection and engineering design. [Methods] This study adopted a comprehensive survey method， including surface investigation， exploration， mineral analysis， chemical composition analysis， and on-site shear tests to comprehensively study the characteristics of weak interlayers in the rock mass of the dam site area. [Findings] The results indicate that weak interlayers are widely developed in the dam site area， with high mud content and low strength， especially in the k1c4， k1c3， and k1c2 layers， which may pose a threat to the anti sliding stability of the dam foundation.[Conclusions] Through in-depth analysis of the distribution and engineering characteristics of weak interlayers， this study provides important geological basis for the selection of dam types， hub layout， and engineering design of Qingyukou Reservoir.

Keywords： weak interlayers; comprehensive survey method; physical and chemical properties analysis; anti-skid stability

收稿日期：2024-11-23

基金項目：長江巖土工程有限公司自主科研項目（KCZC0965）。

作者簡介：李鋒（1970—），男，本科，高級工程師，研究方向：水利水電地質勘查。

通信作者：劉海洋（1993—），男，碩士，工程師，研究方向：水利水電地質勘查。

0 引言

青峪口水庫是小通江干流上的防洪控制性工程，兼具供水和發電功能，壩址位于四川省通江縣諾江鎮。擬建混凝土重力壩正常蓄水位為400 m，壩頂高程405.3 m，壩長221 m，最大壩高71.3 m，總庫容1.42億m3，裝機容量20 MW，屬Ⅱ等大（2）型水庫工程。壩址區巖體為白堊系下統蒼溪組（k1c）的泥巖、砂巖及粉砂巖，軟硬相間，發育軟弱夾層。研究軟弱夾層的性狀特征和分布規律對工程建設具有重要意義。

軟弱夾層是巖體中軟弱且具有一定厚度的結構面或軟弱帶，成因包括原生沉積、火山碎屑、沉積變質、層間錯動、斷裂破碎和地下水泥化等［1］。一些學者對此進行了研究，胡濤等［2］認為，構造運動使砂巖與泥巖接觸帶抗剪強度降低，成為剪切薄弱區；楊發軍等［3］指出，碎屑巖中高黏粒含量的夾層易在構造變動中形成剪切部位；聶瓊等［4］認為小南海的軟弱夾層為原生型；曹道寧等［5］通過對卡洛特水電站壩址區軟弱夾層進行綜合分析，探討了不同類型軟弱夾層的特性、分布及形成機制，指出其由構造作用、卸荷、蠕變、風化和地下水等多種因素綜合作用形成，為水電站工程設計提供了地質依據；張家明［6］概述了軟弱夾層的定義、特性及其與泥化夾層的區別，分析了當前研究的不足，提出未來在泥化演化、三維分布、剪切蠕變和動力學特性等方面的研究方向。

本研究結合青峪口水庫的軟弱夾層，通過對其礦物成分、化學成分及物理性質進行分析，研究其在特定沉積環境中的發育規律，并總結成因。這對壩型選擇、樞紐布置、大壩抗滑穩定性［7-8］、邊坡［9-11］和地下洞室圍巖［12-13］的穩定性分析具有重要意義。

1 地質構造

青峪口水庫壩址區位于涪陽壩背斜南西翼，壩址處發育一次級小褶皺（鄒家壩背斜），鄒家壩背斜軸向為北西～南東向，核部位于近河床地段，巖層近水平，具有向南（河床下游）傾伏的特征，左岸為背斜東翼，巖層傾向左岸偏下游，傾向約89°，傾角約3°，右岸為背斜西翼，巖層傾向右岸偏下游，傾向約195°，傾角約5°，壩址區地層平緩。

壩址區覆蓋層主要為第四系人工堆積層（Q4s）、崩坡積層（Q4col+dl）、沖積層（Q4al）及階地堆積層（Q41+2al），出露基巖主要為白堊系下統蒼溪組（k1c）泥巖、砂巖及粉砂巖，呈軟硬相間不等厚互層。根據巖性及其組合特征，可分為砂巖、泥巖兩大類巖組，分為k1c1～k1c8共8層（為壩址區與工程相關巖體，并非蒼溪組整層），其中單號為泥巖類巖組，雙號為砂巖類巖組。

2 軟弱夾層

軟弱夾層的分類和分布是影響大壩工程設計和安全的關鍵因素。青峪口水庫的軟弱夾層多屬構造型，根據軟弱夾層的性狀、成因及其對工程的影響劃分為以下3類。

2.1 Ⅰ類夾層（巖屑夾泥型）

該類夾層巖體擠壓破碎呈糜麟狀，巖屑為泥巖、粉砂巖及砂巖碎屑，泥質膠結，且膠結較差，部分鉆孔鉆進時遇水攪動，表面呈泥狀。Ⅰ類夾層鉆孔取芯揭示如圖1所示，鉆孔電視成像顯示Ⅰ類夾層性狀如圖2所示。

2.2 Ⅱ類夾層（巖塊巖屑型）

該類夾層巖體受到后期剪切破壞，裂隙發育，呈破碎狀，巖塊為泥巖、砂巖，無充填、無膠結，局部脫落呈空腔；鉆孔取芯顯示為碎塊狀、鱗片狀。Ⅱ類夾層鉆孔取芯揭示如圖3所示，鉆孔電視成像顯示Ⅱ類夾層性狀如圖4所示。

2.3 Ⅲ類夾層（硬巖夾軟巖型）

該類夾層主要發育在砂巖類巖組，厚層、巨厚層砂巖夾泥巖軟巖夾層，延伸長度小，厚度不穩定，厚度一般小于0.5 m，多呈囊狀，未發生泥化和剪切破壞。此類結構面力學性質與砂巖/泥巖層面相同。Ⅲ類夾層鉆孔取芯揭示如圖5所示，鉆孔電視成像顯示Ⅲ類夾層性狀如圖6 所示。

3 軟弱夾層特征

本研究在分類的基礎上，對軟弱夾層的物理、化學特性進行詳細分析，深入探討軟弱夾層的具體特征。

3.1 礦物成分

軟弱夾層的礦物成分主要由綠泥石、伊利石（水云母）等黏土礦物組成，且占比較大（如表1所示，PD1-J4、PD1-J5、PD1-J6中的黏土礦物分別占78%、82%、75%）。其次為粉細砂和礫石，方解石含量相對較少，而鐵氧化物（如氧化鐵礦物）含量在樣品中極為稀少，僅在PD1-J5中含量為2%。

從軟弱夾層的礦物成分來看，主要成分的變化直接與母巖性質及其后期經歷的地質作用過程密切相關。具體而言，壩址區的地層雖未經歷顯著的變質作用，但在后期地下水溶液的滲透和作用下，母巖中的礦物成分發生了一系列的物理和化學變化。這種地下水溶液作用可能包括化學溶解、礦物遷移和沉淀等過程，導致了黏土礦物含量的顯著增加，并在一定程度上影響了其他礦物（如砂和礫石）的分布比例［14］。

從礦物種類來看，壩址區的礦物構成較為簡單，未顯示出較大的變質特征。礦物種類并沒有顯著改變，而是表現在礦物含量的變化上。這可能意味著，雖然沒有顯著的高溫高壓變質作用，但軟弱夾層在長期地下水和低溫化學作用下，母巖中的成分逐漸轉化為較為易變形和破碎的黏土礦物（如伊利石和綠泥石）。這些黏土礦物具有高吸水性和低強度的特性，使得軟弱夾層在遇水時更容易產生滑移和變形，可能對壩體的穩定性構成潛在威脅。

綜合來看，軟弱夾層的形成主要是母巖在后期地下水作用下，經歷了化學風化和礦物再沉積過程，逐漸富集了大量的黏土礦物，削弱了其力學強度。表1中的礦物成分數據支持了這一點，顯示出在研究區域內軟弱夾層普遍呈現高黏土礦物含量的特征，這為壩址區地質工程分析提供了重要的依據。

3.2 化學成分

軟弱夾層的化學成分，一般以SiO2、CaO、Al2O3含量較高，再次是Fe2O3、MgO、K2O，而Na2O、TiO2、P2O5、MnO含量較少，具體見表2。從化學成分來看，母巖和泥化夾層的基本成分一致，但各成分的含量表現出明顯的差異，反映了軟弱夾層在后期經歷了復雜的物理和化學改造過程。高含量的 SiO?、CaO 和 Al?O? 表明這些夾層在沉積后經歷了化學風化、礦物重結晶和水-巖相互作用。這些作用過程可能包括溶解、沉淀及黏土礦物的形成，導致軟弱夾層中的礦物成分和力學性質發生了變化。

軟弱夾層在地質歷史上受到了地下水溶液的長期作用，使其物理強度降低，導致軟弱夾層易于發生變形和破壞。這些化學成分的分布特征有助于進一步揭示該區域地質穩定性和工程性質，為后續的地質工程規劃提供了重要的依據。

3.3 物理性質

本研究選取夾層性狀最差部分做現場剪切試驗，試驗對象為Ⅰ類軟弱夾層，對應壩址區Ⅰ-4夾層，夾層碎屑主要為灰黃色砂巖、紫紅色泥巖，部分膠結，部分破碎呈鱗片狀，局部泥化。直剪試驗結果見表3。

由表3可知，所有試件均沿預剪面破壞，且剪切面凹凸不平，顯示出軟弱夾層在外部作用下容易發生剪切破壞［15］。對表中數據分析如下：①正應力值為0.13 ～0.36 MPa，顯示了樣品承受的豎向壓力較低。這與巖層本身的弱膠結和易破碎性相關，特別是巖石的泥化狀態使其在較小的應力下更容易發生破壞。②峰值強度范圍為0.08～0.17 MPa，顯示了剪切強度普遍偏低。這一現象主要是由于夾層內部破碎嚴重，膠結作用不足，且受水化作用影響較大。含水率高的夾層更易軟化，導致剪切強度進一步降低。③屈服強度為0.05 ～0.12 MPa，殘余強度為0.08 ～0.16 MPa，表明軟弱夾層在破壞后仍有一定的承載能力，但強度較小。這反映了夾層材料的黏性特征及殘余摩擦力較弱。由于泥化和裂隙的存在，剪斷后的強度損失較大。

4 軟弱夾層分布

為了進一步揭示這些軟弱夾層在壩址區的實際工程影響，接下來將探討其在不同區域的空間分布情況。根據地表調查及勘探揭示，壩軸線共揭示軟弱夾層30條，其中Ⅰ類夾層8條，Ⅱ類夾層19條，Ⅲ類夾層3條，詳見表4。

4.1 左岸發育情況

k1c4層發育1條Ⅰ類夾層和2條Ⅱ類夾層。Ⅰ類夾層通常具有較好的連通性和較高的變形性，需特別關注其可能對工程穩定性造成的影響。Ⅱ類夾層雖然性質稍好，但仍需采取一定的工程措施。

k1c3層發育2條Ⅰ類夾層和5條Ⅱ類夾層。這表明k1c3層軟弱夾層較為發育，其中Ⅰ類夾層的比例較高，意味著該層次在左岸可能是一個需要重點考慮的軟弱帶。

4.2 右岸發育情況

k1c5層發育2條Ⅱ類夾層，Ⅱ類夾層通常表現出中等的軟弱性，但對壩體安全性仍具有影響，需采取監控措施。

k1c4層發育1條Ⅲ類夾層。Ⅲ類夾層相對較好，其穩定性較Ⅰ類和Ⅱ類夾層高，但仍需對可能存在的局部弱點進行處理。

k1c3層發育1條Ⅰ類夾層。右岸的k1c3層發育的Ⅰ類夾層數量少于左岸，但仍然需要進行重點監控，尤其在壩體建設期間防止潛在不穩定因素的不良影響。

4.3 河床區域發育情況

k1c3層發育3條Ⅰ類夾層和3條Ⅱ類夾層。河床區域的軟弱夾層發育尤為復雜，Ⅰ類夾層和Ⅱ類夾層數量均較多，這意味著該區域在壩體基礎建設中可能面臨較大的挑戰，必須采取有效的加固和穩定措施。

k1c2層發育1條Ⅰ類夾層、6條Ⅱ類夾層和3條Ⅲ類夾層。該區域軟弱夾層的數量多，尤其是Ⅱ類夾層較多，說明該層在河床區域的整體穩定性較差，需要在設計階段采取全面的分析和處理措施。

壩址區軟弱夾層的發育具有層次性和區域性特點。左岸及河床的k1c3層和k1c2層軟弱夾層發育顯著，Ⅰ類和Ⅱ類夾層較多，表明地質條件復雜，需加強穩定性控制。右岸軟弱夾層相對較少，但Ⅱ類和Ⅲ類夾層仍需加固，以確保工程安全。

5 壩基軟弱夾層的工程處理及抗滑穩定性分析

壩基的穩定性是大壩建設中至關重要的因素，尤其是軟弱夾層的存在可能對大壩的抗滑穩定性構成威脅。在壩軸線區域，k1c4層、k1c3層和k1c2層等不同巖層均發育了多條軟弱夾層，其空間分布如圖7所示，這些夾層的巖性特征、厚度和連續性決定了其對壩基持力層的影響。

5.1 k1c4層兩岸發育的夾層

k1c4層在兩岸發育的夾層包括Ⅰ-4、Ⅱ-5、Ⅲ-1夾層，夾層的主要組成是砂巖夾薄層泥巖或薄層泥巖。這些夾層具有較好的連續性，埋藏深度較淺。由于這些夾層位于淺層，存在潛在的抗滑穩定性問題。淺層夾層在受到外部荷載或水力作用時，可能導致滑移或崩塌風險。因此，對于工程設計，需要重點考慮防滑措施，并可能采取加強表層結構的加固手段，防止滑坡或局部失穩。建議在工程設計中對淺層進行穩定性分析，必要時采用錨固、護坡或加固措施，增強岸坡的穩定性。

5.2 河床壩段k1c3夾層

k1c3層的泥巖為軟巖，具有較低的強度，且夾層發育較為顯著，特別是發育了Ⅰ-8至Ⅰ-10以及Ⅱ-12至Ⅱ-15等夾層。這些夾層的性狀較差，可能表現出較高的變形性和較弱的承載力。當將k1c3層作為大壩的基礎持力層時，這些軟弱夾層可能導致壩基的抗滑穩定性問題。夾層的連續性和軟弱特性可能導致在高水壓或外部荷載下發生滑移，嚴重影響大壩的安全性。基于k1c3層泥巖的軟弱特性，建議在工程建設中對該層進行挖除處理，避免將其作為壩基持力層，以消除滑移隱患。替代方案可以考慮選用較為堅固的巖層作為大壩基礎持力層。

5.3 k1c2層砂巖夾層

k1c2層的砂巖強度較高，適合作為大壩的良好持力層。但砂巖中發育了Ⅰ-12、Ⅱ-17、Ⅱ-18、Ⅱ-20、Ⅱ-24、Ⅱ-25和Ⅲ-5等軟弱夾層，這些夾層性狀較差，但連續性較好。雖然砂巖的整體強度較高，但這些發育的軟弱夾層可能削弱壩基的抗滑能力。特別是在壩基受到外部荷載或水壓力時，軟弱夾層的存在會降低整個壩基的穩定性，導致局部滑移的可能性增加。建議在工程設計中，結合k1c2層的砂巖特性及軟弱夾層的分布情況，采取針對性的處理措施。例如，可以通過灌漿或其他加固手段提高軟弱夾層的承載能力，確保壩基的整體穩定性。

通過對壩軸線區域不同層位軟弱夾層進行分析，可以看出k1c4、k1c3和k1c2層的軟弱夾層在大壩基礎穩定性中起著重要作用。k1c4層的淺層夾層存在抗滑風險，需進行加固處理；k1c3層的泥巖夾層性狀較差，不宜作為壩基持力層，建議挖除處理；而k1c2層砂巖盡管強度較高，但夾層的發育仍可能導致滑移風險，應采取必要的工程加固措施。通過合理的處理方案，可以有效提高壩基的抗滑穩定性，確保大壩的長期安全。

6 結論

本研究通過對青峪口水庫壩址區軟弱夾層進行分類、成分分析及物理力學特性研究，得出了以下結論。

①壩址區主要發育3類軟弱夾層，分別為巖屑夾泥型、巖塊巖屑型及硬巖夾軟巖型，其中泥質含量較高。

②通過礦物成分和化學成分分析，發現軟弱夾層在長期地下水作用下，發生了顯著的物理化學變化，導致其強度降低。

③直剪試驗結果表明，軟弱夾層的抗剪強度較低，尤其是k1c4層和k1c3層的軟弱夾層在外力作用下易發生滑移。

結合工程實際，建議對軟弱夾層進行加固處理，尤其是在壩基施工過程中，應重點處理k1c3層泥巖和k1c2層砂巖中的軟弱夾層。

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