（地质工程专业论文）向家坝水电站风化砂岩工程特性研究.pdf

中文摘要 摘要 风化作用可以降低岩石的力学性质并影响岩体的稳定性，不同程度的风化作用对 水利水电工程中坝基、边坡及其洞室围岩稳定的影响程度也不同，因此岩石的风化作 用是众多工程实际问题中遇到的重要难题。本文主要针对向家坝水电站风化砂岩的工 程特性进行了研究，并对坝区的一种特殊的风化现象囊状风化的成因进行了研究 分析，并通过室内物理力学试验的方法，分析强风化作用对砂岩力学性质的影响程度。 并研究了风化作用对工程中地下洞室稳定性的影响，本文研究工作主要内容如下： 1 对于向家坝水电站工程区出现的一种岩石风化的特殊现象囊状风化现象，本 文运用x 射线衍射的试验手段，并通过分析有关单位提供的薄片鉴定试验资料等，分 析了向家坝砂岩囊状风化的成因及影响因素。研究表明，向家坝坝区砂岩囊状风化现 象的形成机理与其本身的物质组成、地质构造状况、水文地质条件以及水化学作用等 有关；囊状风化现象的形成主要是由于研究区岩层中可溶性成分变化较大，某些层位 岩石中的碳酸钙含量达到3 0 以上，其碎屑物被可溶性成分包裹，很易被溶蚀。 2 运用室内岩石单轴压缩试验与岩石三轴压缩试验的方法，对强风化作用给向家 坝砂岩的力学性质造成的影响程度进行量化分析。研究表明，强风化作用使单轴压缩 条件下的砂岩的抗压强度降低了8 6 ，弹性模量降低了8 2 ，变形模量下降了8 1 ； 在5 m p a 围压的三轴压缩条件下，砂岩的抗压强度降低了7 8 ，弹性模量降低了7 8 ， 变形模量下降了7 1 ；强风化作用使砂岩的粘聚力从4 0 8 m p a 降至4 5 8 m p a ，下降了 约8 9 ；内摩擦角由4 5 8 0 降为4 3 2 0 ，下降了约6 。 3 考虑风化作用对向家坝右岸地下洞室围岩稳定性的影响，利用a n s y s 软件建 立二维物理模型，并在f l a c 程序下进行数值模拟，计算在不同考虑条件下洞室围岩 的变形及其稳定性。结果表明，风化作用对于向家坝右岸洞室围岩的位移、应力有着 较大的影响作用，不仅可以改变围岩的位移大小，还可使位移在围岩风化部位发生突 变。会造成洞室附近产生拉应力，以致影响围岩及洞室的稳定。 关键词：风化砂岩；工程特性；力学特性；向家坝水电站；地下洞室 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e a t h e r i n gc o u l dc a u s ead e v 删i n gd r o po nt h er o c km e c h a i l i c a lp r o p e n i e sa i l d i n n u e n tt h es t a b i l i 锣o fr o c km a s s d i f r e r e n tw e a t h e r i n gi n t e n s i t ym a k e sd i 矗e r e n ti n f l u e n c e s o nt l l ed a mb a s e ，s l o p ea n dc a v e mw a l lr o c k s r o c kw e a t h e r i n gb e c o m e so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp u z z l e si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ea n i c l ef o c u s e so n 咖d y i n gt h ee n g i i l e e r i n g c h 撇c t e r i s t i c sf o rw e a t h e r e ds a n d s t o n eo fx i a n 西i a b ah y d r o p o 、 ，e rs t a t i o n a n dag e n e t i c a i l a l y s i sf o r t h es a c c a t ew e a t h e r i n gw h i c hi sas p e c i a lw e a ：t 1 1 e r i n gi sg i v e ni nt l l et l l e s i s b y t h ei n d o o rp h y s i c a lt e s t s ，t h e d e g r e eo fi i l f l u e n c eo nr o c km e c h a i l i c a lp r o p e r t i e sb y w e a t h e r i n gi sa n a l y z e d w h a ti sd i s c u s s e di nt h i st h e s i si sa sf o h o w i n g 1 s a c c a t ew e a t h e d n g ，as p e c i a l 、v e a t h e r i n g ，a p p e a r si nx i a n 舀i a b ah y d r o p o w e rs t a _ t i o n b yx d i m a c t i o nt e s ta l l dt h e 锄a l y s i so fo t h e rt e s t i n gd a t al i k ei d e n t i f i c a t i o no fn a l ( e s ，t h e g e n e t i ca n a l y s i sa j l di n n u e n c i n gf a c t o r sf o rt h es a c c a t ew e a _ t 1 1 e r e ds t o n ea r eg i v e ni nm e t h e s i s b yt h er e s e a r c h e s ，t l l ef o 咖a t i o no fs a c c a t e 、e a t h e r i n gi sr e l a t e dt ot h em i n e m l c o m p o s i n go fm c ki t s e l eg e o l o g i cs t m c n l r e ，h y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n sa n dw a t e rc h e m i s t r y ， a i l dt h el i k e s o m es o l u b l ec o m p o n e n t si ns o m eh o r i z o nv a r yo b v i o u s l y ，i nw h i c hm e p e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fl i m ec a r b o n a t e i s u pt o 3 0 e n c l o s e db yt h es o l u b l e c o m p o n e n t s ，t h ec h i p p i n g sa r ev e r ) ，s u s c e p t i b l et oc o 玎o s i o n 2 b yt l l er o c ku 1 1 i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta n dr o c kt r i a ) ( i a lc o m p r e s s i o nt e s to fs t r o n g l y w e a t h e r e ds a i l d s t o n e s ，t h ed e g r e eo ft l l ei n n u e n c eo nr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e si s q u a n t i f i e d r e s e a r c hs h o w s ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n 醇ho fs a n d s t o n ed r o p s8 6p e r c e mb e c a u s e o ft h es t r o n gw e a t h e r i n gi nt l l er o c ku n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t y r o u n g sm o d u l u sd r o p s8 2 p e r c e ma n dd e f o n n a t i o nm o d u l u sd r o p8 1 p e r c e n t 1 1 1r o c kt r i a ) 【i a lc o m p r e s s i o nt e s tu n d e r 5 m p at h ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，t h ec o m p r e s s i v es n e n 班ho fs a l l d s t o n ed e c l i n eb y7 8p e r c e n t b e c a u s eo ft h es t r o n gw e a t h e r i n g y - o u n g sm o d u l u sd i o p7 8p e r c e n ta 1 1 dd e f o 肌a t i o n m o d u l u sd r o p7 1p e r c e n t c o h e s i v ef o r c ed e c l i n e sf r o m4 0 8 m p at o4 5 8 m p a ，w i t ha 1 18 9 p e r c e n td r o p w h i l et h ei n t e m a l 衔c t i o na i l g l ed e c l i n e sf r o m4 5 8 0t o4 3 2 0 ，w i t ha6p e r c e n t d r o p 3 c o n s i d e r i n gt h ei n n u e n c eb yw e a t h e r i n go nt h es t a b i l i t yo fu n d e 唱r o u n dc a v e m w h i c hl o c a t e so nm er i g h tb a n ko fx i a n 西i a b ah y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h es o r w a r ep r o g r a mo f a n s y si su t i l i z e dt ob u i l dt h et 、v o d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e l t h e n 姗m e r i c a lm o d e l i n g i si m p l e m e n t e db yu t i l i z i n gf l a cp r o g r 锄t h ed i s p l a c e m e n ta 1 1 ds t a b i l i 够i nd i a e r e n t c o n d i t i o n sa r ew o r k e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tw e a t h e r i n gc a nm a k eas t r o n ge f f e c to nt h e d i s p l a c e m e n ta 1 1 ds t r e s so f 、a ur o c ki nc h a m b e ra tt h er i g h tb a n ko fx i a n 西i a b ah y d r o p o w e r 英文摘要 似i o n w - e a m e r i n gc a l lc h a i l g et 1 1 ed i s p l a c e m e n ta n dc a u s ead i s c o n t i n u 埘o nt h ep a no f w e a t h e r e dr o c k s i tc a nc r e a t et e n s i o ns t r e s sn e a r 也ec a v e mt oi n n u e n c et h es 协b i l i t yo f c a v e m 锄da d j a c e n tr o c k k e yw o r d ：w e a t h e r e ds a l l d s t o n e ；e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ； m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s ； x i a n 西i a b ah y d r o p o w e rs t a t i o n ；u i l d e r 伊o u n dc a v e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：红焘垄二年 。占月 哆 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：趣鳌蓬 州年6 1 月i 弓 日 第一章绪论 第一章绪论 当前，我国水电开发处于前所未有的黄金时期，开发水电资源有着巨大的经济效 益和社会效益，在一个相当长的时期内，我国水力资源开发潜力十分巨大。我国的水 电资源主要集中在西南部地区，西南部地区不仅有丰富的水电资源，还有丰富的矿产 资源和其它资源，尽早开发西部水电资源可带动西部矿产资源开发及地区经济发展， 也必将促进全国经济持续发展【l 】。随着我国水电资源的开发，将要修建众多的巨型高 坝与水电站工程，目前在建或拟建的大型水利水电工程有长江三峡、溪洛渡、向家坝、 构皮滩、瀑布沟、黄河古贤、珠江龙潭、澜沧江小湾、糯扎渡等i i j 。国内高坝工程建 设与筑坝技术在本世纪将面临新的机遇与挑战，也将在现代高坝科学技术理论与应用 方面登上新的高峰。在水利水电勘查中坝址的选择等都与风化、卸荷等因素密切相关， 因而研究岩石的风化作用具有很大的工程价值。 1 1 研究背景及意义 近年来，随着我国国民经济的发展需要，许多大型水利水电工程已开始了大力的 兴建，而在很多工程中却普遍存在着因岩石风化而导致的坝基、边坡及洞室围岩稳定 性问题。例如，在水电站的兴建过程中常发现由于岩石风化造成了岩体结构完整性的 破坏和整体力学强度的降低，使得开挖后洞室围岩及边坡的稳定安全系数的明显减小。 通过单轴压缩试验以及三轴压缩试验的方法可初步获得风化岩的力学特性，并为进行 数值模拟工作提供数据支持。运用数值模拟方法对风化岩石的工程特性进行研究，可 更准确地对水电工程中考虑了风化、卸荷的岩体的稳定性进行预测。同时，在水利水 电勘查中坝址如何选择、边坡以及洞室围岩是否稳定等均与岩石风化因素密切相关， 因此，因而研究岩石的风化作用具有很大的工程意义。风化岩的工程性质研究是国内 外公路、铁路、桥梁、水电站建设工程中研究的主题。研究风化岩的工程特性有助于 更加合理地利用岩体与拟定地基、地下洞室及边坡开挖后的防护或改善措施，以加快 水利工程建设的步伐，因此，研究风化岩的工程特性具有重要的工程实际意义。 本文以向家坝工程( 见图1 1 ) 为背景，对向家坝水电站风化岩的工程地质特性进 l 河海大学硕十学位论文 行研究可满足工程实际要求：进行室内物理力学试验可获取风化岩力学参数；并通过 数值计算方法分析风化对向家坝右岸地下洞室中风化f 厄重的围岩稳定性的影响，具有 工程实际意义。 另外，不同的工程中岩石出现的风化形式与风化程度常不尽相同，并对 ：程产生 的影响程度也不同。岩石的风化是一个长期的历史过程，且形成相当复杂，对工程中 出现的风化现象进行成因机制的研究，在一i ：程上有着极其重要的意义。向家坝水电站 坝址区局部砂岩风化严重，岩石组织结构破坏，已形成囊状散粒细砂，抗压抗剪强度 迅速降低，水理性质恶化，极易崩解破坏，对工程稳定影响较大，可能威胁建筑物的 安全。并且在向家坝右岸地下j 房洞室围岩巾夹层风化严重，易造成工程建设的困难。 因此，如何解决类似问题已成为目前水电站建设中遇到的一大难题。 1 2 国内外研究现状 图1 1 在建中的向家坝工程地质图 岩石风化的研究一直以来都是工稃地质和岩土界研究的重要内容之一。困内外许 多专家、学者和工程技术人员，已从工程实际出发对风化岩进行了深入细致的研究， 形成了较强的现场判断能力和室内资料的分析能力，积祟了大量的理论及实践经验， 为风化岩的工程地质研究提供了丰富的素材。近年来，围内外学者围绕风化岩石的分 带问题及风化岩的特性、形成机制、影响和利用问题等进行了卓有成效的研究。 工程地质工作者最初足以定性为主来研究划分岩体风化带。在6 0 年代以前，人 们主要通过肉眼观察和地质锤的敲击卢米判断划分岩体风化带。在早期，工程规模相 对较小，采用定性描述划分研究岩体风化带町基本上满足工程要求。6 0 年代以后，在 工程地质者的多年研究总结下，彳i 断将能反应岩体风化特征的量化指标引入岩体风化 第一章绪论 带划分方案中，量化指标包括岩石孔隙、抗压强度、回弹系数与点荷载强度等【2 1 。廖 颜萱3 1 1 9 9 4 年提出了风化岩分带的指标定量。聂德新嗍等总结出风化岩体中裂隙数量、 岩体块度的变化与岩体风化程度的对应关系，从而能利用岩体裂隙间距、岩体完整性 指标等对岩体较好地进行风化分带。向桂馥【5 】通过对某电站风化花岗岩的点荷载试验 所获得的风化抗拉强度指数，和地震波波速，总孔隙度、吸水率等与风化分带进行相 关性分析，得出利用点荷载方法可以直接地进行风化岩体分带，并可以确定不同风化 带的一些物理力学性质指标。但是由于引入的定量测试指标并不能较全面地反映岩体 的工程特性，因此，一些工程地质专家提出了用特征指标来划分岩体风化带的方案。 1 9 7 6 年，p a n o nd e e r e 【6 】提出了采用r q d 、岩心采取率、渗透率等定量特征指标来划 分岩浆岩、变质岩的风化带；w r 迪尔曼在花岗岩风化带划分研究中采用r q d 、岩 石揭示程度、金刚石钻进速度、渗透率、纵波波速、电阻率等定量指标。这些岩体风 化带划分方案使岩体风化问题的研究实现了向定量化发展的大飞跃。同样，我国在岩 体风化问题的定量化研究方面也取得了引人注目的成就，如在三峡大坝坝址岩体风化 的研究中，引入了岩石抗压强度、点荷载强度、声波、地震波、回弹指数等定量指标 来划分岩体风化带。在我国颁布的风化岩体划分标准中，首次将“波速比纳入新标 准。波速比的引入，不仅使岩体风化带更易划分，而且在岩体风化带划分方案中反映 了岩体完整性和岩体结构的变化1 2 j 。 国内学者肖诗荣【7 j 研究了三峡坝区风化岩体的工程利用问题，分析总结了三峡坝 区风化岩体的工程地质特征，并从大坝建基岩体、工民建地基、建筑材料等方面研究 了风化岩体的可利用问题。 范大林等【8 】对红山窑水利枢纽工程中的强风化砂岩进行了室内物理力学性质测试 和膨胀性能试验研究，试验成果为该工程的设计、施工提供了科学依据。另有文献9 之8 】 中亦进行过这些方面的研究。 此外，国外学者p y e 与k 、m i l l e r 【2 9 1 ，o n o d e r atf 、y o s h i n ar 与o d am 【3 0 1 ， d u z g o r e n a y d i nns 、a y d i na 与m a l p a sj 【3 ，g u p t aa s 与i h oks 【3 2 1 ，e h l e nj 【3 3 1 、w rd e a r m a n ，fjb m 烈e s 与tyi r f a n 【3 4 】等也进行过相关方面的研究工作，取得 了一些进展。 囊状风化是风化作用的一种形态，向家坝工程坝址区岩石的风化形式较特殊，在 砂泥岩地层中存在有大量不常见的囊状风化，且分布较广，对工程的稳定性有一定的 河海大学硕士学位论文 影响。对囊状风化的研究中尚未见专门对其形成机制的研究，仅在一些期刊被提及。 刘广润【3 5 】将囊状风化定义为在横向剖面上深入于周围风化较弱的岩体中间作囊袋状 存在的较强风化岩体。巨广宏【3 6 】认为，岩石的囊状风化是由于在表部有植物根系的破 岩而生或长大节理的日渐侵入而形成的。王运生，黄润秋，天士天等【37 j 认为囊状风化 带多沿断层交汇带、节理密集带、岩性变化部位发育。出现在好岩体内部的囊状风化 现象主要出现在断层与裂隙的交汇处，因裂隙发育，岩体破碎，岩体与地下水接触面 积大，有利于风化作用的进行。李连虎f 3 8 】提出，泥砂状的囊状风化带常形成与于扭张 断裂带之中，且囊状风化带中的空隙中易充满地下水，一旦揭穿，由于水量丰富、水 压大，会形成携带大量泥砂的涌水。欧作畿【3 9 】得出引起风化作用的根本原因是岩石所 处环境的改变。在岩体局部矿物成分和颗粒结构差异以及节理密集带等的抗风化能力 较周围岩石低，故在局部形成风化较强的囊状风化。对囊状风化的成因机制的详细研 究工作尚未有见研究者从事。 对风化岩成因成因的研究方法主要是通过各种试验手段分析和对地质资料的分 析。从岩性、地质构造、水文地质条件、水化学作用等方面进行。很多试验方法己被 国外的研究者所用。m 撕e f r a n e o i s ea n d r 6 ， k e v i nh a l l ，p a s c a lb e n r a n 【4 0 j 等曾运用 薄片鉴定、j - a 提出的x r d 与s e m 法进行过研究。 研究风化岩的工程特性有助于更加合理地利用岩体与拟定地基、地下洞室及边坡 开挖后的防护或改善措施，以加快水利工程建设的步伐，因此，风化岩的工程性质研 究也是国内外公路、铁路、桥梁、水电站建设工程中研究的主题。 目前，对岩石的工程特性的研究方法已经有了很大的发展，岩石的特性是指它自 身的物理组成或试验状态下的力学反应。研究岩石的工程特性一般从工程应用角度去 认识它们各自的物理力学性质。风化岩能否满足工程荷载的要求，关键在于它的变形 模量和强度参数能否保证建筑物的稳定。近年来在风化岩物理力学性质以及工程地质 特性等方面的研究取得了很大的进展，国内外学者们已经从多方面多角度对风化岩的 工程特性的本质进行研究。风化岩在一定赋存环境下表现出相应的物理力学特征，即 风化岩的物理力学性质具有环境效应特征。国内外学者h o e k ( 1 9 6 5 ) 、m a r s l a n d ( 1 9 7 1 ) 、 孙广忠f 4 1 1 、周瑞光针对风化岩的湿化效应、结构面效应、围压效应等方面的特征做了 大量的研究，并取得了一定成果。风化岩的工程地质研究在几十年以来取得了很大进 展。纪文奇【4 2 】等对泥岩风化物的工程特性进行分析探讨，引用工程实例结果，提出了 4 第一章绪论 确定泥岩风化物工程性质的方法。张万圭【4 3 】根据岩体风化程度划分标准，对云南某电 站坝址区深厚风化岩体的特点及形成原因进行了介绍，结合现场原状样试验及室内试 验的成果进行比较，对其全风化岩体的物理性质及力学参数提出了分析及评价，并对 电站坝型选择、坝基开挖深度及边坡丌挖提出了建议。但是同时也存在不足，通过试 验获得的参数过程中还未考虑风化岩的赋存环境，国内学者聂德新【4 j 、张咸恭、韩文 峰早已强调指出，在软弱岩带进行工程地质评价时，必须考虑应力状态，用解除围压 的试样获得的强度，或是松动圈内的原位测试成果必然会严重失真。因此，要使风化 岩物理力学参数具有可靠性和代表性，就应当以风化岩特定的赋存环境条件为基础， 使所获得的物理力学参数更具现实意义。 在岩石力学高速发展的今天，研究岩石工程特性的方法也愈加完备。现场原位试 验与室内物理力学试验等试验方法、数值模拟法、模型计算法等现已被广泛地应用到 获取岩石力学参数中，从而对岩石的工程特性进行分析评价，解决了很多工程建设中 的实际问题。 实验室试验可以确定岩石强度，即单轴或三轴压缩变形过程中的峰值应力。而强 度和屈服是个非常重要的概念，通常用于描述岩石强度的准则有三种：库伦准则、莫 尔准则以及修正的g r i 伍m 或m c l i n t o c k w 矾s h 准则。而莫尔或格里菲思准则在t 6 。曲 线图上斜率的下降基本上就是屈服准则了。c u n d a l lp a ，s t r a c k0 d “4 4 1 、n i x o npj 【4 5 1 、 b r o 、 ，i let 【4 6 1 、d u n c a l ljm 【4 7 1 、h u d s o nj o l 1a 【4 8 1 、t a i l gca 【4 9 1 、y st o u l o u k i a i l ，wr ， j u d d 【5 0 】等国外学者对岩石的工程特性做过不同程度的研究。 1 3 存在的问题 目前，关于岩石风化问题的研究虽然取得了很大发展，但是由于不同的工程技术 人员针对不同的工程所关心的角度不同，各种期刊专著中尚未有对岩石囊状风化的成 因机制进行深入的研究。向家坝水电站坝址区无规律分布着大量的囊状风化砂岩，对 工程各部位有着较大的影响，分析向家坝工程中的囊状风化砂岩的成因规律是对砂岩 风化规律深入研究，有助于分析差异性风化对岩石完整性及其稳定性造成的影响。 如果对风化岩石的特征和规律以及工程特性认识不足，就容易导致工程设计与施 工处理的不合理，造成不必要的损失或浪费，增加了投资，延缓了工期，甚至对工程 造成潜在威胁。 气 河海大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 本论文主要研究金沙江向家坝水电站坝址区的砂岩，拟结合施工地质、物理力学 试验和数值力学分析方法，从地质和力学多角度同时进行探讨砂岩的风化机理以及风 化岩的工程特性。 向家坝水电站风化砂岩工程特性研究 工程地质学 风化岩t 程地质特性研究 砂 岩 风 化 分 带 砂 岩 风 化 规 律 囊 状 风 化 的 成 因 风化作用对岩石 特征的影响 室内物理力学试验研究 石 石 的 轴 压 缩 试 验 岩 石 的 单 轴 压 缩 试 验 砂岩与风化岩的各项力学参数 风化作用对岩石 参数的影响程度 建立二维物理模型 考虑风化作用的影响 岩自 的重 变应 形力 及作 稳用 定下 性围蕤 风化作用对 工程岩体稳 定性的影响 确定风化作用对- l 程岩体的影响程度 评价风化砂岩的工程特性 图1 2 本文研究思路及技术路线 本文将运用转靶x 射线衍射仪，将砂岩原样和风化样进行定性物相分析，确定蚀 变岩石的物质组成及矿物转变特征，通过对砂岩风化前后不同衍射图像和所含不同矿 物的对比分析，并结合现场及其他室内试验资料，分析得到向家坝囊状风化砂岩的成 6 第一章绪论 因机制。另外，对所取得的强风化岩样与一般砂岩样进行物理力学试验，并对试验所 得力学参数进行对比，分析岩石强风化作用对岩石力学性质的影响程度。最后，运用 a n s y s 软件对洞室实例进行数值模拟，考虑围岩内差异性风化作用的影响，通过有限 差分程序计算洞室的变形及稳定性，分析风化作用对向家坝风化砂岩地下洞室稳定性 的影响。本文的技术路线如图1 2 所示。 研究内容如下： ( 1 ) 对向家坝风化砂岩的空间分布特征和风化规律进行了研究，分析了其中夹有 大量随机分布的囊状风化砂岩的成因机制和影响因素。 ( 2 ) 对向家坝风化砂岩力学特性进行了研究，包括其物理化学性质、力学性质及 其变形性质等。 ( 3 ) 对向家坝地下洞室风化砂岩的稳定性进行了研究。 7 河海大学硕士学位论文 第二章向家坝风化砂岩的特征及形成机制 2 1 工程地质背景 向家坝水电站是金沙江干流梯级开发的最下游一个梯级电站，电站坝址横跨川、 滇两省，左岸位于四川省宜宾县和屏山县境内，右岸属云南省水富县管辖。电站地理 位置适中，居西南腹地川、滇、黔三省结合部，为长江经济带与攀西六盘水资源开发 区的交汇点，区位优势显著。工程建设有较好的城市依托，毗连水富县城，下距宜宾 市3 3 k m 。坝区右岸沿江公路上通绥江、永善县城，下达宜宾市；水路目前常年通航 3 0 0 t 驳轮编组船队，v 级航道己延至上游7 5 k m 处的新市镇，水富至宜宾市现为级 航道；内昆铁路( 经水富县城) 已经建成通车；宣宾航空港也己建成二级机场；交通 条件十分优越【5 。 坝址控制域面积4 5 8 8 万k m 2 ，多年平均流量4 5 9 0 m 3 s ，年径流量1 4 5 7 亿m 3 。正 常蓄水位3 8 0 0 0 m ，总库容5 1 6 3 亿m 3 ，水库回水与上游溪洛渡梯级衔接。向家坝水 电站总装机容量6 0 0 0 m w ，具有发电、航运、防洪、灌溉等综合利用功能【5 1 j 。枢纽建 筑物主要由混凝土重力坝、左岸坝后厂房、右岸地下厂房、左岸通航建筑物和两岸灌 溉取水口组成。拦河大坝坝型为常态混凝土重力坝，设计坝顶高程3 8 3 0 0 m ，最大坝 高1 6 1 0 0 m ，坝项长度9 0 9 2 6 m 。按功能分段，从左至右分别为：左岸非溢流坝段、左 岸升船机坝段、左岸坝后厂房坝段、河床溢流坝段和右岸非溢流坝段。 2 1 1 地形地貌 坝址位于向家坝峡谷河段出口处，河流大体自西向东流，河谷形态呈不对称的“u ” 型，底宽5 0 0 m 左右。常年河水位2 6 6 5 0 m 时，主河槽在右侧，水面宽度1 6 0 一2 2 0 m ， 水深3 1 0 m 。河床左侧为砂砾石堆积的大滩坝，长度约1 5 0 0 m ，宽度2 0 0 一3 0 0 m 。高程 3 8 0 m 时河谷宽度约8 2 2 m 。坝址两岸地形整齐，除左岸下游的磨刀溪外无较大冲沟切 割。两岸山势总体向下游倾斜，岸坡微地貌形态受地层岩性控制呈阶坎状，由厚层至 巨厚层砂岩组成的t 3 m 和t 3 4 等岩组出露地段多形成陡坎，泥质岩石含量较高、单层 8 第二章向家坝风化砂岩的特征及形成机制 厚度较薄的t 3 3 和j 1 2 ：岩组分布地段构成缓坡，陡坡段基岩裸露，缓坡段被第四系崩 坡积物或残坡积物覆盖。左岸边坡走向约2 9 0 0 ，坡顶前缘高程3 7 5 0 0 5 7 5 0 0 m ，临江 坡高1 0 5 3 0 5 m ，自然坡度平均为2 5 0 - 5 0 0 ；右岸边坡走向由3 0 0 0 逐渐偏转至3 4 0 0 ，向 下游敞开，坡顶前缘高程4 0 0 0 0 一5 7 5 0 0 m ，临江坡高1 3 0 3 0 5 m ，自然坡度平均为 2 8 0 - 6 4 0 。坝轴线下游河床右侧分布有一片基岩高漫滩一礁滩，礁顶高程2 7 8 0 0 m f 5 1 1 。 坝址河床基岩顶板的总体形态是下游高上游低、中间高两侧低。即河床基岩顶板 略微倾向上游，并且在两侧存在较连贯的凹槽。 2 1 2 地层岩性 坝址区基岩主要为三迭系上统须家河组( t 3 x i ) 的砂岩夹泥质岩石，三迭系中统雷 口坡组( t 2 1 ) 灰岩深埋于坝基以下( 埋深大于2 6 0 m ) ，两岸谷坡上部和下游引航道 边坡分布侏罗系中下统自流井组( j j - 2 ：) 红层。河床和两岸缓坡段的基岩表面覆盖有第 四系不同成因的松散堆积物。现将地层由老至新简述如下f 5 l 】。 ( 1 ) 三迭系中统雷口坡组( t 2 1 ) 下伏于坝址河床基底，在坝基的埋深超过2 6 0 m ，坝址地表没有露头。据坝区少数 深孔揭露，该岩组总厚1 8 0 2 3 4 m ，分2 个岩性段，下段岩性主要为白云质泥岩和泥质 白云岩；上段以灰岩、白云质灰岩为主，夹少量泥质灰岩。与上覆地层呈假整合接触 关系。 ( 2 ) 三迭系上统须家河组( t 3 x j ) 系一套河湖、沼泽相沉积的砂岩、泥岩含煤地层，岩性岩相变化大，交错层理发 育。按沉积规律和岩性特征，须家河组可分为4 大岩组( t 3 1 t 3 4 ) ，其中t 3 1 、t 3 3 岩 组泥质岩石含量相对较多，t 3 2 、t 3 4 岩组以厚层砂岩为主。 t 3 1 岩组：为灰至灰黑色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩夹粉细砂岩和细砂岩，厚 度1 0 5 m 左右。分布在河床深部。 t 3 2 岩组：总体上为灰白色厚至巨厚层状中细至中粗粒砂岩夹粉细砂岩及泥质岩石 透镜体，局部含煤线。可再分为6 个亚组( t 3 2 t 3 2 石) 。 t 3 玉1 亚组：以灰白色中厚至厚层状中、细砂岩为主，顶部夹泥质粉砂岩、粉砂岩 及泥岩团块或小透镜体，局部含煤线，厚度2 5 3 0 m 。 t 3 2 之亚组：以灰白色厚层状细至中粒砂岩为主，夹薄层细砂岩和透镜状粉砂岩、 9 河海大学硕士学位论文 粉砂质泥岩及煤线，厚度7 5 10 4 m 。 t 3 2 。亚组：为灰至深灰色薄层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩和粉细砂岩、 细砂岩透镜体，厚度2 一1 3 m ，左岸厚，右岸薄，局部可能尖灭。 t 3 2 4 亚组：为浅灰至灰白色中厚至巨厚层状中细至中粗粒砂岩夹薄层细砂岩、粉 砂岩及粉砂质泥岩透镜体，厚度2 5 3 5 m ，左岸较薄，右岸较厚。 t 3 2 。5 亚组：为灰至灰黑色薄层状的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩和粉细砂岩 透镜体，厚度0 5 8 m ，一般左岸厚，右岸薄，局部可尖灭。 t 3 2 。6 亚组：以厚至巨厚层砂岩为主，夹少量薄层或透镜状粉砂质泥岩。从沉积学 角度分析，该亚组存在4 个沉积韵律层。由于沉积环境的差异，它们的岩性特征和岩 层厚度稍有区别，进一步细分为4 个岩性段，即t 3 2 岳1 一t 3 2 石4 。该亚组岩层总厚度 1 3 0 一1 7 8 m 。在坝址区t 3 2 击亚组的岩石条件相对较好，被选作大坝持力层和洞室围岩。 t 3 2 岳1 为浅灰至灰白色中厚、厚层状中细砂岩夹薄层细砂岩、粉砂岩，顶部亦有泥 质粉砂岩、粉砂质泥岩透镜体，该岩性段厚度2 8 4 2 m 。 t 3 2 柏主要为灰白色厚至巨厚层状中细至粗粒砂岩，顶部分布有薄层状泥质粉砂 岩、粉砂质泥岩透镜体，底部有含砾粗砂岩，该岩性段厚度3 2 4 6 m 。 t 3 2 岳3 以灰白色厚至巨厚层状中细至粗粒砂岩为主，顶部见薄层状泥质粉砂岩、粉 砂质泥岩透镜体，底部有含砾粗砂岩，该岩性段厚度3 4 4 8 m 。 t 3 2 击4 为灰白色厚至巨厚层状中细至中粗粒砂岩，底部见含砾粗砂岩，该岩性段厚 度3 6 4 2 m 。 t 3 3 岩组：岩性为中细砂岩、粉细砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩， 并含有7 个薄煤层，颜色呈灰色、深灰色。据实测剖面统计，该层总厚度9 0 1 2 0 m ， 其中泥质岩石层数多、层厚薄，累计厚度占总厚度的2 0 左右，煤层一般厚度l o 一3 0 c m ， 且两岸的煤层均有不同程度开采。 t 3 4 岩组：为灰白色厚至巨厚层状中细至中粗粒砂岩，厚1 5 3 5 m 。 ( 3 ) 侏罗系中下统自流井组( j l - 2 z ) 岩性为薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和粉砂岩夹中厚至厚层细砂岩，下部岩石呈 灰色或深灰色，上部为紫红色，岩层总厚度2 5 卜2 5 4 m 。 ( 4 ) 第四系松散堆积物( q 4 ) 按成因可分为河流冲积物、崩坡堆积物、残坡积物和人工堆积物等。河流冲积物 主要为卵砾石夹砂和砂层，局部夹有崩石、块石；分布于河床和两岸阶地上；河床覆 1 0 第二章向家坝风化砂岩的特征及形成机制 盖层的一般厚度1 0 一5 0 m ，总体规律是：上游厚下游薄，两侧厚中间薄。崩坡积物由块 石、碎石和砂壤土组成，主要分布在右岸坡脚地带。残坡积物为含碎石砂壤土或粉质 粘土，分布在两岸的缓坡段。人工堆积物系指t 3 3 岩组采煤的弃碴，分布在t 3 3 地层出 露的缓坡地段。 ( 5 ) 岩石矿物成分 坝址砂岩主要是岩屑石英砂岩和长石石英砂岩，岩石的矿物成分较简单，其中石 英约占8 0 ，长石5 ，岩屑1 0 ，杂基5 。砂岩多呈孔隙式胶结或接触一孔隙式胶 结，常见胶结物有钙质、铁质和硅质，一般属砂状结构，块状构造。 2 1 3 地质构造 坝址区位于糖房湾短轴背斜东倾伏段，发育有立煤湾膝状挠曲带，并伴生或派生 一些小型断层和节理裂隙。各构造的主要特征如下【5 。 ( 1 ) 立煤湾挠曲带 立煤湾膝状挠曲从西北角的左岸立煤湾沟进入坝址区，延伸到坝址东南角，斜贯 坝址，长度约2 k m 。从坝址基岩表面的岩层产状分布图( 见图2 1 ) 分析，挠曲带的枢 纽在河床钻孔z k l 6 2 、z k 3 3 0 、过河平洞0 + 1 7 0 m 、z k 2 3 4 、河底平洞o + 1 7 5 m 及z k 2 2 7 一带通过，方向3 3 0 0 左右，向s e 倾伏，倾伏角约1 4 。其s w 翼展布于坝址右岸与河 床右侧，岩层走向n e 、倾向s e ( 即右岸偏下游) 、倾角1 5 0 一2 0 0 ；n e 翼展布于坝址 左岸与河床大部分地段，岩层走向n w 、倾向n e ( 即左岸偏下游) 、倾角2 0 0 _ 3 0 0 。 核部岩层近南北走向，大体倾向下游，倾角大于4 0 0 ，甚至近于直立。由此可见，立 煤湾膝状挠曲空间形态复杂，挠曲岩层向三面倾斜，且倾角不稳定，其剖面形态类似 膝状，如图2 2 所示。膝状挠曲核部的岩层陡倾带上游窄、下游宽，见图2 3 、图2 4 。 坝踵部位宽约8 0 m ，坝趾部位宽约1 5 0 m 。陡倾带内层间错动破碎夹层和节理裂隙发育， 岩体完整性差。 ( 2 ) 断层 坝址两岸地形整齐，基岩露头良好，岩层连续分布，两岸地层对应，没有明显错 位。河床部位大量钻孔、以及河底平洞和过河平洞均未揭露到大规模的断层破碎带。 纵横交错的物探剖面也没有发现连贯性好、规模较大的异常带。因此综合分析认为， 坝址区无区域性断层。河底平洞和过河平洞的勘探资料说明在坝址上游左岸p d 9 平洞 河海大学硕士学位论文 揭露的f 3 断层没有进入坝基。 从坝址两岸勘探平洞所揭露的小断层和由河床勘探钻孔揭露的破碎带推测的小断 图2 1 坝址区基岩面岩层产状分布图 层统计，坝址区共揭露3 0 条小断层，断裂构造的发育特征表现出明显的区位差异。挠 曲带核部断层较密集，以n w w 走向为主，多数表现为压扭性质，断层破碎带宽度和 1 2 第二章向家坝风化砂岩的特征及形成机制 延伸长度相对较大；挠曲带n e 翼次之，断层走向主要是n ei 句，一般属正断层性状， 断层规模较小；挠曲带的s w 翼断层不发育。坝址区分布的n w w 和n e 向2 组小断 层的特征如下： a ) n w w 组：产状2 8 0 。3 0 0 。s w 么7 0 。8 0 。，共有1 0 条，以疋2 、3 最具代表性。 矽7 、，一 tp 图2 2 立煤湾膝状挠曲剖面形态图 4 0 5 5 04 0 6 0 04 0 6 5 04 0 7 0 04 0 7 5 04 0 8 0 0 f ：一岩层倾角等值线圈岩层陡倾带 图2 3 坝基2 0 0 m 高程岩层陡倾带分布图 m l 河海大学硕十学位论文 f 2 2 、f 2 3 相距仅3 8 m ，延伸长度分别达到6 0 0 m 和3 0 0 m 。断层破碎带及影响带宽度均在 5 一1 0 m ，破碎带由碎块岩、岩屑及粉砂质粘土组成，其中的碎块岩风化强烈，大多已 疏松，岩样成砂粒状。其它的规模则桐对较小，延伸长度在百米左右，破碎带宽 0 1 1 0 m 。 f 习岩层倾角等值线圈岩层陡倾带 图2 4 坝基2 2 0 m 高程岩层陡倾带分布图 b ) n e 组：产状3 0 。一5 0 。n w ( s e ) 么6 5 。一8 0 。，共有2 0 条，以“6 、f 1 8 和龟1 最具 代表性。该方向组的断层破碎带一般宽5 4 0 c m ，由呈疏松状态的碎裂岩及岩屑组成， 影响带宽1 3 m ，由碎裂岩组成。 据分析，进入坝基的断层有1 0 条，其中溢流坝段和升船机坝段相对较集中。 ( 3 ) 节理裂隙 8 0 0 0 多条节理裂隙的调查统计成果表明，坝址区节理裂隙的发育特征亦表现出明 显的构造区位性差异。以礁岛为代表的岩层陡倾带节理裂隙最发育，左岸次之；右岸 1 4 第二章向家坝风化砂岩的特征及形成机制 节理相对不发育，岩体完整性好。 从构造区位划分，河床右侧与右岸同属挠曲带的s w 翼，河床左侧与左岸同属挠 曲带的n e 翼，因此其节理发育状况分别与两岸岸坡具有相似特性，只是离挠曲带枢 纽愈近，节理裂隙可能较发育。通过岸坡岩体节理裂隙的调查统计，可以分析判断河 床两侧节理裂隙的发育情况。 曲左岸节理统计 左岸地表和平洞裂隙共统计2 6 9 0 条，其中陡倾角节理1 8 9 9 条，占7 0 5 9 ；中倾 角节理6 3 5 条，占2 3 6 ；缓倾角节理1 5 6 条，占5 8 0 ，缓倾上游的3 4 条、缓倾下 游的1 2 2 条。优势节理裂隙的走向主要为2 8 0 0 一3 0 0 0 和6 0 0 一8 0 0 两个方向组，前者更发 育些。据平洞统计，裂隙线密度为2 5 条m ，说明节理裂隙较发育。 b ) 右岸节理统计 右岸地表和平洞裂隙共统计3 1 7 2 条，其中陡倾角节理2 0 5 7 条，占6 4 8 5 ；中倾 角节理9 9 5 条，占3 1 3 7 ；缓倾角节理1 2 0 条，占3 7 8 ，缓倾上游的2 0 条，缓倾 下游的1 0 0 条。优势节理裂隙走向主要为6 0 0 _ 8