（地质工程专业论文）湖北崔家营航电枢纽红层坝基工程地质特性研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 捅姜 随着人类科学的不断发展和环保节能思想的深入人心，人们已经不再任由火力发电模 式一统天下的局面持续下去，而由于核电技术的安全系数和推广难度的限制，水力发电便 成了首选，且径流式航电工程能集防洪、发电、航运和旅游于一身，一项工程，多种用途。 但是由于径流式水电工程是利用水头差发电，水工建筑物的安全问题便显的至关重要，而 与之息息相关的是坝基的工程地质条件。 在各种基础地层类型中，红层地基属于包含多种不良地质现象，最复杂的地基类型之 一，在我国西南、西北、华中及华南地区分布广泛。红层的基本特点是地质年龄相对较轻， 岩相变化大，并含透镜状或薄层钙泥质砾岩夹层，还常见如石膏等易溶岩类，成岩作用差， 强度低，地层岩性复杂，会形成溶蚀风化、软化泥化等地质现象，存在不均匀变形、抗滑 稳定、渗漏等工程地质问题。 本文将以湖北汉江流域崔家营航电枢纽工程为例，研究分析了红层坝基工程地质特 性，并根据工程勘察数据，对该工程坝基变形进行数值模拟，对模拟得出其沉降变形量进 行分析，进而提出可操作的坝基加固方案，并对加固试验结果进行效果检测。本文主要内 容分述如下： 1 从地质作用的角度较深入的分析中国红层形成的地质年代及背景，阐述红层形成 所必须的地貌条件和气候条件，得出本文的研究分析对象湖北江汉平原红层起源于晚白垩 纪第三纪时期形成的江汉大型沉陷盆地，属于碎屑沉积。 2 以坝址地基为突出点，从地形、地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、各 种自然地质现象、岩土物理力学特性等方面分析崔家营航电枢纽工程红层地基工程地质条 件；着重从软弱夹层和岩溶方面分析了红层坝基存在的主要地质问题，分析其成因及影响 因素，并给出减少这两种不良地质问题影响的建议。 3 根据该工程项目红层坝基的工程地质特性及试验所得的岩石力学参数，首先运用 非连续介质的变形方法即d d a ( 非连续性变形分析) 方法进行定性分析；再运用拉格朗日 元法f l a c 程序建立坝体坝基模型，对坝基沉降进行定量模拟分析，并提出坝基加固优化 方案。 4 简要分析适合的地基处理方法，介绍固结灌浆试验，对试验数据进行分析总结， 分别运用非线性有限元模拟和声波法对固结灌浆法对红层坝基的加固效果进行模拟和检 测，并对模拟和检测结果进行分析总结。 5 总结本文的研究成果，指出其中的不足和缺憾，给出岩土工程分析的发展方向和 个人在以后的工作中需要学习和解决的重点。 关键词：红层坝基工程地质条件d d af l a c 固结灌浆非线性有限元声波 检测 桂林工学院硕 士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fh u m a ns c i e n c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n e r g y c o n s e r v a t i o n t h i n k i n go ft h ep e o p l e ，p e o p l ea r en ol o n g e ra l l o w e dt ot h e r m a l m o d e ld o m i n a t i n g t l l ew o r l ds i t u a t i o nc o n t i n u e s ，a n da st h es a f e t yf a c t o ro f n u c l e a rp o w e rt e c h n o l o g ya n dt h e d i f f i c u l t yo fp r o m o t i n gt h er e s t r i c t i o n s ，h y d r o p o w e rh a sb e c o m e t h ef i r s tc h o i c e ，a n dt h er u n o f f o fa v i o n i c sp r o j e c tt oc o l l e c tf l o o dc o n t r o l ，p o w e rg e n e r a t i o n ，s h i p p i n ga n dt o u r i s mi n 氐ap r o j e c t , av a r i e t yo fu s e s b u t ，d u et or u n o f f - h e a dh y d r o p o w e rp r o j e c ti sap o o ru s eo fp o w e r ，h y d r a u l i c t h es a f e t yo fb u i l d i n g s ，i tw a sv i t a l ，a n di ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ef o u n d a t i o no fe n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nt h ef o r m a t i o no fv a r i o u st y p e so ff o u n d a t i o n ，t h ef o u n d a t i o no ft h er e dl a y e rc o n t a i n sa v a r i e t yo fa d v e r s eg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n ，t h em o s tc o m p l e xt y p eo f f o u n d a t i o ni nt h ec o u n t r y s s o u t l l w e s t ，n o r t h w e s t ，c e n t r a la n ds o u t hc h i n a a r ew i d e l yd i s t r i b u t e d r e di st h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e o l o g i c a la g eo fr e l a t i v e l yl i g h t , f a c i e sc h a n g e s ，a n dw i t ht h i nl e n t i c u l a ro r c a k ；i u ms h a l ec o n g l o m e r a t ed i s s e c t i o n ，s u c ha sg y p s u m ，a n do t h e rc o m m o n k a r s te a s yc a t e g o r y ， d i a g e n e s i sp o o r , l o wi n t e n s i t y ，r o c ks t r a t ao f t h ec o m p l e x ，w i l lf o r md i s s o l u t i o nw e a t h e r i n g ， s o f t e n e dc l a ya n do t h e rg e o l o g i c a lp h e n o m e n a , t h e r eu n e v e nd e f o r m a t i o n ，s t a b i l i t ya g a i n s t s l i d i n g ，e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e m ss u c ha sl e a k a g e t h i sp a p e rw i l lb eh a n j i a n gr i v e ri nh u b e ic u i j l a y i n gh y d r o - j u n c t i o np r o j e c tw o r k sa sa n e x a m p l e ，t h ea n a l y s i so f t h er e dl a y e rf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di n a c c o r d a n c ew i t he n g i n e e r i n gs u r v e yd a t a , t h ee n g i n e e r i n gf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h es i m u l a t i o no b t a i n e dd e f o r m a t i o no f as e t t l e m e n ta n a l y s i s ，a n dp r o c e e d e d t op u t f o r w a r do p e r a t i o n a lf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tp r o g r a m m e ，a n dr e i n f o r c e m e n te f f e c to f t h et e s t r e s u l t s t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ec o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 f r o mt h eg e o l o g i c a lp o i n to fv i e wam o r ei n - d e p t ha n a l y s i so f c h i n a sr e dl a y e ra n dt h e f o r m a t i o no ft h eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n d ，o nt h er e dl a y e rt ob ef o r m e db yt h et o p o g r a p h ya n d c l i m a t i cc o n d i t i o n s ，t h a tt h ea n a l y s i si nt h i sp a p e ro nt h ej i a n g h a l lp l a i ni nh u b e io r i g i no f t h e r e dl a y e rt ot h el a t ec r e t a c e o u st e r t i a r yj i a n g h a nf o r m e di nt h ep e r i o do fl a r g e - s c a l es u b s i d e n c e b a s i n ，a r ec l a s t i cd e p o s i t i o n 2 t ot h ef o u n d a t i o nf o rt h ed a ms i t eh i g h l i g h t sf r o mt h et o p o g r a p h y ，g e o m o r p h o l o g y ， l i t h o l o g y ，g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，h y d r o l o g i c a la n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，n a t u r a lg e o l o g i c a l p h e n o m e n o n , t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o c ka n ds o i la n a l y s e sc u i j i a y i n g h y d r o - j u n c t i o np r o j e c tp r o j e c t l a y e rf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gg e o l o g y ；d i s s e c t i o n ，f r o mt h e w e a k s i d ea n dk a r s tf o u n d a t i o nl a y e ro fr e da r et h em a i ng e o l o g i c a lp r o b l e m s ，t h ea n a l y s i so f i t sc a u s e s a n de f f e c t s ，a n dt h e s et w oa r eg i v e nt or e d u c ea d v e r s ee f f e c t so ft h eg e o l o g i c a lp r o b l e m s 1 i 桂林工学院硕士学位论文 3 a c c o r d i n gt ot h ef o u n d a t i o no f t h ep r o j e c t t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dt e s tp a r a m e t e r sf r o mt h er o c km e c h a n i c s ，f i r s to fa l l ，t h eu s eo fn o n c o n t i n u o u sm e d i u m d e f o r m a t i o nm e t h o dt h a td d a ( n o n - c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) m e t h o df o rq u a l i t a t i v e a n a l y s i s ；l a g r a n g i a nm e t h o d t ou s ef l a cp r o c e d u r e sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed a m f o u n d a t i o nm o d e l ，t h ef o u n d a t i o no ft h e s e t t l e m e n tq u a n t i t a t i v es i m u l a t i o na n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o nf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tp r o g r a m m e f 4 b r i e fa n a l y s i sf o r t h ef o u n d a t i o na p p r o a c ho nc o n s o l i d a t i o ng r o u t i n gt e s t ，t h et e s td a t a a r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ，t h e ya r en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n da c o u s t i cm e t h o d c o n s o l i d a t i o ng r o u t i n gm e t h o do ft h er e dl a y e rf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n te f f e c ts i m u l a t i o na n d t e s t i n g ，a n ds i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t so ft h ea n a l y s i sc o n c l u d e d 5 t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e s u l t so f r e s e a r c ho n ，w h i c hp o i n t e do u tt h ed e f i c i e n c i e sa n d s h o r t c o m i n g s ，i st h ed e v e l o p m e n to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n di n d i v i d u a l si nt h e f u t u r ed i r e c t i o no ft h ew o r ko ft h en e e dt ol e a r na n df o c u so nt h es o l v i n g k e yw o r d s ：l a y e rf o u n d a t i o n e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s d d a f l a c c o n s o l i d a t i o ng r o u t i n g n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a c o u s t i cd e t e c t i o n 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在匿堂垩塾攫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 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文 中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：垃丝 签字日期：碰墨舞剧z 因 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 第1 章：绪论 1 1 问题的提出及选题意义 “红层”在我国主要是指中生代以来即三叠系、侏罗纪、白垩系和新生代第三系湖相、 河流相、河湖交替相或山麓洪积相等陆相碎屑岩。红层的基本特点是地质年龄相对较轻， 经历的地壳变动相对较小，褶皱不剧烈，产状平缓。其岩性主要是砂岩、砾岩、粉砂岩、 粘土岩或页岩等，岩相变化大，并含透镜状或薄层状多孔疏松状砂岩，还常见如石膏等易 溶岩类，与老地层相比，红层成岩作用差，有的呈半胶结状态，强度低，地层岩性较复杂。 红层在各种内外地质应力作用下，会形成溶蚀风化、软化泥化等地质现象，存在不均匀变 形、抗滑稳定、渗漏及稳定等工程地质问题，成为非连续变形地基。 根据有关部门的粗略统计，我国红层出露面积约为4 6 k m 2 ，红层不仅是水利水电工程 中经常遇见的一种坝基岩体，也是一种很复杂的工程地质体，因而红层是国内外建坝史上 出现问题较多的一种坝基地层，由于红层坝基的问题在国外已造成多次溃坝事件。据国外 有关方面报道，因坝基而失事的1 3 座重力坝中，有9 座是发生在红层地区。 红层在湖北主要分布于江汉平原，湖北省目前在红层地区已建的水利航电工程有葛洲 坝水利水电枢纽工程、清江红庙电站、汉江王甫洲水利枢纽工程等，其中汉江干流自丹江 口大坝以下的8 个规划梯级的水利枢纽工程的坝基岩体均为白垩系第三系红层，出露面 积范围广。正在建设中的汉江崔家营航电枢纽工程的泄水闸、厂房地基均为白垩系钙泥质 砾岩红层地基，由于岩石中的胶结物钙质成分较高，且含有许多可溶性碳酸盐岩砾石，岩 石中这些可溶性成分为溶蚀提供了物质基础。切割岩体的断层、裂隙为地下水的循环提供 了通道。经勘探查明，坝址区钙泥质砾岩中发育有较大规模的溶洞，最大洞高达1 1 瓜洞 中无充填或砂泥质充填，钻孔时出现掉钻、无回水等现象。通过统计，坝址区有8 个钻孔 遇1 2 个溶洞，线洞隙率为0 7 9 1 ，平均3 4 。由于钙泥质砾岩中含有可溶性的碳酸 盐岩砾石和胶结物，砾石被溶蚀后，在岩石中留下空洞，胶结物溶蚀后，在岩石中留下孔 隙，岩体结构变得疏松多孔，以致岩石呈蜂窝状、网格状，粘结力变弱，完整性破坏，强 度降低。非可溶性物质仍然留在原地，随着岩石溶蚀风化作用的增强，最终导致岩石中的 可溶性成份溶蚀殆尽，加上后期风化作用的影响，砾岩变得如同泥质砂砾石，呈“泥包石 或“石夹泥”状，坝基溶蚀砾岩的形态复杂多样，工程特性大大变差。 这种软硬相间的地基，兼有弹性变形和塑性变形的特征，具有十分复杂的工程地质特 性和变形机制。因此，研究分析其力学性质、变形特点等工程地质特性，并通过数值模拟 进行定性和定量分析其受力变形，对于工程安全，优化设计，特别是为同类地质条件的工 程项目及今后的工程建设提供研究思路和计算方法方面都具有重要意义。 桂林工学院硕士学位论文 1 2 国内、外研究概况 国外对于红层地基研究不多，一篇是德国学者r o b e r ts c h o e n e r ，r e i n h a r dg a u p p 等人 关于中欧红层盆地南部和北部成矿作用的对比，主要研究了盆地南、北部煤层与油气田成 因的对比；另篇是英国学者t o mj s h e p h e r d ，j o ne b o u c h ，a n d r e wg g u n n 等人关于英 国南德文郡二叠一三叠系红层非相关性金钯( a u p d ) 矿床的研究，主要研究了盆地及 其周边a u p d 矿床非相关性的矿物、地球化学成因方面的研究。但是国外对于红层复杂 地基工程地质特性及相关的变形的定性定量分析尚未发现实例。 我国对红层的研究最早始于2 0 世纪3 0 年代。开始主要是从地层学和地貌学的角度进 行研究，丹霞地貌就是在上世纪4 0 年代所确定。上世纪8 0 年代开始，我国掀起了基础建 设的高潮，在红层地区进行了大量的工程建设，对红层的工程地质性质也进行了一些研究， 至上世纪9 0 年代以来，水利、交通、能源等部门对红层地基从水文地质、工程特性等方 面进行了研究，并取得了丰硕的成果。具体有以下几个方面： 1 ) 以四川、云南为重点，在红层地区进行找水研究，已取得较多成果，解决了部分 地区的缺水问题。 2 ) 交通部门对川滇红层的工程特性进行研究，在路基基础、桥梁基础、公路边坡治 理等方面取得了大量成果。 3 ) 水利水电工程方面，因在红层地区修建了许多水库、电站大坝，积累了很多的工 程建设经验，许多单位、专家对此进行了总结和研究。1 9 9 8 年，湖南省水利水电勘测设计 研究院杨华荟副总工领衔对红层岩溶水库渗漏闳题进行过专题研究，首次对红层岩溶闯题 进行了较系统的研究，该课题获得了湖南省科技进步奖；原国电公司西北勘测设计院对黄 河上游第三系红层的工程地质特性进行研究，在本世纪初取得了较系统的研究成果。国内 关于红层的第一本专著是长江委勘察大师徐瑞春2 0 0 3 年所著红层与大坝，该书全面 系统地阐述了红层的工程地质、水文地质性质以及在红层地区修建水利水电工程存在的主 要问题，总结了葛洲坝等工程建设的成功经验：最近湖南省水利水电勘测设计研究院左重 辉等人，针对株洲航电枢纽工程地基的红层溶蚀和风化联合作用进行研究，提出了基础处 理方案。 以上研究成果内容各有侧重，大多涉及白垩系钙质砾岩的岩溶问题。由于本工程地基 岩石中胶结物含有大量泥质成分，岩石为钙质和泥质成分的联合胶结，钙质砾岩和钙泥质 砾岩的矿物组成、岩石结构、溶蚀风化作用均存在较大区别，而前人对钙泥质砾岩溶蚀风 化后地基岩体的强度特性、变形特性和渗透特性以及基础处理方面尚无人进行深入研究， 尤其是对江汉平原白垩系红层的研究更是稀缺。没有相应的研究成果可以借鉴。因此，对 白垩系钙泥质砾岩溶蚀风化的强度特性、变形特性以及处理措施、检测方案进行研究，是 一个新的课题。 2 桂林工学院硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文将首先分析我国红层形成的地质背景和分布特点，结合崔家营航电枢纽工程项目 红层坝基的工程地质条件，从成因、研究的重要性、影响因素等几个方面探讨红层坝基中 发育的软弱夹层和岩溶等不良地质现象问题；简要介绍非连续变形分析方法的基本理论， 并运用其对红层坝基受压变形进行定性分析，再利用f l a c 建立坝体和坝基受压变形模型， 更确切的模拟坝基的变形量；针对前面的坝基红层工程地质条件和数值模拟结果提出坝基 加固方案，进行加固试验，并根据固结灌浆加固试验后的非线性有限元模拟和声波检测结 果分析验证所选加固方案的可行性和科学性。 3 桂林工学院硕士学位论文 ! ii ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎 第2 章崔家营航电枢纽红层坝基工程地质条件 2 1 我国及江汉平原红层形成的地质背景、分布特点及分类 红层在我国主要是指中生代以来，三叠系、侏罗纪、白垩系和新生界第三系湖相、河 流相、河湖交替相或山麓洪积相等陆相碎屑岩。是一种形成于造山运动前后的山间盆地沉 积，在中国的西南、西北、华中及华南地区分布广泛，是大地构造史发展到低洼阶段的产 物嘲。红层形成首先需要适宜的地貌条件，由于红层属于碎屑沉积，需要的地貌条件多为 内陆盆地或者山间盆地，少量为海滨和海相沉积h 1 ，在内陆盆地沉积时，所需岩石风化物 等沉积物质由周围山地提供；其次，红层沉积需要适宜的气候条件，经考证，红层多形成 于干燥炎热的气候环境中，在那种环境下，岩石的各种风化作用非常强烈，才能提供丰富 的岩石风化物，同时，强烈的岩石氧化作用造成的红色外观是红层的得名原因。 中生代分为两个阶段，中三叠世时期中国为“南海北陆”，中、晚三叠世的印支运动 使华南地区发生明显海退，陆地出露，结束了“南海北陆”的古地理格局。三叠纪时期只 在华北形成一系列大小不等的内陆河湖盆地，沉积生成物为河湖碎屑岩以绿、黄色砂岩、 页岩为主，夹黑色油页岩；在华南地区，三叠系下统有紫红色砂泥岩、泥灰岩和自云质碳 酸盐岩组成，中统为滨浅海碎屑、泥质岩沉积，海退明显。当时气候为温湿气候，于是三 叠系红层主要分布在陕甘宁等盆地中，为早、中三叠统的底层，南方分布较少。 侏罗纪时期，燕山运动( 早、中期) 对东部影响大，火山活动强烈，形成大面积的火 山岩和火山碎屑岩。在西部，出现了大型的凹陷盆地，如川鄂盆地、陕甘宁盆地等，面积 规模大，沉积厚，在侏罗纪，西北和东北地区，早、中侏罗世古气候温湿，到晚侏罗世变 为干旱，形成红层嫡1 ；而在西部地区，一直干旱，红层形成连续。在侏罗纪时期，中国红 层主要分布在陕甘宁、准格尔、吐鲁番盆地及东南部一些断陷小盆地，最具代表性的是云 贵川地区红层。 白垩纪时期，准格尔、陕甘宁盆地等一些大的盆地已结束沉积，而在晚白垩纪时期， 整个西北地区处于整体的不断上升的过程，形成晚白垩纪红层。在这一时期，形成了松辽、 华北一苏北、江汉大型沉陷盆地，中南地区则为一系列中、小型山间盆地红色河湖碎屑沉 积，岩浆活动范围向长自山地区迁移；白垩纪的气候条件是早期温暖湿润，中、晚期干旱。 也就是说本文将要分析的汉江流域红层坝基所在的江汉平原地区红层大部分形成于白垩 纪的中、晚期。 中国的第三纪可分为东、西两大部分，以贺兰山一龙门山一线为界。东部第三纪最重 要的地质事件是大规模的裂陷作用形成地堑式裂陷盆地，晚第三纪时期沿海地区突发玄武 岩喷发现象，如东北及东南沿海地区都有大片玄武岩流喷发；西部盆地与山系相间，延伸 方向近似西东，准格尔盆地、塔里木盆地边缘沉积了厚度达数千米的磨拉石堆积障3 。喜马 拉雅运动，使我国西部的古海槽和古海湾的海水退去，东部一些老第三纪的中小盆地相继 4 桂林工学院硕士学位论文 隆起，结束沉积并接受剥蚀。在第三纪时期。气候条件是全国大部分地区温暖或湿热，而 西北地区处于干旱带，老第三纪我国的古地理环境是白垩纪的继承和发展，总体以陆相沉 积为主，原有的华北盆地，华南的江汉、苏北两大盆地继承前期的沉积条件，于是，第三 纪红层主要分布在西北和中南、东南地区。 随着国内外对红层研究的逐步深入，广大地质工作者从不同的角度对红层进行分类。 目前，红层分类方案很多，分类依据各有特色口1 ，例如，j ，克拉克提出一种根据野外表象的 分类；b b 拉夫罗夫按照岩性和岩相进行分类；p d 克里宁提出成因依据的分类等等。然 而比较现实实用的划分红层的方法必须考虑所有重要特征，比如沉积、结构、矿物以及成 矿特征。p 特纳根据红层堆积的主要沉积环境和它们的主要矿物、结构、成岩特征分出主 要大陆红层组合：沉积，沙漠和三角洲平原红层。其中，冲击红层包括边缘冲积扇和粗粒 辫状河道具有低弯度或者曲流河的冲积平原多种沉积相；沙漠红层包括在炎热干旱气候下 沉积的多种沉积相，包括湖泊、内陆萨布哈、风化沙丘沉积物和沙漠冲积沉积物：三角洲 平原红层沉积于大陆的三角洲复合体内，产于多种构造环境内，具有一些和冲积红层相同 或相似的特点，而区别的标志是具有三角洲沉积物组合和若干独特特征，三角洲平原红层 包括多种颜色斑点的泥岩、细根土、底土、偶尔有煤层，这些特征表明它们是在潮湿的热 带气候下形成的，但是三角洲平原红层也有可能在其他气候条件下形成，不过实例较少。 综上所述，本文即将分析和研究的江汉平原红层主要属于白垩系、早第三系红层，其 具有沉积范围广、厚度大的特点，岩性主要为钙泥质砾岩等，底部不整合面有厚度不等的 自云岩；除白云岩强度较高外，其余均属软质岩石。红层中的岩性组合多以钙泥质砾岩和 泥岩互层为特征；互层边坡层间结合强度低，常有软弱夹层存在，容易产生非连续性变形。 2 2 崔家营航电枢纽工程区域地质概况 2 2 1 工程概况 湖北省襄樊市汉江崔家营航电枢纽工程项目是国务院批准的长江流域水资源综合利 用规划简要报告中确定建设的重大工程之一j 也是交通部三个阶段现代化战略目标和汉 江2 0 2 0 年实现全线渠化的关键工程。该工程是以航运为主、兼有发电、灌溉、供水、旅 游等综合效益的项目。 汉江崔家营航电枢纽工程位于湖北省襄樊市城区下游1 7 公里处， 距汉江入长江口5 1 5 公里。该枢纽坝轴长2 1 2 2 米，建设项目包括：泄洪闸3 5 孔，挡水坝 1 2 4 2 米，1 0 0 0 吨级船闸l 座，发电机组5 台，装机容量8 8 万千瓦，年均发电量4 7 8 亿 千瓦时，正常蓄水位6 2 7 3 米。项目总投资2 0 6 3 亿元，2 0 0 9 年8 月第一台机组发电， 2 0 1 0 年7 月工程全部完工。该航电枢纽建成后，可使崔家营坝址以上3 3 公里汉江航道由 3 0 0 吨级提升到1 0 0 0 吨级的通航标准，并可渠化唐白河航道1 7 5 公里。有利于从根本上 消除南水北调中线工程调水后丹江口水库下泄流量减少、中水历时缩短、水位下降及流量 过程改变对新集至崔家营河段通航运产生的影响。 5 桂林工学院硕士学位论文 2 2 2 区域地质概况 工程区在构造上位于两个一级构造单元的接壤部位，即以青峰、襄樊一广济断裂为界， 其北为秦岭、桐柏、大别推覆带( 秦岭褶皱系) 之次级单元一鲁山一确山隆陷带、东秦岭 造山带、南襄断陷盆地和随州应山推覆带，其南为扬子变形带( 扬子准地台) 的次级单 元一鄂西扬子变形带、鄂中盆岭变形带和汉江洞庭断陷盆地。工程近场区( 以场址为中心 半径3 0 k i n 范围) 处在南襄断陷盆地南端、鄂中盆岭变形带北端和随州一应山推覆带西端。 南襄断陷盆地分布于场址北部，由震旦系变质岩组成基底，以走向北西西与北东组断 裂为主。自燕山运动晚期，断裂伸展、扩张强度增大，形成了叠置于原造山带基底之上的 断陷盆地，并同时堆积了百数千米厚的白垩、第三系红色碎屑岩层。盆地新构造运动主 要表现为周缘相对抬升、主体则间歇性下沉或相对缓慢地抬升。第四纪以来，区内总体以 缓慢隆升为主，并伴有升降交替，从而形成盆地内汉江、唐白河等河谷的i 、i l 、i 级堆 积阶地，第四系厚度最大达百余米。 i 鲁山一确山隆陷带 i i 东秦蛉造山带 鄂西扬子变形带 南襄断陷盆地 v 鄂中盆岭变形带 随州一应山推覆带 江汉洞蹇断陷盆地 黄淮断陷盆地 栾i l l - 确山断裂 青峰断裂 襄樊一广济断裂 通城河断裂 桐柏一黄陂断裂 鄂中盆地变形带分布于场址西、南部，以走向北北西组平行的断裂相间排列，控制和 切割古生界、中生界岩层，并使之形成一系列北北西向地堑与地垒为特征。燕山运动期断 裂活动强烈，于“汉水地堑 内沉积了厚达数千米的自垩、第三系红色碎屑岩层。新构造 运动主要表现为断块的差异抬升，从而形成中低山、岗地和平原，但由于西部抬升的幅度 6 桂林工学院硕士学位论文 大，东部抬升幅度小，故总体上显现为自西向东的掀斜抬升之势。第四纪以来，区内间歇 性的升降运动形成了汉江河谷的i 、i i 、级阶地，第四系厚度在场址区厚度达8 0 余米。 随州一应山推覆带分布于场址东部，襄樊一广济断裂为其主推覆面，东北部主要由于 中晚元古界刚性基底组成，南侧是推覆带前缘和收敛带，由震旦系至三叠系组成。新构造 运动主要表现为总体上由北向南倾没的断块差异掀升，形成了较大水系河谷的i i 、i 级侵 蚀或基底阶地。 工程区断裂发育，组合复杂，展布规模大、构成区内大地构造分区格架的区域性断裂 带主要有：青峰、襄樊一广济断裂带、朱阳关一夏馆断裂带、丹风一信阳断裂带、远安地 堑断裂带、潜北断裂带和桐柏一黄陂断裂带，形成贯联南襄与汉江洞庭断陷盆地汉江中、 新生代沉积廓道的“汉水地堑”断裂带主要有：南障一荆门断裂带、武安一石桥断裂带、 胡集一沙洋断裂带和永隆河断裂带。 工程近场区展布的区域性断裂主要有走向北西西转北西的襄樊一广济断裂和霸王山 一新集断裂以及走向北北西的胡集一沙洋断裂、武安一石桥断裂与永隆河断裂。 工程场址处在南襄断陷盆地、鄂中盆岭变形带及随州一应山推覆带的复合交汇地带， 襄樊一广济断裂在场址北侧通过，胡集一沙洋断裂、武安一石桥断裂和永隆河断裂北段延 伸到近场区，这些断裂新构造运动均具有明显的活动标志，部分地段的定量测定资料表明 在第四纪曾有过粘滑运动，历史和现代中强地震沿带发生。总之，上述诸单元的新构造的 强度不能与我国华北、西南和西北等强震区相比，总体处于中至弱的构造环境，但这些单 元的新构造活动极不均一，强度不等，未来的中强地震活动仍然会出现与活动断裂有关的 强变形带上。 2 3 坝址工程地质条件 2 3 1 坝址区地形地貌 坝址区位于汉江平原，河谷宽阔，地形平坦。总体而言，坝址区右岸地势较高，地形 起伏较大，属i i 、i 级堆积阶地，地面高程7 2 - 1 0 4 m 。左岸地势较低，地形平缓，属漫 滩及i 级堆积阶地，地面高程6 0 - - - 6 4 m 。 右岸为i i 级阶地呈带状，宽1 6 0 - 4 0 0 m ，高程7 2 4 - 7 8 5 m ，东傍主河床，前缘临河岸 坡高达1 8 m ，地形坡度一般2 0 。- - 3 2 。，西侧与i i i 级阶地岗地相接。阶地上发育两条冲沟， i i i 级阶地分布于i i 级阶地后缘，铁路以西和右岸上游侧湖北制药厂附近，地形上呈岗地， 地面高程一般8 0 - 1 0 4 m ，向后缘与低山丘陵接壤。 左岸发育i 级阶地，阶面宽广平坦，地面高程6 2 1 - - - , 6 4 0 m 。前缘筑有防洪堤，防洪堤 堤顶高程6 6 9 - - - 6 7 4 m ，堤顶宽度一般5 0 - - - 5 5 m ，高4 5 - 5 0 m 。以堤为界，堤外为高漫 滩，堤内为i 级阶地。堤外漫滩宽5 0 0 - - - - 1 8 0 0 m ，地面高程5 8 9 , - - , 6 4 1 m ，地形平缓，临河 岸坡陡立。区内i 级阶地与外围的i i 级阶地呈内迭式接触。 坝区汉江总体流向为由北向南，从右到左依次为主河道、凤凰滩( 江心洲) 左侧汊河、 7 桂林工学院硕士学位论文 左岸漫滩和防洪堤；主河道河床高程4 9 9 - - 5 6 9 m ，枯水位5 6 m 左右，水深0 - - - 6 m ，相应 河宽4 9 0 - - 5 7 0 m ，左侧为主航道，水深一般4 - 6 m ，右侧多有礁石出露；风凰滩为江心洲， 属高漫滩，长2 1 6 0 m ，宽3 8 0 - - 7 6 0 m ，地面高程5 8 6 - - - - 6 2 1 m ，地形平缓，西侧临河岸坡 陡立，东南及北端与河床以1 0 2 6 m 高的砂坎或缓滩相接。 2 3 2 地层岩性 坝址区基岩大部分被第四系土层所覆盖，露头少，仅右侧河床中有零星露头( 礁石) ， 根据区域地质资料，坝址区出露的地层为震旦系上统灯影组、陡山沱组和白垩系( k ) ， 第四系为全新统中更新统冲积层。 1 ) 震旦系上统陡山沱组( z 2 d ) 坝址区未见底，厚度 1 2 0 m 。为紫红、灰白白云岩、硅质白云岩，岩性坚硬，多呈 强风化状态，主要分布在坝址左侧位置； 2 ) 震旦系上统灯影组( z 2 a n ) 坝址右岸岸边一带零星出露。为灰色块状白云岩、灰质白云岩、硅质白云岩，硅质岩 等，岩性坚硬，岩溶洞隙很发育，厚大于3 0 0 m ； 3 ) 白垩系( k ) 为厚层状钙泥质砾岩、泥质砾岩夹泥灰岩，中厚薄层状泥岩。与下伏震旦系地层呈 角度不整合接触，在坝址区无露头，掩埋于第四系之下，钻探揭露最大厚度2 9 1 m 。其中， 钙泥质砾岩，呈褐红、浅红色，钙泥质胶结，岩性较坚硬。砾石成分为硅质岩、硅质白云 岩、白云岩、灰岩、石英脉等，次圆状和次棱角状，粒径大小和砾石含量在铅直剖面方向 上变化较大。粒径大的可达5 0 c m 以上，一般为2 - - 3 0 c m ，含量最大达9 0 。填隙物为砂 泥质，钙泥质胶结，胶结程度一般，填隙物中多见方解石晶体，滴稀盐酸起泡强烈。由于 岩石中含有可溶性的碳酸盐岩砾石和胶结物，溶蚀比较强烈。砾石被溶蚀后，在岩石中留 下空洞，胶结物溶蚀后，填隙物变得疏松多孔，以致岩石的连接力变弱，完整性遭到破坏， 强度降低。岩石中的可溶性成份一旦溶蚀殆尽，加上后期风化作用，砾岩变得如同泥质砂 砾石状。 泥质砾岩，呈深灰、灰绿色，泥质胶结，岩性较软弱。砾石成份很杂，棱角状，粒径 一般5 - - - , 2 0 c m ，最大4 0 c m ，成份为硅质岩、硅质白云岩、砂岩、石英脉等，砾石含量6 0 - - - 6 5 。填隙物主要为泥质，含砂，泥质胶结，胶结程度弱，滴稀盐酸几乎不起泡。由于胶 结程度弱，岩石易风化，力学强度低。 泥岩，灰绿、深灰色，呈中厚薄层状，局部呈透镜状分布，泥岩胶结弱，岩性软弱。 具有遇水软化，失水干裂的特点。岩石多呈全风化状态，风化后，岩石呈可塑软塑状的 粘土，其力学强度很低，工程性状极差。 泥灰岩，多呈灰白、浅红色，钙泥质胶结，岩性较坚硬。多呈透镜状夹子钙泥质砾岩 之中，岩石具有溶蚀现象。 8 桂林工学院硕士学位论文 4 ) 第四系上更新统地冲积层( 0 3 a 1 ) 上部为黄灰、灰褐色重粉质壤土和粉质粘土，似网纹状结构，含鲕状铁锰质结核，呈 硬塑坚硬状态，厚度1 3 1 6 5 m ：下部为泥质砾石，呈次棱角次圆状，粒径5 - - - - 2 0 m m ， 厚0 5 1 5 m 。属i i 级阶地堆积，分布于坝址右岸冲沟以下。右岸i i 级阶地前缘，洪水期 在河水冲刷、掏蚀作用下易产生崩滑，体积 5 0 m 。其中与基岩接触面附近1 5 2 0 m 含漂砾，粒径最大可达2 0 0 m m ，砾石含量亦 增高；该层分布于左岸i 级阶地或伏于漫滩及河床冲积层之下； 6 ) 第四系全新统冲积层( q 4 2 a 1 ) 为漫滩与河床堆积。江心洲上部多为中、细砂层，由近期洪水形成，呈稍松状态，一 般厚2 - 4 m 。中部为砂壤土，呈稍松中密状态，厚7 - - 1 0 m 。下部为砂砾石层，卵石粒 径一般2 0 - - 8 0 m m ，呈稍密中密状态，厚3 5 8 5 m ；左岸i 级阶地前缘漫滩，上部多为 壤土、砂壤土，呈稍松状态，一般厚1 - - 4 m ，下部与i 级阶地之粉细砂接触；河床上部为 中细砂，呈松散稍密状态，厚0 - 8 m 。下部为砂砾卵石，砾卵石粒径5 - - 8 0 m m ，圆状， 多呈稍密状态，厚0 - 6 7 m ，主河床与汊河均有分布。 2 3 3 地质构造 坝址区位于汉江地堑北段扁山一王家山复式背斜南翼的次级向斜褶皱上，该向斜总体 向w 倾伏，向东扬起，轴向呈n w w 向展布，向斜核部地层为震旦系中统陡山沱组，坝 址位于该向斜s w 翼( 图3 2 ) 。坝址区岩层产状上坝线走向n 7 8 。w ，倾向n e ，倾角6 3 。 下坝线走向由n 8 7 。w 变到n 7 0 。e ，倾向n e - - - n w ，倾角4 0 。 - - 5 7 。；白垩系地层产 状平缓，倾向左岸，产状为n 1 0 。2 0 。e s e z 0 。 - - 5 。 9 桂林工学院硕士学位论文 田- 囡：囡，囡团5 曰6 囫，团矗囝，团- 0 困- - 回- z 1