（地质工程专业论文）夹层软泥化过程及其化学动力学模拟.pdf

摘要 夹层软泥化是国内外许多地质工程出现问题甚至发生事故的主要原因之一。 但由于软弱夹层组成与结构以及所处环境的复杂性，目前还缺少对夹层软泥化过 程的系统研究，尤其是定量研究还比较薄弱，不足以满足全面评价夹层及基础稳 定性的需要。因此，有必要对夹层软泥化过程进行进一步的探讨。 本文基于水一岩作用是夹层软泥化过程的主导因素，采用室内实验模拟方法 研究夹层的软泥化过程，即选取夹层岩样与库水，实验过程中观察岩样形态的变 化，记录水溶液中主要指标于实验过程不同时刻的测值，并依据化学动力学的基 本理论和方法对实验数据进行分析，依此来刻画夹层的软泥化过程及其机制。并 在实验过程中发现了下述一些现象。 1 在实验模拟过程中发现夹层岩样随着反应时间呈现租颗粒向细颗粒的很快 转变，并且在实验进行一段时间后，岩样即发生了崩解作用，从而使夹层丧失完 整性向松散性转化； 2 实验过程中水溶液中有关组分的含量随反应时间的变化呈非线性关系，表 明液固相间发生着复杂的相互作用，涉及夹层中可溶盐类如石膏、岩盐的全等 溶解作用，难溶盐类如长石类铝硅酸盐的非全等溶解作用，以及岩石颗粒间胶结 物一碳酸盐等的溶解作用。基于化学动力学方法对实验数据的处理和分析，得出 了部分矿物的溶解速率常数及其反应机制。 3 在实验过程中还观察到，伴随着长石类铝硅酸盐的不全等溶解作用发现在 固相介质表面有絮状无定形物质一此为次生矿物的雏形。而次生矿物的形成则标 志着夹层开始泥化。 关键词：软弱夹层软泥化室内模拟实验水岩作用化学动力学 a b s t r a c t s o f t e n i n ga n da r g i l l i t i z a t i o no fs a n d w i c hi so n eo ft h em a i nc a u s e so fp r o b l e m s a n de v e na c c i d e n t so c c u r r e di nm a n yg e o l o g ye n g i n e e r i n g h o w e v e r , o w i n gt ot h e c o m p o s i t i o n sa n ds t r u c t u r e so fs a n d w i c ha sw e l la si t sc o m p l e xe n v i r o n m e n t t h e r ei s al o c ko fs y s t e m a t i cr e s e a r c ho np r o c e s s e so fs o f t e n i n ga n da r g i l l i t i z a t i o n , e s p e c i a l l y q u a n t i t a t i v er e s e a r c h t h u si ti ss h o r to fa l la r o u n de v a l u a t i o nf o rt h es t a b i l i t yo f s a n d w i c h e sa n df o u n d a t i o n s s oi ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tf l l n l l e ra p p r o a c ho n p r o c e s s e so fs o f t e n i n ga n da r g i l l i t i z a t i o n b a s e do nw a t e r - r o c ki n t e r a c t i o ni lt h e d o m i n a n tf a c t o ro ft h ep r o c e s s e s , t h i sp a p e rs t u d yt h ep r o c e s s e s 试t hi n - d o o r s i m u l a t i o nm e t h o d , t h a ti st os a yw ec h o o s et y p i c a ls a n d w i c hr o c ks a m p l ea n dw a t e r a n do b s e r v ef o r m a ld i v e r s i f i c a t i o no fr o c k s a m p l e ，i nt h es a m et i m er e c o r dt h e # m a r yi n d i c a t o r si nw a t e rs o l u t i o ni nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lt i m e , i nt e r m so f e l e m e n t a r yt h e o r ya n dm e t h o d so fc h e m i c a lk i n e t i c s , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so n e x p e r i m e n t a ld a t a , w ec a np o r t r a yt h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s m w ef i n ds o m en e w p r o g r e s si nt h et e s t 1 r o c ks a m p l e sq u i c k l ye x h i b i tc o n v e r s i o nf r o mc o a r s eg r a i nt of i n eg r a i n f o l l o w i n gr e a c t i o nt i m ei nt h et e s t , a n do c c u rd i s i n t e g r a t i o na f t e rap e r i 0 0o f 蕾c s l t h e r e b ys a n d w i c hl o s ei n t e g r a l i t yp r o p e r t ya n dt u r nt ob u l k i n gp r o p e r t y 2 t h ec o n t e n td e t e r m i n a t i o n so fr e l a t ec o n s t i t u e n t si nw a t e rs o l u t i o ns u b m i t n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb yr e a c t i o nt i m ei nt h et e s t , i ti ss h o wt h a tc o m p l i c a t e d i n t e r a c t i o n si r eo c c u r r e di n l i q n i d - s o l i dp h a s es y s t e m , r e f e r r i n gt oc o n g r u e n c e d i s s o l u t i o no fd i s s o l v e ds a l ta sg y p s u m , h a l i t e ；n o n - c o n g r u e n c ed i s s o l u t i o no f i n s o l u b l es a l ta sa l u m i n o s i l i c a t e ；a sw e l la sd i s s o l u t i o no f a g g l u t i n a t eb yr o c kp a r t i c l e s a sc a r b o n a t e w eo b t a i nd i s s o l u t i o nm t ec o l l g t f f a l ta n dr e a c t i o nm e c h a n i s mo f m i n e r a l sp a f t i y , b yd i s p o s i n ga n da n a l y s e so fe x p e r i m e n t a ld a t ab a s i n go nc h e m i c a l k i n e t i c sm e t h o d s 3 t h ep r o c e s s e s a l s os h o wt h a t , t h e r ei sa m o r p h o u ss u b s t a n c eo nd i e l e c t r i c 如r f a c eo fs o l i d , a sf o l l o w i n ga sn o n - c o n g r u e n c ed i s s o l u t i o no fa l u m i n o s i l i c a t e ，i ti s t h er u d i m e n to fs e c o n d a i r ) ，m i n e r a l s t h i si st h eb e g i n n i n gs i g no fa r g i l l i t i z a t i o no f s a n d w i c h k e y w o r d ：s o f t e n i n ga n da r g i l l i t i z a t i o n ；i n - d o o rs i m u l a t i n gt e s t ；w a t e r - r o c k i n t e m c l i o n ；c h e m i c a lk i n e t i c s l 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) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年4 月3 0 日 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) ：2 0 0 7 年4 月3 0 日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 软弱夹层( s a n d w i c h ) 是水利水电工程中经常遇到的重大工程地质问题之一， 也是工程中需要着重研究的对象。软弱夹层一般是指颗粒细，具片状结构，遇水 易软化或泥化，力学强度低，比上、下岩层相对软弱的薄层，按其成因可分为构 造、原生和次生3 种类型，其中泥化的部分称为泥化夹层。水利水电工程中，坝 基软弱夹层分布普遍，几乎涉及各个地区、各类岩层，由于其强度较上、下岩层 低得多，因此往往成为坝基抗滑稳定的控制因素，因此，在建坝地区的前期勘测 中，均把软弱夹层的勘察、试验分析放在首要位置f m l 。软弱夹层这一术语虽然 早被工程地质晁所广泛应用，但目前尚无统一而严密的规定。胡广韬f 4 j 等( 1 9 8 4 ) 指出：软弱夹层实质上就是填充或间夹一定厚度相对软弱物质的结构面；罗国煜 等1 5 1 ( 1 9 9 0 ) 认为：软弱夹层是指地基中岩性软弱、结构松散、力学强度低、流变 效应明显以及遇水易软化、泥化的岩层。由于其厚度一般很薄，有时候也被认为 是一种软弱结构面【6 】。在工程地质学科中一般将其归纳为软岩范畴。软弱夹层的 物质组成，最常见的是泥质、碎屑或角砾，也有的是与坚硬岩石比较而言的软弱 岩石。尽管软弱夹层的物质组成复杂，岩性各异，却具有共同的基本特征，即夹 层厚度一般很薄，产状与上、下岩层基本一致，含有一定数量的胶粒、粘粒，亲 水性强，遇水可能软化或泥化，力学强度较低，具塑性变形，渗透稳定性较差。 软弱夹层主要分布在沉积岩和由它变质而成的变质岩层中，至于火成岩中的软弱 夹层，一般在岩浆间歇喷发期接触面或冷凝面上出现。 软弱夹层是控制岩体变形和破坏的首要因素。当软弱夹层存在于坝基岩体持 力层时，就会降低岩体的强度或产生不允许的变形。若软弱夹层中还有泥化错动 面，则对坝基岩体抗滑稳定起着控制作用，给大坝的安全造成很大的威胁；当软 弱夹层存在于边坡岩体时，则可能对边坡及岸坡坝段的稳定有重要影响。根据国 内已建和设计中的大坝资料统计，由于软弱夹层问题而改变设计，降低坝高，增 加工程量或后期加固约占三分之一。丌国外发生失事和事故的许多工程，也大多 都和软弱夹层问题有关。例如，美国奥斯丁( 0 s t i n ) 重力坝，沿石灰岩内的页岩夹 河海人学顾_ j 二学位论史 层发生滑移：俄亥俄河( o h i o r i v e r ) 2 6 号坝，沿坝基下5 e m 厚的页岩发生滑动；韦 勒( w e l l e r ) 船闸重力式闸墙，沿页岩下一层极薄的粘土层滑动；圣佛西斯坝 ( s t f r a n c i s ) 蓄水后，坝基砾岩中的石膏被溶解，粘土胶结物被软化，地基被淘刷， 坝在几分钟内被冲垮：法国布泽( b o u z e y ) 坝，沿坝基龟裂的红色砂岩上的粘土层 发生滑移；印度堤格拉( t i g r a ) 坝，在砂页岩互层中沿页岩发生滑移等。国内黄河 八盘峡水电站由于软弱夹层及断层破碎带发育，尽管前期根据大坝稳定要求进行 了相应的工程处理，但在运行多年后仍出现了坝基软弱夹层的恶化迹象，同时也 存在由夹层引起的盐类侵蚀问题【8 】；安徽纪村水电站由软弱夹层问题引起的坝基 岩体恶化使得工程不得不进行了全面的补强措施 9 1 ；浙江新安江大坝右岸坝基页 岩层发生了局部泥化对坝体整体稳定造成潜在的不利影响【l o l 。软弱夹层问题对大 坝的安全往往造成很大的威胁，常影响设计方案、工程投资和施工工期等。由此 可见，岩体的稳定性对水利工程有着重要影响，而软弱夹层的稳定性对岩体的整 体稳定性有着重要意义 软弱夹层的一个显著特点即是它在一定的地质条件下可以转化为泥化夹层， 这一过程称为夹层的泥化过程。研究表明，工程上的软弱夹层事故往往与夹层的 软泥化作用密切相关，其中包含各种复杂地质因素，地下水活动因素更是不可或 缺，因此对夹层软泥化过程的研究既是一个工程地质问题，同时也是一个水文地 质问题。 1 2 选题的目的、意义 对于软弱夹层的研究前期主要集中在对软弱夹层的工程特性、分布规律、工 程加固措施及抗剪强度参数的选取方法上，尤其是对夹层抗剪强度参数选取方法 上研究较多，因为对于工程而言，抗剪强度值( c ，妒) 是至关重要也是必须直接获 取的数据。软弱夹层由于工程作用出露表生环境，而各种表生地质作用加剧了夹 层的软泥化过程，促使夹层向泥化夹层转变，水的作用在软泥化过程扮演了重要 角色。特别地。大坝建成后水库蓄水，坝址区的自然环境会发生明显的变化，其 地质环境也将随之发生变化。水岩作用( w a t e rr o c ki n t e r a c t i o n - w r i ) 将成为引起 坝址区环境地质问题的主要因素，也是夹层软泥化过程的主导因素。大坝兴建过 程中，为防止坝基渗漏进行了大量的基础处理，如设置一排或多排的灌浆帷幕、 2 第一章绪论 坝前铺盖以及修建防渗墙等。尽管如此，坝基渗漏仍然长期存在。从大坝安全与 稳定考虑，一定限度内的渗漏对大坝并不构成威胁，然而坝基渗漏并不仅仅是流 失水量的问题，而是它可能引起局部扬压力的超值，更重要的是它导致了水岩 间相互作用的长期存在包括水动力学和水文地球化学两方面的作用。一般而 言，坝基渗流的速度是缓慢的，然而长时期的水岩作用却是不可忽略的，它可 能引起坝基中软弱夹层或结构面的软化、泥化，机械和化学潜蚀等作用，其中软 弱夹层的软泥化过程会对大坝的安全与稳定造成重要影响。坝址环境下对软弱央 层性状进行检测与评价是大坝安全管理的一项重要内容，也是坝址区环境评价的 一个重要方面，同时也是坝址工程地质水文地质迫切需要研究和解决的重要问 题。软弱夹层的软泥化不仅发生在自然条件下，只是由于其速度相当缓慢而没有 引起人们的注意。事实上，自然界的泥化夹层多数是由软弱夹层发生软泥化过程 转变而来的，除小部分原生泥化夹层。而人类的工程活动改变了软弱夹层的赋存 环境，促进了夹层的软泥化作用，从而可以在短期内对工程造成很大影响。因此， 对夹层软泥化的影响因素和形成机制的研究对于宏观上认识夹层力学强度降低 规律和岩体的稳定性评价和预测是很有意义的，同时对于夹层软泥化趋势的研究 和预测对工程有着重要的理论和实践意义。 1 3 研究现状及进展 许多研究者对夹层软泥化过程问题从不同角度迸行了研究，积累了不少宝贵 的资料与经验，并总结成一些有价值的成果。大多数研究主要集中在泥质岩( 相 当一部分为粘土岩) 上，这与工程实践中广泛出露含粘土岩类的软弱夹层有关。 这些研究促进了入们对夹层软泥化问题和规律的认识。曲永新 l l 】在研究泥质岩泥 化过程中，提出了“活化作用”概念，强调了水的物理化学作用在软岩泥化过程 中的作用，并认为“随着岩性丧失，粘土矿物等高分散性物质恢复和增强因陈化 而减弱的物理化学活性”是形成泥化产物的基本过程。王幼麟1 2 1 对葛洲坝泥化夹 层的成因及性状进行了物理化学探讨，认为泥化夹层的形成主要受粘土矿物等高 分散性物质以及构造破坏作用、水的物理化学作用控制，三者相辅相成，缺一不 可。郭志明【1 3 l 总结软弱层带泥化作用的基本规律时指出：软弱层带泥化作用受胶 结成岩成度、粘土矿物成分及粘粒含量、水介质特征和地应力特征几个因素制约； 3 自口海大学顾l ：学位论文 夹层联结结构的破坏是泥化的根本前提，并且央层饱和含水率小于它的塑限在应 力场条件下不可能泥化。彭汉兴1 1 4 , 1 5 等则认为：岩石泥化主要是水岩系列触水 文地球化学作用的产物；在地下水的作用下，岩石中的元素发生迁移和富集，原 岩结构被破坏从而产生泥化：次生粘土矿物的形成既可以是原岩的活化，也可由 矿物演化和从溶液中沉淀结晶形成，活化作用仅是岩石泥化的一个方面。软弱夹 层中粘土岩层最容易形成泥化央层，而环境变迁则加速或推迟了泥化作用的进 程。另外，他们还探讨了碳酸盐岩和结晶岩的泥化过程。何少云1 16 】等研究新安江 大坝坝基页岩性状改变时也认为页岩软泥化是地下水与岩石问相互作用的产物， 并从页岩的矿物成分、结构特征和坝基渗流水质的变化分析其软泥化机理。李定 夺【i7 l 等在研究三峡库区宝塔滑坡泥质岩央层泥化过程时指出：地下水的长期作用 是泥岩泥化的主导因素，地下永与泥岩的水化作用、离子交换作用、溶蚀作用等 相互促进，改变了泥岩的组构和性质，使泥岩泥化，转变为泥化夹层，强调了水 岩相互作用在夹层泥化过程中的主导作用。对于“泥化”作用，前期的观点认 为：“泥化”是软弱层带浸水饱和后，含水量增大，结构松弛，强度显著降低， 完全失去母岩特征，呈软塑状态的一种现象。这一观点是把“泥化”归结为泥质 岩石经构造的挤压错动和地下水浸泡后的一种软化，忽略了水岩相互作用在岩 石泥化带形成过程中的重要作用。现在己经证明，水岩作用在岩石泥化过程中 的重要作用，水作为媒介促进了岩石泥化过程的进行。夹层软泥化主要是由于岩 石的泥化作用引起的，因此，对于夹层软泥化过程的研究可以归结为对组成央层 的岩石泥化过程及水岩作用的研究。 作为地表及上地壳最重要的地球化学过程，水岩相互作用涉及全球剥蚀与地 面重塑、海陆沉积及全球等重大基础问题。水岩作用是自然界最普遍的地质作 用过程。事实上，诸多地质过程，如风化、岩溶、成岩、成矿、变质、岩浆、地 震、火山活动等以及各类地质构造的发生和发展过程都有水的参与，水是强大的 地质营力。整个地质发展历史可以晚是一部水岩相互作用的历史，夹层的软泥 化过程同样也离不开水岩作用。自然界中，夹层软泥化往往经历了几十年、数 百年，甚至更长时间的演化过程。因此，对于夹层软泥化过程中的水岩作用研 究应该采用地质时间尺度，即采取化学动力学理论及方法对贯穿全过程的水岩 作用进行研究。水岩作用的化学热力学研究已相对成熟，但由于其只能指出过 4 第一章绪论 程自发进行的可能性、方向和限度，却不能解决系统状态变化的速率、机制和过 程，而化学动力学研究正是出于研究后者而诞生的。因而动力学既能与热力学相 辅相成，又能弥补热力学的不足，因此，对水岩作用的化学动力学研究显出重 要的地位由于上述原因，2 0 世纪7 0 年代以来，水岩作用的化学动力学研究受 到各国学者的广泛关注，并已取得若干重要进展【1 0 】。水一岩作用中最基本的是 矿物的溶解动力学，由于硅酸盐矿物占暴露地壳的7 6 以上，是造岩矿物的主体， 各国学者在硅酸赫矿物的溶解动力学领域进行了大量研究工作，涉及研究的硅酸 盐矿物主要包括长石| 2 1 。2 3 | 、铁镁矿【2 4 0 5 1 、云母类1 2 6 1 等矿物，也有对沸石族【2 7 1 的 溶解动力学进行研究的，其它还有对硫化物田l 矿物等金属矿物的氧化反应动力学 研究的，当然也包括其它一些矿物的水岩作用的化学动力学研究。上述研究一 般都是实验室条件下通过水岩作用模拟实验手段进行和完成的，因为现场原位 条件下的水岩作用动力学是相当复杂的，其受多种因素和条件制约，只有在实 验室条件下，对某些因素和反应条件进行人为事先的限制约定，起到简化研究条 件目的，便于从中找出水岩作用反应动力学内在的机制和规律，然后外延获得 整体的机制和规律。因此，对于水岩作用的反应动力学研究还相当薄弱的，实 验仍是研究的一种重要手段和方法。尽管上述研究成果本身并不是以研究岩石泥 化问题为直接目的的，但是对于央层的软泥化过程的研究却具有重要的借鉴意 义。 目前水岩作用的反应动力学研究主要集中在矿物溶解( 或沉淀、结晶) 动力 学过程研究上，模拟实验一般事先都将矿物颗粒进行粉碎达到一定级数，这主要 是由于粒径小的矿物颗粒更利于进行水岩反应，从而起到实验室内放大反应速 率，便于研究的目的。实验模拟中采用的矿物粒径( a m 级) 一般远小于实际矿物 粒径，实验对象一般都为单个矿物而非实际的矿物集合体( m i n e r a la s s e m b l a g e s ) ， 而且所模拟的主要是远离平衡态( f a rf r o me q u i l i b r i u m ) 的矿物溶解。实验用水一般 为蒸馏水或添加无机酸( 主要用来调节p h 值指标) 的水溶液，很少直接以天然 水岩体系为对象来研究，这主要是由于天然水岩体系中的水岩作用涉及的反应 因素众多，其机理很复杂。而实验的模拟结果是否能够全面刻画岩体内矿物溶解 的真实状况尚存在不确定性因素。自然界条件下发生的水岩作用往往与实验室 条件下有很大的差别，只有在实验室条件尽可能接近自然客观规律时，才能更好 5 河海人学顾 ：学位论文 地揭露和获得水岩作用的规律。夹层的软泥化过程涉及复杂的水岩作用过程， 包含各种均相和非均相之自j 的物理反应和物理化学反应，其机理是相当复杂的。 夹层的软泥化是由组成夹层的岩石泥化造成的，更是复杂水岩作用下的产物。 1 4 本文研究的主要内容 本文依据水- 岩作用理论，在八盘峡水电站坝址区选取夹层岩样和坝前库水进 行水岩作用实验模拟。通过对岩石化学组分和水溶液组分变化规律的总结和分 析，结合实验过程探讨夹层岩样水岩作用过程中固液相间组分的转化和演变机 制，并探讨水岩作用过程对央层软泥化过程的影响。本文研究的内容主要如下： ( 1 ) 在已有的工作基础上，对软弱夹层问题进行了系统全面的总结，包括软弱夹 层的工程特性、分布规律、分类及相关进展等，并提出了重点考虑水岩系列间 水文地球化学作用的新的分类方法。 ( 2 ) 采用室内模拟实验的方法，对采集的夹层岩样及水样作水，岩相互作用模拟， 考察实验过程中的水文地球化学作用过程。 ( 3 ) 依据化学动力学的基本理论和和方法，对水岩作用室内模拟过程中的主要造 岩矿物的溶解动力学过程作了刻画，并选择相应的组分来建立反应速度方程并进 行拟合。 6 第二章软弱夹层( 结构面) 的基本特征及其分类 第二章软弱夹层( 结构面) 的基本特征及其分类 2 1 概述 软弱夹层是指存在于岩体中相对于上、下岩层强度较低的一种层状地质体。 软弱层( 带) 可以出现在各种岩类及地质环境中，其种类繁多，成因复杂，性状 各异，在红层地区或软硬相间的地层中尤为发育。它的来源主要有：一是在软硬 岩层间产生层问错动形成破碎夹层或泥化夹层；另一是由中、新生代红层碎屑岩 中的粉细砂岩或泥岩软化而成；还有一种是玄武岩的多次喷发轮回的产物，在喷 发轮回之间常有软弱层带产生。从软弱夹层的形成条件及地质作用特征考虑，可 以将软弱夹层划分为六种基本地质类型例： ( 1 ) 沉积岩河湖相碎屑岩、潮汐相碎屑岩、海相碎屑岩、海相碳酸盐夹碎屑 岩等，不同的岩相建造所形成的软弱层( 或软弱岩) ，从沉积环境、岩相、岩性 及厚度变化，分布的连续性，成岩固结程度，物理力学属性等特征，既有共性， 又有明显差别。这些软弱央层是形成层间剪切带或泥化夹层的物质基础。 ( 2 ) 火山喷发的玄武岩或安山岩多次轮回的间歇期沉积的软弱物质；陆相火 山碎屑岩沉积的凝灰岩软弱层。 ( 3 ) 变质岩有区域浅变质的碎屑岩沉积的软弱层；区域深变质的软弱层( 副 变质岩) ：岩脉侵入围岩接触变质的软弱带。 ( 4 ) 各类岩体中由风化溶滤作用形成的夹层状风化或脉岩蚀变风化带。 ( 5 ) 各类岩体受构造应力作用，普遍产生的层间错动软弱层( 剪切带) 和缓倾 角断裂软弱带。 ( 6 ) 由地下水的携带、搬运作用，使细颗粒物质在断裂带、裂隙、溶隙中沉积 充填的软弱带。 软弱夹层是水利水电工程中需要特别关注的软弱部位，这主要是由它的特殊 工程地质意义所决定的。在施工期，对软弱夹层主要需要对其进行加固处理，而 在工程运行期，软弱夹层的性状变化则可影响大坝的安全稳定。 岩体的开挖松动和水库的蓄水，一定范围内，地下水渗透压力将增大，夹层 中未饱和的物质的含水量增加，从而使其力学强度降低，这种现象在那些干旱、 7 河海人学坝i ：学位论义 半干旱地区的浅埋软弱央层上表现得尤为明显；而对于上覆岩体荷重很大的深埋 软弱央层，含水量的增加将是不大的。 软弱央层中含有的可溶盐类对坝基稳定有着重要影响，在含量不高的条件 下，可溶盐的局部流失不会造成较大的隐患。如果含量较高，并且大量流失，则 这种化学管涌作用必须引起足够的重视。盐类的溶失意味着岩石孔隙率增大，同 时其压缩性也相应地增大。软弱夹层中的游离氧化物( f e 2 0 3 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 ) 往往 会发生胶凝和胶溶作用，作用方式主要取决于水介质的p h 值，如游离f q 0 3 在 酸性水中胶溶，而在中性和碱性水介质中胶凝，游离f e 2 0 3 的凝聚物常会堵塞坝 基排水孔。 软弱夹层中存在的部分泥化夹层，其可交换的阳离子成分与河水的阳离子是 有差别的，在渗压水长期作用下，会造成夹层可交换的阳离子成分的变化，使得 分散结构向更加分散架构转化，也可能向凝聚结构转化。因此，离子交换作用对 夹层是有一定影响的。 软弱央层( 主要是破碎夹层、破碎央泥层) 通常是地下水的层间渗透带。水 库蓄水后自然引起坝基扬压力的升高，为了降低扬压力往往采取排渗( 减压) 措 施，可能使软弱夹层产生渗透变形问题，从而影响坝基的稳定性。由于软弱央层 的渗透破坏，扬压力升高，夹层中大量的粘粒和游离氧化物可能会被带走，央层 被架空，对大坝造成严重威胁。 2 2 沉积岩层中软弱夹层的基本特征 沉积岩类岩体的一般特点是具有成层性，在整个沉积过程中物质是一层一层 堆积起来的，自然在沉积过程中往往形成许多沉积结构面。这些结构面的地质类 型包括层面、软弱夹层和沉积断面等。在岩石沉积过程中，某些层次物质软弱， 便形成软弱央层。例如，板溪群砂岩地层中的泥岩夹层；砂岩岩体中的页岩夹层； 灰岩岩体中泥质灰岩或钙质页岩夹层，它们都是在岩体沉积过程中形成的软弱夹 层。沉积岩中的软弱夹层往往出现在层问或层面，厚度一般较薄，约几毫米到几 厘米，其产状和岩层一致或密切联系，倾角较平缓，接触面( 结构面) 普遍较平 整，接触较紧密，夹层延续性较强，分布比较稳定。软弱夹层的矿物成分与母岩 大致相同，化学成分主要是胶结物含量的区别。一些古风化夹层中往往含泥质物 第二章软弱夹层( 结构面) 的基本特征及其分类 质较多，易软化或泥化，强度较低。 红层是较为典型的沉积岩类岩体，也是国内外建坝史上出现问题最多的一种 坝基岩体类型。“红层”在我国主要是指中生带以来即三叠系、侏罗系、白垩系 和新生代第三系的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑岩【7 l 。 其基本特点是地质年龄相对较轻，经历的地壳变动相对较少，褶皱不剧烈，产状 平缓。岩性主要是砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土质粉砂岩、粘士岩或泥质页岩等， 岩相变化大，并含透镜状或薄层状多孔疏松砂岩，都不同程度发育有层问软弱夹 层，还常见有诸如石膏等易溶盐类。红层成岩作用差，有的呈半胶结状态，强度 较低，是一个很复杂的弹性模量相差很大的软硬相间的不等厚的地层组合岩体。 红层软弱夹层的分布主要受两个因素的影响：一是软弱夹层形成的沉积环境；二 是软弱夹层上覆地层的沉积环境。 洪泛盆地为洪泛平原上离河床最远的积水低洼区，类似于浅湖。此环境沉积 物为河流相地层中最细粒的，主要沉积厚层粘土岩或粘土质粉砂岩。它是坝基地 层中性状最差的软弱夹层，这些夹层粒度细、厚度大、连续性好、分布十分稳定。 洪泛平原沉积物以粉砂岩为主，也沉积有粘土岩、粘土质粉砂岩。洪泛平原环境 中形成的软弱夹层，以粘土质粉砂岩居多，顶部常有粘土岩薄层。河流在洪水期 因水位较高，河水携带的细粉砂级物质沿河床两岸堆积，形成平行河床的砂堤， 称天然堤。沉积突出特点是垂直向上砂、泥质成薄层互层。这种环境下形成的软 弱夹层粘粒含量较高，粘土岩层很薄，其厚度只有几毫米、几厘米至十几厘米， 夹层界面十分平缓，常顺河道方向呈面状或条带展布，如未经改造，分布较稳定。 边滩沉积物一般为砂岩，但由于侧向侵蚀加剧，搬运来的粘土岩团块被迅速掩埋， 所以边潍相砂岩中含大量的粘土岩团块，有的密集分布即形成泥砾层；入侵蚀到 岸后沼泽则可带来大量的有机物质形成含碳质条带的粉砂岩夹层。这种环境下形 成的软弱夹层一般连续性差，分布不稳定。心滩沉积是在丰水期水下砂体不断淤 高并出露于河床两形成的。此环境沉积物以砂岩为主，但由于河道快速迁移也将 相邻心滩项部垂向加积的细粒沉积物携带进来而形成粘土岩团块或砾状粘土岩 层；也可在心滩顶部垂向加积而形成粘土质岩类薄层。这种环境下形成的软弱夹 层，在平面或剖面上也是不连续的，夹层面亦由若干小曲面断续连接。有些废弃 的分支河道，在洪水期，水流携带的细粒物质可沉积于河道中原已沉积的床砂之 9 i i j 海人学顾i 学位论义 上，构成典型的二元结构。这种环境中形成的粘土质岩类，一般形态与河道宽窄 近似，厚度较小。由于河道频繁迁移，这样一种二元结构的沉积常互相叠置，粘 土质岩类薄层、透镜体可断续连成层形成软弱夹层。此环境中生成的软弱夹层， 平面上多顺河流向延伸，但常突然尖灭；剖面上常分为数支，横向上迅速为粗粒 沉积物所代替：夹层面上为多个小曲面联合而成。 在洪泛盆地或河漫环境中沉积最细的粘土岩或粘土质粉砂岩失层之后，新沉 积坏境演变为洪泛平原沉积，则老沉积环境中形成的软弱夹层可得到完好的保 存，一般厚度大，分布稳定，具有面状连续展布的特点。这种沉积环境组合对工 程而言是十分不利的。新沉积环境转变为主河道，由于主河道水动力条件强，冲 蚀能力高，故常能沿河道冲出深槽，这些深槽切割到下伏地层之后，即可影响夹 层分布。这样的冲蚀对夹层的佳状有较大的影响，一方面，控制了软弱夹层的整 体移动，改变了工程地质条件：另一方面，因其截断了软弱夹层，为遭到剪切破 坏的软弱央层提供了地下水运移的通道，可促进软弱夹层的泥化。当新环境转变 为心滩、边滩时，由于底冲刷的发育也影响到老沉积环境中央层的保存，特别是 心滩沉积，由于其不断迁移影响更为深刻。 2 3 岩浆岩中软弱夹层的基本特征 岩浆活动过程中形成火成结构面，当火山溢流多次岩流层之间及其与底层之 间的接触面有时含有古风化层，这是岩浆岩中比较显著的软弱结构面( 夹层) ， 岩浆侵入和冷凝过程中，以及在岩流冷却过程中形成的原生和冷凝节理，当其被 充填相对软弱的物质时，亦形成软弱夹层。火成结构面( 软弱夹层) 的产状常受 岩体与围岩接触面控制，而岩流接触面和侵入岩体的冷凝节理具平缓产状。接触 面延伸较远，而原生节理延续性不强。岩浆岩中的软弱带常出现在构造不连续处， 如断层、裂隙面，其倾角有起伏，夹层分布不规则，延伸范围不一，厚度变化很 大，从几毫米到几米，另外此类夹层的矿物成分可能与围岩不同。 2 4 变质岩中软弱夹层的基本特征 变质结构面是在岩石变质过程中形成的，包括片麻理、片理、以及软弱矿物 富集而形成的条带状结构，如云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等软弱夹层等。 1 0 第二章软弱夹层( 结构面) 的基本特钮= 发其分类 变质岩体中片理、片麻理是高温高压作用下的产物，它们一般垂直于最大压 力方向。片理延展性差，但很密集。变质岩体中的软弱夹层往往含片状矿物，呈 鳞片状，变形性能差，抗剪强度低。它们也常出现在构造不连续处。 2 5 软弱夹层的分类 国内对于软弱夹层的研究始于2 0 世纪5 0 年代末，但对于它们的分类而言， 可以说是见仁见智，众说纷纭，从不同角度提出过许多分类方案。这些分类主要 在于区分并阐明成因、工程地质特性及其对水工建筑物的影响，以便认识和掌握 软弱夹层的特征和分布，迅速作出评价。但它们大都由于缺乏定量依据，且分类 对工程的意义一般都不大。目前国内划分标准有些侧重于成因；有些侧重于岩性 组合( 有的还结合泥化程度) 或形态特征( 特别是颗粒组成) 等等，尚无统一的 原则和标准。 2 5 1 按成因分类 软弱夹层实质上就是具有一定厚度的岩体软弱结构面，或者说，当岩体结构 面附近具有一定厚度的相对软弱的层状地质体，便构成软弱失层，或称软弱带。 它与周围岩体相比，具有相对显著低的强度，显著高的压缩性，或具有一些其特 有的软弱性状。由于它具有一定的厚度，不仅对岩体滑移稳定性具有重要意义， 而且在地基中可能产生明显压缩、沉降变形。软弱夹层的产状基本与层状岩层的 层理和岩体间接触面一致，因称夹层；也可见到沿着构造断裂或其他裂隙发育的。 断层破碎带实质上也是一种软弱夹层。从成因上看，软弱夹层可划分为原生软弱 夹层、构造软弱夹层和次生软弱夹层。 原生软弱夹层包括沉积软弱夹层、变质软弱夹层、火成软弱夹层。 沉积软弱夹层是沉积同生的粘土夹层、页岩夹层、泥灰岩夹层，以及石膏夹 层等。由于这种夹层与其上、下层相比较，在岩性结构、构造上相差很大，决定 它具有显著不同的工程地质特性，主要为失水干裂、遇水软化，抗剪强度降低， 压缩性较高，有时易冲刷或易溶。 变质软弱夹层在沉积变质岩地区最为常见。如片岩本身便具有软弱夹层的特 征，当它间夹在石英岩、大理岩或其他比较弹脆性岩层中，便构成软弱夹层。在 f 海人学硕j ：学位论文 片岩系中，那些沿片理面片状矿物极为密集的云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩 及石墨片岩，比其上、下层的其他岩石如石英片岩或片状石英岩，具有显著低的 抗剪强度，也是软弱夹层。 火成软弱夹层在喷出岩或溢出岩地区最为常见，如流纹岩间夹有凝灰质页 岩，产状成层或称透镜体，遇水易软化，抗剪强度显著降低。 构造软弱央层主要是沿原有的软弱面或软弱夹层经构造错动而形成的，也有 的沿断裂面错动或再次错动而成。构造软弱夹层的特点是产状延续最为稳定，组 成物质破碎，并掺杂有断层泥一类的岩粉物质。它未经风化不易形成粘土质物质， 但具塑性，遇水崩解或软化，使抗剪强度变得更低。 岩体在构造应力作用下，沿软、硬岩层接触带或软岩内部，发生一至数条层 间剪切错动。由于构造变动的多期性，使剪切错动带受到多次改造，其结构更为 复杂，形成了大量细颗粒物质。同时，产生了很多裂隙，给地下水的渗透创造了 条件，经地下水活动和物理化学作用而形成软弱夹层。 次生软弱夹层是沿着薄层状岩石、岩体间接触面或原有软弱面或软弱夹层， 由次生作用参与形成的软弱央层。这些次生作用是指风化作用和地下水作用。风 化作用参与形成的风化夹层有夹层风化及断裂风化的软弱夹层；地下水形成的泥 化夹层有夹层泥化及次生夹泥的软弱夹层。 风化夹层是那些易于风化的层状岩体，如煌斑岩等基性岩脉，经风化作用形 成的软弱夹层；也有岩体自j 接触面物质经风化作用形成的软弱夹层；还有那些原 来便是脆弱的而又经过风化作用的软弱夹层，都属于夹层风化的软弱夹层。 泥化夹层主要是地下水作用下的结果，它可以划分为夹层泥化的软弱夹层和 次生夹泥的软弱夹层。原有厚度较小的弹塑性岩层，也常常就是软弱夹层，如粘 土岩、粘土页岩、泥灰岩等岩层，与上覆的弹脆性岩层，如灰岩、砂岩、砾岩等 岩层相比，他们常常是隔水的。在这种上覆较厚岩层而断裂比较发育的弹脆性岩 层里，在地下水循环强烈的条件下，就造成地下水对下伏的弹塑性岩层项面的冲 刷、溶蚀、软化，甚至形成泥化夹层，它与岩层产状一致，延续性强，但各段泥 化程度不同。泥化物质呈塑性，易压缩，抗剪强度很低。另外，常见沿着层面或 断裂面，由地下水渗入带来并沉积下来的粘土，构成次生夹泥。其产状受岩层面 或断裂面的制约，延续性差，近地表发育，但工程地质性质最差。它主要为细腻 1 2 第一二章软弱夹层( 结构面) 的基奉特征及】e 分类 的粘土矿物，具塑性，甚至呈流态，压缩性很高，抗剪强度很低。 2 5 2 按力学效应分类 软弱夹层按其岩体力学效应的程度来看，可分为附膜、薄层及厚层三种。其 中附膜状软弱夹层的厚度一般小于l m m ，多为次生的粘土矿物及蚀变物质填充， 如高岭石、蒙脱石、叶蜡石、滑石、蛇纹石、绿泥石等，附膜可以使软弱面的基 本强度更加降低。这种软弱夹层也可被视为软弱面。薄层状软弱夹层的厚度与上、 下盘面起伏差一般相似。软弱面的强度主要取决于夹层物质，岩体破坏的主要方 式为沿着软弱夹层滑动。厚层状软弱夹层的厚度可由几十厘米至几米，岩体内存 在如此厚大的软弱夹层，其破坏方式已不仅是沿着软弱夹层方向滑动，若其本身 是塑性物质的情况下，常以塑性状态被挤出，从而导致岩体大规模破坏。 2 5 3 按产状或分布形态划分 按夹层的产状可将软弱央层划分为：水平夹层、缓倾角失层、中倾角夹层、 陡倾角夹层：按其分布的连续性程度，可将软弱夹层分为连续失层、不连续夹层、 透镜状夹层和团块状夹层。 工程上，一般连续性强，倾角小于3 0 。，特别是小于l o 。的微倾向河流上 游的缓倾角夹层影响着大坝坝基的抗滑稳定；而陡倾角的软弱夹层则可能影响拱 坝坝肩和岸边坝段的稳定。 2 5 4 因素组合分类 工程实践中，地质工程师已经认识到软弱夹层的成因，及其性状、岩性组合、 颗粒组成、泥化程度等与夹层的力学强度密切相关。而软弱夹层对坝体稳定的影 响主要取决于它的力学强度，因此，可以以成因和工程地质性状作为划分软弱夹 层的依据。据此，建议软弱夹层的分类如下【6 l ：软岩夹层、碎块夹层( 破碎夹层) 、 碎屑夹层、泥化夹层。 上述各类夹层的主要工程地质特性及其对应的主要力学指标，大致如下： ( 1 ) 软岩夹层是夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层，如粘土岩、碳质条带、班脱 河海人学颂：i ：学位论文 岩、石膏层、疏松泥灰岩等，易于风化破碎，浸水崩解；有些特殊的软岩，遇水 膨胀或溶解。软岩轴向抗压强度一般小于1 5 0 k g c m 2 ，摩擦系数峰值约为 o 4 0 - - 0 6 0 ，变形模量小于2 0 1 0 4 k g e m 2 ，其变形特性和强度特征的时间效应比 较明显。 ( 2 ) 碎块夹层主要是由8 0 以上粒径大于2 m m 的碎块组成。块体间或上下界 面充填泥膜，粘粒含量少于1 0 ，介于两者之间的为粉砂粒。此类夹层的剪切破 坏面般不是平直面，而是沿裂隙的追踪破裂面，应力位移关系曲线较为复杂。 夹层的摩擦系数峰值变化区问为0 4 5 - - 0 5 8 ，多数为o 5 0 左右，变形模量约为 ( 2 肚1 o ) x1 0 4 k g c m 2 。 ( 3 ) 碎屑夹层内的物质是以细碎屑( 2 5 m m ) 和粗碎屑( 2 o m m ) 为主，前者 约占3 0 ，后者约占3 0 5 0 ，粘粒含量约占1 0 - 3 0 。此类夹层在受到剪切作 用时，低应力或较高应力情况下，应力应变曲线都会反映碎屑的压密性，其抗 剪强度与碎屑母岩的性质，碎屑形状和泥质含量有关。一般情况下，夹层的摩擦 系数峰值为o 3 0 - 0 4 5 ，多数为0 4 0 ，变形模量约为( o 0 5 - - 0 2 0 ) 1 0 4 k g c m 2 。 ( 4 ) 泥化夹层结构松散，粘粒含量一般大于3 0 ，含水量高，容重低，有时泥 质团块呈定向排列，摩擦系数峰值为o 1 5 , , - 0 3 0 ，其中出现频率最高点是0 2 0 左 右，变形模量一般小于5 0 0 k g c m 2 。另外本类夹层的流变程度最显著。 由于夹层母岩的性质和边界条件的差异，在岩体软弱夹层内往往有几种类 型，有时候甚至在同一条软弱夹层内可能有泥化段、碎屑段和碎块段，自j 断分布， 并非单一类型，可能是几种类型的组合。 为了便于工程上的应用，工程上也将岩体中的软弱夹层简单划分为三类：泥 化夹层、碎屑夹层和碎块夹层。泥化夹层是岩体泥化带连续分布和层位稳定结构 面，其黏粒含量一般大于2 0 ：碎屑夹层是指以粗颗粒为骨架、充填有泥或局部 泥化或上、下盘有连续薄层泥带的薄层；碎块夹层则是指岩体中相互叠置碎片或 碎片而形成的薄层，其黏粒含量一般小于5 。 2 4 5 夹层泥化定量指标划分 借鉴人们对于岩体风化程度f 3 0 】的划分，本文提出对于软弱夹层泥化程度上的 定量指标划分具体方法是：