摘要:处理夹层往往需要大量的工程费用,有时还会影响到总的工期,若对其研究不够或事先未查清软弱夹层问题,或处理工程措施不当,都将对工程安全造成隐患。因此,拱坝设计中对软弱夹层问题应当予以充分的重视。
Abstract:A lot of project costs are needed for dealing with the intercalated layers. Sometimes even affect the construction period. Shallow research of it, non-identified problems in advance, or misconduct of project measures will cause the safety problems. Therefore, soft intercalated layers problems in arch dam design deserve extra attention.
关键词:软弱夹层;断层交会;破碎带
Key words:Soft intercalated layers; Abutment; Crushed zone
中图分类号:TV22 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)01-0138-02
1软弱夹层的分类
软弱夹层在水电工程中泛指颗粒细、层薄、间夹在相对坚硬的岩层中的夹层,呈层状或条带状,力学强度低,遇水易软化或泥化。
1.1 软弱夹层物质组成
研究资料表明,软弱夹层的物质组成比较复杂,变化也比较大,其成分包括岩块、岩屑、土,不但颗粒等级多,而且分布很不均匀。
(1)按成因划分的物质组成。原生物质:夹层中的物质尚保留母岩的基本形态及矿物成分,机构及构造未被破坏。如未完全泥化的原生夹层中的物质,及构造岩中的碎块物质。
构造物质:在动力作用下产生的物质,如层间错动夹层中的泥、糜棱岩、碎屑岩、片状岩及块状岩等。
次生物质:主要是指外引力作用产生的次生矿物,含水铝硅酸盐,一般统称黏土矿物,如高岭石类、伊利石及蒙脱石类物质。夹层内还有些碳酸盐及硫酸盐物质,如结晶的钙盐和石膏等。
(2)按化学成分的物质组成。按国内有关工程资料综合分析表明,软弱夹层的化学成分,主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等,其他成分较少,参见表1。
表1软弱夹层化学成分含量范围
(3)按软弱夹层的含水状态划分物质组成。软弱夹层可呈流塑、软塑、塑及硬塑超固结状态。通常在表部的风化卸荷带内含水量是较高的,有的可达到饱和状态甚至超饱和状态。其含水量和埋藏条件(深度、产状、应力状态)有关,随深度的增加而减小,当达到一定深度时,趋于稳定。一般是次生型的软弱夹层含水量比较高,目前工程地质界都在注意研究含水量与抗剪力学参数的关系,但含水量在夹层内的变化情况的专门研究资料较少。所以应重视这一问题,否则将会使确定的强度指标不符合实际情况,甚至是错误的。
1.2 软弱夹层分类
软弱夹层分类有助于了解软弱夹层的形成及分布规律,有助于正确评价地基和围岩,有助于确定不良地基的处理措施。随着软弱夹层研究工作的开展和深入,分类方法逐渐增多。
按三大岩分类:岩浆岩;沉积岩;变质岩类。
按成因分类:原生;次生;构造;综合。
按夹层产状分类:水平;缓倾;中陡;陡倾。
按颗粒组成及破碎程度分类:泥化夹层;破碎夹层;片状夹层。
此外,还有按岩层岩性组合分类;按母岩性质及构造破碎程度分类;按构造成因分类等多种分类方法;按成因及工程地质性状分类,这种分类设计者应该予以重视,例如,如何区分硬性结构面和软弱夹层、如何区分不可压缩层和可压缩层等,因为这些性状将会直接影响到对断层破碎带是否处理以及处理方案的确定。目前工程中倾向于结合成因类型和颗粒组成等多因素综合分类,以便通过研究软弱夹层的成因寻找其分布规律,通过研究夹层物质的颗粒组成、物质组成和含水状态确定其强度指标,用于工程设计。
1.3 软弱夹层的分布规律
(1)原生型软弱夹层,主要是指沉积岩及副变质岩内的夹层。这类软弱夹层一般成层条件好、层次多、有韵律、分布广、厚度较大、延伸远、产状稳定,且大都与岩层产状一致。
(2)层间错动型软弱夹层,即是原生构造型的软弱夹层。多在原生夹层的基础上,经构造作用而使原生夹层的一部分或大部分受到破坏,形成构造岩类再受水的作用软化或泥化。这类夹层的分布规律具有原生型夹层的特点。由于沉积韵律的关系,夹层常常有规律出现,一般多分布在软硬相邻的结构面处或易引起应力集中的最软弱层位。
(3)构造型软弱夹层是经过构造作用的断裂带,其分布规律与一般的原生型软弱夹层的差异很大,大致表现在以下4个方面:①一般指的软弱夹层其厚度是较薄的,但断裂带(构造型断层)却与之不同,其厚度变化很大;②就连续性而言,一般的软弱夹层只限定在一定范围或一种岩性内,而断裂带(构造型夹层)可以通过几种岩质;③一般夹层大都是平缓的,而构造夹层(断裂面)的倾角可在0°~90°内变化;④就空间分布来看,呈层的夹层一般是不相交的,而各组断裂带(构造型夹层)可以彼此相交,因此构造型软弱夹层的物质组成和厚度变化是相当复杂的,同时具有明显的分带性,而各个小带的物理力学性质和渗透性差别很大。
2断层交会破碎带的类型
当两条或数条断层相遇、或是距离较近时,由于构造应力叠加的影响,其中的一条或数条断层局部加宽或断层间的岩体破碎,这个相交地段则称为断层交会带。由于其岩体破碎、力学指标低、风化强烈、地下水活跃,如果其宽度较大而又处于工程重要部位,就会成为重要的工程地质问题。如果在工程的初步设计勘察阶段没有查明这种交会带,而在施工阶段才揭露出来,就会给勘测设计和施工带来很被动的局面。根据一些工程的资料从断层产状和交会形式,可归纳为以下类型。
2.1 平行型断层交汇带
断层走向近平行,倾向相同,相距较近或收敛(靠拢)、或散开所形成的一个条带状断层带,或断层影响带接近以至重叠。其规模有大有小,大者带内断裂发育,岩性破碎,构造岩发育齐全,且常混杂出露。且断层带可具有双重或多种力学性质。
构成平行型断层交会带的断层一般倾角较大,60°~90°,多数在河床出现,多为顺河向断层。这是因为河流易在软弱破碎的部位发育并顺其延伸,以李家峡为例,导流洞上游河流顺层面走向发育,在导流洞进口附近拐一大弯(近90°),转向顺NE向陡倾断层和裂隙发育。
2.2 斜交型断层交会带
两条断层交角小于60°,由于产状不同,又可分为平面交会和立面交会两种类型。
(1)平面相交指两条断层走向相交,如刘家峡河床Ⅶ坝块坝基有F175、F69、F155三条断层相交,其分布情况见图1。
图1 刘家峡坝基F175、F69、F155交会带示意图
基坑开挖时,三条断层的交会破碎带宽达7~10m,对坝基应力分布、抗滑稳定、渗透稳定、渗透压力等都造成了不利的影响。为改善上述问题,采取了在坝基上游面做混凝土截水墙、并进行化学灌浆、坝基设混凝土塞、断层两侧加强固结灌浆等工程措施。
(2)剖面相交,指两条断层的走向平行、倾向相反,将岩体切割成三角形楔体,如白山水电站左坝肩的F1和F3断层。F1的走向NW330°~NEl0°,倾向W,倾角30°~60°,破碎带宽0.5~1.5m;F3的走向NW310°~NW325°,倾向NE,倾角55°~70°,破碎带宽1~3m,两条断层的走向交角20°~30°,但在坝轴线处,其走向近乎平行,倾向相反,在剖面上,F1错断F3,将岩体切割成倒三角体,见图2。由于断层交会,应力叠加作用,使两条断层间岩体破碎,风化较深,其规模见表2。该断层交会带严重影响坝基稳定——沉陷和渗漏,最后采用了坝基范围内断层交点以上破碎带全部挖除、回填素混凝土塞、固结灌浆等处理措施。
2.3正交型断层交会芾
两条断层走向交角大于60°或接近正交,仅在交点附近稍有加宽或不明显,虽在坝基遇见较多,但从岩体完整性看,都没有成为较严重或难以处理的重大工程地质问题。
当断层走向交角小于30°时,所形成的交会破碎带宽度较大,随着交角增大,其交会带宽度、长度也逐渐变小;而正交型仅在交点附近稍增大或基本不明显;斜交型交会带宽度和长度介于二者中间。