溪洛渡水电站坝区岩体层间层内错动带现场渗透及渗透变形特性研究_贺如平

水电站设计

第19卷第2期　

DHPS2003年6月

溪洛渡水电站坝区岩体层间层内错动带

现场渗透及渗透变形特性研究

贺　如　平

(武汉大学,湖北武汉　430072)

摘　要:层间层内错动带是溪洛渡水电站坝基中广泛发育的缓倾角结构面,本文针对电站坝址区岩体层间层内错动带进行了原位渗透特性研究,并对影响层间层内错动带临界坡降、破坏坡降、渗透系数的因素及渗透变形过程进行了分析。关键词:坝基;层间层内错动带;软弱夹层;物理性质;颗粒级配;渗透变形;溪洛渡水电站中图法分类号:TU459　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-9805(2003)02-0090-03

含量为5.30%～48.09%,平均为25.71%;中角砾

1　问题的提出

溪洛渡水电站坝址选在玄武岩岩层上。该玄武岩地层总体产状平缓,未见较大规模断层,工程地质条件总体较好,但普遍发育有不同规模的层间层内

错动带,它与坝区各组陡倾角结构面交切组合,在很大程度上控制了坝区岩体质量的优劣,是构成坝区各类工程地质问题的重要边界条件。在高坝高水头作用下,层状岩将产生巨大的渗透作用,使其软弱结构面进一步变化,甚至可能产生机械潜蚀。因此,研究由坝区岩体层间层内错动带形成的不同类型的复合结构面在现场原位高水头作用下的渗透及渗透变形特性,是溪洛渡水电工程的关键技术问题之一,也是保证大坝安全和工程防渗轮廓设计的必要参数。

(20～5mm)含量为42.64%～58.22%,平均为52.17%;细角砾(5～2mm)含量为5.18%～19.15%,平均为12.23%;岩屑(2～0.075mm)含量为3.11%～15.93%,平均为8.88%;小于0.075mm粒径含量为0.61%～1.40%,平均为0.78%。这表明级配范围分布变化不大,分类定名均为含屑角砾型。

PD36下支洞错动带天然含水量为4.67%～5.14%,平均为4.91%;干密度2.37～2.49g/cm3,平均为2.43g/cm;孔隙比为0.14～0.20,平均为0.17。表明错动带结构紧密。颗粒组成:无大于60mm粒径岩块,粗角砾(60～20mm)含量为19.99%～24.94%,平均为22.47%;中角砾(20～5mm)含量为45.79%～47.46%,平均为46.61%;细角砾(5～2mm)含量为12.27%～13.19%,平均为12.73%;岩屑(2～0.075mm)含量为12.66%～16.43%,平均为14.55%;小于0.075mm粒径含量为2.37%～2.93%,平均为2.65%,分类定名为含屑角砾型。配套物性颗分见图1。2.1.2　物理性质

由表1可见,坝区岩体层间层内错动带(软弱结构面)的物理性质具有如下特点:

(1)从颗粒组成上分析,绝大部分错动带大于0.1mm粒径的含量均在90%以上,黏粉粒含量极少。角砾类(60～2mm)含量普遍大于50%,分类定名为含屑角砾型。

3

2　研究成果及分析

2.1　岩体层间层内错动带的物理性质

2.1.1　测试成果

坝区有代表性的层间层内错动带的物理性质测试成果见表1。

由表1可知:PD82主洞、PD82支3洞错动带的天然含水量为2.36%～5.47%,平均为3.79%;干密度为2.20～2.40g/cm3,平均为2.33g/cm3;孔隙比为0.18～0.30,平均为0.23。这表明错动带较紧密。颗粒组成:无大于60mm岩块,粗角砾(60～20mm)

收稿日期:2003-04-10

作者简介:贺如平(1965-),男,重庆江津人,武汉大学在职研究生,国家电力公司成都勘测设计研究院高级工程师,主要从事水电站岩土工程科研工作。

表1　溪洛渡水电站坝区岩体层间层内错动带现场物理性质试验成果

取样位置/m65～6667～683～7

湿干风孔

加权密密化隙含水量度度状比ω/%况ρ/g·cm-3ρ/g·cm-3e强强弱弱弱弱

2.394.922.365.475.144.67

2.432.462.252.532.622.48

2.372.342.202.402.492.37

加

权比重Gs

颗粒组成/%

分　类

60～20mm48.0916.4233.045.3024.9419.99

20～5

mm42.6453.8153.9858.2245.7647.46

5～2

mm5.1816.587.9919.1514.2713.19

2～0.075

mm3.1112.094.3815.9312.6616.43

<0.075

mm0.981.100.611.402.372.93

含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型

试验编号

代表

层位

PD82主洞PD82主洞PD82支3洞

P2β6P2β6P2β6P2β6P2β8P2β8

0.202.860.222.860.302.860.182.860.142.830.202.84

PD82支3洞9～12PD36下支洞55～56PD36下支洞57～58

图1　颗分曲线

　　(2)从天然干密度和孔隙比参数分析发现,颗粒粒径组成偏粗的软弱结构面,其天然干密度普遍要

高于颗粒粒径组成偏细的软弱结构面。

据现有研究成果,坝区岩体层间层内错动带均具有干密度高、孔隙比低的特征。

2.2　岩体层间层内错动带的现场渗透特性研究2.2.1　试件制备

在进行试件制备过程中,由人工手工扩帮至代表性试验点位。用电动电锤钻进,手工精心加工,用尺寸为35cm×35cm×55cm(长×宽×高)的专用夹具锚固试件,使试件不受人为扰动。取出脱离体试件后,用专门研制的试件成型钢模,现场浇筑钢筋混凝土,养护到龄期后,安装在专门研制的岩石抗渗仪上(安装示意图见图2)进行试验研究。试验成果见表2及图3。

2.2.2　渗透特性分析

(1)带上下岩盘(PD36下支洞、PD82支3洞)的渗透系数K10=1.86×10-3～1.36×10-2cm/s,临界坡降ik=3.60～7.13,破坏坡降if=10.15～20.00。相关资料表明,坝区岩体中由构造形成的错动带挤压镶嵌紧密,带内填充以细粒为主,岩屑含量低于20%,加之制样的精细、合理,且带有岩盘,围压效应

未被解除,保证了软弱结构面不受扰动,低水头坡降不能使带内颗粒移动,只有水头到一定值后,才有可能导致夹层内细小颗粒的移动,所以错动带的破坏水力坡降高。又由于该错动带以角砾为主,颗粒粗细不均,且受地质构造挤压作用,带内存在许多裂隙,试件经排气饱和后,在试验过程中可能由裂隙形成渗水通道,表现为隔水能力差,透水性强,故渗透系数较大。在总体上表现为透水性较强,抗渗能力较差的特点。

(2)不带上下岩盘(PD82主洞)的渗透系数K10=1.53×10-2～1.88×10-2cm/s,临界坡降ik=1.54～1.63,破坏坡降if=2.61～3.75。试件取自L82C6-6、L82C6-7交汇处,属强风化夹层,碎裂结构,部分为松弛的镶嵌结构或散体结构,带内岩石块度小,多为角砾,少量岩屑,块径一般小于10cm;取样时无上下岩盘,围压效应已被解除,错动带内岩体一般较松弛,不需高坡降就能使其颗粒移动,其抗渗能力较有上下岩盘的低,仍表现出透水性强的特征。

(3)渗透系数、临界坡降、破坏坡降与其风化程度的关系。风化作用除了改变其物质组成之外,还改变其紧密程度。从表2可以看出,层内错动带的渗透系数、临界坡降、破坏坡降与其风化程度密切相

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表2　溪洛度水电站坝区岩体层间层内错动带现场原状样渗透及渗透变形研究成果

试验编号PD36下支洞PD36下支洞PD82支3洞PD82支3洞PD82主洞PD82主洞

位置/m55～5657～583～79～1265～6667～68

层位P2β8P2β8P2β6P2β6P2β6P2β6

风化状况结构面类型工程部位

弱弱弱弱强强

岩屑角砾型岩屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型含屑角砾型

拱肩槽拱肩槽坝肩坝肩坝肩坝肩

渗透系数临界坡降

ikK10/cm·s-11.36×10-2

4.61×10-31.86×10-34.32×10-31.88×10-21.53×10-2

3.60

5.807.133.671.541.63

破坏坡降

if10.1514.6020.0014.873.752.61

破坏类型管涌

管涌管涌管涌管涌管涌

说明带上下岩盘带上下岩盘带上下岩盘带上下岩盘不带上下岩盘不带上下岩盘

图2　试件制备、安装、试验示意

　　1—软弱夹层;2—岩石破裂过渡层;3—钻孔回填水泥砂浆止水带;4—完整岩盘;5—上游进水仓;6—下游出水仓;7—压力供水系统(可调控稳定水压);8—压力缓冲器(可消除脉冲压力);9—压力表;10—接水源;11—出水口;12—

出水流量测定

图3　PD82支3洞3～7m现场管涌i～v关系图

关。层内错动带按风化的强烈程度可以分为强风化夹层和弱风化夹层,强风化夹层的渗透系数K10=(1.53～1.88)×10cm/s,临界坡降ik=1.54～1.63,破坏坡降if=2.61～3.75;弱风化夹层的渗透系数K10=(1.36～4.32)×10-3cm/s,临界坡降ik=3.60～7.13,破坏坡降if=14.60～20.00。

(4)渗透系数、临界坡降、破坏坡降与其物质组成的关系。在相同风化程度下,层内错动带的渗透性能与其物质组成关系密切,渗透性差异的原因在于构造岩颗粒、结构的不同。

(5)渗透系数与临界坡降、破坏坡降的关系。层内错动带渗透系数越大,其临界坡降、破坏坡降越低。

(6)层内错动带渗透变形的过程。一般是先形成烟雾状管涌孔,管涌孔逐渐增大,错动带内出现裂纹或裂隙,接着出现浑水,管涌孔增多,流量增大,最后发生管涌破坏。渗透变形不是均匀发生,而是集中出现在渗流通道的出口部位。

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3　结　　论

(1)坝区岩体层间层内错动带受颗粒组成、裂隙的影响,渗透系数较大,透水性较强,而有上下岩盘约束的抗渗坡降较无上下岩盘约束的高出6倍左右。因此,在施工中应尽量保持错动带围岩的围压效应,使其抗渗能力不受影响。

(2)层内错动带在一定的水头作用下,将发生渗透变形,变形破坏形式为管涌。(3)影响层内错动带渗透性能、临界坡降、破坏坡降的因素有层内错动带的风化程度、物质组成等。(4)渗透变形不是均匀发生,而是集中出现在渗流通道的出口部位。

(5)坝区岩体层间层内错动带现场渗透指标,可供工程防渗轮廓设计使用。

(6)对岩体层间层内错动带渗透特性的研究,采用常规的扰动样试验研究方法有较大的局限性,而在现场进行原位测试,成果真实、准确。