新第三系红层工程地质特性研究

新第三系红层工程地质特性研究黄河上游中型水电站内容1工程概况及主要技术问题2黄河上游新第三系红层形成的地质环境3第三系红层岩体结构特征4第三系红层的水文地质特征5黄河上游第三系红层的工程特性6第三系红层开挖松弛及防护措施研究1.工程概况及主要技术问题黄河上游龙羊峡至刘家峡河段，由坚硬岩石形成的深切峡谷，目前已建、在建的大型电站有五座.在这些深切峡谷的上下游往往为较为开阔的山间盆地(或构造盆地)。黄河在这些河段的河床较为开阔,仍然具有一定的落差，利用这些水头，可以开发上百万千瓦的电力资源。目前已规划七座中型水电站(其中尼那电站已在施工)。第三系红层时代新、成岩作用差、岩性较软弱、强度及变形模量低，开挖暴露后易受环境条件的影响。系统研究新第三系红层软岩的工程地质持性，合理地给定第三系红层岩体的各种工程参数及开挖防护措施，为本研究的主要技术问题。对国内外有关软岩、硬粘土研究现状分析表明，目前对软岩、硬粘土的工程地质研究已取得了相当大的进展，尤其在软岩、硬粘土的物理力学性质及其影响因素方面研究较多。但这些研究成果大多数是在室内试验条件下按常规试验规范进行。由于软岩、硬粘土的划分国内外多以饱和抗压强度为标准，而泥质岩的工程特性受环境条件影响显著，当其从钻孔中取出或平洞开挖后将受应力松弛和吸湿、膨胀松弛的双重影响。目前进行泥质岩岩石的饱和抗压强度测定时，是将钻孔或平洞中取出的岩石再次浸入水中，这对于富含蒙脱石、伊利石等亲水性粘土矿物的软岩具有显著的遇水膨胀崩解特性，即使岩石不发生崩解，由于软岩遇水膨胀，造成原有的天然孔隙度发生显著地改变，因此测得的抗压强度也就显著降低。而在天然条件下软岩的饱和度达100%时，仍具有较高的强度特征。因此，忽视环境条件来研究和评价泥质岩的工程特性，这是当前泥质岩饱和抗压强度及浸水软化特性测试等研究中存在主要问题。软岩、硬粘土研究中存在的主要问题2黄河上游新第三系红层形成的地质环境位于祁连加里东褶皱系和松潘甘孜印支褶皱系两个大地构造单元交界地带，由青海南山深断裂带、拉脊山深断裂带、鄂拉山断裂带、阿尼玛卿断裂带构成的化隆、贵德断陷盆地内。（1）构造部位图1西宁、民和盆地；2、循化盆地；3、贵德盆地；4567、甘孜印支褶皱系。①青海南山深断裂带；②拉脊山深断裂带；③④阿尼玛卿断裂带；⑤中祁连山北化深断裂带黄河上游第三系红层盆地（2）岩性、岩相特征表研究区第三系红层岩性、岩相及气候时代盆地名称岩性厚度沉积相气候西宁桔黄色砂岩，钙质泥岩，夹泥灰岩，底部有灰绿色砾岩100~200淡水湖相为主的冲积～湖相半干旱气候循化底部深红色、砖红色砂砾岩、砂质泥岩；中上部浅红色、桔黄色，有时为灰色砂岩、泥岩互层，含不稳定砂砾岩。总的向上岩性逐渐变细，泥岩增多，有不规则泥灰岩及石膏层。＞512内陆湖相半干旱气候化隆底部灰白色钙质胶结石英砾岩，中上部为桔黄～土黄色砂岩，泥岩与砾岩、砂砾岩互层淡水1100湖相为主的冲积～湖积相半干旱气候上第三系贵德组（N2g）贵德桔黄色砂岩粉砂岩，泥岩，局部夹含生物化石灰岩，上部为土黄色砂岩泥岩500—700淡水湖相为主的冲积～湖积相半干旱气候（3）第三系红层沉积后的地质环境条件A上新统地层沉积厚度可以达到500～６００ｍ---------自重压密作用B喜山运动第三幕较高的构造应力------------构造应力压密作用C有限元分析表明，盆地内第三系红层泥质岩在喜山运动承受的构造应力量值大致为邻近坚硬岩体应力量值的１／５～１／８倍。因此，第三系红层成岩过程中受到的构造应力压密，是该区第三系红层工程性质形成，以及不同于其它地区第三系红层的重要原因。有限元计算模型①断裂(玫瑰红色条带)；②三叠系、侏罗系岩体(绿色)；③坚硬岩体(大红)；④红层岩体(黄色)表3—5区内地应力测值及模拟的地应力量值实测地应力模拟的地应力工程名称岩性最大主应力σ1（Mpa）最大主应力方位测试方法最大主应力σ１(Mpa)最小主应力σ３(Mpa)花岗岩30.88水压致裂34.82.67拉西瓦水电站花岗岩26.46水压致裂20.953.566.72.7尼那水电站上第三岩3.450.5花岗岩14.3359水压致裂20.13.7龙羊峡水电站库岸Ｑ1地层1.9563应力解除法混合岩9.460应力解除法12.16.01李家峡水电站混合岩9.22327应力解除法13.556.11直岗拉电站、康扬电站上第三系泥岩岩8.15.01黄丰电站上第三系泥岩7.33.63第三系红层岩体结构特征第三系红层岩体内结构面不太发育，间距多在3m以上，岩体完整性好，各向异性特征表显不明显，基本近各向同性特征。因此，可运用岩石力学参数的方法来评价这类岩体的力学参数进行了新的探索。图直岗拉卡电站PD1平洞波速的各向异性分布图4第三系红层的水文地质特征第三系红层地下水主要为裂隙水。岩体透水性微弱，多数小于1Lu。一般在强风化或卸荷带内岩体呈弱—微透水性；弱～微风化、新鲜岩带则为相对不透水层。5黄河上游第三系红层的工程特性黄河上游第三系三趾马红层较我国北方的三趾马红土具有质好得多的物理性质。表各电站坝址区红层岩石物理性质统计表天然密度(g/cm3)含水量(%)工程名称岩石名称范围值平均值范围值平均值粘土岩类2.27~2.462.375.0~9.826.69尼那砂砾岩2.26~2.352.296.4~7.06.7直岗拉卡粘土岩及粘土2.30~2.402.357.89~9.978.57康扬粘土质粉砂岩2.14~2.322.266.8~12.2110.59含粉砂质泥岩2.28~2.332.304.5~6.15.1黄丰含粉砂粘土质2.49（1）物理性质表不同时代的红层的物理性质对比表岩土名称地层时代密度（g/cm3）干密度（g/cm3）含水量（%）孔隙比e内蒙古元宝山三趾马红土第三纪1.91~2.041.52~1.6821.2~25.80.62~0.75百色盆地那读组泥岩下第三纪2.01~2.0619.6~26.40.60~0.67利民堡盆地三趾马红土N22.10~2.197.0~9.75晋西北三趾马红土N21.93~2.091.55~1.6424.51~24.68内蒙古阿巴嘎三趾马红土N21.91~2.071.54~1.7516.13~25.210.498~0.752西安三趾马红土N21.76~2.151.34~1.9415.09~21.600.493~0.814延安三趾马红土N21.75~2.091.48~1.8819.26~22.600.443~0.618伊朗卡尔赫泥岩第三纪1.6~1.90.39~0.62葛洲坝粘土岩K2.35~2.45升钟水库泥质岩K2.35~2.410.144~0.161重庆市泥质岩J22.46~2.642.32~2.611.60~3.860.041~0.105四川侏罗纪泥岩J2.430.127第三系红层天然抗压强度较高，一般在5—16Mpa之间，但随暴露时间的延长，其干密度逐渐降低，相应的天然抗压强度也随之减小。尼那电站试验区粘土岩物理力学性质随暴露时间的关系（2）红层岩体的天然抗压强度第三系红层按现行室内岩石试验规范的试验方法获得的饱和抗压强度值很低，多数小于1Mpa.,仅尼那电站消力池部位的粘土饱和抗压强度值较高，一般达1.0─7.0Mpa。但天然条件下饱和度在90～100%范围岩石的抗压强度值较高，处于强～弱风化带的粘土岩的抗压强度可达7.0─15.0，平均值为11.0Mpa.（3）红层岩体的饱和抗压强度天然条件下红层岩石的饱和抗压强度试样编号天然含水量(W％)天然r(g/cm3)饱和Sr(%)饱和抗Rs(Mpa)备注N106.52.4192.035.77~8.29试-18．52．3892．812．8试-29．02．3793．49．2消-17．52．4189．214消-27．52．4596．712消-37．62．4190．414消-77．52．4396．815．0消-137．52．4610013．0室内饱和抗压强度仅2-7Mpa,平均4Mpa.8．54饱水样2．53~7.09室内试验统计值平均4.16Mpa.研究表明：①红层泥质岩浸水后岩石的强度变化大，并且岩石的抗压强度随含水量的增大而显著减小，甚至强度可缓慢降为零，软化系数可在0.2以下。粘土岩(尼那)的单轴抗压强度(R)随含水量(W)的变化曲线②按现行室内岩石试验规范，对天然饱水或基本饱水的红层样再进行室内人工饱水，实际上是对岩样进行了无侧限条件下的先崩裂、超吸水、再弱化、后抗压的不符合工程地质岩体真实天然环境和力学环境的试验，其成果不能代表坝基深部岩体所具有的真实力学特性，仅能代表未来基坑开挖后暴露于大气环境并经水浸泡饱和的表面岩石的强度。红层建坝施工开挖过程中对建基岩体的保护是红层建基关键。红层岩石具有较高的抗剪强度参数，f值一般0.64─1.02。直剪试验三轴试验岩石名称fC(Mpa)fC(Mpa)粘土岩0.43~1.00(0.66)0.14~4.80.436~1.880.2~5.4砂砾岩粉砂岩0.92~1.06(1.01)0.14~0.530.636~0.7013.26注：表中括号内的值为平均值（4）红层岩石的抗剪强度在天然条件下尼那坝址4.34─7.11Gpa，直岗拉卡为2.02Gpa。但在饱水条件下较低，一般为0.578─0.857Gpa最大仅1.11Gpa最下0.287Gpa，与天然条件下的模量值差异较大。（5）红层软岩的变形特征①红层软岩弹性模量红层软岩的物理力学性状受控于所处的应力环境及湿度变化的影响。在平洞中进行岩体的变形试验时，不仅洞室围岩的应力重分布引起的岩体发生卸荷、松弛；而且暴露在平洞中的粘土岩吸收洞内潮湿空气或水的作用（水环境），引起岩石的膨胀或松弛，这是粘土岩独有的特征，红层软岩的变形特征评价应于环境条件相对应。②层软岩的变形特性与环境的关系密切a尽量防止岩体吸湿松弛，获得的变形参数较高表松弛较小的粘土岩体变形试验成果工程名称试样编号试样岩性变形模量E0（GPa）试验情况其他代表性指标PD3-9.9粘土1.02松弛较小，吸湿少Vp=2400m/sPD3-28.8粘土岩1.11松弛较小，吸湿少E91-1粘土岩1.0松弛较小，吸湿少E91-2粘土岩1.0松弛较小，吸湿少尼那电站ZH1粘土岩1.19坝基基坑岩体，长期处于地下水位下，饱水PD9粘土岩0.834天然状态，平洞开挖后较短时间内试验直岗拉卡电站PD2粘土岩0.88天然状态，平洞开挖后较短时间内试验b平洞开挖后松弛时间较长，或试验点位于地下水位以下，岩体有吸湿情况下变形参数偏低,与同一地区、同一岩性、同样风化程度、相近干密度、孔隙率、同样的环境条件下的粘土岩的变形模量相差8—9倍。表有较长时间松弛的粘土岩体变形试验成果工程名称试样编号试样岩性变形模量E0（Gpa）试验情况其他代表性指标PD6-24.5粘土岩0.1793年12月开挖平洞，12月测波速，94年5月试验开挖后不久的洞壁波速Vp=1700m/s，穿透波速Vp=2300m/sPD7-15粘土岩0.17393年12月开挖平洞，12月测波速，94年5月试验开挖后不久的洞壁波速Vp=1600m/s，穿透波速Vp=2100m/sPD9-97-5粘土岩0.44197年开挖后不太长时间内进行试验洞壁波速Vp=1920m/s（基本上与试验同步）PD9-97-3粘土岩0.27697年开挖后不太长时间内进行试验洞壁波速Vp=1830m/s（基本上与试验同步）PD8-97-1粘土岩0.30797年开挖后不太长时间内进行试验洞壁波速Vp=1920m/s直岗拉卡电站PD9-97-4粘土岩0.13897年开挖后不太长时间内进行试验洞壁波速Vp=1770m/sPD3-14.9粘土岩0.075松弛浸水PD3-25粘土岩0.162松弛PD4-19.95粘土岩0.012浸水、松弛康扬电站PD4-30.1粘土岩0.019浸水、松弛c对平洞开挖后放置时间稍长的洞底岩体的波速测试表明，从洞底向0.6~0.7ｍ深度纵波速度仍有明显的衰减;洞壁纵波速度可降低1.4倍。图当前进行