重庆市奉节县渡口坝水电站工程坝址区软弱夹层的分析说明

【摘 要】本文重庆市奉节县渡口坝水电站工程坝址区软弱夹层形的原因、特点及分布规律及性状进行分析说明。

【关键词】渡口坝水电站；工程坝址区；软弱夹层

一、软弱夹层的成因及类型

1.软弱夹层的成因

软弱夹层一般是指那些颗粒细、厚度薄，具片状结构，遇水易软化或泥化，力学强度低，比其上下岩层相对软弱的岩层。软弱夹层中泥化的部分称泥化夹层。软弱夹层是水利工程建设中经常遇到的重大工程地质问题之一，如软弱夹层中有泥化错动带，则对坝基岩体抗滑稳定起控制作用，给大坝的安全造成很大的威胁，影响到设计方案、施工工期和工程投资。

软弱夹层是地质历史的产物，与成岩条件、构造作用和地下水活动等密切相关。按其成因一般可分为三种类型：

⑴ 原生型。指成岩过程中，在坚硬岩层间所夹的粘粒含量高、胶结程度差、力学强度低的软弱岩层。如碳酸盐建造、碎屑岩建造中夹的页岩、粘土岩薄层。

⑵ 次生型。指原生软弱夹层、蚀变破碎带、次生矿物充填的节理等在风化、地下水等外营力作用下，产生泥及碎屑物质而形成的软弱夹层，又称风化夹层。这类夹层多分布在浅表地层，往往受地形、水文地质条件、岩性及原生软弱夹层或软弱带发育情况所控制，常呈局部软化或泥化，粘粒含量及含水量均较高。

⑶ 构造型。指岩层在构造作用下形成的软弱夹层。一种是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层间剪切错动；剪切错动带受到多期构造变动而发生剪切破坏，形成大量细颗粒物质和裂隙，经地下水的渗透和物理化学作用而使原生夹层软化、泥化形成软弱夹层；另一种是指构造作用形成的断层破碎带经泥化、软化而形成的软弱夹层。

2.各种成因类型的软弱夹层的特点

原生型软弱夹层的特点是：成层条件好，层次多；有韵律、分布广、厚度较大、延伸远、产状稳定且与岩层产状一致。

次生型软弱夹层特点是：产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好，主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内；次生型软弱夹层从地表向下逐渐变薄，到卸荷带以下则消失。

原生型与构造型软弱夹层的区别在于：①原生型厚度较薄而构造型厚度变化很大；②原生型一般只限定一种岩性而构造型可通过几种岩性；③原生型大都产状变化小，一般不相交，而构造型倾角变化大，有时各层彼此相交。

二、渡口坝水电站坝址区软弱夹层的分布规律及性状

1.工程概况

渡口坝水电站位于重庆市奉节县境内长江左岸一级支流梅溪河上。推荐坝型为混凝土双曲拱坝，拦河坝最大坝高108.70m。

工程区大地构造上位于重庆台坳（Ⅱ级）之重庆陷褶束（Ⅲ级），构造形迹以褶皱为主，未见活动性断裂存在。新构造运动主要表现为大面积间隙性缓慢抬升，第四系以来抬升幅度趋缓，差异运动较弱。工程区属弱震地质环境，中强地震对工程区的影响烈度均小于Ⅵ度。

坝址出（揭）露地层为三叠系中统巴东组第三段（T2b3）、第四段（T2b4）、上统须家河组（T3xj）及第四系崩坡积与人工堆积层、河流冲积层。坝址地层岩性特征详述如下：

三叠系中统巴东组第三段（T2b3）：以黄灰～灰色薄～中厚层状泥质灰岩、泥质白云岩为主夹薄层页岩、泥质粉砂岩；层厚约300m，分布于两坝桥上游100m以上河床及两岸，与上覆地层呈整合接触。

三叠系中统巴东组第四段（T2b4）：中上部为灰～黄灰、绿灰色薄～中厚层状泥云岩与泥质灰岩、泥灰岩、钙质页岩不等厚互层，底部为紫红色夹灰绿色粘土岩夹泥质粉砂岩；上部岩相不稳定，相变较频繁。层厚约60m，分布于河床及两岸，与上覆须家河组地层呈假整合接触。

上统须家河组（T3xj）：坝区岩性较单一，以砂岩为主，按岩性分上下两亚段：

下亚段（T3xj1）：灰色，以薄～中厚层夹厚层中细粒夹粗粒长石岩屑石英砂岩、含白云母岩屑砂岩为主，夹24条厚薄不均的粉砂岩、页岩透镜体、鸡窝状薄煤层及马尾丝状煤线，累计软弱岩层厚约30.85m，约占全部岩层的11%；底部含较多黄铁矿粒及结核，左岸底部分布有厚约1.0m的透镜状的含黄铁矿页岩层（相当于綦江式铁矿层）。本段岩性局部相变较大，长石、石英、岩屑等矿物含量、分布等不均，局部集中；地表及钻探揭示，下部长石、岩屑含量相对较高，石英含量相对较低，因而其强度相对较低，亦易风化。岩石以中～细粒结构为主，薄～中厚层夹厚层状构造，铁钙质胶结，局部泥质、硅质胶结，岩石一般较坚硬；斜交及交错层理发育。厚237～262m，分布于两坝桥至坝轴线下游约200m处。

上亚段（T3xj2）：灰色中厚层中细粒水云母胶结（局部硅质胶结）长石岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及煤线，近底部夹透镜状砾岩层、含砾砂岩，含较多黄铁矿结核。砾石成份以黑色硅质岩及燧石为主，少量为浅灰色石英岩。厚137～167m，分布于坝轴线下游200m以下河床及两岸。

第四系冲积层（Q4al）：灰色，主要为砂砾石，在其上部零星堆积有人工堆积砂岩块碎石。砂砾石主要由卵砾石、砂及泥组成，含漂石（大块石）；卵砾含量约65～80%，主要成分为灰岩、白云岩、砂岩；一般粒径4～10cm，个别可达20cm以上，次园状，分选差；砂及泥含量约10～25%，充填于漂、卵砾石孔隙中。湿～饱和，稍密～松散；一般厚度2.0～5.0m；分布于河床及上游漫滩。

第四系崩残坡积层（Q4el+col）：褐灰～黄灰色，由块碎石、砂及泥组成。块碎石含量约60～70%，主要成分为砂岩、泥灰岩、泥质白云岩，一般粒径10～60cm，个别可达100cm以上，棱角状；砂及泥含量约30～40%，充填于块碎石孔隙中。块石间多架空，含大孔隙；松散～稍密，稍湿～湿；一般厚度8.0～15.0m，最大厚可达20.0m以上。主要分布于两坝桥上游两岸坡。

坝址位于大木亚背斜南翼，除在巴东组地层内发育有揉皱、小褶曲等次级小构造外，总体呈单斜，岩层倾向下游稍偏右岸，岩层产状一般N75～85°W/SW∠38°～50°。

2.坝址区层面软弱夹层

坝址区软弱夹层发育，且多为原生型软弱夹层，现详细描述如下：

坝址巴东组岩层软硬相间，层间夹层风化、溶蚀发育，形成层间软弱夹层。巴东组层间软弱夹层主要由薄层页岩、溶蚀夹泥组成，一般厚0.05～0.3m，地表一般间距2～3m。受构造作用，沿软弱夹层层间多错动，形成层间剪切破碎带或泥化夹层，甚或形成顺层小断层。

坝址须家河组（T3xj1）砂岩体内层间软弱夹层发育。软弱夹层主要由炭质页岩、薄层粉砂岩与薄煤层及煤线组成。夹层岩性相变较频繁，分布不均，厚度变化较大，多呈透镜状分布，一般厚5～60cm，局部厚可达100～200cm。坝区厚度较大、延续性较好的夹层左岸计有15条，累积夹层厚约18.5～23.0m，约占8～10%；右岸计有10条，累积夹层厚约12.5～18.5m ，约占6～8%；其中，在拱坝两坝肩约20m抗力岩体内一般夹1～3条软弱夹层，累积厚左岸1.0～4.0m，右岸0.5～2.0m。

根据层间软弱夹层性状与物质组成，坝址软弱夹层可分为页岩软弱夹层、粉砂岩夹煤线软弱夹层、煤层软弱夹层以及层间剪切破碎带、泥化夹层。坝址须家河组主要软弱夹层分布特征见表2.2-1。

页岩软弱夹层：主要由页岩构成，局部夹薄煤层及煤线，多呈透镜状分布，一般厚5～40cm，局部厚度可达2.0m（如Rj3、Rj22）。微新（未错动）页岩夹层结构较完整，芯呈柱状，锤击声较脆，性状较好、强度较高；弱风化带结构较破碎，芯呈散碎状，多含泥膜，局部夹泥，其性状差、强度较低。

粉砂岩软弱夹层：以泥质粉砂岩为主夹薄层页岩及煤线，一般厚20～60cm，局部厚度可达2.0m（如Rj18）；一般延伸较长，多呈透镜状分布。微新、未错动的夹层结构较完整，芯短呈柱状、碎块状，锤击声较清脆，表明其性状较好、强度较高；弱风化、强卸荷带内夹层结构疏松，芯呈碎块状，锤击声哑，表明其性状较差、强度较低。

煤层及煤线：主要分布于砂岩、粉砂岩、页岩内，一般厚1～5cm，局部厚可达20～60cm，多呈透镜状、鸡窝状分布，一般延伸长度30～50m，少量较稳定，长度大于300m（如两坝肩的Rj16即Md2煤层）。新鲜、未错动煤层结构相对较紧密，锤击声较脆，手不能捏碎，表明性状较好，仍具有一定强度；在风化卸荷带，煤层结构松散，饱水，手易捏碎，性状差，强度较低。

层间剪切破碎带：地表调查、平洞揭示，受构造挤压作用，在坝址软硬相间岩层中，沿软弱岩层、特别是薄煤层或煤线顶部层间多发生错动，形成层间挤压（剪切）破碎带。挤压破碎带内岩体破劈理发育，岩体破碎；以粉砂岩为基底的破碎带以碎裂结构为主，破碎带物质为粉砂岩碎块夹岩屑及泥；以页岩、煤层为基底的破碎带以碎裂结构、鳞片状结构为主，破碎带物质以岩屑、鳞片岩及泥为主，片理光滑并多附泥膜。破碎夹层性状差、强度低，芯呈散碎状、土状，手捏易碎；一般厚5～30cm，延伸长、稍有起伏，顺夹层呈透镜状分布。

层间泥化夹层：主要发育于页岩、薄煤层等层间剪切破碎带，其在地下水的作用下局部泥化，形成次生泥化夹层。平洞揭示，夹泥一般厚约1～3cm，饱水，软塑状，属纯泥夹岩屑型；在弱风化、强卸荷带内，因地下水作用强烈，泥化作用显著，夹泥厚度较大，延伸较长，一般延伸长度20～30m；在微新岩体内，由于岩体透水性减弱，地下水作用较微弱，泥化层厚度逐渐变薄，延伸较短，多呈断续分布。

3.坝址区软弱夹层的处理措施

由于坝基、特别是两坝肩页岩、煤层等软弱夹层发育，对坝肩变形稳定影响较大，因此，为确保坝基、特别是坝肩抗变形和抗渗稳定，须对开挖后坝基浅层页岩、粉砂岩、薄煤层、泥化夹层等采取刻槽、追踪开挖、置换处理，对深部夹层作锚固、固结灌浆处理；对坝肩下游抗力岩体内的软弱夹层，可通过探洞追踪开挖、置换混凝土处理；对坝基岩体进行固结灌浆处理。同时，为改善坝基岩体受力条件，建议①采取变曲率拱坝设计，使坝肩推力方向传向岸坡深部岩体；②增大拱座断面，设置重力墩；③在坝肩新鲜抗力岩体内设置传力墩等相应工程处理措施。