新第三系红层工程地质特性研究.ppt

,,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,图研究区深大断裂分布图1西宁、民和盆地；2化隆、循化盆地；3共和、贵德盆地；4岩石圈断裂5较大断裂；6祁连加里东褶皱系；7松潘、甘孜印支褶皱系。①青海南山深断裂带；②拉脊山深断裂带；③鄂拉山断裂带；④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,,（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,3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。,（1）物理性质,第三系红层天然抗压强度较高，一般在516Mpa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,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。,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,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89倍。,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0.60.7ｍ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。,图平洞底岩体松弛造成波速的降低,当前进行的岩体变形试验从平洞开挖、制件到试验一般需要12个月，在这12个月内粘土岩的松弛可以达到较大的值。,d室内超高压试验研究红层软岩的变形特征由于新生代泥质岩中结构面很少，岩石和岩体的工程特性大多相差较小；而且新生代泥质岩的力学性质在很大程度上受密度、孔隙比的控制。因此，可以在室内用超高压试验，获得不同干密度、孔隙比下岩石的变形模量，揭示其相互关系，来尽量避免粘土岩的吸湿、吸水膨胀、松弛等问题。,红层粘土岩压力（p）与孔隙比（e）的关系,红层砂岩压力（p）与孔隙比（e）的关系,,,当粘土岩孔隙比ｅ≤0.22以后，其变形模量E0≈1.5Gpa,稍高于尽量尽量防止岩体吸湿松弛条件下的参数，如果考虑应力松弛，其值有所降低，则与现场试验接近。这为变形参数评价提供了依据。,（6）基坑开挖后的松弛厚度,尼那电站的试验成果表明，开挖1天后松弛带的厚度为1.5ｍ左右，十天后松弛带厚度在3.5ｍ左右。按其趋势取松弛带厚度为3.5ｍ。即在认真作好开挖保护措施的条件下，敞露10天粘土岩在基坑中的松弛带厚度按3.5ｍ取值，3.5～10ｍ为受影响的岩体，以下则为“原岩体”。,（7）岩体变形参数的选取,考虑红层地层的时代，岩体沉积厚度，构造环境以及开挖松弛等因素，建议的红层粘土岩的变形参数见下表。砂岩、砂砾岩的变形参数可按相邻粘土岩变形模量的1.1倍。,（8）红层岩体的抗剪强度特征,第三系红层岩体间、岩体与砼之间具有较高的抗剪强度特征,且岩体强度与岩石强度接近，岩体呈似均质体。,,红层岩体大剪正应力（σ）剪应力（τ）点群分布图,a抗剪断,b抗剪,,,砼与岩体大剪试验正应力（σ）与峰值剪应力（τ）点群分布图,a抗剪断,b抗剪,综合研国内外膨胀岩各分类方案，从泥质岩遇水膨胀的根本原因①富含粘土颗粒；②粘土颗粒中富含粘土矿物；③粘土矿物中有遇水易于膨胀的蒙脱石。提出了红层岩体的膨胀类型划分指标。,,,（9）三系红层岩体的胀缩性特征,根据上述确定的分类指标对各坝址岩体膨胀性作出的分类见表。,,,上述评价红层粘土岩的膨胀性参数与西宁盆地新第三系粘土岩的膨胀性指标基本一致，与北方三趾马红土（Ｎ2）膨胀性参数及国内其它泥质岩膨胀性指标接近，但北方三趾马红土的膨胀力稍低一些。,（10）红层岩体承载力评价,综合考虑红层坝基岩体的环境条件，按岩体现场载荷试验及饱和抗压强度参数，红层岩体的承载力取值尼那、黄丰电站R1.05Mpa康扬、直岗拉卡电站R0.8Mpa,泥质岩的工程特性既受岩石自身的特性控制，又受环境条件（应力环境、水环境或湿度、气候环境的影响，特别是水环境对泥质岩工程特性影响极大，且未真正考虑“原位下”天然围压的作用。处于天然环境下，特别是处于地下水位以下，泥质岩本身已达到的与环境条件相匹配的“原位饱和含水量”。按该含水量对岩体工程特性评价，不仅参数稳定，而且泥质岩的工程特性参数有了很大的提高，这是当前国内外软岩研究应注意的问题。,6开挖松弛及防护措施研究,现场对红层岩体重点进行了开挖保护措施、固结灌浆、锚筋拉拔三项试验,图尼那试验场地开挖及布置示意图,（1）现场爆破试验,爆破试验表明，坝基开挖时建基面以上预留至少1.3ｍ厚的保护层，然后在进行人工撬挖可以有效地防止坝基岩体松动，这与王甫洲水电工程推荐的建基面以上1.5ｍ厚的保护层基本一致。,（2）现场敞露试验,在防止因爆破开挖对试验面影响下，预留了40ｃｍ厚的保护层采用人工撬挖分三次挖除，每次挖除厚度约15ｃｍ，场地开挖平整后进行试验。,尼那第三系粘土岩敞露试验布置安装示意图,尼那第三系粘土岩敞露试验变形观测历时曲线,,红层岩体随暴露时间经历了失水收缩-遇水膨胀-失水收缩的干湿交替过程，相应的物理力学性质也发生变化.,,单轴抗压强度、孔隙比与敞露时间关系图,3建基面抗风化性能防护试验,采用①基坑开挖后喷射水泥砂浆保护建基面；②用覆盖物盖住基坑开挖后的建基面；③基坑开挖后建基面受大气营力的自然风化三种方法并研究个条件下的强度特征,结果表明,基坑开挖后将建基面清扫干净，及时地对建基面喷射沙浆后保护，再浇筑砼，是最为有效地保护建基面措施。,4固结灌浆试验,试验场地采取爆破法开挖，开挖面形成约30小时后，人工扫净,浇筑厚2ｍ的砼盖重板，待凝7天后进行灌浆试验。,结果表明,粘土岩具有一定的可灌性，特别对结构面发育段及表层4-6m岩体固结灌浆效果较好，取得的主要参数如下灌浆孔深度不小于4ｍ岩面以下；孔距排距２～３ｍ（Ⅰ、Ⅱ序灌浆后；灌浆压力０．３～０．８ＭＰａ；灌浆材料超细水泥与４２５＃普通水泥；浆液配合比超细水泥2∶１、１∶１、６∶１,固结灌浆试验区示意图,5锚筋拉拔试验,在弱风化粘土岩场地上，分别布置孔深3.5m、4.5m孔深的锚孔，锚筋Φ２５ｍｍ在不同水泥砂浆配合比和低微膨胀水泥试验条件下的拉拔试验。,锚筋拉拔试验孔布置及锚筋编号（图中数字单位为ｍ,,拉拔试验加荷装置示意图,锚筋拉拔试验量测系统示意图,,试验取得的建议参数①钢筋采用Φ25mm的螺纹钢；②水泥砂浆水泥可采用425普通硅酸盐水泥，水灰比10.42-10.47，灰砂比11.2；③钻孔孔径及锚筋埋深孔径45-50mm，埋深＞3.5m；④锚固力锚筋3.5m为7.0t，4.5ｍ为7.7t,5m为7.7t。,对第三系红层岩体的物理力学性质及开挖措施等的研究表明，红层岩体随着环境条件的改变，特别是卸荷松弛以及水的浸入，其工程特性将发生显著恶化。因此，为了防止红层开挖暴露后的风化、遇水崩解软化作用，制定如下建基面地质验收标准①建基面应为弱风化微风化；②表面无浮土和松动裂隙；③无失水干缩裂缝或浸水软化现象；④岩石含水量应为天然状态；⑤地震面波纵波速度应大于1800ｍ／ｓ；⑥断层带及性状较差的砂岩，砂砾岩夹层应进行砼置换。在基坑开挖过程中，当建基面保护层开挖至建基面以上20-30cm时，清理并用风吹干净，作为地质编录和地震波测试面。然后人工撬控至建基面，根据地质编录和地震面波测试情况，确定建基面处理方式。,建基面验收标准,