云南臨滄特殊風化花崗巖建壩實踐與探討

李新峰，陳厚軍，于 為

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，烏魯木齊830002）

1 問題由來與思考

臨滄地區自20世紀末至今陸續建有中小型水庫有20余座，多數涉及此類特殊花崗巖上，且絕大部分為黏土心墻壩，由于近年環境保護需要，天然建筑材料土料場用地征遷愈發困難， 瀝青心墻壩型在環保和節省天然建筑材料用地等方面具有明顯優勢，但對于壩基抗變形穩定性要求也明顯高于黏土心墻壩。而本地區風化花崗巖特殊性質，也給這種本地新壩型帶來挑戰和考驗。

鳳慶縣前鋒水庫為一座壩高60m的瀝青心墻壩，施工開挖過程發現，壩基和洞室圍巖均為全風化～強風化二長花崗巖，圍巖穩定性差～極不穩定。 壩址區全風化花崗巖呈灰黃色砂狀物質， 結構中密～密實，擾動后呈松散砂狀；風化厚度10～30m不等，最深可達40m。全風化的中下部，可見強風化團塊或塊體（或稱球狀體），球狀體分布不規律，具有典型囊狀風化、蜂窩狀、間隔風化特征；強風化花崗巖呈淺灰白色，巖體節理裂隙發育，多呈碎裂結構，巖石敲擊聲悶易碎，其分布規律性差，呈球狀、條帶狀分布。此外正在進行勘察中的云縣馬街河水庫，經過勘探揭露，強風化厚度局部達60m。在類似深厚花崗巖強風化上建壩在臨滄較為普遍。

據碾壓式土石壩設計規范， 對壩體與巖石壩基和岸坡的連接，要求“若風化層較深時，高壩宜開挖至弱風化層上部， 中、 低壩可開挖至強風化層下部……”［1］。 由此可見，對于臨滄深厚度巨大的強風化特殊花崗巖，基礎開挖至強風化下部，一般情況難以實現。

針對存在部分全風化花崗巖的壩基， 對于能否滿足瀝青心墻壩基礎抗變形能力的要求尤為關鍵，筆者通過一些工程實例及資料收集分析， 最終認為對此類壩基，如果采取合理的處理方法，可滿足心墻壩基礎設計要求。

例如位于云南省云縣已建的劉家箐水庫， 為一座中型水庫， 壩型為黏土心墻石渣壩， 最大壩高74.0m。 大壩地震設防烈度為8 度，壩基為全、強風化的花崗巖［2］。 該水庫自2010年3月完工驗收，目前已正常蓄水運行超過10年。

此外，云縣曉街河水庫（中型水庫），為一座壩高76m黏土心墻壩， 全強風化印支期花崗巖厚度20～36m，壩基也同樣建在花崗巖強風化層中，該大壩已完成封頂一年多。

還有臨滄市在建的龍浩壩水庫壩基為全風化花崗巖，為40m高度的黏土心墻壩，該大壩已完成填筑工作。

由于全風化花崗巖厚度大， 處理難度大， 成本高，壩基殘留部分全、強風化花崗巖，作為土石壩基礎，在臨滄建壩較普遍，目前有20余座類似巖性的?。?）型或中型水庫建成并正常運行，壩型主要為黏土心墻類土石壩，瀝青心墻壩尚無先例。通過工程實踐及分析對比，筆者認為，對于?。?）型壩高60m的瀝青心墻壩，壩基殘留部分全、強風化花崗巖，通過采取合理的處理措施，能夠滿足設計要求。

2 臨滄花崗巖風化特點

云南處于復雜的構造板塊交接地帶， 跨越揚子準地臺、華南褶皺系、松潘—甘孜褶皺系、唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系和岡底斯—念青唐古拉褶皺系等5個一級構造單元，各個地質時代地層在不同地區其發育程度、巖石組合、厚度變化、層序特征、接觸關系、沉積巖相、區域變質作用、火山運動等方面差異巨大。 如蘇家河口水電站，全風化巖層厚度25～45m不等，最深可達90m［3］。

據“景東幅區域地質圖”，臨滄云縣、鳳慶等處，印支期巖漿活動最為強烈， 包括中三疊統忙懷組酸性火山巖、 次火山巖、 上三疊小定西組中基性火山巖、次火山巖，閃長巖及規模巨大的酸性侵入巖等。對于水利工程領域， 查明花崗巖等火山巖物理力學性質和水理尤為重要。

根據臨滄多個項目勘探與施工開挖結果顯示，本區花崗巖為以全風化黑云母二長花崗巖為主，局部夾強風化碎塊石透鏡體； 全風化花崗巖呈灰黃色砂狀物質，結構中密-密實，擾動后呈松散砂狀；風化厚度10～30m不等，最深可達90m。 全風化的中下部，可見強風化團塊或塊體（或稱球狀體），球狀體分布不規律，具有典型囊狀風化、蜂窩狀、間隔風化特征；強風化花崗巖呈淺灰白色，巖體節理裂隙發育，多呈碎裂結構，巖石敲擊聲悶易碎，其分布規律性差，呈球狀、條帶狀分布。水庫大壩建基面多為全風化花崗巖包裹強風化花崗團塊碎石。

3 全強風化花崗巖的分帶特征

不同地層時代、 不同成分和結構構造的花崗巖風化程度均不相同，風化厚度相差較大，風化花崗巖巖土工程特性也有所不同［4］。

由于花崗巖全-強風化具有其分布規律性差，呈球狀、條帶狀分布的特點，一般厚度15～30m，局部甚至更深， 通過多個工程前期的勘探和施工基槽開挖情況總結，對巖石風化程度進行適當分帶，有利于設計及施工組織設計，進行針對性和差異化的處理，獲得更為合理和經濟的處理措施方法。

全風化的分帶，一般取決于球狀體的占比，一般規律是隨著垂直方向深度增加， 球狀體占比會逐漸增幅。即全風化上部（上帶）以砂狀碎屑物為主，中下部（中帶）為砂狀碎屑物與球狀體互層，接近強風化（下帶）則以球狀體為主含少量砂狀物。

強風化帶中長石礦物常常是未完全徹底風化的高嶺土，仍有少部分呈較堅硬的礫狀，巖體外觀呈塊石狀，原巖結構構造清晰。 巖塊可用手掰開，并可沿破裂面合成原來形狀。破碎后多次松散巖碎屑塊，而不是砂土狀。 此帶巖體不均一，多有全風化、中等風化甚至微風化的巖塊分布其中，塊、球狀風化更為常見。 而受原巖體中節理、斷層影響，全風化帶中可有風化程度相對較輕微的塊、球體存在。 大小不等，形狀不一，但多呈渾圓狀，核心部位常風化輕微，在全風化帶下部尤為常見。建議對于嚴重風化的花崗巖，凡是呈土狀（夾砂）而又保持原有結構（宏觀觀察確定）可定為全風化［5］。

還有文獻對全、強風化帶表述為：全風化花崗巖除石英外，其他礦物嚴重風化蝕變，礦物之間失去結晶聯系或具有微弱的結合力，手捏即散，呈礫砂狀；擾動前， 原巖結構構造模糊可辯， 但取不出完整巖心，用鍬鎬可挖；而強風化花崗巖則是以半疏松狀巖石為主，上部除石英外，均有顯著蝕變，底部礦物蝕變較差。 原巖結構破壞較嚴重，風化裂隙貫通性、聯系性和延伸性均較好。 錘擊聲啞， 難以取出完整巖心。此帶常有風化較輕的塊球體零星分布，故而造成巖體力學性質極不均一的現象［6］。

綜上所述，對于不同工程、不同勘察單位對全風化和強風化的認識把握不盡一致， 建議對不同風化層進一步分帶，如全風化上帶、下帶，強風化上帶、下帶等。

如果參照GB50487—2008 《水利水電工程地質勘察規范》附錄H采用的風化帶5級分類方法，對風化特征對照，則全風化：除石英外，其他礦物嚴重風化蝕變為次生礦物，錘擊有松軟感，出現凹坑，礦物手可捏碎，用鍬可挖動；對于強風化巖則是：錘擊啞聲，巖石大部分變酥，易碎，用鎬撬可挖動，堅硬部分需爆破［7］。 此分類是普遍的巖體風化特征，對于特殊花崗巖則不完全適用， 況且在實際工程中還是存在衡量指標差異較大問題，劃分困難且難以操作。

花崗巖抗剪強度中內摩擦角φ值主要由石英與長石總含量和大于0.5mm 的顆粒含量所控制，φ值同顆粒成分特征值及石英與長石總含量2個指標之間存在著很好的相關性， 大于0.5 mm的顆粒含量和石英與長石總含量對φ值起決定性作用。而黏聚力與顆粒成分、礦物成分之間的相關性不強。黏聚力影響因素的復雜性導致了其試驗結果離散性較大［8］。

花崗巖的抗剪強度與大顆粒直徑的礦物含量成線性關系。 與風化前相比，天然狀態下強風化、全風化花崗巖抗剪強度分別降低61.2%及75.5%。 飽水狀態下強風化、 全風化花崗巖抗剪強度比天然狀態下分別降低29.1%及4.3%［9］。

因此還應該考慮砂土狀物質與巖塊（球狀體）所占比重決定，根據多個項目勘察試驗成果總結如下：臨滄花崗巖一般全風化上帶2mm以上巖塊球狀體顆粒含量小于15%（砂土狀物質占比大于85%），全風化下帶巖塊占比大于50%（砂土狀物質占比大于50%）可輕易敲碎； 強風化上帶巖塊占比大于85%（砂土狀占比小于15%）巖石敲擊聲啞，強風化下帶巖塊占比大于95%（砂土狀占比小于5%）， 且巖石敲擊聲音清脆有彈性。 此外采用標準貫入或動力觸探等原位測試方法，加以對照也能對全強風化帶予以劃分。 如對于重型動力觸探試驗擊數50擊（或標貫大于40擊）作為界限。 或波速測試大于800m/s （強風化為800～2500m/s）；國內部分針對全強風化花崗巖旁壓試驗結果表明，旁壓模量在40～50MPa，承載力特征值小于1.0MPa，同時結合巖塊（多或球體）含量及開挖、敲擊等綜合指標予以判斷，由此劃分結果才更接近客觀實際。

4 主要巖土參數選取

本工程壩基全強風化花崗巖特點是上部巖性力學性狀存在不均勻性和差異性問題， 對于瀝青心墻必須保證基礎不產生變形破壞是重點環節， 其次是滲透穩定性問題。

對于大壩基礎設計來說， 全強風化花崗巖物理力學性質指標的選取尤為重要。 列舉部分臨滄已建水庫壩基花崗巖主要地質參數建議值如表1。 此外，根據近期部分水庫勘察資料， 將壩基花崗巖主要地質參數建議值列舉如表2。

表1 臨滄部分已建水庫壩基風化花崗巖主要地質參數建議值

續表1

通過對比可看出，對于弱風化和微～新鮮花崗巖來說，弱風化飽和抗壓強度一般為20～60MPa，微風化-新鮮巖體飽和抗壓強度40～80MPa， 各個不同工程給出的指標基本接近，多屬中硬-堅硬巖；但全風化花崗巖存在沒有統一標準問題， 不同勘察設計單位，對全、強風化劃分分帶有所差異，絕大部分無法獲得飽和抗壓強度，但總體上接近密實砂土基，天然密度1.69～2.21g/cm3， 承載力200～400kPa （個別達到600kPa）， 而強風化飽和抗壓強度一般為5～15MPa，則屬軟巖類似。 其變形模量差異較大，一般為0.03～0.15GPa，主要取決于巖石塊球體含量高低。

根據前鋒水庫試驗資料， 全風化上帶花崗巖定名為黏土質砂，＞2mm顆粒含量4.5%～17.8%，＜2mm顆粒含量82.2%～95.5%，0.075～0.005mm顆粒含量13.1%～17.3%，＜0.005mm顆粒含量2.6%～4.5%， 天然密度1.76～1.99g/cm3，含水率8.3%～12.6%， 孔隙率0.30～0.45，平均值0.39， 臨界比降0.20，允許比降0.15，根據標準貫入試驗， 風化花崗巖厚度5～20m，標準貫入擊數21～43擊，標貫擊數隨深度逐漸增大， 呈中密-密實狀態，平均40擊。

綜上所述， 提出全風化花崗巖主要力學指標： 天然狀態下（未擾動）承載力300～600kPa，建議值350kPa；變形模量0.009～0.045GPa（離散性大），建議值0.02GPa；抗剪斷強度c′：0.005～0.05 （離散性大）， 建 議 值0.02MPa，f ＇：0.33～0.46， 建議f＇值0.40；上述力學性質飽和狀態指標應根據實際情況予以適當折減。滲透系數1.49×10-4～1.20×10-3cm/s， 屬中 等 透 水 性巖（土）。

需要指出的是，對于臨滄類似花崗巖上的水庫來說，全、強風化厚度大，需要加強壩基的固結灌漿和帷幕灌漿工作， 而全-強風化花崗巖充填大量砂狀碎屑物，常常會引起普通水泥漿灌漿效果差，使得后期壩基固結灌漿和帷幕灌漿防滲工作實施困難。

5 全風化花崗巖處理方法探索與實踐

由上節內容可看出， 全強風化花崗巖物理力學指標與下部新鮮巖石相比差異較大， 尤其未注漿的全風化花崗巖水穩定性很差， 通過注漿加固可顯著提高全風化花崗巖土體的水穩定性［10］。

云南臨滄全風化花崗巖充填大量砂狀碎屑物，普通水泥漿灌漿效果差，普遍具有“吃水不吃漿”的特點，普通水泥可灌性較差，強風化花崗巖可灌性相對較好。 根據當地經驗， 在灌漿蓋板以下5m內的第一、 第二段灌漿設計壓力往往很小， 一般在0.2～0.4MPa，否則灌漿蓋板抬動值超出設計允許范圍［10］。

出于經濟角度考慮， 已建水庫工程仍然以常規固結灌漿和帷幕灌漿的措施為主。 也有部分采用高壓旋噴灌漿， 此方法對工程場地條件和巖性條件有要求。 少數專家傾向高壓旋噴灌漿。 但由于設備占地大，對地形要求相對較高，需分級開挖平臺施工，應充分考慮移動設備耗時及施工難度［11］。 因此，多部分專家認為云南多數中小型水庫地形處于峽谷地貌，地形條件不宜采用高壓旋噴，尤其對于存在巖性差異較大的砂和巖塊球體時， 對高壓噴射灌漿影響較大。

無論對于變形還是滲透破壞， 壩基與下部強風化巖體之間的連接都是重點。 加強對全風化中砂的“擠密”是關鍵。 針對大壩差異沉降及協調變形的特點，地質建議采取加強固結灌漿處理，本地區成熟經驗是：①適當加大壩基心墻底板（混凝土基座）的開挖深度與尺寸； ②加深和加密灌漿的深度、 孔排距（甚至加大孔徑）； ③控制好灌漿的壓力和漿液濃度等；④控制混凝土蓋板的抬動和兩側冒漿；⑤搞好灌漿效果的檢測；⑥注漿后妥善封孔。

具體灌漿參數指標，通過現場灌漿試驗確定，確保全風化層巖體質量得到改善， 并滿足壩基設計要求。

鑒于全風化層擾動后呈松散砂狀，承載力及變形能力急劇下降，施工開挖時嚴禁對壩基擾動破壞，建議預留保護層厚度不小于0.5m， 混凝土澆筑前人工開挖保護層，以避免壩基地層的擾動。心墻以外壩殼基礎在施工中也應盡量保護，減少對壩基的擾動。

6 結語

通過對臨滄全強風化花崗巖不斷認識總結，對風化帶劃分逐漸了解。 對于全風化花崗巖作為黏土心墻壩壩基基礎，采取合理適當的工程措施，可滿足設計要求且已被證實。而對于瀝青心墻壩，作為本區特殊花崗巖風化帶上的新型土石壩， 有待于工程實踐檢驗。

瀝青心墻壩具有良好的防滲和塑性性能， 適應地基不均勻沉降的抗變形能力不亞于黏土心墻壩，此外瀝青心墻還具有較好的抗滲流沖蝕能力。

通過實踐與前人資料分析對比， 提出如下認識供類似工程借鑒和探討：

（1）對于臨滄花崗巖，全強風化帶劃分需要考慮多種綜合方法進行判斷， 根據不同原位測試和試驗獲得物理力學性質指標對比分析， 可為設計提供更為科學合理的地質參數。

（2）作為高度小于70m中小型水庫，在臨滄特殊花崗巖上，具備建造瀝青心墻壩的條件。但必須加強對壩基全風化帶的加固處理措施， 以控制基礎差異性變形沉降。

（3）適當加大、加厚灌漿蓋板尺寸，并加密、加深固結灌漿孔、排距，控制好上段灌漿壓力，可克服蓋板抬動和回漿變濃（吃水不吃漿）等問題。 心墻混凝土基座的上下游兩側增設齒墻。

（4）大壩壩基心墻基礎灌漿前應該進行現場灌漿試驗，選取合理的灌漿參數。

（5）壩基機械開挖應預留足夠的保護層，澆筑蓋板前采取人工開挖，最大限度減少對風化地層的擾動。