颜 慧 明，吴 宏 钧，罗 仁 辉

(长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

皂市水利枢纽工程位于湖南省石门县皂市镇上游约2 km的渫水上，是澧水流域骨干防洪工程之一。皂市枢纽属Ⅰ等工程，大坝、泄洪建筑物等为1级建筑物，大坝设计为碾压混凝土重力坝，最大坝高82 m，坝顶长341 m[1]。

皂市大坝坝基岩体主要为泥盆系云台观组石英砂岩夹少量粉砂岩、砂页岩，岩石矿物成份SiO2含量高。岩块具有很高的抗压强度，一般大于100 MPa，但岩体变形模量却很低，一般不高于5 GPa，具有单轴抗压强度高、变形模量低的特点，是典型的“硬、脆、碎”岩体。

“硬、脆、碎”岩体的RQD值、岩体完整性系数及声波值均很低，岩体多被切割成六面体碎块，呈紧密的镶嵌结构。岩体在未扰动情况下，整体强度较高，但一经扰动，岩体的完整性即大幅下降。按现有规范中的评价体系，该类弱风化岩体基本质量以C类为主，坝基岩体工程地质分类为Ⅲ～Ⅳ类，岩体质量受结构面与强度的影响明显，弱风化岩体大部分不满足作为大坝建基岩体的质量要求；微风化开挖深度大，且会面临随开挖随松弛、挖不胜挖的两难局面[2]。

目前较多水利枢纽工程，如新疆精河下天吉水利枢纽[3]、大岗山水电站[4]、洪口水电站[5]、洛河上的故县水库等坝基岩体均具有此特点。岩体中裂隙特别是隐微裂隙发育，坝基开挖后岩体破碎，建基面弹性波速仅有3 500～4 000 m/s[6-7]，为寻求较完整的岩体，继续加深开挖，但岩体完整性也未明显好转，只好停止下挖，进行坝基专门性处理工作。

经验表明，对于这类岩体想依靠加大开挖来寻求完整的岩体是难于做到，也是不必要的。陈德基对这类岩体工程性质评价为：这类岩体的主要特点是岩体强度较高，但岩体变形模量较低，坝基开挖应力解除后，岩体易解体，完整性差。抗滑、抗变形性能受结构面发育程度、岩块间嵌合能力，以及岩体整体强度特性控制，基础处理要以提高岩体的整体性为重点[6-7]。

如何建立一套针对该类岩体的质量评价方法，有效利用该类岩体作为大坝建基岩体，是坝基勘察工作需要解决的主要技术问题之一。为此，在皂市工程勘察中，对大坝坝基涉及的建基岩体利用问题进行了深入研究，提出了在“硬、脆、碎”岩体地区进行工程地质勘察，正确认识和评价岩体质量和建基岩体的技术方法。从岩组岩性、风化特征、结构类型、完整程度、物理力学性质和透水性等开展了系统研究，正确去认识和评价了这类岩体质量，再根据岩体的工程特性、力学性质、岩体质量等在垂直方向上的差异，选择合适的建基岩体，并由此确定建基面利用高程。

1 “硬、脆、碎”岩体工程特性

1.1 岩组岩性

皂市水利枢纽工程坝址区地层，除第四系覆盖层外，从上游至下游依次出露二叠系下统碳酸盐岩，泥盆系中、上统和志留系中、下统碎屑岩，其间缺失志留系上统、泥盆系下统和石炭系地层，二叠系与泥盆系、泥盆系与志留系地层均为假整合接触。

大坝坝基涉及的地层岩组主要由泥盆系中统云台观组(D2y)石英砂岩夹少量粉砂岩、砂页岩组成，岩层走向80°～100°，倾向上游，倾角40°～60°。D2y层厚度145～160 m，主要分为4层：D2y2-2主要为厚层石英砂岩，D2y2-1、D2y1-2主要为中厚层至厚层石英砂岩，D2y1-1主要为中厚层至薄层石英砂岩。该组岩体中还分布有一定数量的软弱夹层(软岩夹层、破碎夹层、泥化夹层)，由D2y2-2层至D2y1-1层，软弱夹层密度逐渐增大，性状逐渐变差[8]。

1.2 岩体风化

由于岩性的差异、裂隙及岩体结构不均一，导致坝址岩体风化程度不均匀和风化形式多样，总体上可划分为岩体均匀风化、裂隙及断层风化和夹层风化3类。坝址岩体风化又分为强风化、弱风化、微风化3个带。在坝基范围，根据岩体风化特征及工程地质性质的差异，又将弱风化岩体分为弱上和弱下2个亚带[1]。其中，强风化岩体仅出现在两岸斜坡地带，河床下基本没有分布；弱风化岩体在坝肩及河床均有较大厚度，特别在断层附近，其深度可达30～40 m；微风化带埋藏一般较深。云台观组地层岩体风化与构造、岩性及地下水渗流条件密切相关，突出表现在断层带及其附近风化明显加深，具有弱风化上带特征的最大深度可达40 m左右。同时顺夹层常形成带状风化加深现象，即夹层的风化程度比两侧砂岩风化程度高。

1.3 岩石(体)物理力学性质

坝址云台观组(D2y)石英砂岩主要物理性质指标如下(详见表1)：比重2.60～2.67，干容重24.0～24.7 kN/m3，湿容重24.6～25.2 kN/m3，天然含水率0.11%～0.15%，饱水率1.56%～2.41%，孔隙率4.29%～5.89%。石英砂岩岩块的饱和单轴抗压强度：D2y2层为143.3～182.67 MPa，D2y1层为124～147.6 MPa。岩块的变形模量：D2y2层为30.40～53.10 GPa，D2y1层为16.6～37.74 GPa。

表1 岩石(体)力学性质统计Tab.1 Mechanical properties of rock mass

从表1可知，岩体的变形试验参数(铅直)波动较大，变形模量值在D2y2-2层为2.22～10.14 GPa、D2y2-1层为1.65～7.26 GPa、D2y1-2层为2.08～17.19 GPa、D2y1-1层为1.96～2.85 GPa，与室内岩块的变形模量相差较大。岩体变形特征的差异是岩体地质条件(尤其是结构面的发育特征差异)的综合反映，裂隙发育程度越高时，变形模量值越低。

1.4 岩体透水性

岩体透水性与结构面的发育程度、岩体的卸荷风化程度密切相关。据坝址区钻孔近400段压水试验段统计：D2y层石英砂岩透水率q>10 Lu的占30%～35%，5～10 Lu的占10%～20%，岩体具有弱-中等透水性，渗透系数(K)为i×10-4～i×10-5cm/s。其中坝址岩体透水性随深度增加呈减弱的趋势，透水率q≤3 Lu顶板埋深在左、右岸与河床分别为20～70 m，60～80 m和30～55 m，与坝基岩体裂隙发育有一定的相关性。

1.5 岩体块度模数

岩体是非连续介质的地质体，由岩块和结构面组成，岩块的大小、组合比例以及裂隙的性状三者是控制岩体工程地质性质的基本因素。裂隙的发育间距、充填物的特征等都对岩体性质影响巨大。相比于完整系数，块度模数能更全面地反映裂隙对岩体性状的控制作用。因此在对D2y岩体特性研究中引入岩体块度模数。

岩体的块度模数是通过统计被裂隙切割而成的岩块大小及其组合关系、结构面的性状来表征岩体质量好坏的一个数值指标。陈德基提出了块度模数的相关计算方法，并认为块度模数与岩体完整性、岩体基本质量类别之间存在着一定关系[9]。

岩体裂隙密度的等级划分和相应的块度分级见表2。裂隙性状系数(AK)是反映裂隙充填物情况和胶结程度的参数。如果裂隙为泥质充填，则裂隙性状系数低；反之，裂隙闭合或充填胶结良好，其值就高。图1是裂隙性状系数与裂隙含泥量的关系曲线，它的变化区间在0.2～1.2之间。

表2 裂隙密度和块度分级Tab.2 Fracture density and fragmentation classification

岩体块度模数的计算公式为

MK=AK(A1+2A2+3A3+4A4+5A5)/100

式中：MK为岩体块度模数；A1，A2，A3，A4，A5为小于0.01 至大于1.0各级块度所占百分数；AK为裂隙性状系数，根据裂隙的填充情况和胶结好坏选定。

按上述方法统计的块度模数对坝基岩体进行工程地质分类，其标准见表3。

在左右坝肩不同高程的D2y层岩体中进行了岩体块度模数MK值统计(见图2～3)。根据现场的裂隙性状记录，岩体的裂隙多为闭合或充填胶结良好，少数为碎屑或泥质充填，裂隙间距0.3～1.0 m。给出裂隙性状系数的范围值0.60～0.95。再根据表3所给出的块度分级标准进行统计，得出岩体的块度模数值为2.45～3.06，岩体大部分属于中等岩体，少数属于较完整岩体。

表3 块度模数分类Tab.3 Lumpiness module classification

2 “硬、脆、碎”岩体质量评价

2.1 岩体高强度-低变模特征与块度模数

对于坚硬和半坚硬岩体，变形主要取决于结构面的数量和性状。从D2y层岩石(体)试验成果中可以看出：D2y层岩体变形模量参数波动范围大，现场原位试验的变形模量很低。室内岩块变形模量与现场岩体相比，相差4～5倍左右，表明岩体的变形性质明显受到夹层及裂隙的影响。事实上，大多数试点岩体裂隙发育，一般受到1～3组裂隙的切割，块度模数MK值在2～3之间。泥质充填的裂隙及其它各类结构面的存在使变形模量显著降低，D2y层石英砂岩岩体的变形模量与岩体裂隙发育程度去匹配，大致可分为4个量级：岩体完整、裂隙不发育、块度模数MK值在4以上的岩体，变形模量10～15 GPa；岩体较完整、裂隙不甚发育、块度模数MK值在3～4之间的岩体，变形模量7～10 GPa；裂隙较发育、块度模数MK值在2～3之间的岩体，变形模量4～7 GPa；裂隙发育且见泥质充填，块度模数MK值在2～3之间的岩体，变形模量2～4 GPa。

由于D2y层岩体总体上裂隙较发育，块度模数MK值主要分布在2.5～3.0之间，因而尽管岩石的抗压强度及抗剪强度都很高，岩体的变形模量仍然很低，现场试验结果基本反映了岩体的客观情况。

2.2 D2y层岩体基本质量评价

岩体基本质量主要由岩体的坚硬程度和岩体的完整程度两个因素确定，同时受外部因素如地下水、初始地应力状态等因子的影响。按GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[10]，根据岩石的单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数Kv值、岩体基本质量指标BQ值、质量系数Z值、块度模数Mk值，对D2y层岩体基本质量进行定量分级(见表4)。

从表4中可以看出：D2y层岩体主要为坚硬岩与较坚硬岩，受构造和风化作用，其完整性和强度均有不同程度的降低，但大部分岩体质量属于B、C级(较好与中等岩体)。

表4 坝基岩体基本质量定量分级Tab.4 Quantitative classification for rock mass basic quality of dam foundation

2.3 D2y层岩体工程特性评价

从岩体工程特性研究相关成果来看，云台观组岩体的突出特点就是“硬、脆、碎”或高抗压强度-低变模特征。岩体中的夹层、断层、裂隙及风化作用构成了工程岩体的不利因素。岩体中的夹层从上游到下游逐渐增多，岩体的工程性状也逐渐变差，由此构成了岩体力学性状不均匀问题。

岩体力学性状不均匀问题主要受岩性和Ⅴ级结构面、隐性结构面发育的影响，这一影响因素在钻探及平硐开挖时得到充分体现，受机械振动与爆破振动作用，钻孔岩芯与平硐弃渣普遍给人一种“破碎”的感觉，尤其是平硐弃渣很少见到大块石。这一易碎特点会给工程施工开挖提出较高要求。同时，平硐揭示：在一般情况下，尽管岩体存在较多的结构面，但岩块间的嵌合(咬合)比较紧密，岩体块度多在0.1～0.5之间，而且结构面充填物极少，大部分岩体质量属B、C级，因此仍然不失为建坝的良好岩体。

3 “硬、脆、碎”岩体作大坝建基岩体的选择与利用

3.1 D2y层岩体作坝基岩体工程地质分类

根据GB 50487—2018《水利水电工程地质勘察规范》[2]中“坝基岩体工程地质分类”相关分类评价标准，结合岩体风化状态、结构类型、岩体完整性、岩石强度、结构面形态与特征、岩体渗透性等将D2y层岩体分为5类。

Ⅰ类岩体：BQ值>550。微风化、新鲜的厚层状、巨厚层状结构的石英砂岩，岩体完整，单轴饱和抗压强度>100 MPa，岩体不需作专门处理，是混凝土高坝的优质建基岩体。

Ⅱ类岩体：BQ值=550～450。弱风化下带的厚层状或结构面不甚发育的中厚层状石英砂岩、微新中厚层状石英砂岩，单轴饱和抗压强度>100 MPa或100～70 MPa。只需作常规处理，是良好的大坝基础。

Ⅲ类岩体：BQ值=450～350。弱风化下带中厚-厚层状、不等厚互层状石英砂岩及弱风化上带中厚层状裂隙不发育的石英砂岩。岩体质量受结构面与强度的影响明显，需作专门性处理工作，属一般性坝基岩体。

Ⅳ类岩体：BQ值=350～250，块度模数MK值2.0～1.0。弱风化上带岩体、完整性差的弱风化下带岩体(裂隙密集带)及胶结较差的断层影响带。此类岩体不宜作为大坝建基岩体。

Ⅴ类岩体：BQ值≤250。破碎夹层、泥化夹层、断层破碎带及全强风化岩体，单轴饱和抗压强度<10 MPa。此类岩体不能作为大坝坝基，需进行开挖或置换处理。

3.2 D2y层岩体作坝基岩体的选择与利用

从对D2y层岩体作坝基岩体的工程地质分类可以看出：D2y层全、强风化带岩体的强度低，完整性差，不能作为水工建筑物的建基岩体；微风化带岩体坚硬、完整性较好、力学强度高，其所夹软岩与构造岩天然状态下性状较好，基本可以满足混凝土高坝对地基的要求，是良好的混凝土高坝建基岩体，但埋藏一般较深，开挖量大。因此，大坝建基岩体选择的关键在于对弱风化岩体的利用[1，11]。

弱风化上带岩体为坚硬、较坚硬岩，坝基岩体工程地质分类为Ⅲ～Ⅳ类，结构面发育-较发育，裂面局部充填岩屑和泥质，裂隙面大多附铁锰质膜，局部沿裂面见1～2 mm蚀变风化。岩体力学性质不均一，声波速度Vp=1 500～4 200 m/s，波动大，平均值为3 192 m/s，变形模量2～5 GPa，岩体完整性系数Kv值平均小于0.4，岩体透水性较大，其中中等以上透水试段占70%；岩体质量属中等-差，不能满足混凝土高坝对地基的要求[12-13]，工程处理难度及工程量均较大。

弱风化下带岩体以硬质岩为主，坝基岩体工程地质分类为Ⅱ～Ⅲ类，结构面较发育，多短小，裂面一般无充填，沿裂隙也有风化蚀变现象及铁锰质浸染现象，变形模量一般为4～7 GPa，声波速度一般为3 100～4 300 m/s，平均值为3 716 m/s，岩体完整性系数Kv值为0.48～0.80[14]。透水性中等-较弱，以较好和中等类岩体为主，坝基专门性处理的工程量不大；弱风化下带岩体的力学强度、变形特性与微风化带岩体相差不大，基本能满足混凝土高坝对地基的要求[15]。

根据弱风化带岩体工程特性、力学性质、岩体质量等在垂直方向上存在的差异，建议利用弱风化下带岩体作为大坝建基岩体。实际工作中根据岩体风化特征、结构类型、完整程度、物理力学性质和透水性等综合确定弱风化下带岩体作为坝基可利用岩体，由此来确定建基面[16]。同时在基坑开挖确定建基面时，需要根据工程部位、岩体性状、局部地质缺陷的分布范围与特征、工程措施的难易度、大坝安全需要等因素综合确定开挖面高程，要有针对性地制定合理的施工方法并加强固结灌浆。

3.3 建基岩体的开挖控制与确定

由于弱风化下带岩体有易碎的特点，为尽量减轻对建基岩体的扰动，采用以下措施进行开挖控制：单层爆除厚度一段不超过7～8 m，建基面以上预留2.5 m保护层。同时对保护层进行分层爆破，最后剩余的0.5 m 厚岩层作为水平建基面的预留岩体保护层，在浇筑基础混凝土前人工撬除。另外加强固结灌浆处理，固结灌浆压力不宜过大，控制在0.4 MPa[17-18]。

根据弱风化下带岩体的工程特性，其特点是“高强度，低弹模”，岩体裂隙和微裂隙发育，岩体在未受扰动的原位条件下处于密实状态，一旦基础开挖，围压应力解除，岩体解体松动，表现出完整性很差，而且即使加深开挖，岩体的完整性也得不到明显的改善[19]。在现场确定坝基建基面时，不能以岩体完整性和声波波速为主要标准，而是要将岩体裂隙的风化程度和充填情况为主要标准，开挖后裂隙面较新鲜或略有风化蚀变现象及铁锰质浸染现象，基本没有泥质充填，锤击发音清脆，块度模数Mk值为2.0～3.0，即可作为建基岩体[20]。

4 结 语

皂市大坝坝基为“硬、脆、碎”岩体，对这类岩体的岩体质量评价和作为大坝坝基岩体的利用，没有成熟的经验与遵循的标准。若按已有规范确定建基岩体，则开挖深度很大，且结合类似工程的经验教训，会面临随挖随松弛，进而演变为“挖不胜挖”的两难局面。

对“硬、脆、碎”岩体作高坝建基岩体，需先从岩组岩性、风化特征、结构类型、完整程度、物理力学性质和透水性等进行系统研究，综合评价岩体的基本质量，再根据岩体的工程特性、力学性质、岩体质量等在垂直方向上的差异，选择利用合适的建基岩体，由此确定建基面利用高程。

“硬、脆、碎”岩体裂隙和微裂隙发育，在未受扰动下处于密实状态，一旦基础开挖，围压应力解除，受爆破等影响岩体松动，完整性变差，即使加深开挖，岩体的完整性也得不到明显的改善。因此，尽量减轻对此类岩体的扰动并预留保护层，在现场确定坝基建基面时，不要以岩体完整性和声波波速为准，而要将岩体裂隙的风化程度和充填情况作为主要标准，开挖后裂隙面较新鲜或略有风化蚀变现象及铁锰质浸染现象，基本没有泥质充填，即可作为建基岩体。

皂市工程根据D2y层岩体弱风化带岩体工程特性、力学性质、岩体质量等在垂直方向上存在的差异，综合岩体风化特征、结构类型、完整程度、物理力学性质和透水性等，选择弱风化下带岩体作为坝基可利用岩体，由此来确定建基面。

目前皂市工程已建成并竣工验收，对于重力坝坝型，皂市工程总结出来的有关对“硬、脆、碎”岩体作建基可利用岩体的研究方法、质量评价、建基岩体选择利用、开挖控制与确定等方法可以为其他工程借鉴。