硬软岩互层的透阻水性分析与利用

硬软岩互层即人们常说的砂、页（泥）岩互层，它的分布是相当广泛的。它的强度指标、变形指标，尤其是透水性指标有着非常显著的岩体及地层间的各向异性。在这些地层上修建水利水电工程相当多，因此，如何分析利用这些地层特性，具有十分重要的理论与实践意义。

【例16-4】 某水库坝基为近于直立的透水砂岩与不（微）透水页（泥）岩互层（图16-5）。从坝基钻孔压水试验的透水率来看：砂岩透水率都大于5Lu，尤其在坝基以下20范围内，其透水率大都大于10Lu；页泥岩的透水率都小于防渗标准——3Lu，实际上绝大多数的透水率都低于1Lu。从总体上看来，坝基为透水与不透水地基。为了防止坝基下过大的沉陷和过大的渗漏量，因而在坝基下设计了8m深的固结灌浆和等于坝高1.5倍（164m）深的防渗帷幕。按常规来说，该设计是无可指摘的。然而从地层间透水性的特征来分析，要不要防渗帷幕是值得讨论的。

砂页岩在南北向一对压应力作用下，在南北向上产生了纵张裂隙，从单孔压水试验成果来看都很大，都大于规范的防渗标准；页岩内也产生了南北向的纵张微裂隙，特别在河床上部，有个别试段的透水率也有大于3Lu的。

从砂岩岩体的透水性来分析，它在平行坝轴线方向是透水的；在重力方向上也是透水的。从页岩体的透水性来分析，基本与砂岩相近，但从透水性等级来说，也只不过是微透水的岩体。

从地层间的透水方向上来分析，在东西向坝轴方向和重力方向是透水的，但由于地下水无排水通道，因而这两个方向都不会成为漏水通道。在贯通上下游的南北方向上，微透水的页岩成为库水从上游向下游排泄的屏障，因此，坝基下根本不需要设置防渗帷幕。

【例16-5】 某工程的坝基由泥质粉砂岩、泥岩和砂岩组成（图16-6）。

图16-5　近于直立的砂页岩互层地质剖面示意图

—中砂岩； ≡ —页岩；

图16-6　坝基地质横剖面示意图

—裂隙钙质砂岩；—钙质页岩； ≡ —厚层泥岩

由于现行压水试验规程要求，在勘探钻孔内无论什么岩性都要进行100m水头作用下的压水试验。这里的页岩，偶尔夹有约10cm厚的钙质砂岩。厚层泥岩内几乎看不到构造裂隙。就是这样的单轴抗压强度只有十几MPa的较软岩，由于压水试验的水头超过了较软岩的临界抗拉强度，较软岩内产生了水力劈裂，居然作出了透水率为几十Lu的强透水性。因而水工设计认为，应对坝基进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆。在灌浆进行之前进行了灌浆试验：把栓塞固定在较软岩内，对全孔采取了尽可能大的灌浆压力。结果当灌浆压力超过0.7MPa时，浆液把栓塞外围较软岩击穿而使灌浆难以进行；后改为把栓塞固定在混凝土盖板内，这时的灌浆压力达到1MPa后，灌浆压力再也不能提高了。著者分析了这些灌浆压力与吸浆量之间关系的原始资料，发现在第一段的灌浆过程中，几乎都发生了浆力劈裂，而且，全孔有几段灌浆段，在第一段内就发生了与几段灌浆段相呼应的几次浆力劈裂。(www.xing528.com)

根据［例16-4］、［例16-5］的分析，这里的较软岩坝基，根本不需要防渗灌浆，即便是灌浆，用现行的常规方法也仍旧灌不进去浆液。一般来说，较软岩的渗透系数远比水工设计要求的防渗帷幕的渗透系数小得多。

著者认为，对右坝肩的砂岩段应进行认真地防渗处理；对坝基下河床上部的回弹卸荷带利用低于较软岩的临界压力和限流的办法进行上部的固结灌浆还是有益的。

【例16-6】 某工程的坝基的地层组成如图16-7 所示。一般来说，渗透水从水库通过坝基及其两侧坝肩的地方形成扬压力，向坝下游形成渗漏，当渗透水流坡降较陡时，还会发生潜蚀问题。它们对大坝的安全是至关重要的。扬压力过高会对大坝及坝肩的稳定构成威胁。渗透量的增大、潜蚀问题的发生，是基础和坝肩岩体渗透性增大的直接反映。地下水无论是从坝基或坝肩流向下游或下游边坡，或朝向临近河谷渗漏，对工程来说都是不利的，都需要采用工程措施进行处理。

图16-7　坝基为近似各向

（a）同性；（b）各向异性

压水试验（WPT）只是揭露钻孔周围岩体的渗透性，它与整个坝基和坝基上、下游之间的岩体渗透性可能是不同的。在各向同性或接近各向同性的岩层区，一定数量的WPT值能近似代表研究区岩体的渗透性［图16-7（a）］；而在近似各向异性的砂岩与粉砂岩或页岩互层的坝基区，不管用多少组的WPT值所了解的岩体渗透性都不能反映坝基区的水文地质条件［图16-7（b）］。如果粉砂岩或页岩为不透水岩层，不管砂岩的透水性如何，都不需要对坝基进行防渗处理。

对于图16-7（a）所反映的坝基水文地质条件，一般来说是需要防渗处理的。至于防渗处理的深度，各种指导性文件中都没有明确规定帷幕深度与坝高之间的关系。不少工程的防渗处理是按与坝高相当的深度考虑的。实际上，这种模式在许多情况下都是不适宜的。应从坝基及临坝库区的水文地质条件中寻找对防渗有利的因素并加以应用。

（1）位于坝基上下游之间的不透水或弱透水夹层对渗流的作用如何，能否控制渗流。

（2）在坝基区的浅部有没有不透水或弱透水性岩体可作为连接防渗帷幕之用。

（3）如果只有悬挂防渗帷幕的条件，多少渗径长度对防渗帷幕深度才是有效的，即什么样的有效防渗帷幕深度才能形成有效渗径。从坝上游入渗点到下游出渗点，两者之间的距离愈大其安全性就愈大。

（4）坝肩及临坝库区是否存在地下水的天然分水岭，能否形成地下水力屏障，防止渗水从水库向下游和邻近河谷或低地渗漏。