云南临沧特殊风化花岗岩建坝实践与探讨

李新峰，陈厚军，于 为

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，乌鲁木齐830002）

1 问题由来与思考

临沧地区自20世纪末至今陆续建有中小型水库有20余座，多数涉及此类特殊花岗岩上，且绝大部分为黏土心墙坝，由于近年环境保护需要，天然建筑材料土料场用地征迁愈发困难， 沥青心墙坝型在环保和节省天然建筑材料用地等方面具有明显优势，但对于坝基抗变形稳定性要求也明显高于黏土心墙坝。而本地区风化花岗岩特殊性质，也给这种本地新坝型带来挑战和考验。

凤庆县前锋水库为一座坝高60m的沥青心墙坝，施工开挖过程发现，坝基和洞室围岩均为全风化～强风化二长花岗岩，围岩稳定性差～极不稳定。 坝址区全风化花岗岩呈灰黄色砂状物质， 结构中密～密实，扰动后呈松散砂状；风化厚度10～30m不等，最深可达40m。全风化的中下部，可见强风化团块或块体（或称球状体），球状体分布不规律，具有典型囊状风化、蜂窝状、间隔风化特征；强风化花岗岩呈浅灰白色，岩体节理裂隙发育，多呈碎裂结构，岩石敲击声闷易碎，其分布规律性差，呈球状、条带状分布。此外正在进行勘察中的云县马街河水库，经过勘探揭露，强风化厚度局部达60m。在类似深厚花岗岩强风化上建坝在临沧较为普遍。

据碾压式土石坝设计规范， 对坝体与岩石坝基和岸坡的连接，要求“若风化层较深时，高坝宜开挖至弱风化层上部， 中、 低坝可开挖至强风化层下部……”［1］。 由此可见，对于临沧深厚度巨大的强风化特殊花岗岩，基础开挖至强风化下部，一般情况难以实现。

针对存在部分全风化花岗岩的坝基， 对于能否满足沥青心墙坝基础抗变形能力的要求尤为关键，笔者通过一些工程实例及资料收集分析， 最终认为对此类坝基，如果采取合理的处理方法，可满足心墙坝基础设计要求。

例如位于云南省云县已建的刘家箐水库， 为一座中型水库， 坝型为黏土心墙石渣坝， 最大坝高74.0m。 大坝地震设防烈度为8 度，坝基为全、强风化的花岗岩［2］。 该水库自2010年3月完工验收，目前已正常蓄水运行超过10年。

此外，云县晓街河水库（中型水库），为一座坝高76m黏土心墙坝， 全强风化印支期花岗岩厚度20～36m，坝基也同样建在花岗岩强风化层中，该大坝已完成封顶一年多。

还有临沧市在建的龙浩坝水库坝基为全风化花岗岩，为40m高度的黏土心墙坝，该大坝已完成填筑工作。

由于全风化花岗岩厚度大， 处理难度大， 成本高，坝基残留部分全、强风化花岗岩，作为土石坝基础，在临沧建坝较普遍，目前有20余座类似岩性的小（1）型或中型水库建成并正常运行，坝型主要为黏土心墙类土石坝，沥青心墙坝尚无先例。通过工程实践及分析对比，笔者认为，对于小（1）型坝高60m的沥青心墙坝，坝基残留部分全、强风化花岗岩，通过采取合理的处理措施，能够满足设计要求。

2 临沧花岗岩风化特点

云南处于复杂的构造板块交接地带， 跨越扬子准地台、华南褶皱系、松潘—甘孜褶皱系、唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系和冈底斯—念青唐古拉褶皱系等5个一级构造单元，各个地质时代地层在不同地区其发育程度、岩石组合、厚度变化、层序特征、接触关系、沉积岩相、区域变质作用、火山运动等方面差异巨大。 如苏家河口水电站，全风化岩层厚度25～45m不等，最深可达90m［3］。

据“景东幅区域地质图”，临沧云县、凤庆等处，印支期岩浆活动最为强烈， 包括中三叠统忙怀组酸性火山岩、 次火山岩、 上三叠小定西组中基性火山岩、次火山岩，闪长岩及规模巨大的酸性侵入岩等。对于水利工程领域， 查明花岗岩等火山岩物理力学性质和水理尤为重要。

根据临沧多个项目勘探与施工开挖结果显示，本区花岗岩为以全风化黑云母二长花岗岩为主，局部夹强风化碎块石透镜体； 全风化花岗岩呈灰黄色砂状物质，结构中密-密实，扰动后呈松散砂状；风化厚度10～30m不等，最深可达90m。 全风化的中下部，可见强风化团块或块体（或称球状体），球状体分布不规律，具有典型囊状风化、蜂窝状、间隔风化特征；强风化花岗岩呈浅灰白色，岩体节理裂隙发育，多呈碎裂结构，岩石敲击声闷易碎，其分布规律性差，呈球状、条带状分布。水库大坝建基面多为全风化花岗岩包裹强风化花岗团块碎石。

3 全强风化花岗岩的分带特征

不同地层时代、 不同成分和结构构造的花岗岩风化程度均不相同，风化厚度相差较大，风化花岗岩岩土工程特性也有所不同［4］。

由于花岗岩全-强风化具有其分布规律性差，呈球状、条带状分布的特点，一般厚度15～30m，局部甚至更深， 通过多个工程前期的勘探和施工基槽开挖情况总结，对岩石风化程度进行适当分带，有利于设计及施工组织设计，进行针对性和差异化的处理，获得更为合理和经济的处理措施方法。

全风化的分带，一般取决于球状体的占比，一般规律是随着垂直方向深度增加， 球状体占比会逐渐增幅。即全风化上部（上带）以砂状碎屑物为主，中下部（中带）为砂状碎屑物与球状体互层，接近强风化（下带）则以球状体为主含少量砂状物。

强风化带中长石矿物常常是未完全彻底风化的高岭土，仍有少部分呈较坚硬的砾状，岩体外观呈块石状，原岩结构构造清晰。 岩块可用手掰开，并可沿破裂面合成原来形状。破碎后多次松散岩碎屑块，而不是砂土状。 此带岩体不均一，多有全风化、中等风化甚至微风化的岩块分布其中，块、球状风化更为常见。 而受原岩体中节理、断层影响，全风化带中可有风化程度相对较轻微的块、球体存在。 大小不等，形状不一，但多呈浑圆状，核心部位常风化轻微，在全风化带下部尤为常见。建议对于严重风化的花岗岩，凡是呈土状（夹砂）而又保持原有结构（宏观观察确定）可定为全风化［5］。

还有文献对全、强风化带表述为：全风化花岗岩除石英外，其他矿物严重风化蚀变，矿物之间失去结晶联系或具有微弱的结合力，手捏即散，呈砾砂状；扰动前， 原岩结构构造模糊可辩， 但取不出完整岩心，用锹镐可挖；而强风化花岗岩则是以半疏松状岩石为主，上部除石英外，均有显著蚀变，底部矿物蚀变较差。 原岩结构破坏较严重，风化裂隙贯通性、联系性和延伸性均较好。 锤击声哑， 难以取出完整岩心。此带常有风化较轻的块球体零星分布，故而造成岩体力学性质极不均一的现象［6］。

综上所述，对于不同工程、不同勘察单位对全风化和强风化的认识把握不尽一致， 建议对不同风化层进一步分带，如全风化上带、下带，强风化上带、下带等。

如果参照GB50487—2008 《水利水电工程地质勘察规范》附录H采用的风化带5级分类方法，对风化特征对照，则全风化：除石英外，其他矿物严重风化蚀变为次生矿物，锤击有松软感，出现凹坑，矿物手可捏碎，用锹可挖动；对于强风化岩则是：锤击哑声，岩石大部分变酥，易碎，用鎬撬可挖动，坚硬部分需爆破［7］。 此分类是普遍的岩体风化特征，对于特殊花岗岩则不完全适用， 况且在实际工程中还是存在衡量指标差异较大问题，划分困难且难以操作。

花岗岩抗剪强度中内摩擦角φ值主要由石英与长石总含量和大于0.5mm 的颗粒含量所控制，φ值同颗粒成分特征值及石英与长石总含量2个指标之间存在着很好的相关性， 大于0.5 mm的颗粒含量和石英与长石总含量对φ值起决定性作用。而黏聚力与颗粒成分、矿物成分之间的相关性不强。黏聚力影响因素的复杂性导致了其试验结果离散性较大［8］。

花岗岩的抗剪强度与大颗粒直径的矿物含量成线性关系。 与风化前相比，天然状态下强风化、全风化花岗岩抗剪强度分别降低61.2%及75.5%。 饱水状态下强风化、 全风化花岗岩抗剪强度比天然状态下分别降低29.1%及4.3%［9］。

因此还应该考虑砂土状物质与岩块（球状体）所占比重决定，根据多个项目勘察试验成果总结如下：临沧花岗岩一般全风化上带2mm以上岩块球状体颗粒含量小于15%（砂土状物质占比大于85%），全风化下带岩块占比大于50%（砂土状物质占比大于50%）可轻易敲碎； 强风化上带岩块占比大于85%（砂土状占比小于15%）岩石敲击声哑，强风化下带岩块占比大于95%（砂土状占比小于5%）， 且岩石敲击声音清脆有弹性。 此外采用标准贯入或动力触探等原位测试方法，加以对照也能对全强风化带予以划分。 如对于重型动力触探试验击数50击（或标贯大于40击）作为界限。 或波速测试大于800m/s （强风化为800～2500m/s）；国内部分针对全强风化花岗岩旁压试验结果表明，旁压模量在40～50MPa，承载力特征值小于1.0MPa，同时结合岩块（多或球体）含量及开挖、敲击等综合指标予以判断，由此划分结果才更接近客观实际。

4 主要岩土参数选取

本工程坝基全强风化花岗岩特点是上部岩性力学性状存在不均匀性和差异性问题， 对于沥青心墙必须保证基础不产生变形破坏是重点环节， 其次是渗透稳定性问题。

对于大坝基础设计来说， 全强风化花岗岩物理力学性质指标的选取尤为重要。 列举部分临沧已建水库坝基花岗岩主要地质参数建议值如表1。 此外，根据近期部分水库勘察资料， 将坝基花岗岩主要地质参数建议值列举如表2。

表1 临沧部分已建水库坝基风化花岗岩主要地质参数建议值

续表1

通过对比可看出，对于弱风化和微～新鲜花岗岩来说，弱风化饱和抗压强度一般为20～60MPa，微风化-新鲜岩体饱和抗压强度40～80MPa， 各个不同工程给出的指标基本接近，多属中硬-坚硬岩；但全风化花岗岩存在没有统一标准问题， 不同勘察设计单位，对全、强风化划分分带有所差异，绝大部分无法获得饱和抗压强度，但总体上接近密实砂土基，天然密度1.69～2.21g/cm3， 承载力200～400kPa （个别达到600kPa）， 而强风化饱和抗压强度一般为5～15MPa，则属软岩类似。 其变形模量差异较大，一般为0.03～0.15GPa，主要取决于岩石块球体含量高低。

根据前锋水库试验资料， 全风化上带花岗岩定名为黏土质砂，＞2mm颗粒含量4.5%～17.8%，＜2mm颗粒含量82.2%～95.5%，0.075～0.005mm颗粒含量13.1%～17.3%，＜0.005mm颗粒含量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， 临界比降0.20，允许比降0.15，根据标准贯入试验， 风化花岗岩厚度5～20m，标准贯入击数21～43击，标贯击数随深度逐渐增大， 呈中密-密实状态，平均40击。

综上所述， 提出全风化花岗岩主要力学指标： 天然状态下（未扰动）承载力300～600kPa，建议值350kPa；变形模量0.009～0.045GPa（离散性大），建议值0.02GPa；抗剪断强度c′：0.005～0.05 （离散性大）， 建 议 值0.02MPa，f ＇：0.33～0.46， 建议f＇值0.40；上述力学性质饱和状态指标应根据实际情况予以适当折减。渗透系数1.49×10-4～1.20×10-3cm/s， 属中 等 透 水 性岩（土）。

需要指出的是，对于临沧类似花岗岩上的水库来说，全、强风化厚度大，需要加强坝基的固结灌浆和帷幕灌浆工作， 而全-强风化花岗岩充填大量砂状碎屑物，常常会引起普通水泥浆灌浆效果差，使得后期坝基固结灌浆和帷幕灌浆防渗工作实施困难。

5 全风化花岗岩处理方法探索与实践

由上节内容可看出， 全强风化花岗岩物理力学指标与下部新鲜岩石相比差异较大， 尤其未注浆的全风化花岗岩水稳定性很差， 通过注浆加固可显著提高全风化花岗岩土体的水稳定性［10］。

云南临沧全风化花岗岩充填大量砂状碎屑物，普通水泥浆灌浆效果差，普遍具有“吃水不吃浆”的特点，普通水泥可灌性较差，强风化花岗岩可灌性相对较好。 根据当地经验， 在灌浆盖板以下5m内的第一、 第二段灌浆设计压力往往很小， 一般在0.2～0.4MPa，否则灌浆盖板抬动值超出设计允许范围［10］。

出于经济角度考虑， 已建水库工程仍然以常规固结灌浆和帷幕灌浆的措施为主。 也有部分采用高压旋喷灌浆， 此方法对工程场地条件和岩性条件有要求。 少数专家倾向高压旋喷灌浆。 但由于设备占地大，对地形要求相对较高，需分级开挖平台施工，应充分考虑移动设备耗时及施工难度［11］。 因此，多部分专家认为云南多数中小型水库地形处于峡谷地貌，地形条件不宜采用高压旋喷，尤其对于存在岩性差异较大的砂和岩块球体时， 对高压喷射灌浆影响较大。

无论对于变形还是渗透破坏， 坝基与下部强风化岩体之间的连接都是重点。 加强对全风化中砂的“挤密”是关键。 针对大坝差异沉降及协调变形的特点，地质建议采取加强固结灌浆处理，本地区成熟经验是：①适当加大坝基心墙底板（混凝土基座）的开挖深度与尺寸； ②加深和加密灌浆的深度、 孔排距（甚至加大孔径）； ③控制好灌浆的压力和浆液浓度等；④控制混凝土盖板的抬动和两侧冒浆；⑤搞好灌浆效果的检测；⑥注浆后妥善封孔。

具体灌浆参数指标，通过现场灌浆试验确定，确保全风化层岩体质量得到改善， 并满足坝基设计要求。

鉴于全风化层扰动后呈松散砂状，承载力及变形能力急剧下降，施工开挖时严禁对坝基扰动破坏，建议预留保护层厚度不小于0.5m， 混凝土浇筑前人工开挖保护层，以避免坝基地层的扰动。心墙以外坝壳基础在施工中也应尽量保护，减少对坝基的扰动。

6 结语

通过对临沧全强风化花岗岩不断认识总结，对风化带划分逐渐了解。 对于全风化花岗岩作为黏土心墙坝坝基基础，采取合理适当的工程措施，可满足设计要求且已被证实。而对于沥青心墙坝，作为本区特殊花岗岩风化带上的新型土石坝， 有待于工程实践检验。

沥青心墙坝具有良好的防渗和塑性性能， 适应地基不均匀沉降的抗变形能力不亚于黏土心墙坝，此外沥青心墙还具有较好的抗渗流冲蚀能力。

通过实践与前人资料分析对比， 提出如下认识供类似工程借鉴和探讨：

（1）对于临沧花岗岩，全强风化带划分需要考虑多种综合方法进行判断， 根据不同原位测试和试验获得物理力学性质指标对比分析， 可为设计提供更为科学合理的地质参数。

（2）作为高度小于70m中小型水库，在临沧特殊花岗岩上，具备建造沥青心墙坝的条件。但必须加强对坝基全风化带的加固处理措施， 以控制基础差异性变形沉降。

（3）适当加大、加厚灌浆盖板尺寸，并加密、加深固结灌浆孔、排距，控制好上段灌浆压力，可克服盖板抬动和回浆变浓（吃水不吃浆）等问题。 心墙混凝土基座的上下游两侧增设齿墙。

（4）大坝坝基心墙基础灌浆前应该进行现场灌浆试验，选取合理的灌浆参数。

（5）坝基机械开挖应预留足够的保护层，浇筑盖板前采取人工开挖，最大限度减少对风化地层的扰动。