彭正明

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

引洮供水二期工程飽水土及軟巖地質(zhì)問題研究與評(píng)價(jià)

彭正明

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

引洮供水二期工程渠線主要穿越在黃土覆蓋的中新生代凹陷盆地內(nèi)，穿越區(qū)廣泛分布中新生代紅色碎屑巖。飽水土圍巖、軟巖和極軟巖隧洞的穩(wěn)定問題是該工程主要工程地質(zhì)問題。本文基于勘察資料，對(duì)上述工程地質(zhì)問題進(jìn)行了研究與評(píng)價(jià)，并提出了工程對(duì)策建議。

引洮供水二期工程；飽水土；軟巖和極軟巖；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1 概述

甘肅省引洮供水工程是解決甘肅中部旱區(qū)城鎮(zhèn)及工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水的大型跨流域調(diào)水工程。工程線路長，地質(zhì)條件復(fù)雜。二期工程渠接一期渠尾，沿祖厲河與渭河兩流域分水嶺由西向東，總干、干渠以隧洞為主，以渡槽、倒虹、暗渠等連接。在黃土低山梁峁區(qū)溝掌地、溝谷川臺(tái)地部位，黃土層底部分布飽水的粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土層，構(gòu)成部分隧洞圍巖，存在飽水土圍巖穩(wěn)定問題；渠線穿越黃土覆蓋的中新生代凹陷盆地區(qū)，區(qū)內(nèi)廣泛分布紅色碎屑巖，其分布廣、厚度大，成巖程度低，水理性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)差，屬于軟巖或極軟巖，構(gòu)成大部分隧洞圍巖，存在隧洞穩(wěn)定問題。前人對(duì)黃土隧洞圍巖的穩(wěn)定性等已有研究，本文基于現(xiàn)有勘察資料，采用工程地質(zhì)分析方法對(duì)本工程主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行初步研究。

2 飽水土圍巖穩(wěn)定研究與評(píng)價(jià)

2.1 第四系飽水土分布特征

飽水土主要分布在黃土低山梁峁區(qū)溝掌、溝谷川臺(tái)下部。巖性為褐黃、淺黃色粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土層，局部夾有雜色輕粉質(zhì)壤土或砂壤土層，厚 10～70m，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，具水平層理；部分區(qū)域底部尚有 al-lQ2重粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)密實(shí)，具層理，土質(zhì)不均。上述部位地勢低，地下水位多處于上覆的黃土、粉質(zhì)壤土底部及以下，水位以下的土體呈飽和狀態(tài)。

2.2 第四系飽水土工程地質(zhì)特性

（2）飽水土的粒度成分、顆粒結(jié)構(gòu)：據(jù)顆分試驗(yàn)，中、重粉質(zhì)壤土的顆粒組成： ＞0.075mm的顆粒含量16.1～25.9%，0.005～0.075mm的顆粒含量51.3～59.2%，＜0.005mm的顆粒含量16.1～29.8%，不均勻系數(shù) Cu∶8.5～31.1，曲率系數(shù)Cc∶0.90～1.61。中、重粉質(zhì)壤土粉粒含量接近，重粉質(zhì)壤土粘粒含量高，而中粉質(zhì)壤土的砂粒含量高。土的礦物顆粒排列方式為支架排列和鑲嵌排列兩種，以鑲嵌排列為主。顯微結(jié)構(gòu)類型以支架大孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)、鑲嵌微孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)及絮凝狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)為主。其中重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土的孔隙主要是小微孔隙，水進(jìn)入孔隙后無法自由運(yùn)移，弱透水，在低含水量狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，但隨著含水量的增加，其水理性質(zhì)和工程性質(zhì)急劇變差。因此，隧洞施工過程中應(yīng)密切關(guān)注含水量問題。

（3）飽水土圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)：飽水土中粘粒含量較高的 Q3重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土的天然含水量19.0～23.9%，略大于塑限，土體呈塑流狀，多處于飽和狀態(tài)。干密度1.32～1.67g/cm3，孔隙比 0.912～1.061，液限 33.3～37.5%，塑限19.8～23.5%，塑性指數(shù) 13.5～14.7，滲透系數(shù)2.92×10-4～0.011×10-5cm/s。直剪試驗(yàn)C∶28.05～33.70kPa，φ：29.3～30.2°，Es∶12.21～30.09MPa，a1-2∶0.079～0.181MPa-1，屬低中等壓縮、微至中等透水、非濕陷性土。粘粒含量較低的中粉質(zhì)壤土及夾層狀的雜色輕粉質(zhì)壤土和砂壤土的飽和含水量較高，大于塑限，多在 25%以上，部分接近 30%，由于相對(duì)持水而呈軟塑狀。據(jù)孔內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)，軟塑狀態(tài)的粉質(zhì)壤土抗剪強(qiáng)度 C∶13.98～4.5kPa，可塑狀態(tài)的粉質(zhì)壤土抗剪強(qiáng)度 C∶43.26～62.33kPa。而al-lQ2重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土，含水量比 Q3土略低，干密度 1.63～1.76g/cm3，孔隙比 0.550～0.666，液限 32.7～44.9%，塑限18.2～21.5%，塑性指數(shù) 11.6～22.6。滲透系數(shù)（4.45～7.55）×10-5cm/s，屬低壓縮、弱透水、非濕陷性土。

（4）飽水土圍巖中的地下水：飽水土中的地下水主要賦存于薄層或透鏡狀不連續(xù)分布的雜色輕粉質(zhì)壤土和砂壤土中，該類土構(gòu)成相對(duì)疏松的持水土體，土體中有重力水滲出；而重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)密實(shí)，雖處于水位以下呈飽和狀態(tài)，但土體中無重力水滲出，構(gòu)成相對(duì)隔水層。土體中的水，礦化度1.32～2.77g/l，以型、型為主，含量達(dá)378～1134.75mg/l，對(duì)普通混凝土具有結(jié)晶型硫酸鹽中—強(qiáng)腐蝕性。

2.3 第四系飽水土隧洞圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

構(gòu)成洞身圍巖的飽水土，屬極不穩(wěn)定圍巖。施工開挖后，處于臨空狀態(tài)，土體應(yīng)力狀態(tài)變化，發(fā)生松弛、變形，地下水滲流形態(tài)也將改變，外圍水體向洞內(nèi)排泄，水力坡度驟然提高，在動(dòng)水壓力作用下，土體結(jié)構(gòu)改變，強(qiáng)度降低。穩(wěn)定性極差，自穩(wěn)時(shí)間很短，易發(fā)生頂拱塌方、邊墻滑動(dòng)、墻腳流土（泥）、底板鼓出等變形破壞現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)有可能造成流土（泥）堵塞隧洞、塌方冒頂。飽水土隧洞施工難度大，一期工程施工情況反映，當(dāng)圍巖以相對(duì)隔水的粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土為主時(shí)，基本無重力水析出或析出量很少，且明顯滯后，粉質(zhì)粘土呈硬塑狀，洞壁掌子面比較穩(wěn)定；而當(dāng)以相對(duì)持水的中、輕粉質(zhì)壤土或砂壤土為主時(shí)，重力水沿開挖面滲流（局部呈線狀滲流），粉質(zhì)壤土呈軟塑狀，在鋼拱架噴混凝土支護(hù)緊跟且有短管棚保護(hù)的情況下，掌子面也會(huì)產(chǎn)生小塌方。若支護(hù)不及時(shí)或壤土含水量大來不及支護(hù)時(shí)，多發(fā)生較大塌方、冒頂或突泥。建議施工開挖前進(jìn)行排水固結(jié)，開挖后及時(shí)支護(hù)，必要時(shí)用超前管棚結(jié)合格柵鋼拱架進(jìn)行一次支護(hù)，全斷面加強(qiáng)襯砌。施工中需嚴(yán)密監(jiān)測圍巖變形，適時(shí)采取應(yīng)變措施。還應(yīng)采用抗酸水泥。

3 中、新生代紅色碎屑巖類軟巖問題研究與評(píng)價(jià)

3.1 中、新生代紅色碎屑巖類軟巖的分布

工程區(qū)的凹陷盆地內(nèi)廣泛分布中、新生代紅色碎屑沉積巖地層，主要為白堊系下統(tǒng)（K1hk）、古近系（E）、新近系（N）地層。K1hk為一套內(nèi)陸河湖相礫巖、含礫細(xì)砂巖夾砂礫巖。主要分布于定西凹陷盆地東南邊緣；E為一套山麓相堆積，由巨礫巖、礫巖、砂礫巖組成。工程區(qū)集中分布于靜寧凹陷盆地、隴渭凹陷南部邊緣地帶，總干渠中后段、四干渠末尾等；N為一套內(nèi)陸山麓—河湖相泥質(zhì)膠結(jié)泥巖、泥質(zhì)砂巖為主的細(xì)粒相沉積，從盆地中心向邊緣沉積厚度逐漸變薄，巖相由細(xì)粒的泥巖向砂巖、砂礫巖過渡，工程區(qū)各凹陷盆地之中均有分布。巖性有磚紅色砂礫巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等，構(gòu)成部分隧洞圍巖、建筑物地基、局部段渠基。

3.2 中、新生代紅色碎屑巖類軟巖的工程地質(zhì)特性

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：紅色碎屑巖類一般是干旱且溫度壓力均不高的條件下形成的，成巖時(shí)間短，成巖作用差，巖質(zhì)軟弱，層間結(jié)合差。中新生代以來本區(qū)構(gòu)造活動(dòng)以升降運(yùn)動(dòng)為主，巖層褶皺構(gòu)造不發(fā)育，除在斷裂帶附近傾角較陡外，巖層總體產(chǎn)狀平緩，巖體完整性較好。K1hk、E為山麓—河湖堆積的粗粒相礫巖、砂礫巖，是在動(dòng)水條件下形成的，成分以礫卵石為主，作為膠結(jié)物的粘土基質(zhì)含量較少，一般為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巨厚層狀；部分含礫砂巖、砂巖的粘土基質(zhì)含量略高，為中厚層 ～薄層的夾層或互層狀。N為山間盆地河湖相沉積的紅色碎屑巖，是在水流平穩(wěn)和動(dòng)蕩交替條件下形成的，多為泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，具有不明顯的粗細(xì)韻律，相變劇烈，多見泥巖與砂巖互層或泥巖成夾層分布，組成成分主要為巖屑、砂礫、粘土礦物，粘土基質(zhì)含量高，膠結(jié)程度差；由相對(duì)粗粒的含礫砂巖、砂巖、到細(xì)粒的泥巖，粘土礦物含量遞增。除部分砂巖具有一定透水性外，大部分泥巖、泥質(zhì)砂巖基本不透水，具相對(duì)隔水性。

（2）物理力學(xué)性質(zhì)：紅色碎屑巖類物理力學(xué)性質(zhì)與其含水量、粘土礦物含量密切相關(guān)。K1hk、E礫巖、砂礫巖密度2.31～2.42g/cm3，天然含水量一般小于3%，孔隙率 8.68～12.5%，粘土礦物含量少，在天然狀態(tài)下具有一定強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)24～32MPa，變形模量1200～1500MPa，泊松比0.20～0.25，多屬較軟巖；N泥巖、砂質(zhì)泥巖的性質(zhì)相近，親水性粘土礦物含量高，一般 10～40%，個(gè)別達(dá) 50%，膠結(jié)程度差，顆粒較細(xì)，具有較大的比表面積，使其結(jié)構(gòu)松散，水理性質(zhì)差，天然含水量大于 7%，最大 16%；孔隙率大于 6%，最大達(dá)18.5%，天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度均不超過5MPa，變形模量小于 500MPa，一般為 100～300MPa，泊松比一般為0.3左右，多為極軟巖。

（3）水理性質(zhì)：紅層軟巖水理性質(zhì)均差，細(xì)粒相巖組粘土礦物含量高，粗粒相巖組膠結(jié)基質(zhì)也多為粘土礦物，遇水極易崩解泥化，工程地質(zhì)性質(zhì)不良。試驗(yàn)觀察，泥質(zhì)膠結(jié)的各類砂巖不到 30min全部崩解為泥砂狀。極軟巖全部崩解所用的時(shí)間有所不同，崩解快慢與其含水狀況和風(fēng)化程度有關(guān)，一般天然含水量大，則全部崩解所用的時(shí)間較長，含水量較小或干燥情況下遇水則迅速崩解，全部崩解時(shí)間不超過10m in。此外細(xì)粒相的各巖組由于粘土礦物含量高，尚有失水干縮、碎裂的特性，開挖暴露時(shí)很完整的巖石，迅速干裂，呈碎塊狀逐層剝落。完整砂巖巖心經(jīng)過24h即碎裂，泥巖因失水緩慢，干縮碎裂進(jìn)程較長。

（4）膨脹性：由于細(xì)粒相紅層極軟巖含有一定數(shù)量的粘土礦物，具有一定的膨脹性，吸水后體積增大，壓力升高。其膨脹性因風(fēng)化程度和含水量的不同差異較大，全風(fēng)化的粘土巖較中等風(fēng)化的粘土巖的膨脹力大 1～4倍。膨脹率隨著含水量的增加而減小。據(jù)膨脹性試驗(yàn)，其無荷膨脹率 9～21.9%，有荷（50kPa）膨脹率 2～4%，膨脹力一般30～65kPa，最大可達(dá) 170kPa，巖石飽和吸水率18～33%，結(jié)合粘土礦物含量，參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)綜合判斷，泥巖及泥質(zhì)粉砂巖具弱膨脹性。有時(shí)還具有流變特性，表現(xiàn)為巖石的蠕變，即在較小的應(yīng)力下變形隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象。

引洮工程的紅層巖類是一種特殊的極軟巖類，從巖石固有的特性來說，其具有軟的特性；從工程應(yīng)用來看，強(qiáng)度低，承載力小，變形大。

3.3 紅層軟巖地基的開挖保護(hù)及隧洞圍巖的穩(wěn)定性

由于紅層軟巖中細(xì)粒相的極軟巖具有遇水膨脹、軟化崩解、失水干裂的特性，作為地基時(shí)應(yīng)清除強(qiáng)風(fēng)化層，并避免浸水和長期暴露（可預(yù)留 30cm以上的保護(hù)層），開挖到建基面后及時(shí)澆筑。粗粒相的較軟巖不具膨脹性，一般無干縮碎裂現(xiàn)象，但具有軟化崩解的特性，也應(yīng)避免浸水。

二期工程紅層軟巖構(gòu)成大部分隧洞圍巖，為軟巖、極軟巖，呈中厚層 -巨厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，除溝谷淺埋段外基本無地下水影響。由于隧洞洞徑小，一般粗粒相的較軟巖開挖后能維持較長時(shí)間的穩(wěn)定，可按Ⅳ類圍巖設(shè)計(jì)，應(yīng)及時(shí)噴護(hù)，全斷面襯砌。細(xì)粒相的極軟巖隧洞難于自穩(wěn)，其變形破壞形式主要表現(xiàn)為塑性流變，隧洞開挖后，引起應(yīng)力集中，周邊一定范圍內(nèi)在剪應(yīng)力作用下出現(xiàn)向洞內(nèi)擠入的剪切滑移、底鼓及洞縮現(xiàn)象，形成塑性區(qū)，并隨著埋深的增大塑性區(qū)范圍將增大。另外，由于巖體的流變特性，圍巖變形隨著時(shí)間的增加而逐漸加劇，又因洞身的襯砌具有一定剛度，二者共同作用將在洞身襯砌上形成逐漸增加的變形壓力，因此具流變特征的圍巖作用在襯砌上的壓力是逐漸增大的。從上述簡要分析可以看出，總干渠極軟巖隧洞圍巖穩(wěn)定性差，應(yīng)以不良洞段來設(shè)計(jì)和施工。極軟巖隧洞圍巖具有穩(wěn)定性差，變形大且變形時(shí)間長，自穩(wěn)時(shí)間短等特點(diǎn)。根據(jù)這些特點(diǎn)及一期工程施工經(jīng)驗(yàn)，隧洞開挖后應(yīng)及時(shí)噴護(hù)，采用鋼拱架支護(hù)，全斷面襯砌。避免過度擾動(dòng)圍巖，保證圍巖天然含水量不變，使圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)。另外，要在施工中加強(qiáng)變形觀測，以恰當(dāng)選擇二次襯砌時(shí)機(jī)和襯砌強(qiáng)度。紅層軟巖中多有石膏夾層，隧洞輸水后難免內(nèi)水外滲，石膏溶于水會(huì)對(duì)混凝 土襯砌造成腐蝕，使其強(qiáng)度降低。建議對(duì)石膏夾層段采取防護(hù)措施，并嚴(yán)格防滲，防止內(nèi)水外滲浸潤圍巖。

4 結(jié)語

工程區(qū)第四系飽水土圍巖以硬塑土為主，不均勻且不連續(xù)地夾有多層薄層狀或透鏡狀軟塑土，其中重粉質(zhì)壤土在低含水量狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，但隨著含水量的增加，其水理性質(zhì)和工程性質(zhì)急劇變差，其天然含水量略大于塑限，土體呈塑流狀，多處于飽和狀態(tài)。構(gòu)成洞身圍巖的飽水土，屬極不穩(wěn)定圍巖，應(yīng)采取針對(duì)性開挖及支護(hù)措施。

工程區(qū)紅層巖類是一種特殊的軟巖類，從巖石固有的特性來說，具有軟的特性；從工程應(yīng)用來看，強(qiáng)度低，承載力小，變形大。由于紅層軟巖中細(xì)粒相的極軟巖具有遇水膨脹、軟化崩解、失水干裂的特性，作為地基的首先應(yīng)清除強(qiáng)風(fēng)化層，此外應(yīng)避免浸水和長期暴露。

［1］胥廷華.引洮供水二期工程對(duì)甘肅扶貧開發(fā)跨越發(fā)展的重要性［J］.發(fā)展，2012（06）：37-37，43.

［2］康復(fù)生.引洮供水工程黃土隧洞圍巖的穩(wěn)定性分析［J］.資源與環(huán)境工程，2011，25（05）：459-460.

［3］張倬元，王士天，王蘭生等.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，2009.

TU457

B

1672-2469（2015）08-0088-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.029

彭正明（1964年—），男，高級(jí)工程師。