南水北調(diào)中線工程總干渠潞王墳試驗段膨脹巖工程地質(zhì)特性研究

鄒志悝

（河南省南水北調(diào)建設(shè)管理局，鄭州 450000）

南水北調(diào)中線工程總干渠線路長1 400余km，渠道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，其中穿越膨脹巖土渠段累計長約340余km。膨脹巖土因其特殊的工程性質(zhì)，易造成渠道邊坡失穩(wěn)，對工程的安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重危害，是中線工程的主要技術(shù)問題之一。

為解決該技術(shù)難題，提出可靠的工程處理措施，同時兼顧經(jīng)濟合理性以及施工工藝的可操作性等，針對沙河南 漳河南渠段膨脹巖土分布及成巖特點，經(jīng)過慎重的比選，從巖性、膨脹性、渠坡高度、地下水位等方面，綜合比較場地環(huán)境等，選定河南省新鄉(xiāng)市鳳泉區(qū)潞王墳段做為膨脹巖現(xiàn)場原型試驗段。

1 試驗段地質(zhì)概況和膨脹巖工程地質(zhì)特性

1．1 地質(zhì)概況

從宏觀上看，潞王墳膨脹巖試驗段地層巖性為上第三系上新統(tǒng)潞王墳組黏土巖和泥灰?guī)r；膨脹等級以弱膨脹為主，其次為中、強膨脹性；地形地貌屬軟巖丘陵區(qū)。渠道挖深15～40 m，屬于沙河南 彰河南渠段邊坡較高地段。

場區(qū)地形起伏較大，地下水位埋藏較深，一般在渠底以下，以孔隙裂隙水為主。由于黏土巖裂隙發(fā)育，并夾雜少量泥灰?guī)r薄層，且各組構(gòu)造裂隙相互切割，以局部連通的形式賦存于軟巖裂隙網(wǎng)絡(luò)之中，局部形成規(guī)模較小的含水體系，僅在一定范圍內(nèi)有水力聯(lián)系和統(tǒng)一的水面，但地下水水量不大。

總干渠潞王墳渠段位于華北地震構(gòu)造區(qū)。華北地震構(gòu)造區(qū)大致以太行山東緣斷裂為界分為東西2個地震帶，東部為河北平原地震帶，西部為山西地震帶，渠線位于兩地震帶的交界處。試驗段沿線地震動峰值加速度0．20 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度。

1．2 膨脹巖分布特征

試驗段內(nèi)分布的膨脹巖土主要為上第三系潞王墳組（N2L）濱湖相、河湖相陸源碎屑沉積的軟巖，一般具如下特征：

（1）巖性主要為棕黃、棕紅雜灰綠色黏土巖（包括砂質(zhì)黏土巖）和灰白色、灰白雜灰綠色及灰黃色泥灰?guī)r，大部分出露地表，僅在沖溝及斜坡段上覆第四系松散層。

（2）膨脹巖的顆粒組成中黏粒含量較高，一般為25%～50%，局部達(dá)75%，其中膠粒約占15%～40%，局部達(dá)57%。

（3）膨脹巖中網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，裂隙面光滑，并見有擦痕，裂隙間充填物質(zhì)含水量大，此外部分渠段尚存在層間結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強度低，對渠道邊坡的穩(wěn)定極為不利。

（4）膨脹巖中的礦物成分包括黏土礦物和碎屑礦物。影響巖土膨脹性的主要是親水的黏土礦物蒙脫石（微晶高嶺土）和伊利石（水云母），其吸水量大，具有快速膨脹與收縮特性。

1．3 膨脹巖的礦物組成

泥灰?guī)r的主要礦物為碎屑礦物和黏土礦物，其中碎屑礦物含量60%～80%，成分主要為石英、方解石，以方解石為主；黏土礦物含量20%～40%，成分主要有蒙脫石和伊利石，以蒙脫石為主。黏土巖的主要礦物為黏土礦物（含量60%～70%）和碎屑礦物（含量30%～40%），黏土礦物主要由蒙脫石和伊利石組成，以蒙脫石為主；碎屑礦物以石英或方解石為主；微量礦物主要為金屬礦物、綠云母、電氣石、磷灰石、鋯石和石榴石等。

黏土礦物含量決定膨脹巖的膨脹性，黏土巖黏土礦物含量較高，泥灰?guī)r黏土礦物含量相對較少。

2 膨脹巖主要物理力學(xué)性質(zhì)

2．1 含水率與密度

據(jù)地勘資料，試驗段黏土巖天然含水量7%～34．3%，平均值21．4%，具膨脹潛勢黏土巖的天然含水量一般為15%～34．3%；成巖差的泥灰?guī)r天然含水量為1．1% ～34．7%，平均值19．9%。

天然干密度是決定膨脹巖膨脹性的影響因素之一，它與土顆粒的成分、含水量等密切相關(guān)。一般情況下，天然干密度愈大，膨脹力愈大。根據(jù)試驗成果，黏土巖天然干密度1．4～2．0 g／cm3，平均1．65 g／cm3；成巖差的泥灰?guī)r天然干密度1．32～2．07 g／cm3，平均1．66 g／cm3。由于本渠段膨脹巖巖性不均一，含有鈣質(zhì)團(tuán)塊。

2．2 界限含水率

本渠段膨脹巖多屬高液限，其中，黏土巖液限28．1% ～67．6%，平均44．5%；成巖差的泥灰?guī)r液限23．5% ～67．6%，平均43．1%。黏土巖和泥灰?guī)r的自由膨脹率與液限一般呈正比關(guān)系。

膨脹巖中親水性黏土礦物占比重較大，故具有比表面積大、擴散雙電層較厚的特點。與一般黏性土相比較，其黏土顆粒表面的的水膜較厚，所保護(hù)的薄膜水總量也特別多，因此具有高液限、低塑限的特點。

黏土巖的塑性指數(shù)10．4～31．7，平均值19．6；成巖差的泥灰?guī)r塑性指數(shù)8．0～31．7，平均值18．7。一般情況下，膨脹巖塑性指數(shù)愈大，其自由膨脹率愈大，反之，自由膨脹率愈小。黏土巖液性指數(shù)－0．7～－0．4，平均值 －0．15；成巖好的泥灰?guī)r液性指數(shù) －0．02～－0．55，平均值 －0．24；成巖差的泥灰?guī)r －0．68～0．18，平均值 －0．21。說明黏土巖和泥灰?guī)r自然狀態(tài)下多呈硬塑堅硬狀態(tài)。

2．3 黏粒含量

膨脹巖的顆粒組成是其膨脹性的主要決定因素，一般情況下黏粒含量愈高，其自由膨脹率愈大。本渠段黏土巖黏粒含量17%～48%，平均值31%；成巖差的泥灰?guī)r黏粒含量16%～37．8%，平均值23%。

2．4 單軸抗壓強度

黏土巖飽和抗壓強度0．004～0．16 MPa，平均0．05 MPa；成巖差的泥灰?guī)r自然抗壓強度0．18～3．03 MPa，平均0．96 MPa；飽和抗壓強度0．01～0．16 MPa，平均0．04 MPa。黏土巖和泥灰?guī)r均為極軟巖。

2．5 膨脹巖抗剪強度取值建議

在渠坡穩(wěn)定性分析上，膨脹巖的抗剪強度是最重要的影響指標(biāo)，為研究膨脹巖的抗剪強度對膨脹巖進(jìn)行了室內(nèi)直剪、三軸剪試驗和中型直剪試驗，并在沙河南 漳河南渠段選取代表性試點進(jìn)行了膨脹巖現(xiàn)場大型直剪試驗。

膨脹巖的抗剪強度指標(biāo)一般離散性較大，主要原因在于：黏土巖、泥灰?guī)r裂隙的發(fā)育程度、分布范圍、間距、傾角及連通情況等情況千差萬別，加之在浸水和失水環(huán)境下多有不同程度的脹縮變形；同時，對鉆孔試樣，因其尺寸一般較小，且受取樣擾動的影響，難以準(zhǔn)確反映裂隙面、軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，因此，鉆孔試樣抗剪強度代表性較差?，F(xiàn)場大型剪切試驗受條件限制試驗組數(shù)較少，且現(xiàn)場土層的不均勻性，導(dǎo)致試驗成果較為離散；而室內(nèi)中型剪切試驗，因為試驗周期短，費用低，在妥善保管試樣，防止試樣受較大擾動的情況下，其試驗成果有一定的實用價值。

關(guān)于膨脹巖的強度指標(biāo)取值，《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287－1999）附錄D規(guī)定：“具有超固結(jié)性、多裂隙性和脹縮性的膨脹土，承受荷載時呈漸進(jìn)破壞，宜根據(jù)所含黏土礦物的性狀、微裂隙的密度和建筑物地段在施工期、運行期的干濕效應(yīng)等綜合分析后選取標(biāo)準(zhǔn)值，具流變特性的強、中等膨脹土，宜取流變強度作為標(biāo)準(zhǔn)值，弱膨脹土、含鈣質(zhì)結(jié)核的膨脹土可以峰值強度的小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值”。

綜合考慮多種因素，建議：中、強膨脹巖強度指標(biāo)取殘余強度，弱膨脹巖強度指標(biāo)取峰值強度的小值平均值。

2．6 膨脹巖的滲透性

根據(jù)現(xiàn)場水文試驗（壓水試驗）成果，試驗段黏土巖一般具微弱透水性，泥灰?guī)r一般具弱透水性，局部成巖差，裂隙、巖溶發(fā)育的泥灰?guī)r具中等透水性。

3 膨脹巖脹縮變形及崩解特性

膨脹巖的膨脹性是指膨脹巖中的親水性黏土礦物在吸水后產(chǎn)生的膨脹變形，失水后體積收縮產(chǎn)生干裂的特性。膨脹巖的膨脹潛勢與親水性黏土礦物的含量成正比關(guān)系。

3．1 膨脹潛勢

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ112 87）中有關(guān)膨脹性的分類標(biāo)準(zhǔn)，本試驗段以自由膨脹率作為膨脹性主要判別依據(jù)，即：40≤自由膨脹率δef＜65為弱膨脹巖；65≤自由膨脹率 δef＜90為中膨脹巖；90≤自由膨脹率 δef為強膨脹巖。同時規(guī)定，相同地層，以某一膨脹等級土樣超過30%即認(rèn)為整個地層均為該膨脹等級的巖土。

膨脹性試驗按《土工試驗規(guī)程》（SL237 1999）進(jìn)行。上第三系軟巖做膨脹性試驗789組，其中勘察期間做286組，開挖及地質(zhì)復(fù)核期間做503組。由試驗成果可知：膨脹巖具膨脹潛勢的356組，占試驗總組數(shù)的45．1%；其中具弱膨脹潛勢的254組，占試驗總組數(shù)的32．2%，具中等膨脹潛勢的95組，占試驗總組數(shù)的12．0%，具強膨脹潛勢的7組，占試驗總組數(shù)的0．9%。其中黏土巖作膨脹性試驗445組，具膨脹潛勢（40%≤δef）的279組，占試驗組數(shù)的62．7%；泥灰?guī)r作脹縮性試驗344組，具膨脹潛勢（40%≤δef）的 77組，占試驗組數(shù)的22．4%。膨脹巖膨脹性試驗成果統(tǒng)計見表1。

試驗成果顯示，泥灰?guī)r一般具弱膨脹潛勢，黏土巖一般具弱中等膨脹潛勢，個別具強膨脹潛勢。同時，根據(jù)各場點的試驗成果顯示，膨脹巖的膨脹潛勢在空間分布上的隨機性較大，反映了膨脹巖的膨脹潛勢在水平方向和垂直方向的不均勻性。

根據(jù)室內(nèi)膨脹性試驗，結(jié)合試驗段現(xiàn)場開挖情況，上第三系膨脹巖膨脹潛勢一般具如下特征。

（1）成巖較好的堅硬膨脹巖一般不具膨脹潛勢。

（2）具弱膨脹潛勢膨脹巖的特點：黏土巖顏色多為棕黃、棕紅色，局部雜少量灰綠色，黏粒（黏土礦物）含量相對較少。成巖較差，巖性不均，含有鈣質(zhì)團(tuán)塊，局部含砂。網(wǎng)狀裂隙不太發(fā)育，軟弱結(jié)構(gòu)面較少，遇水膨脹、失水干裂性能相對較弱，風(fēng)干后遇水崩解速度較慢；野外地表多表現(xiàn)為低丘。泥灰?guī)r多為灰黃、灰白雜灰黃色，含鈣質(zhì)團(tuán)塊，碳酸鈣或碳酸鎂含量較高，成巖較好，巖芯多呈堅硬柱狀、塊狀。遇水膨脹性弱或不膨脹，風(fēng)干后遇水不易崩解，網(wǎng)狀裂隙不發(fā)育，軟弱結(jié)構(gòu)面較少；不易風(fēng)化；野外地表多表現(xiàn)為低丘，并見有直立邊坡。

（3）具中等或強膨脹潛勢膨脹巖的特點：黏土巖多呈棕紅色，雜大量灰白、灰綠色；黏粒（黏土礦物）含量較高；成巖差，遇水膨脹、失水干裂性能較強，崩解速度快；網(wǎng)狀裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，裂面光滑，并見有擦痕，裂隙及結(jié)構(gòu)面間充填灰綠色黏土礦物，含水量一般較高；野外天然邊坡較緩，新開挖的邊坡旱季剝落、雨季滑塌現(xiàn)象嚴(yán)重。

表1 上第三系膨脹巖膨脹性試驗成果表Table 1 Test results of the expansive properties for the neogene expansive rock

3．2 膨脹力

膨脹力是指土體在吸水膨脹過程中，伴隨體積增大而產(chǎn)生的應(yīng)力。膨脹巖的膨脹力與膨脹巖的天然含水量和干密度有一定的關(guān)系。試驗成果表明，試驗段黏土巖的膨脹力為25～362．5 kPa；成巖差的泥灰?guī)r的膨脹力46～58 kPa。

3．3 崩 解

試驗表明，試驗段上第三系潞王墳組（N2L）黏土巖和部分泥灰?guī)r網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，遇水易崩解。黏土巖耐崩解性指數(shù)為0%，多在第一循環(huán)已崩解完，耐崩解性很低；泥灰?guī)r耐崩解性指數(shù)30．6%，耐崩解性低。說明第三系黏土巖和大部分泥灰?guī)r對軟化及崩解作用的抵抗能力都很低。渠道通過該巖層渠坡穩(wěn)定性差，需對該巖類的膨脹性和崩解性同時采取特殊處理措施。

4 結(jié) 語

（1）試驗段膨脹巖主要為上第三系上新統(tǒng)潞王墳組（N2L）濱湖相、河湖相陸源碎屑沉積的軟巖，沿渠線分布連續(xù)。黏土巖和成巖較差的泥灰?guī)r巖性、巖相變化較頻繁，多呈漸變狀，層面高低不平，無統(tǒng)一層面，局部呈薄層或透鏡體狀分布。

（2）試驗段膨脹巖是多裂隙巖體，成巖差的泥灰?guī)r裂隙發(fā)育規(guī)律不明顯，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，失水后見有龜裂現(xiàn)象，渠坡的破壞形式一般為坍塌。成巖較好的泥灰?guī)r巖質(zhì)堅硬，一般不具膨脹性，野外邊坡近直立。黏土巖節(jié)理裂隙發(fā)育，一般為閉合裂隙，失水開裂，裂面光滑，并見有擦痕；裂隙間充填黑色鐵錳質(zhì)薄膜及灰綠色高嶺土條帶，充填物含水量較高，沿裂隙面抗剪強度較低；網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，抗崩解能力很低，開挖過程中局部有坍塌現(xiàn)象；局部巖體中存在有軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強度低，開挖過程中有滑坡現(xiàn)象。

（3）親水性黏土礦物是膨脹巖產(chǎn)生脹縮變形的物質(zhì)基礎(chǔ)，其成分主要為蒙脫石和伊利石，試驗段黏土巖的黏土礦物含量60%～70%，泥灰?guī)r黏土礦物成分含量30%～40%。根據(jù)膨脹性試驗成果，黏土巖一般具弱中等膨脹潛勢，個別具強膨脹潛勢，成巖差的泥灰?guī)r一般具弱膨脹潛勢，成巖好的泥灰?guī)r一般不具膨脹潛勢。

（4）膨脹巖的脹縮、變形的特性不僅取決于其親水礦物的含量，同時與膨脹巖的含水量、干密度、黏粒含量等有一定的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，可知：試驗段膨脹巖液限、塑性指數(shù)、黏粒含量愈大，其膨脹潛勢愈強，反之，膨脹潛勢愈弱；膨脹力隨含水量的增加而減小，隨干密度的增加而增大；線縮率隨天然含水量的增加而增大。該段膨脹巖不僅具有脹、縮變形的特性，同時抗崩解能力也很低。

（5）膨脹巖渠坡的破壞形式，一般是沿裂隙、結(jié)構(gòu)面的剪切破壞。試驗段膨脹巖的抗剪強度指標(biāo)的選取總體趨向于中、強膨脹巖（土）取殘余強度，弱膨脹巖（土）取峰值強度的小均值作為本渠段膨脹巖土強度建議值。

（6）試驗段渠坡屬深挖方段，開挖深度28～40 m，除上部斷續(xù)分布有第四系松散層外，渠坡巖性主要為上第三系泥灰?guī)r和黏土巖，局部夾砂巖或砂礫巖。除二級馬道以上部分成巖較好泥灰?guī)r不具膨脹潛勢外，成巖差的泥灰?guī)r和黏土巖一般具弱、弱中等膨脹潛勢。膨脹巖的多裂隙性和膨脹性使其在干濕交替、脹縮變形后強度降低，沿裂隙和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑坡、坍塌等破壞；吸水后體積膨脹，在膨脹壓力作用下對渠道襯徹造成破壞。因此膨脹巖渠段渠道施工時，對膨脹巖應(yīng)采取相應(yīng)的處理和保護(hù)措施。

［1］ 河南省水利勘測總隊．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗段工程（潞王墳）段招標(biāo)設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］．鄭州：河南省水利勘測總隊，2007．