引洮供水二期工程飽水土及軟巖地質問題研究與評價

彭正明

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

引洮供水二期工程飽水土及軟巖地質問題研究與評價

彭正明

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，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，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問題。本文基于勘察資料，對上述工程地質問題進行了研究與評價，并提出了工程對策建議。

引洮供水二期工程；飽水土；軟巖和極軟巖；穩(wěn)定性評價

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、農村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水的大型跨流域調水工程。工程線路長，地質條件復雜。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、溝谷川臺地部位，黃土層底部分布飽水的粉質壤土、粉質粘土層，構成部分隧洞圍巖，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、物理力學性質差，屬于軟巖或極軟巖，構成大部分隧洞圍巖，存在隧洞穩(wěn)定問題。前人對黃土隧洞圍巖的穩(wěn)定性等已有研究，本文基于現有勘察資料，采用工程地質分析方法對本工程主要工程地質問題進行初步研究。

2 飽水土圍巖穩(wěn)定研究與評價

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、溝谷川臺下部。巖性為褐黃、淺黃色粉質壤土、粉質粘土層，局部夾有雜色輕粉質壤土或砂壤土層，厚 10～70m，結構中密—密實，具水平層理；部分區(qū)域底部尚有 al-lQ2重粉質壤土夾粉質粘土，結構密實，具層理，土質不均。上述部位地勢低，地下水位多處于上覆的黃土、粉質壤土底部及以下，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特性

（2）飽水土的粒度成分、顆粒結構：據顆分試驗，中、重粉質壤土的顆粒組成： ＞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 Cu∶8.5～31.1，曲率系數Cc∶0.90～1.61。中、重粉質壤土粉粒含量接近，重粉質壤土粘粒含量高，而中粉質壤土的砂粒含量高。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。顯微結構類型以支架大孔半膠結結構、鑲嵌微孔半膠結結構及絮凝狀膠結結構為主。其中重粉質壤土、粉質粘土的孔隙主要是小微孔隙，水進入孔隙后無法自由運移，弱透水，在低含水量狀態(tài)下物理力學性質相對較好，但隨著含水量的增加，其水理性質和工程性質急劇變差。因此，隧洞施工過程中應密切關注含水量問題。

（3）飽水土圍巖的物理力學性質：飽水土中粘粒含量較高的 Q3重粉質壤土、粉質粘土的天然含水量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 13.5～14.7，滲透系數2.92×10-4～0.011×10-5cm/s。直剪試驗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壤土及夾層狀的雜色輕粉質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%，由于相對持水而呈軟塑狀。據孔內十字板剪切試驗，軟塑狀態(tài)的粉質壤土抗剪強度 C∶13.98～4.5kPa，可塑狀態(tài)的粉質壤土抗剪強度 C∶43.26～62.33kPa。而al-lQ2重粉質壤土、粉質粘土，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 11.6～22.6。滲透系數（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)分布的雜色輕粉質壤土和砂壤土中，該類土構成相對疏松的持水土體，土體中有重力水滲出；而重粉質壤土和粉質粘土結構密實，雖處于水位以下呈飽和狀態(tài)，但土體中無重力水滲出，構成相對隔水層。土體中的水，礦化度1.32～2.77g/l，以型、型為主，含量達378～1134.75mg/l，對普通混凝土具有結晶型硫酸鹽中—強腐蝕性。

2.3 第四系飽水土隧洞圍巖穩(wěn)定性評價

構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，外圍水體向洞內排泄，水力坡度驟然提高，在動水壓力作用下，土體結構改變，強度降低。穩(wěn)定性極差，自穩(wěn)時間很短，易發(fā)生頂拱塌方、邊墻滑動、墻腳流土（泥）、底板鼓出等變形破壞現象。嚴重時有可能造成流土（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，當圍巖以相對隔水的粉質粘土、重粉質壤土為主時，基本無重力水析出或析出量很少，且明顯滯后，粉質粘土呈硬塑狀，洞壁掌子面比較穩(wěn)定；而當以相對持水的中、輕粉質壤土或砂壤土為主時，重力水沿開挖面滲流（局部呈線狀滲流），粉質壤土呈軟塑狀，在鋼拱架噴混凝土支護緊跟且有短管棚保護的情況下，掌子面也會產生小塌方。若支護不及時或壤土含水量大來不及支護時，多發(fā)生較大塌方、冒頂或突泥。建議施工開挖前進行排水固結，開挖后及時支護，必要時用超前管棚結合格柵鋼拱架進行一次支護，全斷面加強襯砌。施工中需嚴密監(jiān)測圍巖變形，適時采取應變措施。還應采用抗酸水泥。

3 中、新生代紅色碎屑巖類軟巖問題研究與評價

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（K1hk）、古近系（E）、新近系（N）地層。K1hk為一套內陸河湖相礫巖、含礫細砂巖夾砂礫巖。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為一套內陸山麓—河湖相泥質膠結泥巖、泥質砂巖為主的細粒相沉積，從盆地中心向邊緣沉積厚度逐漸變薄，巖相由細粒的泥巖向砂巖、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、粉砂質泥巖、泥巖等，構成部分隧洞圍巖、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特性

（1）結構特點：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，成巖時間短，成巖作用差，巖質軟弱，層間結合差。中新生代以來本區(qū)構造活動以升降運動為主，巖層褶皺構造不發(fā)育，除在斷裂帶附近傾角較陡外，巖層總體產狀平緩，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，是在動水條件下形成的，成分以礫卵石為主，作為膠結物的粘土基質含量較少，一般為泥鈣質膠結，巨厚層狀；部分含礫砂巖、砂巖的粘土基質含量略高，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)和動蕩交替條件下形成的，多為泥質膠結，中厚層狀，具有不明顯的粗細韻律，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，粘土基質含量高，膠結程度差；由相對粗粒的含礫砂巖、砂巖、到細粒的泥巖，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、泥質砂巖基本不透水，具相對隔水性。

（2）物理力學性質：紅色碎屑巖類物理力學性質與其含水量、粘土礦物含量密切相關。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)下具有一定強度，單軸抗壓強度達24～32MPa，變形模量1200～1500MPa，泊松比0.20～0.25，多屬較軟巖；N泥巖、砂質泥巖的性質相近，親水性粘土礦物含量高，一般 10～40%，個別達 50%，膠結程度差，顆粒較細，具有較大的比表面積，使其結構松散，水理性質差，天然含水量大于 7%，最大 16%；孔隙率大于 6%，最大達18.5%，天然狀態(tài)單軸抗壓強度均不超過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：紅層軟巖水理性質均差，細粒相巖組粘土礦物含量高，粗粒相巖組膠結基質也多為粘土礦物，遇水極易崩解泥化，工程地質性質不良。試驗觀察，泥質膠結的各類砂巖不到 30min全部崩解為泥砂狀。極軟巖全部崩解所用的時間有所不同，崩解快慢與其含水狀況和風化程度有關，一般天然含水量大，則全部崩解所用的時間較長，含水量較小或干燥情況下遇水則迅速崩解，全部崩解時間不超過10m in。此外細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。完整砂巖巖心經過24h即碎裂，泥巖因失水緩慢，干縮碎裂進程較長。

（4）膨脹性：由于細粒相紅層極軟巖含有一定數量的粘土礦物，具有一定的膨脹性，吸水后體積增大，壓力升高。其膨脹性因風化程度和含水量的不同差異較大，全風化的粘土巖較中等風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。據膨脹性試驗，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 170kPa，巖石飽和吸水率18～33%，結合粘土礦物含量，參考有關標準綜合判斷，泥巖及泥質粉砂巖具弱膨脹性。有時還具有流變特性，表現為巖石的蠕變，即在較小的應力下變形隨時間逐漸增大的現象。

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；從工程應用來看，強度低，承載力小，變形大。

3.3 紅層軟巖地基的開挖保護及隧洞圍巖的穩(wěn)定性

由于紅層軟巖中細粒相的極軟巖具有遇水膨脹、軟化崩解、失水干裂的特性，作為地基時應清除強風化層，并避免浸水和長期暴露（可預留 30cm以上的保護層），開挖到建基面后及時澆筑。粗粒相的較軟巖不具膨脹性，一般無干縮碎裂現象，但具有軟化崩解的特性，也應避免浸水。

二期工程紅層軟巖構成大部分隧洞圍巖，為軟巖、極軟巖，呈中厚層 -巨厚層狀結構，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間的穩(wěn)定，可按Ⅳ類圍巖設計，應及時噴護，全斷面襯砌。細粒相的極軟巖隧洞難于自穩(wěn)，其變形破壞形式主要表現為塑性流變，隧洞開挖后，引起應力集中，周邊一定范圍內在剪應力作用下出現向洞內擠入的剪切滑移、底鼓及洞縮現象，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，應以不良洞段來設計和施工。極軟巖隧洞圍巖具有穩(wěn)定性差，變形大且變形時間長，自穩(wěn)時間短等特點。根據這些特點及一期工程施工經驗，隧洞開挖后應及時噴護，采用鋼拱架支護，全斷面襯砌。避免過度擾動圍巖，保證圍巖天然含水量不變，使圍巖穩(wěn)定性增強。另外，要在施工中加強變形觀測，以恰當選擇二次襯砌時機和襯砌強度。紅層軟巖中多有石膏夾層，隧洞輸水后難免內水外滲，石膏溶于水會對混凝 土襯砌造成腐蝕，使其強度降低。建議對石膏夾層段采取防護措施，并嚴格防滲，防止內水外滲浸潤圍巖。

4 結語

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，其中重粉質壤土在低含水量狀態(tài)下物理力學性質相對較好，但隨著含水量的增加，其水理性質和工程性質急劇變差，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)。構成洞身圍巖的飽水土，屬極不穩(wěn)定圍巖，應采取針對性開挖及支護措施。

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；從工程應用來看，強度低，承載力小，變形大。由于紅層軟巖中細粒相的極軟巖具有遇水膨脹、軟化崩解、失水干裂的特性，作為地基的首先應清除強風化層，此外應避免浸水和長期暴露。

［1］胥廷華.引洮供水二期工程對甘肅扶貧開發(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.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，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，高級工程師。