臨夏盆地新近系極軟巖工程地質(zhì)特性
——以臨夏州供水保障生態(tài)保護(hù)水源置換工程為例

劉楊威

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

臨夏州供水保障生態(tài)保護(hù)水源置換工程位于甘肅中南部，是解決臨夏州康樂(lè)、廣河、和政、東鄉(xiāng)、臨夏縣和臨夏市6個(gè)縣(市)城鄉(xiāng)生活、工業(yè)生產(chǎn)及北塬區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉供水，以集中水源置換區(qū)域現(xiàn)有分散水源，實(shí)現(xiàn)區(qū)域供水安全保障和生態(tài)修復(fù)，為臨夏州黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供水資源支撐的水源置換工程，是一項(xiàng)長(zhǎng)距離跨流域調(diào)水工程。線路建筑物以隧洞為主，連接段采用倒虹吸、暗渠等建筑物，總長(zhǎng)約110 km。本工程設(shè)計(jì)引水流量11.5 m3/s，年引水量1.92億 m3，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物工程級(jí)別為2級(jí)。

1 基本工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

工程區(qū)總干線中后段的康樂(lè)縣—和政縣—臨夏縣—臨夏市的廣闊地域，屬中、新生代斷陷盆地，區(qū)內(nèi)黃土廣泛覆蓋，溝壑縱，地形較破碎，樹(shù)枝狀橫水系發(fā)育，山梁走向受溝谷控制，地形趨緩，山體渾圓。區(qū)內(nèi)洮河及大夏河支流大致由西南流向東北，地勢(shì)總體西南高東北低，高程2 000～2 800 m，相對(duì)高差100～300 m，總體形成黃土低中山梁峁與河(溝)谷相間的地貌景觀。

1.2 地層巖性

工程區(qū)涉及到新近系臨夏組(N2l)和第四系地層。新近系臨夏組可分為四個(gè)巖性段：第一、二巖性段(N2l1-2)分布于東線脫甲山、劉家河、堡子溝，巖性為褐紅色礫巖、砂礫巖、砂巖及砂質(zhì)泥巖互層，巖層單層厚20～40 cm，部分礫巖單層厚大于50 cm，總體呈中厚～厚層狀，該段厚56～534 m。第三巖性段(N2l3)為紫紅色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉(細(xì))砂巖夾疏松砂巖和砂礫巖[1]，其巖相變化劇烈，總體呈中厚—厚層狀，局部為薄層狀。第四巖性段(N2l4)為磚紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖[2]夾砂礫巖及薄層疏松砂巖，厚度大于354 m。第四系地層主要為黃土類土堆積，其次為河谷及山前盆地堆積，與工程關(guān)系較為密切的有中～上更新統(tǒng)洪積、風(fēng)積、沖洪積物以及全新統(tǒng)沖洪積、洪積、坡積物，巖性主要為離石黃土、粉質(zhì)粘土、馬蘭黃土、粉質(zhì)壤土、砂壤土以及砂(卵)礫石等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

1.3.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)構(gòu)造體系屬西秦嶺褶皺帶，總干線跨越區(qū)域較大，其分段所處構(gòu)造體系的差異，造成構(gòu)造特征和構(gòu)造影響程度的不同。以秦嶺北緣斷裂為界，南為西秦嶺褶皺帶，北為中、新生代斷陷盆地。西秦嶺褶皺帶斷層、褶皺發(fā)育，中、新生代盆地，盆地新生代地層中構(gòu)造不發(fā)育，受構(gòu)造作用輕微，斷裂不發(fā)育，構(gòu)造以舒緩開(kāi)闊式褶皺為主。

1.3.2 地震及地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，工程區(qū)50年超越概率為10%時(shí)地震動(dòng)峰值加速度為0.15～0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40～0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

1.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

臨夏盆地巖性軟弱，主要的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象為滑坡，另外在一些沖切溝溝腦，黃土喀斯特較發(fā)育。該區(qū)大型滑坡多為推移式基巖滑坡，滑坡呈圈椅狀，后緣滑壁陡峭，前緣發(fā)育溝道、河流，現(xiàn)狀滑坡處極限穩(wěn)定狀態(tài)，前緣因溝道切割及坡水、洪水沖蝕，穩(wěn)定性差，有小規(guī)模解體滑塌現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)小型黃土滑塌、基巖淺層滑坡、土溜體發(fā)育。溝腦、梁坡部位，穩(wěn)定性差，遇強(qiáng)降雨，常有表層滑塌、土溜等現(xiàn)象，和政至臨夏一帶較多見(jiàn)。工程總干線多穿越該區(qū)，滑坡對(duì)隧洞進(jìn)出口的選擇影響較大。在線路的選線中，盡量避開(kāi)了大、中型滑坡，但是小型滑坡在線路中時(shí)有分布。當(dāng)建筑物布置到滑坡體上時(shí)，應(yīng)將建筑物基礎(chǔ)深入到滑動(dòng)面以下的穩(wěn)定巖土體上，并對(duì)滑坡體采取防護(hù)措施，避免再次滑動(dòng)。

1.5 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)處在洮河、大夏河兩大流域，分水嶺位于和政縣南陽(yáng)山，引水線路經(jīng)過(guò)的洮河主要支流有胭脂河、蘇家集河、南溝、牙塘河，經(jīng)過(guò)的大夏河主要支流有牛津河、榆林溝、槐樹(shù)關(guān)河，地表水系發(fā)育，地表水資源的補(bǔ)給以降水補(bǔ)給為主。地表水和地下水水質(zhì)均屬低礦化度淡水，無(wú)硫酸鹽腐蝕性，水質(zhì)良好。

2 極軟巖工程地質(zhì)特性

2.1 新近系臨夏組第一、二段(N2l1-2)巖性工程地質(zhì)特性

新近系臨夏組第一、二段(N2l1-2)分布于東線脫甲山、劉家河、堡子溝，東線4#洞出口至5#洞進(jìn)口為該套地層。巖性為褐紅色砂礫巖、含礫砂巖及泥質(zhì)砂巖，主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 新近系臨夏組巖石主要物理性質(zhì)試驗(yàn)成果表

2.1.1 物理性質(zhì)[3]

砂礫巖：以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，巖體呈厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，較為完整。遇水軟化且少量崩解。其顆粒組成：60～2 mm占31.8%～65.3%，2～0.5 mm占12%～14.1%，0.5～0.25 mm占4.4%～8.1%，0.25～0.075 mm占2.5%～14.3%，<0.075 mm占12.9%～20%。干密度2.1～2.3 g/cm3，平均值2.2 g/cm3，含水量12.6%，孔隙率5.5%，孔隙率低。鉆孔巖芯特征：鉆進(jìn)過(guò)程中機(jī)械破壞嚴(yán)重，巖芯多呈散體狀，少量呈短柱狀。巖芯遇水后有軟化現(xiàn)象，僅局部有崩解現(xiàn)象。

泥質(zhì)砂巖：泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)完整。干密度2.12～2.36 g/cm3，平均值2.15 g/cm3，含水量6%～15%，平均值9.7%，孔隙率23.2%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長(zhǎng)度15～20 cm，最長(zhǎng)約100 cm。巖芯遇水后有軟化現(xiàn)象且部分崩解，浸水一定時(shí)間均100%崩解成泥狀、碎塊狀，全部崩解所需時(shí)間不一，一般2～3 h，水理性質(zhì)較差。

2.1.2 力學(xué)性質(zhì)

砂礫巖、含礫砂巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度9.2～26 MPa，均值18.5 MPa，凝聚力0.5～0.6 MPa，平均值0.55 MPa，內(nèi)摩擦角34°～38°，平均值36°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在2.4～3.9 Lu。砂礫巖屬極軟巖，抗剪強(qiáng)度低，弱透水。

泥質(zhì)砂巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度3.8～9.2 MPa，平均值6.7 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，內(nèi)摩擦角32°～34°，平均值33°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在0.6～2.2 Lu之間。屬極軟巖，抗剪強(qiáng)度較低，巖體透水性差，具微—弱透水性。

總之，第一、二段(N2l1-2)巖性均屬極軟巖，顆粒組成以粗顆粒為主，砂礫巖強(qiáng)度高于泥質(zhì)砂巖，二者膠結(jié)程度不一，總體上膠結(jié)程度較差，遇水易軟化、崩解，水理性質(zhì)差，砂礫巖透水性強(qiáng)于泥質(zhì)砂巖，工程地質(zhì)性質(zhì)差。

2.2 新近系臨夏組第三段(N2l3)巖性工程地質(zhì)特性

主要分布于牛津河以西，構(gòu)成18#隧洞后段至22#隧洞圍巖及連接段部分基礎(chǔ)持力層，巖性主要為砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，偶夾疏松砂巖及砂礫巖。

2.2.1 物理性質(zhì)

砂質(zhì)泥巖：泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差，厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)完整。其顆粒組成：>0.075 mm的砂占17.2%～20.5%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～50.7%，≤0.005 mm的粘粒含量占30.7%～32.1%。干密度1.8～2.16 g/cm3，平均值1.90 g/cm3，含水量10.1%～18.3%，平均值14.1%，孔隙率31.75%～33.46%，平均值32.6%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長(zhǎng)度20～30 cm，最長(zhǎng)約150 cm，巖芯遇水后有軟化現(xiàn)象明顯且崩解現(xiàn)象較為明顯。砂質(zhì)泥巖膠結(jié)程度差，顆粒較細(xì)，含有親水性黏土礦物及較大的比表面積，遇水后具有極強(qiáng)崩解特性，在不到30 min的時(shí)間內(nèi)即全部崩解為泥砂狀，水理性質(zhì)差。

泥質(zhì)砂巖：為夾層，夾層厚度一般0.5～1 m，最大3.2 m，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，中厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，巖體較完整。干密度1.91～2.12 g/cm3，平均值2.0，含水量7.2%～18.4%，平均值11.7%，孔隙率25%～32.93%，平均值28.12%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長(zhǎng)度20～40 cm，最長(zhǎng)約120 cm。浸水一定時(shí)間均100%崩解成泥狀、碎塊狀，全部崩解所需時(shí)間不一，一般3 h，水理性質(zhì)差。

2.2.2 力學(xué)性質(zhì)

砂質(zhì)泥巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度2.0～3.3 MPa，均值2.7 MPa，凝聚力0.08～0.15 MPa，平均值0.12 MPa，內(nèi)摩擦角28°～32°，平均值30°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在0.4～1.66 Lu之間。砂質(zhì)泥巖屬極軟巖，強(qiáng)度低，微—弱透水。

泥質(zhì)砂巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度3.9～7.8 MPa，平均值6.4 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，內(nèi)摩擦角32°～34°，平均值33°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在1.75～2.22 Lu之間，屬弱透水巖體[4]。

根據(jù)本次勘察成果，并結(jié)合引洮供水一期工程[9]勘察經(jīng)驗(yàn)，第三段(N2l3)巖性比第一、二段(N2l1-2)干密度小，一般小于2.2 g/cm3，最小為1.8 g/cm3；天然含水量較大，一般大于7%，最大達(dá)18.3%；孔隙率較大，遠(yuǎn)大于硬巖，小于密實(shí)的土類，一般25%左右。該巖組極軟巖膠結(jié)程度較第一、二段(N2l1-2)巖性差，顆粒較細(xì)，泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度高于砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖含有親水性黏土礦物較泥質(zhì)砂巖多，遇水后具有強(qiáng)崩解特性[5]，砂質(zhì)泥巖在不到30 min的時(shí)間內(nèi)即全部崩解為泥砂狀，泥質(zhì)砂巖全部崩解所需時(shí)間不一，一般3 h，二者水理性質(zhì)差。通過(guò)試驗(yàn)觀察，極軟巖全部崩解所用的時(shí)間有所不同，崩解時(shí)間的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(zhǎng)，相反在含水量較小或干燥情況下遇水則迅速崩解，全部崩解時(shí)間一般不超過(guò)10 min。

2.3 新近系臨夏組第四段(N2l4)巖性工程地質(zhì)特性

分布于蘇集河至牛津河之間，構(gòu)成13#隧洞至18#隧洞前段圍巖，巖性主要為泥巖，局部夾砂質(zhì)泥巖、砂礫巖及疏松砂巖[9]。

2.3.1 物理性質(zhì)

泥巖：泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)完整。其顆粒組成：> 0.075 mm的砂占4.9%～14.9%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～62.3%，≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%。干密度1.75～1.80 g/cm3，平均值1.78 g/cm3，含水量19.3%～25.1%，平均值21.1%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長(zhǎng)度20～40 cm，最長(zhǎng)約160 cm，巖芯遇水后有軟化現(xiàn)象明顯且崩解現(xiàn)象明顯。泥巖膠結(jié)程度差[6]，顆粒細(xì)，含有親水性黏土礦物及較大的比表面積，遇水后具有極強(qiáng)崩解特性，在不到30 min的時(shí)間內(nèi)即全部崩解為泥狀，水理性質(zhì)差。對(duì)照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%，無(wú)荷載膨脹率8.7%～9.1%，不具有膨脹性。

砂質(zhì)泥巖：為夾層，厚度一般0.5～1.5 m，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)完整。其顆粒組成：>0.075 mm的砂占8.0%～14.8%，0.075～0.005 mm粉粒占59.1%～76.8%，≤0.005 mm的粘粒含量占15.2%～26.1%。干密度1.75～1.99 g/cm3，平均值1.82，含水量5.2%～21.6%，平均值16.8%，孔隙率25.19%～36.99%，平均值31.93%。浸水后在不到30 min的時(shí)間內(nèi)即全部崩解為泥砂狀，水理性質(zhì)差。其無(wú)荷載膨脹率0.52%，對(duì)照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)膨脹性。

砂礫巖：為夾層，一般厚度1～2 m，厚者達(dá)5 m，泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度差，鉆孔巖心呈砂礫狀，局部為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，鉆孔巖心呈短柱狀、柱狀。其顆粒組成：>2 mm的礫石占65.3%，2～0.075 mm的砂占18.9%，≤0.075 mm粉粘粒占12.9%。干密度1.82～1.92 g/cm3，平均值1.87 g/cm3，含水量13.3%～18.6%，平均值15.73%。

疏松砂巖：為夾層，主要分布在13#～18#隧洞，厚度一般0.5～2 m，厚者達(dá)5 m，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，鉆孔巖心為砂狀。其顆粒組成：>2 mm的礫石占8.1%，2～0.075 mm的砂占54.6%，0.075～0.005 mm粉粒占25%，≤0.005 mm的粘粒含量占12.3%。

2.3.2 力學(xué)性質(zhì)

泥巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度0.4～0.75 MPa，均值0.51 MPa，凝聚力0.07～0.12 MPa，平均值0.10 MPa，內(nèi)摩擦角28°～33°，平均值30°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在0.45～2.77 Lu之間。泥巖屬極軟巖，強(qiáng)度低，屬微～弱透水。

砂質(zhì)泥巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度0.8～2.8 MPa，平均值1.5 MPa，凝聚力0.08～0.20 MPa，平均值0.12 MPa，內(nèi)摩擦角30°～33°，平均值32°。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在1.7～2.3 Lu之間，屬弱透水。

砂礫巖：天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度0.2～1 MPa，平均值0.51 MPa，根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，其透水率在2.97～7.27 Lu之間，屬弱透水。

根據(jù)本次勘察成果，第四段(N2l4)巖性比第三段(N2l3)巖性干密度小，一般小于2.0 g/cm3，最小為1.72 g/cm3，略高于老黃土；天然含水量較大，一般大于10%，最大達(dá)25.1%；孔隙率較大，遠(yuǎn)大于硬巖，小于密實(shí)的土類，一般30%左右。該巖組極軟巖膠結(jié)程度較第三段(N2l3)巖性差，顆粒較細(xì)，強(qiáng)度低[7]。砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度高于泥巖，砂礫巖和疏松砂巖膠結(jié)差，基本為散體狀，強(qiáng)度很低。該巖組含有親水性黏土礦物較泥質(zhì)砂巖多，遇水后具有極強(qiáng)崩解特性，在不到30 min的時(shí)間內(nèi)即全部崩解為泥砂狀，水理性質(zhì)差。

3 極軟巖隧洞的工程地質(zhì)問(wèn)題分析評(píng)價(jià)及建議

極軟巖構(gòu)成的隧洞圍巖巖體一般較完整，其圍巖穩(wěn)定性取決于巖石強(qiáng)度性質(zhì)、所處應(yīng)力環(huán)境及地下水滲流。根據(jù)現(xiàn)行圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，由極軟巖構(gòu)成的圍巖均為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。以上各巖組由于工程地質(zhì)性質(zhì)有所差異且所處地質(zhì)環(huán)境不同，其圍巖穩(wěn)定性亦有差異。

砂礫巖、含礫砂巖作為隧洞圍巖[8]，分布于總干渠3#隧洞及4#隧洞前段，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，因其膠結(jié)程度、成巖作用、水理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)較差。該類圍巖隧洞開(kāi)挖應(yīng)及時(shí)支護(hù)，及時(shí)襯砌，必要時(shí)超前支護(hù)。

泥巖、砂質(zhì)泥巖，呈中厚層—巨厚層層狀結(jié)構(gòu)，圍巖巖體較完整，一般不含地下水，但在淺埋風(fēng)化層和斷層破碎帶附近的圍巖地下水活動(dòng)微弱，多呈滴滲水狀。由于屬極軟巖，隧洞開(kāi)挖后，由于應(yīng)力集中，當(dāng)埋深大于100 m時(shí)圍巖將產(chǎn)生塑性變形，隧洞周邊一定范圍內(nèi)的圍巖處于塑性變形狀態(tài)，在剪應(yīng)力作用下出現(xiàn)向洞內(nèi)擠入的剪切滑移、底鼓等收斂變形現(xiàn)象，并隨著埋深和時(shí)間的增大塑性區(qū)范圍將進(jìn)一步增大，埋深大于300 m時(shí)圍巖將產(chǎn)生較大的塑性變形，相對(duì)變形量將大于2.5%，隧洞自穩(wěn)時(shí)間很短。圍巖穩(wěn)定性極差，屬Ⅴ類圍巖。應(yīng)及時(shí)掛網(wǎng)噴錨、系統(tǒng)錨桿及鋼拱架支護(hù)。另外，因泥巖具長(zhǎng)期流變特性，二次襯砌應(yīng)充分考慮圍巖流變壓力。

疏松砂巖：屬極軟巖，強(qiáng)度低，膠結(jié)差，呈超固結(jié)砂狀，圍巖中有少量地下水，屬不良圍巖，施工時(shí)受震動(dòng)影響易產(chǎn)生液化進(jìn)而發(fā)生涌砂。該層主要分布在新近系臨夏組第四段巖性組，構(gòu)成13#～18#隧洞局部洞段圍巖，但其為夾層，鉆孔揭示最大厚度5 m，但由于巖層較平緩，傾角為6°～8°，隧洞穿越5m厚疏松砂巖長(zhǎng)度可達(dá)30～50 m。施工中應(yīng)高度重視，TBM施工時(shí)應(yīng)快速通過(guò)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)各巖組的工程地質(zhì)特性綜合分析，各巖組均為極軟巖，巖性軟弱，水理性質(zhì)不良。因所處地層巖組的不同，其巖性和顆粒組成有所不同，各巖組強(qiáng)度也有差異。

(1)從各巖組顆粒級(jí)配來(lái)看，各巖組顆粒級(jí)配變化較大，顆粒粗細(xì)程度總體由老至新逐漸變細(xì)，即第一、二段(N2l1-2)巖石顆粒較粗，以砂礫巖為主，第三段(N2l3)巖石顆粒次之，以砂質(zhì)泥巖為主，第四段(N2l4)巖石顆粒較細(xì)，以泥巖為主，同時(shí)可以看出，同一巖組內(nèi)巖石顆粒也有變化，同一巖組內(nèi)顆粒級(jí)配的變化反映出沉積時(shí)水流的變化，不同巖組顆粒級(jí)配的變化反映出沉積環(huán)境的變化。

(2)從巖石強(qiáng)度來(lái)看，各巖組巖石均為極軟巖，各巖組巖石強(qiáng)度由老至新逐漸變低，即第一、二段(N2l1-2)巖石強(qiáng)度高于第三段(N2l3)巖組，第四段(N2l4)巖石成巖程度最差，強(qiáng)度低。

(3)總體上，紅色碎屑巖類是一種特殊的極軟巖類，從巖石固有的特性來(lái)說(shuō)，其具有軟的特性；從工程應(yīng)用來(lái)看，巖石強(qiáng)度低，承載力低，變形大。