宁夏中南部引水工程软岩工程特性研究

李明福，滕 杰

（中水北方勘察设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 概况

宁夏中南部地区引水工程输水隧洞穿越的软岩地层主要包括白垩系乃家河组（K1n）、马东山组（K1m）及第三系寺口子组（E2s）地层，主要岩性为泥岩、砂质泥岩、泥灰岩等，属白垩纪以来相继沉积的一套河流浅湖相—深湖相细碎屑岩建造。由于成岩时间较短、胶结程度较差，岩石强度低，多属软岩。构造上表现为走向SW或NW缓倾的单斜层，倾角一般在8～15°，最大30°。主要采用室内试验、原位测试及综合分析等方法，对泥质岩工程地质特性进行研究。

2 矿物、化学成分

输水隧洞围岩除了约400 m长的洞段为第三系寺口子组（E2s）砂砾岩夹泥岩外，其他各隧洞围岩均为白垩系的泥岩夹少量泥灰岩，其工程地质特性相近。

2.1 岩矿鉴定和X射线粉晶衍射分析

对隧洞沿线主要岩石进行岩矿鉴定和全岩X射线粉晶衍射分析。

（1）白垩系下统乃家河组（K1n）及马东山组（K1m）泥岩，为泥晶泥状结构，薄层状构造，岩石主要矿物由泥质矿物和方解石组成，含少量褐铁矿及石英，其中泥质矿物含量约58.0%～62.0%、方解石含量33.0%～35.0%。

全岩X 射线粉晶衍射分析成果表明，隧洞岩石的主要矿物成分为黏土、石英、斜长石、方解石及少量白云石、方沸石等，其中黏土含量一般为23.5%～37.0%、个别达60.0%，石英含量10.0%～16.7%，方解石含量6.5%～40.3%。仅少部分含有石膏，但含量较高，达38.2%。黏土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脱石。

（2）第三系始新统（E2s）砂质泥岩，为不等粒砂状泥状结构，弱定向构造，岩石主要由含铁泥质、长石、石英、方解石碎屑及岩屑组成，其中含铁泥质50%，石英、长石、方解石碎屑分别占11.0%～12.0%，各种岩屑含量6.0%～8.0%。

全岩X 射线粉晶衍射分析成果表明，岩石的主要矿物成分为斜长石、石英、黏土、钾长石、方解石及少量白云石，其中斜长石含量26.0%～32.0%、石英含量25.5%～31.3%、黏土含量13.0%～17.2%、方解石含量12.8%～20.3%。

2.2 常规化学成分分析

（1）白垩系下统乃家河组（K1n）及马东山组（K1m）的泥岩化学成分主要为SiO2、CaO、A12O3、MgO，而Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中，SiO2含量约31.0%～44.0%，CaO 含量12.0%～23.0%，A12O3含量9.0%～13.0%，Fe2O3含量3.0%～6.0%。

（2）第三系始新统（E2s）砂质泥岩化学成分主要为SiO2、CaO、A12O3，而Fe2O3、MgO 等次之。其中，SiO2含量约53.0%～56.0%，CaO含量14.0%～15.0%，A12O3含量11.0%～13.0%，Fe2O3含量2.0%～3.0%。

3 软岩工程地质特性

3.1 强度特性

对隧洞白垩系乃家河组（K1n）及马东山组（K1m）泥质岩及第三系（E2s）砂质泥岩通过钻孔取样，进行物理力学性质试验，成果统计见表1。

表1 物理力学性质试验成果汇总

从试验成果看，白垩系下统泥岩在干燥状态和天然状态下，其平均单轴抗压强度为18.5～37.3、20.2～23.73 MPa，弹性模量和变形模量也相对较高。但是，在饱和状态下其平均抗压强度仅4.3～8.53 MPa，明显低于干燥状态和天然状态，软化系数为0.22～0.37，最低仅0.1；同样，弹性模量和变形模量也具有相似的规律性，岩石遇水软化特征明显。

第三系砂质泥岩在干燥状态下单轴抗压强度为8.5～12.1 MPa，湿单轴抗压强度为0.1～1.6 MPa，软化系数为0.02～0.33；干燥状态下弹性模量为3.30 GPa，湿弹性模量接近于0.003～1.30 GPa。其湿抗压强度、湿弹性模量明显低于天然状态，属于易软化岩石，水的作用对其力学强度影响强烈。

需要指出的是，上述岩样是从钻孔取的较新鲜完整岩石，实际上岩石的强度与风化程度和结构面发育程度密切相关。现场看到经过风化的泥岩具有极软岩的特性。除此之外，泥质岩的强度还取决于胶结物的成份和性质等。

3.2 流变特性

岩体在长期恒定荷载的作用下应力、应变随时间延长而变化的性质称为岩体的流变性，蠕变是岩体流变性的一个宏观表现。这次对部分钻孔内的白垩系泥岩进行流变试验，在不同应力水平下泥岩加载蠕变曲线如图1所示。

图1 泥岩分别加载蠕变曲线

从试验成果看，岩石蠕变具有如下规律：

（1）在各级应力水平下，蠕变曲线可以划分为2个阶段；第1阶段是衰减蠕变阶段，第2阶段是稳定蠕变阶段。相应的泥岩应变可以分为两部分：一部分是瞬时应变，即每级应力水平施加瞬间试样产生的瞬时变形；另一部分是蠕变应变，即在恒定应力水平作用下试样变形随时间而增长。

（2）试样的衰减蠕变阶段历时随偏差应力的增加而延长，即应力水平越高，岩石发生衰减蠕变的时间越长。试样的瞬时应变、蠕应变以及总应变随应力水平的增加而增大。

（3）第一级应力水平下试样的瞬时应变、蠕应变较小，这是因为试样自静水加载开始岩石材料内部原有的裂隙被压密、孔洞被压缩闭合，而岩石材料本身并未达到受压屈服状态，因此在较低的应力水平下没有出现较大的变形。

（4）在试验过程中，岩石的蠕变表现为较稳定蠕变，即在较低的应力水平下岩石的变形亦随时间而增大，而没有出现明显的起始蠕变破坏阶段。

岩石试验成果为天然状态下的蠕变，而水对泥岩蠕变量的影响显著，对于饱水状态下的泥岩在附加应力的长期作用下将产生明显变形。实际观察该区风化岩石在雨水软化和自重应力的作用下易产生蠕动和滑坡，严重影响渠道边坡的稳定。

第三系砂质泥岩成岩时间短，胶结力弱，饱水后流变量大，时效变形显著。

3.3 浸水崩解性

隧洞穿过的白垩系乃家河组（K1n）马东山组（K1m）及第三系（E2s）地层沉积年代较新，多为胶结程度较弱的泥质岩。泥岩的崩解性与岩石矿物成分、化学成分、颗粒结构、风化程度等有密切关系。

从若干钻孔中取新鲜岩芯进行耐崩解性试验，从试验成果看，白垩系（K1n、K1m）灰质泥岩耐崩解指数大部分大于90%，但个别组的耐崩解指数较低，如ZK4-1 岩石耐崩解指数81.14%，ZK10-2 岩石耐崩解指数79.68%，ZK6-2 岩石耐崩解指数79.67%，而ZK2-1岩石耐崩解指数达49.17%，这些组的岩石遇水崩解比较严重。在工程现场观察到，隧洞开挖暴露的完整干燥的泥岩，被隧洞积水长时间浸泡后常常分解呈碎屑或泥状。第三系（E2s）砂质泥岩崩解试验结果表明，耐崩解指数为0～87.0%，多属很低的耐久性，部分为中等耐久性。经观察，泥岩浸水后有的即刻崩解呈泥状，而有些呈块状崩裂或片状开裂，崩解特性明显。

3.4 遇水膨胀性

宁夏中南部引水工程中泥岩多具弱膨胀潜势。表层泥岩本身具不规则状、网状微细裂隙，产生遇水软化膨胀、失水收缩开裂现象，这使得引水工程的隧洞衬砌等结构物易遭到破坏。本次对钻孔岩芯在天然含水状态下进行膨胀试验，试验成果见表2。

表2 岩石膨胀试验成果

从试验结果看，天然含水量状态下泥岩的荷载平均膨胀率为0.7%，而膨胀压力在4.4 ～62.2 kPa，平均值为20.6 kPa，具有一定的膨胀势。试验研究成果表明，膨胀性岩体的挤压应力及变形的时间效应十分显著，即应力释放过程是比较长的。因此，在隧洞衬砌设计和施工中，应考虑膨胀力因素的影响，采取适宜的处理措施，抑制或减弱泥岩产生膨胀和力学强度降低的不利影响。

3.5 卸荷岩块声波特征

为了解深埋于地下泥质岩暴露后的时间效应和卸荷失水影响，在钻孔孔深278.25～293.99 m 取岩芯，进行声波衰变测试，岩芯声波衰变情况如图2所示。结果表明：

图2 10-2#岩芯声波测试成果

（1）各岩芯声波波速衰降明显，一般经过38～48 h波速趋于基本稳定，衰降率15%～28.1%。

（2）经过66 h后所有岩芯均先后裂开，裂开时间间隔存在一定差异。

（3）钻孔岩芯声波衰减和环境温度关系较密切，环境温度高则衰减速度较快，反之则较慢。

4 影响软岩工程地质特性的主要因素分析

4.1 岩石成分

具有不同地理沉积环境和不同成因类型的泥岩，其成分、结构是不同的，而泥岩的成分是影响岩石物理力学性质的主要因素。该地区白垩系地层为一套滨海—泻湖相细碎屑岩，岩性以灰色、黑灰色、暗红色的灰质泥岩为主，夹有浅灰色的泥灰岩及粉砂质泥岩，局部含有极薄层石膏。第三系地层则是一套陆相碎屑岩建造，岩性以砂质泥岩为主，砂砾岩次之。

泥岩成分包括矿物成分和化学成分，其中矿物成分对其工程地质性质影响更为明显。而对工程性质影响大的主要成分是黏土矿物，黏土矿物的含量很大程度影响到其力学性质的好坏。一般来说，泥岩中黏土矿物含量越高，其力学强度相对越低。该地区灰质泥岩中黏土矿物含量较高，一般含量达23.5%～37.0%，其中暗红色灰质泥岩黏土矿物含量高达60%。暗红色泥岩比其他灰质泥岩在相同含水率的情况下，其力学强度也低。

黏土矿物的成分及含量同时也影响到泥岩的水理性质。研究成果表明，蒙脱石与伊利石含量之和大于20%的泥岩崩解性强烈，5.0%～20.0%之间的泥岩也具有明显崩解性；具有膨胀性黏土矿物的含量越高，其膨胀量越大。本工程黏土矿物中伊利石含量略高于蒙脱石，两者均为亲水性矿物。因此，一些黏土矿物含量较高的泥岩表现出较强的崩解、软化、胀缩性等现象。在水稳性方面，暗红色灰质泥岩比其他灰质泥岩表现得更差。

黏土矿物与膨胀岩的化学成分、膨胀特性之间有密切的相关关系，化学成分中硅铝分子比的高低间接反映出蒙脱石与伊利石含量，也是判断泥岩胀缩性的依据之一。该地区泥岩硅铝分子比达3.4～4.5，进一步说明该地区泥岩具有膨胀潜势。

4.2 胶结物性质

胶结物成分对泥质岩工程性质的影响非常大。由于泥质岩沉积的自然地理环境不同，其胶结物的成份和表现出来的性质也是不同的。它的胶结物有硅质、铁质、钙质、石膏、泥质等。应该指出，泥质岩强度主要取决于胶结物成分和胶结性质，而其也反映到泥质岩的胶结程度。胶结程度的强弱对泥岩的水理性质、物化性质有较大的影响，并使其力学性质、水稳性及抗风化能力等有明显的差别。胶结程度还取决于胶结物含量及胶结形式等。岩矿鉴定、岩石化学成分分析、X-射线衍射分析等试验结果表明，工程区泥质岩及砂砾岩的主要胶结方式为钙质胶结及泥质胶结。白垩系（K1n、K1m）泥质岩胶结物以钙质及钙泥质为主，第三系（E2s）岩层则以泥质胶结为主，岩石胶结程度一般为弱胶结到中等胶结。工程开挖揭露后，泥钙质胶结的暗红色泥岩比其他灰质泥岩的强度衰减及抗风化性有明显差异。钙质含量相对较高、较强胶结的泥灰岩强度最高，抗风化性也较好。

4.3 环境变化

隧洞开挖后泥质岩暴露地表，经过一段时间后其工程性质出现明显变化。白垩系（K1n、K1m）泥质岩及第三系（E2s）砂质泥岩均具有失水干裂的不良特性，特别是泥岩在干燥后的二次浸水作用下，其工程性质的变化存在着巨大的差异。在保持天然含水状态或三维应力条件下，岩体具有较高的强度，但遇水浸泡后泥岩易软化，强度衰减十分明显；随着岩石的风化程度、干湿交替等环境变化，其水稳性和膨胀性也发生变化。试验研究结果和实际观察表明，亲水性的泥岩崩解及膨胀性主要是由于岩石含水量变化引起的，即岩石经过干燥失水后产生的，泥岩若能保持隧洞开挖前的含水量，通常不具备膨胀特性，而开挖后膨胀性围岩逐渐干燥失水，再遇水便要膨胀崩解，其干燥失水越多，膨胀量越大。

5 针对软岩工程地质特性应采取的工程措施

基于软岩的强度、流变性质、浸水崩解性、遇水膨胀性及岩块卸荷声波衰减等工程特性，结合岩石成分、胶结物特性、环境变化等影响软岩工程地质特性的主要因素，对输水隧洞工程而言，建议在施工过程中采取的主要工程措施有：

（1）避免围岩长时间暴露、风干、充水和浸湿，尽量保持工作面湿润的天然状态，是防止或减少泥岩工程性质恶化而产生失稳或变形的重要措施。

（2）及时采取初期支护措施，尽快封闭。根据岩体卸荷效应试验成果，在5～8 h 内完成混凝土喷护较为适宜。

（3）洞底积水应尽快清除，把隧洞疏排水工作作为隧洞有效支护的一个重要保障，尽量避免水与软岩接触的机会和时间。

（4）在钻爆作业中应控制好装药量和改进工艺，减少爆破对围岩的破坏扰动，也是提高隧洞围岩的力学强度、保障围岩稳定性的重要一环。

（5）及时对隧洞底部进行硬化，以避免除渣过程中对洞底岩石结构的破坏，降低洞底岩石的承载力，造成隧洞二次衬砌的沉降变形。

6 结语

宁夏中南部地区白垩系（K1n、K1m）及第三系（E2s）泥质岩多属软岩—极软岩，其黏土矿物含量一般达到或超过50.0%，具有胶结程度较弱、力学强度较低的工程特性，可能引发输水隧洞的围岩变形破坏。

天然状态下的泥质岩工程特性较为稳定，但浸水饱和后其力学强度急剧降低，尤其是泥岩在干燥失水后的二次浸水作用下其工程性质将发生巨大的变化，可能产生蠕变、崩解、膨胀等现象，在工程设计和建设中应充分考虑这些因素，并采取行之有效的处理措施，抑制或减弱软岩产生对工程不利的影响，以保证工程的长期稳定和安全运行。

[1]林在贯，高大钊.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.