引洮供水二期工程饱水土及软岩地质问题研究与评价

彭正明

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

引洮供水二期工程饱水土及软岩地质问题研究与评价

彭正明

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

引洮供水二期工程渠线主要穿越在黄土覆盖的中新生代凹陷盆地内，穿越区广泛分布中新生代红色碎屑岩。饱水土围岩、软岩和极软岩隧洞的稳定问题是该工程主要工程地质问题。本文基于勘察资料，对上述工程地质问题进行了研究与评价，并提出了工程对策建议。

引洮供水二期工程；饱水土；软岩和极软岩；稳定性评价

1 概述

甘肃省引洮供水工程是解决甘肃中部旱区城镇及工业用水、农村人畜饮水、生态环境用水的大型跨流域调水工程。工程线路长，地质条件复杂。二期工程渠接一期渠尾，沿祖厉河与渭河两流域分水岭由西向东，总干、干渠以隧洞为主，以渡槽、倒虹、暗渠等连接。在黄土低山梁峁区沟掌地、沟谷川台地部位，黄土层底部分布饱水的粉质壤土、粉质粘土层，构成部分隧洞围岩，存在饱水土围岩稳定问题；渠线穿越黄土覆盖的中新生代凹陷盆地区，区内广泛分布红色碎屑岩，其分布广、厚度大，成岩程度低，水理性质、物理力学性质差，属于软岩或极软岩，构成大部分隧洞围岩，存在隧洞稳定问题。前人对黄土隧洞围岩的稳定性等已有研究，本文基于现有勘察资料，采用工程地质分析方法对本工程主要工程地质问题进行初步研究。

2 饱水土围岩稳定研究与评价

2.1 第四系饱水土分布特征

饱水土主要分布在黄土低山梁峁区沟掌、沟谷川台下部。岩性为褐黄、浅黄色粉质壤土、粉质粘土层，局部夹有杂色轻粉质壤土或砂壤土层，厚 10～70m，结构中密—密实，具水平层理；部分区域底部尚有 al-lQ2重粉质壤土夹粉质粘土，结构密实，具层理，土质不均。上述部位地势低，地下水位多处于上覆的黄土、粉质壤土底部及以下，水位以下的土体呈饱和状态。

2.2 第四系饱水土工程地质特性

（2）饱水土的粒度成分、颗粒结构：据颗分试验，中、重粉质壤土的颗粒组成： ＞0.075mm的颗粒含量16.1～25.9%，0.005～0.075mm的颗粒含量51.3～59.2%，＜0.005mm的颗粒含量16.1～29.8%，不均匀系数 Cu∶8.5～31.1，曲率系数Cc∶0.90～1.61。中、重粉质壤土粉粒含量接近，重粉质壤土粘粒含量高，而中粉质壤土的砂粒含量高。土的矿物颗粒排列方式为支架排列和镶嵌排列两种，以镶嵌排列为主。显微结构类型以支架大孔半胶结结构、镶嵌微孔半胶结结构及絮凝状胶结结构为主。其中重粉质壤土、粉质粘土的孔隙主要是小微孔隙，水进入孔隙后无法自由运移，弱透水，在低含水量状态下物理力学性质相对较好，但随着含水量的增加，其水理性质和工程性质急剧变差。因此，隧洞施工过程中应密切关注含水量问题。

（3）饱水土围岩的物理力学性质：饱水土中粘粒含量较高的 Q3重粉质壤土、粉质粘土的天然含水量19.0～23.9%，略大于塑限，土体呈塑流状，多处于饱和状态。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%，塑性指数 13.5～14.7，渗透系数2.92×10-4～0.011×10-5cm/s。直剪试验C∶28.05～33.70kPa，φ：29.3～30.2°，Es∶12.21～30.09MPa，a1-2∶0.079～0.181MPa-1，属低中等压缩、微至中等透水、非湿陷性土。粘粒含量较低的中粉质壤土及夹层状的杂色轻粉质壤土和砂壤土的饱和含水量较高，大于塑限，多在 25%以上，部分接近 30%，由于相对持水而呈软塑状。据孔内十字板剪切试验，软塑状态的粉质壤土抗剪强度 C∶13.98～4.5kPa，可塑状态的粉质壤土抗剪强度 C∶43.26～62.33kPa。而al-lQ2重粉质壤土、粉质粘土，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%，塑性指数 11.6～22.6。渗透系数（4.45～7.55）×10-5cm/s，属低压缩、弱透水、非湿陷性土。

（4）饱水土围岩中的地下水：饱水土中的地下水主要赋存于薄层或透镜状不连续分布的杂色轻粉质壤土和砂壤土中，该类土构成相对疏松的持水土体，土体中有重力水渗出；而重粉质壤土和粉质粘土结构密实，虽处于水位以下呈饱和状态，但土体中无重力水渗出，构成相对隔水层。土体中的水，矿化度1.32～2.77g/l，以型、型为主，含量达378～1134.75mg/l，对普通混凝土具有结晶型硫酸盐中—强腐蚀性。

2.3 第四系饱水土隧洞围岩稳定性评价

构成洞身围岩的饱水土，属极不稳定围岩。施工开挖后，处于临空状态，土体应力状态变化，发生松弛、变形，地下水渗流形态也将改变，外围水体向洞内排泄，水力坡度骤然提高，在动水压力作用下，土体结构改变，强度降低。稳定性极差，自稳时间很短，易发生顶拱塌方、边墙滑动、墙脚流土（泥）、底板鼓出等变形破坏现象。严重时有可能造成流土（泥）堵塞隧洞、塌方冒顶。饱水土隧洞施工难度大，一期工程施工情况反映，当围岩以相对隔水的粉质粘土、重粉质壤土为主时，基本无重力水析出或析出量很少，且明显滞后，粉质粘土呈硬塑状，洞壁掌子面比较稳定；而当以相对持水的中、轻粉质壤土或砂壤土为主时，重力水沿开挖面渗流（局部呈线状渗流），粉质壤土呈软塑状，在钢拱架喷混凝土支护紧跟且有短管棚保护的情况下，掌子面也会产生小塌方。若支护不及时或壤土含水量大来不及支护时，多发生较大塌方、冒顶或突泥。建议施工开挖前进行排水固结，开挖后及时支护，必要时用超前管棚结合格栅钢拱架进行一次支护，全断面加强衬砌。施工中需严密监测围岩变形，适时采取应变措施。还应采用抗酸水泥。

3 中、新生代红色碎屑岩类软岩问题研究与评价

3.1 中、新生代红色碎屑岩类软岩的分布

工程区的凹陷盆地内广泛分布中、新生代红色碎屑沉积岩地层，主要为白垩系下统（K1hk）、古近系（E）、新近系（N）地层。K1hk为一套内陆河湖相砾岩、含砾细砂岩夹砂砾岩。主要分布于定西凹陷盆地东南边缘；E为一套山麓相堆积，由巨砾岩、砾岩、砂砾岩组成。工程区集中分布于静宁凹陷盆地、陇渭凹陷南部边缘地带，总干渠中后段、四干渠末尾等；N为一套内陆山麓—河湖相泥质胶结泥岩、泥质砂岩为主的细粒相沉积，从盆地中心向边缘沉积厚度逐渐变薄，岩相由细粒的泥岩向砂岩、砂砾岩过渡，工程区各凹陷盆地之中均有分布。岩性有砖红色砂砾岩、砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等，构成部分隧洞围岩、建筑物地基、局部段渠基。

3.2 中、新生代红色碎屑岩类软岩的工程地质特性

（1）结构特点：红色碎屑岩类一般是干旱且温度压力均不高的条件下形成的，成岩时间短，成岩作用差，岩质软弱，层间结合差。中新生代以来本区构造活动以升降运动为主，岩层褶皱构造不发育，除在断裂带附近倾角较陡外，岩层总体产状平缓，岩体完整性较好。K1hk、E为山麓—河湖堆积的粗粒相砾岩、砂砾岩，是在动水条件下形成的，成分以砾卵石为主，作为胶结物的粘土基质含量较少，一般为泥钙质胶结，巨厚层状；部分含砾砂岩、砂岩的粘土基质含量略高，为中厚层 ～薄层的夹层或互层状。N为山间盆地河湖相沉积的红色碎屑岩，是在水流平稳和动荡交替条件下形成的，多为泥质胶结，中厚层状，具有不明显的粗细韵律，相变剧烈，多见泥岩与砂岩互层或泥岩成夹层分布，组成成分主要为岩屑、砂砾、粘土矿物，粘土基质含量高，胶结程度差；由相对粗粒的含砾砂岩、砂岩、到细粒的泥岩，粘土矿物含量递增。除部分砂岩具有一定透水性外，大部分泥岩、泥质砂岩基本不透水，具相对隔水性。

（2）物理力学性质：红色碎屑岩类物理力学性质与其含水量、粘土矿物含量密切相关。K1hk、E砾岩、砂砾岩密度2.31～2.42g/cm3，天然含水量一般小于3%，孔隙率 8.68～12.5%，粘土矿物含量少，在天然状态下具有一定强度，单轴抗压强度达24～32MPa，变形模量1200～1500MPa，泊松比0.20～0.25，多属较软岩；N泥岩、砂质泥岩的性质相近，亲水性粘土矿物含量高，一般 10～40%，个别达 50%，胶结程度差，颗粒较细，具有较大的比表面积，使其结构松散，水理性质差，天然含水量大于 7%，最大 16%；孔隙率大于 6%，最大达18.5%，天然状态单轴抗压强度均不超过5MPa，变形模量小于 500MPa，一般为 100～300MPa，泊松比一般为0.3左右，多为极软岩。

（3）水理性质：红层软岩水理性质均差，细粒相岩组粘土矿物含量高，粗粒相岩组胶结基质也多为粘土矿物，遇水极易崩解泥化，工程地质性质不良。试验观察，泥质胶结的各类砂岩不到 30min全部崩解为泥砂状。极软岩全部崩解所用的时间有所不同，崩解快慢与其含水状况和风化程度有关，一般天然含水量大，则全部崩解所用的时间较长，含水量较小或干燥情况下遇水则迅速崩解，全部崩解时间不超过10m in。此外细粒相的各岩组由于粘土矿物含量高，尚有失水干缩、碎裂的特性，开挖暴露时很完整的岩石，迅速干裂，呈碎块状逐层剥落。完整砂岩岩心经过24h即碎裂，泥岩因失水缓慢，干缩碎裂进程较长。

（4）膨胀性：由于细粒相红层极软岩含有一定数量的粘土矿物，具有一定的膨胀性，吸水后体积增大，压力升高。其膨胀性因风化程度和含水量的不同差异较大，全风化的粘土岩较中等风化的粘土岩的膨胀力大 1～4倍。膨胀率随着含水量的增加而减小。据膨胀性试验，其无荷膨胀率 9～21.9%，有荷（50kPa）膨胀率 2～4%，膨胀力一般30～65kPa，最大可达 170kPa，岩石饱和吸水率18～33%，结合粘土矿物含量，参考有关标准综合判断，泥岩及泥质粉砂岩具弱膨胀性。有时还具有流变特性，表现为岩石的蠕变，即在较小的应力下变形随时间逐渐增大的现象。

引洮工程的红层岩类是一种特殊的极软岩类，从岩石固有的特性来说，其具有软的特性；从工程应用来看，强度低，承载力小，变形大。

3.3 红层软岩地基的开挖保护及隧洞围岩的稳定性

由于红层软岩中细粒相的极软岩具有遇水膨胀、软化崩解、失水干裂的特性，作为地基时应清除强风化层，并避免浸水和长期暴露（可预留 30cm以上的保护层），开挖到建基面后及时浇筑。粗粒相的较软岩不具膨胀性，一般无干缩碎裂现象，但具有软化崩解的特性，也应避免浸水。

二期工程红层软岩构成大部分隧洞围岩，为软岩、极软岩，呈中厚层 -巨厚层状结构，岩体较完整，除沟谷浅埋段外基本无地下水影响。由于隧洞洞径小，一般粗粒相的较软岩开挖后能维持较长时间的稳定，可按Ⅳ类围岩设计，应及时喷护，全断面衬砌。细粒相的极软岩隧洞难于自稳，其变形破坏形式主要表现为塑性流变，隧洞开挖后，引起应力集中，周边一定范围内在剪应力作用下出现向洞内挤入的剪切滑移、底鼓及洞缩现象，形成塑性区，并随着埋深的增大塑性区范围将增大。另外，由于岩体的流变特性，围岩变形随着时间的增加而逐渐加剧，又因洞身的衬砌具有一定刚度，二者共同作用将在洞身衬砌上形成逐渐增加的变形压力，因此具流变特征的围岩作用在衬砌上的压力是逐渐增大的。从上述简要分析可以看出，总干渠极软岩隧洞围岩稳定性差，应以不良洞段来设计和施工。极软岩隧洞围岩具有稳定性差，变形大且变形时间长，自稳时间短等特点。根据这些特点及一期工程施工经验，隧洞开挖后应及时喷护，采用钢拱架支护，全断面衬砌。避免过度扰动围岩，保证围岩天然含水量不变，使围岩稳定性增强。另外，要在施工中加强变形观测，以恰当选择二次衬砌时机和衬砌强度。红层软岩中多有石膏夹层，隧洞输水后难免内水外渗，石膏溶于水会对混凝 土衬砌造成腐蚀，使其强度降低。建议对石膏夹层段采取防护措施，并严格防渗，防止内水外渗浸润围岩。

4 结语

工程区第四系饱水土围岩以硬塑土为主，不均匀且不连续地夹有多层薄层状或透镜状软塑土，其中重粉质壤土在低含水量状态下物理力学性质相对较好，但随着含水量的增加，其水理性质和工程性质急剧变差，其天然含水量略大于塑限，土体呈塑流状，多处于饱和状态。构成洞身围岩的饱水土，属极不稳定围岩，应采取针对性开挖及支护措施。

工程区红层岩类是一种特殊的软岩类，从岩石固有的特性来说，具有软的特性；从工程应用来看，强度低，承载力小，变形大。由于红层软岩中细粒相的极软岩具有遇水膨胀、软化崩解、失水干裂的特性，作为地基的首先应清除强风化层，此外应避免浸水和长期暴露。

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［3］张倬元，王士天，王兰生等.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，2009.

TU457

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1672-2469（2015）08-0088-03

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

彭正明（1964年—），男，高级工程师。