引江济淮工程膨胀岩特点浅析

耿宏斌

(安徽省水利水电勘测设计院 勘测分院,安徽 蚌埠 233000)

引江济淮工程膨胀岩特点浅析

耿宏斌

(安徽省水利水电勘测设计院 勘测分院,安徽 蚌埠 233000)

引江济淮工程淮河以南段的输水线路沿线分布有较多的膨胀性软岩,其对引水渠道边坡的稳定性有一定影响。对膨胀岩的分布特点、工程地质特征和处理建议进行简要评述,根据其在渠道中的切深、泥岩占比及泥层自身膨胀性等因素，采取与膨胀土一并处理或设置非预应力锚杆等有针对性地处理措施,保证工程安全。

引江济淮工程;膨胀岩;成分;处理措施

引江济淮工程(江淮运河),又称江淮沟通,为反映其全面、巨大的综合利用作用,自20世纪80年代后期改称为引江济淮并沿用至今。它沟通长江、淮河二大水系,润泽安徽,惠及河南,造福淮河,是解决淮河中游地区水资源短缺和支撑淮河流域及中原经济区发展不可替代的重大水资源配置工程,是加快巢湖水环境综合治理和改善淮河生态环境及遏制淮北中深层地下水超采不可或缺的重要生态保护措施,是构建跨区域现代综合运输体系和优化中西部地区产业布局及促进区域协调发展不可多得的黄金水运通道,是一项具有保障供水、农业灌溉补水、发展航运和改善环境等综合效益的大型跨流域调水工程。

根据引江济淮工程规划方案,本工程拟从长江取水,经凤凰颈引江枢纽和枞阳引江枢纽2个口门,并分别经西河、兆河和菜子湖、孔城河、白石天河双线入巢湖或经巢湖南岸绕湖入派河,利用派河上溯翻越江淮分水岭入瓦埠湖和淮河,再经淮北主要支流继续北送至淮北地区。

引江济淮工程由引江济巢、江淮沟通、江水北送三大部分组成。引江济巢段又包括西兆河、派河口泵站引渠和菜子湖三条线路。

输水线路沿线揭露的下第三系(E)、白垩系(K)和侏罗系(J)的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等,多具有不同程度的遇水膨胀特性。分布总长度约59 km,主要位于菜子湖线路、江淮沟通段的菜巢分水岭、江淮分水岭及派河口泵站引渠的切岗段。

膨胀性软岩的存在,对引江济淮工程引水渠道边坡的稳定性有一定影响。本文将对其分布特点、工程地质特征和处理建议作一简要评述。

1 膨胀岩分布范围

在引江济淮工程淮河以南段的几条线路中,均有膨胀岩分布。菜子湖线路分布有21.3 km的膨胀性软岩,主要集中在菜巢分水岭的南侧,其中约5 km左右的侏罗系粉砂岩(J)膨胀性较弱,其它均为白垩系(K)泥岩、粉砂质泥岩和泥岩粉砂岩等,遇水具一定膨胀性。菜巢分水岭北侧仅有零星分布,且揭露厚度很薄,对工程影响小。在分水岭顶部为片麻岩(AnZ),无膨胀性[1]。

派河口泵站引渠分布有12.7 km的膨胀性软岩,主要分布于切岗段,岩性主要为白垩系(K)、侏罗系(J)的粉砂质泥岩和泥岩粉砂岩等。

江淮沟通段分布有约25 km的膨胀性软岩,主要分布于江淮分水岭,其岩性主要为白垩系(K)粉砂岩、细砂岩和泥质粉砂岩。

引江济淮工程膨胀性软岩总长约59 km。其与崩解岩的分布范围基本重合。

2 膨胀岩工程地质特征

2.1 软岩矿物成分

菜子湖线路和江淮沟通段软岩矿物成分见表1。

表1 各输水线路软岩矿物成分特性一览表

由表1可知,软岩的主要矿物成分为黏土矿物、石英、长石和方解石。粉砂岩以石英、长石为主,泥岩则以黏土矿物为主。

黏土矿物是软岩存在膨胀性的根本原因,黏土矿物含量的多少,也直接影响软岩宏观膨胀性的强弱[2]。通过软岩的室内自由膨胀率试验可以看出,粉砂岩的自由膨胀率较小,而泥岩的自由膨胀率较大,故一般可不考虑粉砂岩的膨胀性影响。

2.2 泥岩膨胀性分布特征

在菜子湖线路分布的21.3 km膨胀性软岩中,考虑其自身膨胀性、在边坡中的切深和泥岩占比等因素,对工程影响较大的是桩号C60+000～65+300约5.3 km的渠段。

采取菜子湖线路桩号C60+000～65+300段泥岩样品做自由膨胀率试验,自由膨胀率沿里程变化的散点图见图1。

图1 菜子湖线路泥岩自由膨胀率沿里程变化散点图Fig.1 Variation scatter diagram of free swelling ratio of mudstone in Caizihu line along the miles

由上图可知,菜子湖线路C60+000～62+000段,达到弱膨胀性的样本有4组,占总样本数的57%;而C62+000～65+300段,达到弱膨胀性的样本仅有2组,占总样本数的33%,说明该段软岩膨胀性略弱于前段。

而在江淮沟通段分布的25 km膨胀性软岩中,同样考虑其自身膨胀性、在边坡中的切深和泥岩占比等因素,对工程影响较大的是桩号J40+000～52+000约12 km的渠段。

采取江淮沟通桩号J40+000～52+000段泥岩样品做自由膨胀率试验,自由膨胀率沿里程变化散点图见图2。

图2 江淮沟通段泥岩自由膨胀率沿里程变化散点图Fig.2 Variation scatter diagram of free swelling ratio of mudstone in Jianghuai communication

由上图可知,江淮沟通J41+500～43+500段有2组中膨胀性样本,建议对本段进行专门处理;J43+500～48+000段有5组弱膨胀性样本;J48+000～52+000段虽也有3组弱膨胀性样本,但泥岩占比少,对工程影响不大。

由以上两散点图可以看出,泥岩自由膨胀率沿里程变化有一定的分布规律,同时也存在较大的变异性。但与本段膨胀土的膨胀性分布规律不同的是,其与地形地貌的相关性不大。

同时也可以看出,江淮沟通段的膨胀性总体强于菜子湖线路,分布长度也较长。但江淮沟通段膨胀岩中无膨胀性的粉砂岩夹层较多。

派河口泵站引渠膨胀性软岩的工程特性与江淮沟通段相近。

软岩的自由膨胀率与粘土矿物含量相关。粘土矿物含量越高,自由膨胀率一般也越大。故泥岩膨胀性较大,而粉砂岩膨胀性较小。从本次所取的粉砂岩样品中也可以看出,其自由膨胀率均<40%,故一般可不考虑粉砂岩的膨胀性影响。

软岩的自由膨胀率和膨胀率、膨胀力之间没有明显的相关性。软岩的膨胀率与膨胀土相近,一般1%～5%,但膨胀力远大于膨胀土。本区弱、中等和强膨胀土的膨胀力平均值分别约为20 kPa、40 kPa和>50 kPa,而膨胀岩的膨胀力平均约400 kPa,难以如膨胀土一样采用覆盖、压重的方式进行处理。

3 处理建议

根据引江济淮工程膨胀性软岩分布特点和工程特性,膨胀性处理原则建议如下:

(1) 对于菜子湖线路的侏罗系(J)粉砂岩,考虑其强度较高,粘土矿物含量少,一般可不考虑其膨胀性(但局部粉砂质泥岩和泥岩夹层强度较低,具一定膨胀性)。

(2) 对于渠道开挖后岩层内切深较小,主要为全—强风化带岩,且泥岩占比较小的渠段,建议按膨胀土进行处理。

(3) 对于泥岩占比<10%的渠段,泥岩膨胀性对整体的影响已较小,可仅对局部泥岩富集段进行处理。

(4) 对于泥岩占比>10%的渠段,可根据泥岩所占比例和其膨胀等级,综合考虑处理措施。

根据上述处理原则,大部分膨胀岩分布渠段可与上覆膨胀土一并处理。建议可对菜子湖线路桩号C60+000～65+300段5.3 km和江淮沟通段桩号J41+500～48+000段6.5 km渠段膨胀性软岩进行专门处理。

可对以上两段渠道开挖出露的边坡或渠底表面喷射C20混凝土,以保护软岩。喷护同时插入排水导管。临时喷护完成后,在二级平台以下边坡坡面顺水流向每隔3 m设置一道格构梁,垂直水流向每级坡设置5道格构梁,格构梁交点处设置非预应力锚杆,以抵抗软岩膨胀产生边坡破坏。格构框格内坡面斜向植入锚筋,设一层土工膜后,铺设一层钢筋网片,现浇砼面板[3]。

4 结语

软岩的膨胀性与其崩解性有一定相关性,但又不完全相同。某一渠段软岩膨胀性的强弱同时与渠段中泥岩的占比以及泥岩自身膨胀性强弱两个因素有关。充分了解膨胀岩的这一特性,有助于对引江济淮工程不同输水渠段采取更有针对性地处理措施。

[1] 耿宏斌,马舜,梁家虎,等.引江济淮工程可行性研究阶段工程地质勘察报告[R].蚌埠:安徽省水利水电勘测设计院勘测分院,2015.

[2] 常士骠,张苏民,项勃,等.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3] 阚延炬,吴文龙,刘慧萍,等.引江济淮工程可行性研究报告[R].合肥:安徽省水利水电勘测设计院,2015.

(责任编辑：陈文宝)

Research on Characteristics of Swelling Rock for the Diversion of Waterfrom Yangtze River to Huaihe River Project

GENG Hongbin

(SurveyBranch,AnhuiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Bengbu,Anhui233000)

In the south section of Huaihe river for the diversion of water from Yangtze river to Huaihe river project,there locates lots of swelling rocks along the water conveyance line,which could influence the stability of the slope of the diversion channel. This paper discussed the distribution,engineering geological features and treatment of swelling rocks. In order to ensure the project safety,the measures of treatment are proposed.

the diversion of water from Yangtze river to Huaihe river project; swelling rock; component; treatment

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

耿宏斌(1976-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:genghb111@163.com

TU443

A

1671-1211(2016)03-0471-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.052

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.006.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31