甘肃陇东地区白垩系地层工程地质特性研究

摘要：通过对陇东地区白垩系地层分布规律及特征研究得知，陇东地区位于祁吕贺“山”字形构造体系贺兰褶皱带东侧伊陕盾地中，白垩系地层为河湖相陆源碎屑沉积，厚达2 000 m.由白垩系下统志丹群环河华池组、罗汉洞组和泾川组三个岩组组成，岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中细砂岩，局部夹薄层泥岩、泥灰岩等。取107组试样进行室内岩石物理力学试验，根据试验结果和岩石结构分析，白垩系地层均属软质岩，岩性软弱，强度低，局部成岩程度差，产状平缓，干湿效应明显，塑性变形强烈，物理力学性质易受环境因素影响。白垩系地层岩体抗压和抗剪强度较低，抗变形能力差，抗滑稳定性差，地基承载能力低，抗冲刷性能弱，局部渗透稳定性差。通过研究初步确定了陇东地区白垩系地层分布规律及特征、岩石物理力学参数、岩体工程地质特性，提出了不良工程地质特性处理措施。

关键词：物理力学性质;工程地质特性;工程措施;白垩系;陇东地区

中图分类号：TV67

文献标志码：A

doi： 10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.022

甘肃陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部，煤炭、石油资源丰富，是我国五大综合能源基地之一——鄂尔多斯盆地能源基地的重要组成部分。随着近几年国家西部大开发、一带一路建设、能源战略基地建设及绿色生态保护建设，陇东黄土高原地区持续开发与治理对策显得更为举足轻重。制约甘肃中东部地区经济发展的主要因素是缺水，目前许多大型跨流域调水工程已批准开工建设和正在规划，如引洮供水工程和白龙江引水工程两项长距离调水工程已列入国家“十三五”172项重大水利工程。陇东地区沟壑纵横、黄土覆盖深厚，白垩系地层构成黄土塬基底，为工程建筑物地基重要持力層和地下水主要含水层，其工程特性是影响设计方案、施工方法、工程投资和建设进度的关键因素。因此，笔者通过试验充分研究白垩系地层各岩性物理力学性质，分析其工程地质特性对工程建设的影响，采取合理科学的工程措施对其不利特性加以改造，以保证所建工程正常安全运营。

1 地质分布规律及特征

1.1 构造背景

陇东地区位于祁吕贺“山”字形构造体系贺兰褶皱带东侧伊陕盾地中[1-2]，在侏罗纪（J）末期伊陕盾地基本定型，新华夏系第三沉积带进一步发展，使这一稳定地块开始下降，堆积了厚达2 000 m的白垩系早期（K1）陆相碎屑岩建造，此后受燕山晚期运动的影响，伊陕盾地开始上升隆起缺失白垩纪晚期至新近纪初期（K2 -N1）沉积。新近纪晚期，陇东地区在白垩系早期地层广遭剥蚀的基础上形成互不相通的孤零盆地，这些盆地堆积了厚20-30 m的新近系上新统（N2）临夏组湖相红色黏土建造，这一沉积对古地形填平补齐，新近纪末期喜山运动使整个地区开始缓慢上升，第四纪又开始下降，堆积厚达300 m不同成因的黄土，至第四纪晚更新世（Q3）陇东黄土高原形成[3-4]。

1.2 地貌特征

陇东地区白垩系地层主要分布于六盘山以东，子午岭以西，环江与苦水河分水岭以南，达溪河以北，最大埋深约400 m。该地层分布范围广，但出露面积少，主要零星出露于山麓坡脚或深切沟谷的沟底，多为直立陡坎。深埋于陇东黄土高原下部的白垩系地层顶面基本平缓，受六盘山隆起影响，地层顶面自西北向东南部缓倾。

1.3 地层特征

陇东地区白垩系地层分布广泛，属陆源碎屑岩建造，在地质历史时期仅堆积白垩系下统志丹群（Kzh）地层[5-7].岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中细砂岩，局部夹薄层泥岩、泥灰岩、细砾岩等，地层（华北地层大区晋冀鲁豫地层亚区）从下向上划分为环河华池组Kj、罗汉洞组K1、泾川组K1三个岩组。

环河华池组（K1）：分布范围最广，主要分布于陇东地区东北部及中部，包括环县、华池、庆城、西峰、合水、正宁、宁县等。岩性主要为灰紫、紫红色粉砂质泥岩与泥质粉砂岩、粉砂岩互层，夹紫红、棕红、灰黄色细砂岩。地层由东北向西南由细变粗、由薄变厚，具平行层理，层厚400-600 m。

罗汉洞组（K1）：分布面积较小，主要分布于陇东地区中南部，包括泾川县东南部、镇原县东北部、灵台县大部。岩性为紫红、棕红、灰白色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩互层，局部夹杂色细砾岩。地层北薄南厚、北细南粗，具交错层理，层厚215 - 395 m。

泾川组（K1）：分布面积较小，主要分布于陇东地区西南部，包括泾川县和灵台县西部、崇信县大部、镇原县西部。岩性分为上下两层，下层为浅蓝灰色泥灰岩一砂质泥岩一粉细砂岩组成的韵律层，上层为紫红色泥岩、砂质泥岩夹泥质砂岩、砂岩。向西南部泥灰岩明显减少，且不稳定，其粒度变粗，夹有含砾粗砂岩、细砾岩，具薄层平行层理，层厚135 -154 m。

1.4 沉积特征

环河华池组cKh）地层具有清晰平整的平行层理，不同色调的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、细砂岩及其过渡岩呈互层状产出，泥质岩中常见1 mm左右深浅相间的平行纹理，岩石以氧化条件下的紫色调为主，气候炎热干燥，属河漫滩相为主的河湖相沉积。

罗汉洞组（K1）地层岩性以紫红一棕色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，层理表现不好，岩层中发育洪流式交错层理，是环河华池组（Kh）沉积的淡水湖泊消失后，在干燥气候条件下河流洪积、冲积和凹地雨水汇集的暂时性淡水湖泊内动荡环境中沉积，属河流相沉积。

泾川组（K1）地层岩性以灰绿色一灰色泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，向上部出现杂色、棕红色，具薄层平行层理，层面平整清晰，出现多层灰白色泥灰岩夹层，多钙质胶结，为较为稳定的湖泊环境，属淡水湖相、河湖相沉积。

1.5 接触特征

甘肃陇东地区白垩系地层属志丹群（K1），与上覆第四系（Q）黄土或零星分布的新近系（N）红层呈平行不整合接触，与下伏侏罗系中统（J：）地层呈平行不整合接触。

2 物理力学性质

2. 1环河华池组（K1）

环河华池组地层岩性以灰紫一紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，局部夹紫红、棕红、灰黄色细砂岩和泥岩，属软质岩，单层厚0.05 -0.30 m，具水平层理，岩性软弱，抗风化能力差;岩体透水性差;强风化带厚1.5-2.5 m.弱风化及以下岩体完整性较好，透水性较差，层间结合紧密，强度稍高，在饱水和干燥状态下性能基本稳定。对该组岩石取样25组进行室内试验‘引，其物理力学参数（平均值，下同）见表1。

环河华池组细砂岩密度最大，吸水性最弱;粉砂质泥岩密度最小，最易吸水，遇水最易软化，强度降低最快;干燥和饱和状态下泥质粉砂岩强度最高，抗变形能力最强;泥质粉砂岩胶结相对较好，粉砂质泥岩和粉砂岩胶结相对较差。

2.2 罗汉洞组（K1）

罗汉洞组地层岩性主要为紫红、棕红、灰白色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，局部夹杂色细砾岩，互层状结构，单层厚0.1-0.5 m.可见交错层理发育，岩性软弱，强度低，层间结合较差，抗剪、抗变形性能差，遇水易软化崩解，失水开裂，抗风化能力差，强风化带一般厚1-4m.弱风化及以下岩体完整性较好，透水性较差[6]。对该组岩石取样29组进行室内试验[8].其物理力学参数见表2。

罗汉洞组泥质粉砂岩与粉砂质泥岩密度、吸水率相近，说明在动水环境中两种岩性物质成分、颗粒组成接近;干燥和饱和状态下泥质粉砂岩强度相对较高，抗变形能力相对较强;泥质粉砂岩胶结相对较好，粉砂质泥岩胶结相对较差。

2.3 泾川组（KJ）

泾川组地层岩性主要为紫红色一浅蓝灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉细一中粗砂岩，局部夹泥灰岩，具薄层水平层理，岩体软弱，易风化，透水性强，强风化带厚2-4 m，弱风化及以下岩体完整性较好，透水性较差，局部粉细一中粗砂岩胶结差，呈疏松状，透水性强。对该组岩石取样53组进行室内试验[8].其物理力学参数见表3。

泾川组泥灰岩密度最大;粉砂质泥岩吸水性最强，极易软化变形;泥灰岩和泥质粉砂岩胶结较好，干湿强度相对较高且相近;粉细一中粗砂岩胶结不均一，透水性强，饱水状态下强度损失较大。

3 工程地质特性

3.1 岩体软化变形性

陇东地区白垩系地层均属软质岩，岩性软弱，强度低，承载能力差，工程特性易受环境因素影响[7]。岩体长期暴露在空气中，随着外界环境因素的变化，岩体反复吸水、失水，岩体结构反复膨胀、收缩。这种长期对岩体作用的结果，导致岩体结构发生破坏，抗变形能力降低，造成建筑物地基岩体稳固性降低。

3.2 岩体抗滑稳定性

陇东地区白垩系岩体抗压和抗剪强度普遍较低，多具水平层理或交错层理，单层厚度不稳定，地层中还存在薄层泥岩原生夹层，夹层厚度不等。泥岩夹层颗粒细，亲水性矿物含量高，岩石浸水后会在层面上形成薄层软泥层或泥化层[5]，呈软塑状态，岩体中薄层泥岩原生夹层是抗滑稳定的主要控制条件，对建筑物选型、高度的确定以及工程造价和工期都有显著影响。另外，对于在软质岩上建设混凝土工程，岩体本身抗剪强度很低，在混凝土浇筑过程中，地基岩体吸水软化，从而降低了混凝土与岩体接触面的抗滑稳定性。

3.3 岩体渗透稳定性

陇东地区白垩系地层以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉细一中粗砂岩为主，局部偶夹泥岩、细砾岩和泥灰岩等。细碎屑岩如泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等一般在相对隔水层，不透水;粗碎屑岩如中粗砂岩、细砾岩等在含水层和透水层。另外生物化学沉积的泥灰岩沿裂隙易发生化学溶蚀，可能引起渗漏问题，若不采取适当的防渗措施，在地下水渗流作用下，局部透水层或岩溶发育段将产生机械潜蚀，使地基岩体工程性状进一步恶化，长期渗流作用将形成集中渗漏通道，降低建筑物地基稳定性，危及工程安全，影响工程效益。

3.4 岩体承载能力

陇东地区白垩系地层抗压强度和变形模量普遍偏低。当软岩强度低而建筑物基础应力大时，作为建基岩体的软岩会因强度低而导致承载力不足。从力学机理和力学效应上分析，建筑物基础应力大、软岩承载能力低，软岩发生的破坏不是因软岩变形模量低而导致沉降变形过大引起的，而是低强度的软岩岩体受压破裂导致地基破坏。因此，软岩地基承载力确定时主要按岩体抗压强度进行折取，一般采用软岩饱和抗压强度的1/10 - 1/5折取。

3.5 岩体抗冲性

陇东地区白垩系地层具水平层理，层面闭合，层间无胶结，岩体强度低，易受风化和人为扰动，岩体抗冲刷能力差。在这种软岩上修建泄水建筑物时，泄槽或消力池底板岩体若不采取防冲刷措施，在高速水流作用下，很容易发生冲刷破坏，冲刷坑可较快形成，有沿层间扩大的趋势，影响消能建筑物的安全。

4 工程措施

（1）对于岩体软化变形问题，一般采取防水、预留保护层或喷混凝土封闭岩面的办法，防止建基面遇水发生软化、失水干裂或机械振动破坏岩体结构。在地基开挖过程中采取合理的排、堵水措施，严防地下水、河水、地表洪流对地基岩体造成破坏;当开挖至建基面附近时，严禁大药量爆破，只能松动爆破后用机械挖除，再预留保护层采用人工撬挖;人工撬挖后，采用人工清除建基面虚渣、松动块和泥化层，用风枪吹干净浮土、岩粉，及时喷或浇混凝土封闭岩面;对于断层带、层间挤压带、泥岩夹层等适当挖槽采用混凝土回填。

（2）对于岩体抗滑稳定问题，一般应挖除影响地基稳定的薄层泥岩夹层或软化泥化层，也可采用齿槽截断滑动面或洞挖回填混凝土的方式处理，或进行锚固处理，一般将坝肩深嵌于岸坡岩体中，增强建筑物的抗滑能力[3]。

（3）对于岩体渗透稳定性问题，一般采用排水和防滲相结合的办法，减小建筑物所受的扬压力和防止地基发生渗透破坏。防渗可以延长地基岩体渗径，减小渗透量、流速、比降;排水可以降低扬压力，避免地基岩体受到渗透水流的有害作用。陇东地区白垩系地层中局部存在承压水，为了避免承压水可能顶裂建基面岩层，造成地基岩体扰动破坏，需预先造孔排水减压。

（4）对于地基岩体承载力问题，一般采用固结灌浆的办法，提高地基岩体的完整性、坚固性，从而提高地基岩体的承载能力。

（5）对于岩体抗冲性问题，一般采用固结灌浆和系统锚杆，提高岩体整体性，抵抗高压水流对岩体结构造成冲击破坏。

5 结语

（1）甘肃陇东地区位于祁吕贺“山”字形构造体系贺兰褶皱带东侧的伊陕盾地中，白垩系地层为河湖相陆源碎屑沉积，厚达2 000 m.构成陇东黄土塬基底，由白垩系下统志丹群环河华池组、罗汉洞组和泾川组三个岩组组成，岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、中细砂岩，局部夹薄层泥岩、泥灰岩等。

（2）甘肃陇东地区白垩系地层均属软质岩，岩体多具水平层理或交错层理，岩性软弱，强度低，局部成岩程度差，产状平缓，干湿效应明显，塑性变形强烈。

（3）甘肃陇东地区白垩系地层岩体抗压和抗剪强度普遍偏低，抵抗变形能力差，抗滑稳定性差，地基承载能力低，抗冲刷性能弱，局部岩体渗透稳定性差，岩体工程特性易受环境因素影响。

（4）甘肃陇东地区白垩系地层岩性多样，工程地质特性各异。根据建筑物特点，充分利用地层岩体的有利特性，对于不利特性采取工程措施处理，保证所建工程正常安全运营。

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【责任编辑 张华岩】

收稿日期：2018-06-01

基金项目：“水资源高效开发利用”重点专项（ 2016YFC0401801）

作者简介：边义成（1970-），男，甘肃灵台人，高级工程师，主要从事水利水电和岩土工程地质勘察工作