輸水隧洞區(qū)白堊系地層基本地質(zhì)特性研究

滕 杰，田建林，裴曉東，李松磊，胡 寧

(1．中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222;2．寧夏水投集團(tuán)有限公司，寧夏銀川 750001;3．上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200000)

0 引言

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程是將固原地區(qū)南部六盤(pán)山東麓涇河流域地表水，經(jīng)攔截、調(diào)蓄，向北輸送到固原中北部干旱缺水地區(qū)，屬區(qū)域性水資源優(yōu)化配置工程。其中包括輸水隧洞11座，單洞長(zhǎng)595～10 775 m，總長(zhǎng) 35．75 km。除 1#、10#、11#隧洞外，大部分隧洞穿越的主要地層為白堊系六盤(pán)山群下統(tǒng)乃家河組(K1n)及馬東山組(K1m)泥巖夾少量泥灰?guī)r。輸水隧洞穿越地層多以泥巖為主，僅局部夾有少量泥灰?guī)r及泥質(zhì)頁(yè)巖，因而對(duì)泥巖工程地質(zhì)特性的研究，對(duì)輸水隧洞的設(shè)計(jì)與施工均具有重大意義。

1 主要地質(zhì)特征

輸水隧洞區(qū)白堊系六盤(pán)山群下統(tǒng)乃家河組(K1n)及馬東山組(K1m)地層地貌上屬低中山地貌單元，地形起伏較大，山梁與溝谷相間。受風(fēng)化影響較大，山梁多為渾圓狀，無(wú)明顯山峰與峭壁。地表除不規(guī)則分布有風(fēng)積黃土外，山體上部多分布有全風(fēng)化的泥巖，生長(zhǎng)有低矮灌木;山體下部坡腳多分布有坡殘積碎石土，草本植物發(fā)育。

馬東山組(K1m):巖性以泥巖為主，夾有薄層泥灰?guī)r，泥晶泥狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，層理較發(fā)育。

乃家河組(K1n):巖性為泥巖夾薄層泥灰?guī)r，泥巖為灰色，薄層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，抗風(fēng)化能力弱;泥灰?guī)r多呈灰色、青灰色，薄—中厚層狀，多呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)化能力相對(duì)較強(qiáng)，呈陡坎地形和突出狀地形。

輸水隧洞沿線屬于小關(guān)山復(fù)式背斜的西翼，發(fā)育有多個(gè)寬緩背斜和寬緩向斜，地層產(chǎn)狀以NE10°～30°NW∠8°～10°及 NW340°～345°SW∠15°～20°較多。

工程區(qū)地表未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模斷裂，洞線附近發(fā)育一些小斷層，延伸較短。受風(fēng)化及卸荷影響節(jié)理裂隙較發(fā)育。

隧洞區(qū)白堊系基巖物理風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，一般強(qiáng)風(fēng)化厚度10～15 m，弱風(fēng)化層厚度35～40 m，山脊附近風(fēng)化深度較緩坡地帶要深3～5 m。

2 巖石礦物及化學(xué)成分

2．1 巖礦鑒定

輸水隧洞區(qū)白堊系下統(tǒng)巖石進(jìn)行巖礦鑒定，其成果表明白堊系乃家河組及馬東山組泥巖的組成礦物基本相近。

巖礦鑒定后定名為灰質(zhì)泥巖或含粉砂灰質(zhì)泥巖，泥晶泥狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。

巖石礦物由方解石與泥質(zhì)礦物組成，褐鐵礦、石英少量。其中泥質(zhì)礦物含量約58% ～62%，方解石含量為33% ～35%。

泥質(zhì)礦物:隱晶質(zhì)—泥狀、顯微鱗片狀，多呈隱晶質(zhì)—泥狀，有隱晶質(zhì)—膠狀褐鐵礦渲染，呈 0．1～0．2 mm微層狀相對(duì)聚集，弱定向分布。

方解石:泥晶狀，d≤0．004 mm，與以鐵染泥質(zhì)礦物為主的泥質(zhì)薄層呈0．1～0．2 mm薄層相間，定向分布。

石英碎屑:次棱角—棱角—尖棱角狀，d=0．01～0．1 mm，多數(shù)d=0．03 ～0．06 mm，多次生加大重結(jié)晶，長(zhǎng)軸弱定向排列，多呈微紋狀相對(duì)聚集，與泥晶方解石—泥狀泥質(zhì)礦物薄層相間，組成巖石之薄層狀構(gòu)造。

褐鐵礦:隱晶質(zhì)膠狀，部分呈質(zhì)點(diǎn)狀聚集，不均勻弱定向渲染泥質(zhì)礦物、方解石。

巖石裂隙發(fā)育，沿裂隙為次生方解石呈細(xì)脈狀充填，零散分布。

2．2 化學(xué)分析

采用全巖X射線粉晶衍射、化學(xué)成分和差熱分析方法對(duì)白堊系灰質(zhì)泥巖化學(xué)成分及礦物成分進(jìn)行分析。

據(jù)隧洞巖石常規(guī)化學(xué)元素分析成果，白堊系泥巖的化學(xué)成分主要為 SiO2、CaO、Al2O3、MgO，而 Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中化學(xué)成分中SiO2含量約31%～41%，CaO的含量12% ～23%，Al2O3的含量9% ～13%，MgO的含量為4% ～9%;燒失量為10% ～25%，其他化學(xué)成分的含量多＜5%。

隧洞巖石微量化學(xué)元素分析成果表明主要的微量元素有 SrO、MnO、Cr2O3、Rb2O、NiO、ZnO、Cl、BaO、ZrO2、SO3、TiO2、P2O5等，其中 SO3、TiO2、P2O5的含量略高，含量在0．1% ～1．1%，其他微量化學(xué)元素含量均 ＜0．1%。

據(jù)隧洞巖石全巖X射線粉晶衍射分析成果，隧洞巖石的主要礦物成分黏土、石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、石膏、黃鐵礦、方沸石等，其中黏土含量為23．5% ～37．0%、石英含量10．0% ～16．7%、方解石含量為方解石6．5% ～40．3%，少部分含量石膏。黏土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脫石。

3 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

3．1 常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)

對(duì)白堊系下統(tǒng)乃家河組(K1n)泥巖、泥灰?guī)r及馬東山組(K1m)泥巖進(jìn)行塊體密度、含水率、吸水率、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量、泊松比、抗剪斷等常規(guī)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，干及濕(近飽和)狀態(tài)下的主要物理力學(xué)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 1 The test results of physical and mechanical properties

白堊系下統(tǒng)地層主要巖性為泥巖及泥灰?guī)r，泥灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度、變形模量、彈性模量等指標(biāo)均明顯高于泥巖，但泥灰?guī)r主要以?shī)A層的形式分布于泥巖之中，對(duì)隧洞的穩(wěn)定性起不到?jīng)Q定性的作用。因而泥巖的巖體質(zhì)量對(duì)隧洞的穩(wěn)定性起著控制作用。

泥巖的濕抗壓強(qiáng)度為 0．5 ～18．1 MPa，多屬軟巖［1］。在干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)下，其單軸抗壓強(qiáng)度較高，濕或飽和狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度明顯低于干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)，同樣彈性模量和變形模量也具有相似的規(guī)律性，由此可見(jiàn)泥巖屬于易軟化巖石。

3．2 巖石三軸壓縮試驗(yàn)

對(duì)輸水隧洞的白堊系泥巖分別加壓1 MPa、3 MPa、5 MPa進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)成果。據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)成果，綜合巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，在圍壓為1 MPa時(shí)，白堊系泥巖的峰值強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度相比并沒(méi)有明顯的提高;當(dāng)圍壓為3 MPa時(shí)，濕狀態(tài)下的巖樣峰值強(qiáng)度較圍壓為1 MPa時(shí)提高了70%左右，天然狀態(tài)下的巖樣峰值強(qiáng)度較圍壓為1 MPa時(shí)大部分提高了30%左右;當(dāng)圍壓為5 MPa時(shí)，濕狀態(tài)下的巖樣峰值強(qiáng)度較圍壓為1 MPa時(shí)提高了120% ～140%，天然狀態(tài)下的巖樣峰值強(qiáng)度較圍壓為1 MPa時(shí)大部分提高了60%～100%。總體而言，三軸試驗(yàn)峰值抗壓強(qiáng)度具有隨圍壓的增加而增加的特點(diǎn)，但是增加的幅度不大。

3．3 原位變形測(cè)試

在白堊系馬東山組泥巖夾泥灰?guī)r的平硐內(nèi)進(jìn)行原位變形試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)力1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，按垂直層面和平行層面兩個(gè)方向進(jìn)行加壓試驗(yàn)。

垂直層面加壓的變形試驗(yàn)，隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加，變形模量及彈性模量均具有逐漸減小的趨勢(shì)，試驗(yàn)應(yīng)力為5 MPa時(shí)，2組試驗(yàn)的變形模量值為4．43～5．38 GPa，平均為4．90 GPa;彈性模量為 10．05 ～11．69 GPa，平均為 10．87 GPa。

平行層面加壓的變形試驗(yàn)，隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加，變形模量及彈性模量均具有逐漸減小的趨勢(shì)，試驗(yàn)應(yīng)力為5 MPa時(shí)，2組試驗(yàn)的變形模量值為5．82～6．08 GPa，平均為5．95 GPa;彈性模量為 9．72 ～10．97 GPa，平均為 10．35 GPa。

試驗(yàn)應(yīng)力垂直層面的變形模量較平行層面的略低，而彈性模量值相差較小。

3．4 巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)

隧洞鉆孔內(nèi)的白堊系馬東山組泥巖進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)共施加了6級(jí)荷載，各級(jí)應(yīng)力水平下巖石軸向與徑向的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變見(jiàn)表2。

表2 各級(jí)應(yīng)力水平下巖石的軸向、徑向瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變Table 2 The instantaneous strain，creep strain，total strain of radial strain and axial strain of rocks under different stress levels

根據(jù)以上試驗(yàn)成果巖石蠕變具有如下規(guī)律:

(1)泥巖的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變分為兩部分，一部分是瞬時(shí)應(yīng)變，即每級(jí)應(yīng)力水平施加瞬間試樣產(chǎn)生的瞬時(shí)變形;另一部分是蠕變應(yīng)變，即在恒定應(yīng)力水平作用下，試樣的變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)。在各級(jí)應(yīng)力水平下，軸向和徑向蠕變曲線均劃分為2個(gè)階段，第一階段是衰減蠕變階段，第二階段是穩(wěn)定蠕變階段。

(2)表中試驗(yàn)成果為天然狀態(tài)下的蠕變，其蠕變量值不大，然而泥巖屬軟巖，水對(duì)其蠕變量的影響顯著，對(duì)于飽水狀態(tài)下的蠕變可能有明顯增大。

(3)試樣軸向和徑向的衰減蠕變階段歷時(shí)隨偏差應(yīng)力的增加而延長(zhǎng)，即應(yīng)力水平越高，巖石發(fā)生衰減蠕變的時(shí)間越長(zhǎng)。

(4)泥巖試樣軸向與徑向的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的增加而增大。在各級(jí)應(yīng)力水平下，軸向的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變始終比徑向的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變大。表明在三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的總體變形以軸向壓縮變形為主。在各級(jí)應(yīng)力水平下，徑向蠕應(yīng)變占徑向總應(yīng)變的比例始終比軸向蠕應(yīng)變占軸向總應(yīng)變的比例大。因此，巖石的徑向蠕變效應(yīng)明顯。

(5)第一級(jí)應(yīng)力水平下試樣的徑向瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變均較軸向小很多，主要原因是試樣自靜水加載開(kāi)始，軸向以及徑向始終處于三向受壓狀態(tài)，巖石材料內(nèi)部原有的裂隙被壓密，孔洞被壓縮閉合，而巖石材料本身并未達(dá)到受壓屈服狀態(tài)。因此，其徑向受圍壓的約束作用，在較低的應(yīng)力水平下沒(méi)有出現(xiàn)較大的變形。

(6)在試驗(yàn)過(guò)程中，巖石的軸向蠕變以及徑向蠕變均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的起始蠕變強(qiáng)度，即在較低的應(yīng)力水平下，巖石的變形亦隨時(shí)間而增大。

3．5 巖石膨脹及崩解試驗(yàn)

為了解白堊系泥巖的膨脹性對(duì)鉆孔巖芯進(jìn)行側(cè)向約束膨脹、膨脹壓力、自由膨脹等試驗(yàn)，泥巖側(cè)向約束膨脹率為 0．04% ～1．08%，平均值為 0．58%，均 ＜3%;膨脹力為4．40 ～62．20 kPa，平均值為 20．6 kPa，均 ＜100 kPa;徑向自由膨脹率為0．00% ～1．56%，平均為0．49%;軸向自由膨脹率為 0．02% ～2．92%，平均值為0．61%。均＜30%。

按《水電水利工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T5414—2009)附錄W對(duì)膨脹巖進(jìn)行分類，根據(jù)膨脹率、膨脹力、自由膨脹率等試驗(yàn)成果綜合判斷隧洞區(qū)白堊系泥巖屬非膨脹巖［2］。

據(jù)隧洞區(qū)白堊系泥巖崩解性試驗(yàn)成果，白堊系泥巖的耐崩解指數(shù)為81．14% ～98．82%，平均耐崩解指數(shù)為92．47%，參考《軟巖巷道支護(hù)技術(shù)》對(duì)隧洞巖石耐崩解性進(jìn)行評(píng)價(jià)，多屬高—很高的耐久性巖石，部分為中高耐久性巖石。

4 巖體地球物理特性

4．1 鉆孔聲波測(cè)試成果

在隧洞區(qū)白堊系下統(tǒng)地層的鉆孔內(nèi)進(jìn)行孔內(nèi)聲波測(cè)試，白堊系泥巖夾泥灰?guī)r地層強(qiáng)風(fēng)化巖體聲波速度平均值為2 409 m/s，動(dòng)彈性模量平均值為7．04 GPa，完整性系數(shù)平均值為0．25;弱風(fēng)化巖體聲波速度平均值為2 293～3 308 m/s，動(dòng)彈性模量平均值為6．12～18．68 GPa，完整性系數(shù)平均值為 0．22 ～ 0．54。微風(fēng)化—新鮮巖體聲波速度平均值為2 816～3 900 m/s，動(dòng)彈性模量平均值為12．69～28．19 GPa，完整性系數(shù)平均值為0．40 ～0．76。

4．2 地震波測(cè)試成果

在白堊系馬東山組(K1m)泥巖與薄層泥灰?guī)r的平硐內(nèi)進(jìn)行地震波測(cè)試，測(cè)試成果見(jiàn)表3。

表3 巖體地震波測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表Table 3 The results of seismic tests on the different rock masses

由表可知，白堊系馬東山組強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化巖體的完整性系數(shù)均＜0．15，屬破碎巖體;微風(fēng)化巖體的完整性系數(shù)為0．14 ～0．76，平均為 0．37，多屬完整性差巖體。主要與巖層多屬薄層狀構(gòu)造有關(guān)。

4．3 巖塊波速隨時(shí)間的變化

為了解白堊系泥巖巖芯失去圍巖應(yīng)力后的聲波速度變化規(guī)律，在鉆孔自巖芯取出后即進(jìn)行測(cè)試聲波速度，然后按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)試，直至巖芯聲波速度穩(wěn)定為準(zhǔn)。

各巖芯聲波波速衰降穩(wěn)定、聲波衰降率及巖芯裂開(kāi)時(shí)間間隔等存在一定差異，經(jīng)過(guò)38～66 h左右波速基本穩(wěn)定，衰降率約15% ～28%。經(jīng)過(guò)66～120 h后巖芯基本碎裂，無(wú)法進(jìn)行聲波測(cè)試。

鉆孔巖芯經(jīng)過(guò)三維卸荷后，聲波波速衰減較快，隧洞開(kāi)挖過(guò)程中僅一個(gè)方向臨空卸荷，雖然其強(qiáng)度衰減不會(huì)如此之快，但是隧洞圍巖穩(wěn)定性仍然具有隨著開(kāi)挖卸荷及含水量變化而降低的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

根據(jù)巖石試驗(yàn)及物探測(cè)試成果綜合分析，白堊系下統(tǒng)泥巖主要工程地質(zhì)特性如下:

(1)白堊系泥巖為軟巖，易于軟化，水的作用對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度影響明顯。

(2)具有高的耐久性。兩者均具有失水干裂的不良特性。

(3)在保持天然含水狀態(tài)或三維應(yīng)力條件下，巖體具有較高的強(qiáng)度。

［1］ GB 50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．

［2］ DL/T 5414—2009，水電水利工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程［S］．