甘肅隴東地區(qū)白堊系地層工程地質(zhì)特性研究

摘要：通過(guò)對(duì)隴東地區(qū)白堊系地層分布規(guī)律及特征研究得知，隴東地區(qū)位于祁呂賀“山”字形構(gòu)造體系賀蘭褶皺帶東側(cè)伊陜盾地中，白堊系地層為河湖相陸源碎屑沉積，厚達(dá)2 000 m.由白堊系下統(tǒng)志丹群環(huán)河華池組、羅漢洞組和涇川組三個(gè)巖組組成，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰?guī)r等。取107組試樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和巖石結(jié)構(gòu)分析，白堊系地層均屬軟質(zhì)巖，巖性軟弱，強(qiáng)度低，局部成巖程度差，產(chǎn)狀平緩，干濕效應(yīng)明顯，塑性變形強(qiáng)烈，物理力學(xué)性質(zhì)易受環(huán)境因素影響。白堊系地層巖體抗壓和抗剪強(qiáng)度較低，抗變形能力差，抗滑穩(wěn)定性差，地基承載能力低，抗沖刷性能弱，局部滲透穩(wěn)定性差。通過(guò)研究初步確定了隴東地區(qū)白堊系地層分布規(guī)律及特征、巖石物理力學(xué)參數(shù)、巖體工程地質(zhì)特性，提出了不良工程地質(zhì)特性處理措施。

關(guān)鍵詞：物理力學(xué)性質(zhì);工程地質(zhì)特性;工程措施;白堊系;隴東地區(qū)

中圖分類號(hào)：TV67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.022

甘肅隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，煤炭、石油資源豐富，是我國(guó)五大綜合能源基地之一——鄂爾多斯盆地能源基地的重要組成部分。隨著近幾年國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)、一帶一路建設(shè)、能源戰(zhàn)略基地建設(shè)及綠色生態(tài)保護(hù)建設(shè)，隴東黃土高原地區(qū)持續(xù)開(kāi)發(fā)與治理對(duì)策顯得更為舉足輕重。制約甘肅中東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素是缺水，目前許多大型跨流域調(diào)水工程已批準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè)和正在規(guī)劃，如引洮供水工程和白龍江引水工程兩項(xiàng)長(zhǎng)距離調(diào)水工程已列入國(guó)家“十三五”172項(xiàng)重大水利工程。隴東地區(qū)溝壑縱橫、黃土覆蓋深厚，白堊系地層構(gòu)成黃土塬基底，為工程建筑物地基重要持力層和地下水主要含水層，其工程特性是影響設(shè)計(jì)方案、施工方法、工程投資和建設(shè)進(jìn)度的關(guān)鍵因素。因此，筆者通過(guò)試驗(yàn)充分研究白堊系地層各巖性物理力學(xué)性質(zhì)，分析其工程地質(zhì)特性對(duì)工程建設(shè)的影響，采取合理科學(xué)的工程措施對(duì)其不利特性加以改造，以保證所建工程正常安全運(yùn)營(yíng)。

1 地質(zhì)分布規(guī)律及特征

1.1 構(gòu)造背景

隴東地區(qū)位于祁呂賀“山”字形構(gòu)造體系賀蘭褶皺帶東側(cè)伊陜盾地中[1-2]，在侏羅紀(jì)（J）末期伊陜盾地基本定型，新華夏系第三沉積帶進(jìn)一步發(fā)展，使這一穩(wěn)定地塊開(kāi)始下降，堆積了厚達(dá)2 000 m的白堊系早期（K1）陸相碎屑巖建造，此后受燕山晚期運(yùn)動(dòng)的影響，伊陜盾地開(kāi)始上升隆起缺失白堊紀(jì)晚期至新近紀(jì)初期（K2 -N1）沉積。新近紀(jì)晚期，隴東地區(qū)在白堊系早期地層廣遭剝蝕的基礎(chǔ)上形成互不相通的孤零盆地，這些盆地堆積了厚20-30 m的新近系上新統(tǒng)（N2）臨夏組湖相紅色黏土建造，這一沉積對(duì)古地形填平補(bǔ)齊，新近紀(jì)末期喜山運(yùn)動(dòng)使整個(gè)地區(qū)開(kāi)始緩慢上升，第四紀(jì)又開(kāi)始下降，堆積厚達(dá)300 m不同成因的黃土，至第四紀(jì)晚更新世（Q3）隴東黃土高原形成[3-4]。

1.2 地貌特征

隴東地區(qū)白堊系地層主要分布于六盤山以東，子午嶺以西，環(huán)江與苦水河分水嶺以南，達(dá)溪河以北，最大埋深約400 m。該地層分布范圍廣，但出露面積少，主要零星出露于山麓坡腳或深切溝谷的溝底，多為直立陡坎。深埋于隴東黃土高原下部的白堊系地層頂面基本平緩，受六盤山隆起影響，地層頂面自西北向東南部緩傾。

1.3 地層特征

隴東地區(qū)白堊系地層分布廣泛，屬陸源碎屑巖建造，在地質(zhì)歷史時(shí)期僅堆積白堊系下統(tǒng)志丹群（Kzh）地層[5-7].巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰?guī)r、細(xì)礫巖等，地層（華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層亞區(qū)）從下向上劃分為環(huán)河華池組Kj、羅漢洞組K1、涇川組K1三個(gè)巖組。

環(huán)河華池組（K1）：分布范圍最廣，主要分布于隴東地區(qū)東北部及中部，包括環(huán)縣、華池、慶城、西峰、合水、正寧、寧縣等。巖性主要為灰紫、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖互層，夾紫紅、棕紅、灰黃色細(xì)砂巖。地層由東北向西南由細(xì)變粗、由薄變厚，具平行層理，層厚400-600 m。

羅漢洞組（K1）：分布面積較小，主要分布于隴東地區(qū)中南部，包括涇川縣東南部、鎮(zhèn)原縣東北部、靈臺(tái)縣大部。巖性為紫紅、棕紅、灰白色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，局部夾雜色細(xì)礫巖。地層北薄南厚、北細(xì)南粗，具交錯(cuò)層理，層厚215 - 395 m。

涇川組（K1）：分布面積較小，主要分布于隴東地區(qū)西南部，包括涇川縣和靈臺(tái)縣西部、崇信縣大部、鎮(zhèn)原縣西部。巖性分為上下兩層，下層為淺藍(lán)灰色泥灰?guī)r一砂質(zhì)泥巖一粉細(xì)砂巖組成的韻律層，上層為紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)砂巖、砂巖。向西南部泥灰?guī)r明顯減少，且不穩(wěn)定，其粒度變粗，夾有含礫粗砂巖、細(xì)礫巖，具薄層平行層理，層厚135 -154 m。

1.4 沉積特征

環(huán)河華池組cKh）地層具有清晰平整的平行層理，不同色調(diào)的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖及其過(guò)渡巖呈互層狀產(chǎn)出，泥質(zhì)巖中常見(jiàn)1 mm左右深淺相間的平行紋理，巖石以氧化條件下的紫色調(diào)為主，氣候炎熱干燥，屬河漫灘相為主的河湖相沉積。

羅漢洞組（K1）地層巖性以紫紅一棕色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，層理表現(xiàn)不好，巖層中發(fā)育洪流式交錯(cuò)層理，是環(huán)河華池組（Kh）沉積的淡水湖泊消失后，在干燥氣候條件下河流洪積、沖積和凹地雨水匯集的暫時(shí)性淡水湖泊內(nèi)動(dòng)蕩環(huán)境中沉積，屬河流相沉積。

涇川組（K1）地層巖性以灰綠色一灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，向上部出現(xiàn)雜色、棕紅色，具薄層平行層理，層面平整清晰，出現(xiàn)多層灰白色泥灰?guī)r夾層，多鈣質(zhì)膠結(jié)，為較為穩(wěn)定的湖泊環(huán)境，屬淡水湖相、河湖相沉積。

1.5 接觸特征

甘肅隴東地區(qū)白堊系地層屬志丹群（K1），與上覆第四系（Q）黃土或零星分布的新近系（N）紅層呈平行不整合接觸，與下伏侏羅系中統(tǒng)（J：）地層呈平行不整合接觸。

2 物理力學(xué)性質(zhì)

2. 1環(huán)河華池組（K1）

環(huán)河華池組地層巖性以灰紫一紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部夾紫紅、棕紅、灰黃色細(xì)砂巖和泥巖，屬軟質(zhì)巖，單層厚0.05 -0.30 m，具水平層理，巖性軟弱，抗風(fēng)化能力差;巖體透水性差;強(qiáng)風(fēng)化帶厚1.5-2.5 m.弱風(fēng)化及以下巖體完整性較好，透水性較差，層間結(jié)合緊密，強(qiáng)度稍高，在飽水和干燥狀態(tài)下性能基本穩(wěn)定。對(duì)該組巖石取樣25組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)‘引，其物理力學(xué)參數(shù)（平均值，下同）見(jiàn)表1。

環(huán)河華池組細(xì)砂巖密度最大，吸水性最弱;粉砂質(zhì)泥巖密度最小，最易吸水，遇水最易軟化，強(qiáng)度降低最快;干燥和飽和狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度最高，抗變形能力最強(qiáng);泥質(zhì)粉砂巖膠結(jié)相對(duì)較好，粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖膠結(jié)相對(duì)較差。

2.2 羅漢洞組（K1）

羅漢洞組地層巖性主要為紫紅、棕紅、灰白色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，局部夾雜色細(xì)礫巖，互層狀結(jié)構(gòu)，單層厚0.1-0.5 m.可見(jiàn)交錯(cuò)層理發(fā)育，巖性軟弱，強(qiáng)度低，層間結(jié)合較差，抗剪、抗變形性能差，遇水易軟化崩解，失水開(kāi)裂，抗風(fēng)化能力差，強(qiáng)風(fēng)化帶一般厚1-4m.弱風(fēng)化及以下巖體完整性較好，透水性較差[6]。對(duì)該組巖石取樣29組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)[8].其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

羅漢洞組泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖密度、吸水率相近，說(shuō)明在動(dòng)水環(huán)境中兩種巖性物質(zhì)成分、顆粒組成接近;干燥和飽和狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度相對(duì)較高，抗變形能力相對(duì)較強(qiáng);泥質(zhì)粉砂巖膠結(jié)相對(duì)較好，粉砂質(zhì)泥巖膠結(jié)相對(duì)較差。

2.3 涇川組（KJ）

涇川組地層巖性主要為紫紅色一淺藍(lán)灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)一中粗砂巖，局部夾泥灰?guī)r，具薄層水平層理，巖體軟弱，易風(fēng)化，透水性強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化帶厚2-4 m，弱風(fēng)化及以下巖體完整性較好，透水性較差，局部粉細(xì)一中粗砂巖膠結(jié)差，呈疏松狀，透水性強(qiáng)。對(duì)該組巖石取樣53組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)[8].其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

涇川組泥灰?guī)r密度最大;粉砂質(zhì)泥巖吸水性最強(qiáng)，極易軟化變形;泥灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖膠結(jié)較好，干濕強(qiáng)度相對(duì)較高且相近;粉細(xì)一中粗砂巖膠結(jié)不均一，透水性強(qiáng)，飽水狀態(tài)下強(qiáng)度損失較大。

3 工程地質(zhì)特性

3.1 巖體軟化變形性

隴東地區(qū)白堊系地層均屬軟質(zhì)巖，巖性軟弱，強(qiáng)度低，承載能力差，工程特性易受環(huán)境因素影響[7]。巖體長(zhǎng)期暴露在空氣中，隨著外界環(huán)境因素的變化，巖體反復(fù)吸水、失水，巖體結(jié)構(gòu)反復(fù)膨脹、收縮。這種長(zhǎng)期對(duì)巖體作用的結(jié)果，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，抗變形能力降低，造成建筑物地基巖體穩(wěn)固性降低。

3.2 巖體抗滑穩(wěn)定性

隴東地區(qū)白堊系巖體抗壓和抗剪強(qiáng)度普遍較低，多具水平層理或交錯(cuò)層理，單層厚度不穩(wěn)定，地層中還存在薄層泥巖原生夾層，夾層厚度不等。泥巖夾層顆粒細(xì)，親水性礦物含量高，巖石浸水后會(huì)在層面上形成薄層軟泥層或泥化層[5]，呈軟塑狀態(tài)，巖體中薄層泥巖原生夾層是抗滑穩(wěn)定的主要控制條件，對(duì)建筑物選型、高度的確定以及工程造價(jià)和工期都有顯著影響。另外，對(duì)于在軟質(zhì)巖上建設(shè)混凝土工程，巖體本身抗剪強(qiáng)度很低，在混凝土澆筑過(guò)程中，地基巖體吸水軟化，從而降低了混凝土與巖體接觸面的抗滑穩(wěn)定性。

3.3 巖體滲透穩(wěn)定性

隴東地區(qū)白堊系地層以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)一中粗砂巖為主，局部偶夾泥巖、細(xì)礫巖和泥灰?guī)r等。細(xì)碎屑巖如泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等一般在相對(duì)隔水層，不透水;粗碎屑巖如中粗砂巖、細(xì)礫巖等在含水層和透水層。另外生物化學(xué)沉積的泥灰?guī)r沿裂隙易發(fā)生化學(xué)溶蝕，可能引起滲漏問(wèn)題，若不采取適當(dāng)?shù)姆罎B措施，在地下水滲流作用下，局部透水層或巖溶發(fā)育段將產(chǎn)生機(jī)械潛蝕，使地基巖體工程性狀進(jìn)一步惡化，長(zhǎng)期滲流作用將形成集中滲漏通道，降低建筑物地基穩(wěn)定性，危及工程安全，影響工程效益。

3.4 巖體承載能力

隴東地區(qū)白堊系地層抗壓強(qiáng)度和變形模量普遍偏低。當(dāng)軟巖強(qiáng)度低而建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力大時(shí)，作為建基巖體的軟巖會(huì)因強(qiáng)度低而導(dǎo)致承載力不足。從力學(xué)機(jī)理和力學(xué)效應(yīng)上分析，建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力大、軟巖承載能力低，軟巖發(fā)生的破壞不是因軟巖變形模量低而導(dǎo)致沉降變形過(guò)大引起的，而是低強(qiáng)度的軟巖巖體受壓破裂導(dǎo)致地基破壞。因此，軟巖地基承載力確定時(shí)主要按巖體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折取，一般采用軟巖飽和抗壓強(qiáng)度的1/10 - 1/5折取。

3.5 巖體抗沖性

隴東地區(qū)白堊系地層具水平層理，層面閉合，層間無(wú)膠結(jié)，巖體強(qiáng)度低，易受風(fēng)化和人為擾動(dòng)，巖體抗沖刷能力差。在這種軟巖上修建泄水建筑物時(shí)，泄槽或消力池底板巖體若不采取防沖刷措施，在高速水流作用下，很容易發(fā)生沖刷破壞，沖刷坑可較快形成，有沿層間擴(kuò)大的趨勢(shì)，影響消能建筑物的安全。

4 工程措施

（1）對(duì)于巖體軟化變形問(wèn)題，一般采取防水、預(yù)留保護(hù)層或噴混凝土封閉巖面的辦法，防止建基面遇水發(fā)生軟化、失水干裂或機(jī)械振動(dòng)破壞巖體結(jié)構(gòu)。在地基開(kāi)挖過(guò)程中采取合理的排、堵水措施，嚴(yán)防地下水、河水、地表洪流對(duì)地基巖體造成破壞;當(dāng)開(kāi)挖至建基面附近時(shí)，嚴(yán)禁大藥量爆破，只能松動(dòng)爆破后用機(jī)械挖除，再預(yù)留保護(hù)層采用人工撬挖;人工撬挖后，采用人工清除建基面虛渣、松動(dòng)塊和泥化層，用風(fēng)槍吹干凈浮土、巖粉，及時(shí)噴或澆混凝土封閉巖面;對(duì)于斷層帶、層間擠壓帶、泥巖夾層等適當(dāng)挖槽采用混凝土回填。

（2）對(duì)于巖體抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，一般應(yīng)挖除影響地基穩(wěn)定的薄層泥巖夾層或軟化泥化層，也可采用齒槽截?cái)嗷瑒?dòng)面或洞挖回填混凝土的方式處理，或進(jìn)行錨固處理，一般將壩肩深嵌于岸坡巖體中，增強(qiáng)建筑物的抗滑能力[3]。

（3）對(duì)于巖體滲透穩(wěn)定性問(wèn)題，一般采用排水和防滲相結(jié)合的辦法，減小建筑物所受的揚(yáng)壓力和防止地基發(fā)生滲透破壞。防滲可以延長(zhǎng)地基巖體滲徑，減小滲透量、流速、比降;排水可以降低揚(yáng)壓力，避免地基巖體受到滲透水流的有害作用。隴東地區(qū)白堊系地層中局部存在承壓水，為了避免承壓水可能頂裂建基面巖層，造成地基巖體擾動(dòng)破壞，需預(yù)先造孔排水減壓。

（4）對(duì)于地基巖體承載力問(wèn)題，一般采用固結(jié)灌漿的辦法，提高地基巖體的完整性、堅(jiān)固性，從而提高地基巖體的承載能力。

（5）對(duì)于巖體抗沖性問(wèn)題，一般采用固結(jié)灌漿和系統(tǒng)錨桿，提高巖體整體性，抵抗高壓水流對(duì)巖體結(jié)構(gòu)造成沖擊破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）甘肅隴東地區(qū)位于祁呂賀“山”字形構(gòu)造體系賀蘭褶皺帶東側(cè)的伊陜盾地中，白堊系地層為河湖相陸源碎屑沉積，厚達(dá)2 000 m.構(gòu)成隴東黃土塬基底，由白堊系下統(tǒng)志丹群環(huán)河華池組、羅漢洞組和涇川組三個(gè)巖組組成，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰?guī)r等。

（2）甘肅隴東地區(qū)白堊系地層均屬軟質(zhì)巖，巖體多具水平層理或交錯(cuò)層理，巖性軟弱，強(qiáng)度低，局部成巖程度差，產(chǎn)狀平緩，干濕效應(yīng)明顯，塑性變形強(qiáng)烈。

（3）甘肅隴東地區(qū)白堊系地層巖體抗壓和抗剪強(qiáng)度普遍偏低，抵抗變形能力差，抗滑穩(wěn)定性差，地基承載能力低，抗沖刷性能弱，局部巖體滲透穩(wěn)定性差，巖體工程特性易受環(huán)境因素影響。

（4）甘肅隴東地區(qū)白堊系地層巖性多樣，工程地質(zhì)特性各異。根據(jù)建筑物特點(diǎn)，充分利用地層巖體的有利特性，對(duì)于不利特性采取工程措施處理，保證所建工程正常安全運(yùn)營(yíng)。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

收稿日期：2018-06-01

基金項(xiàng)目：“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)（ 2016YFC0401801）

作者簡(jiǎn)介：邊義成（1970-），男，甘肅靈臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電和巖土工程地質(zhì)勘察工作