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/'""""$
摘要! 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%
关键词! 引洮供水二期工程( 饱水土( 软岩和极软岩( 稳定性评价
中图分类号! 3T1$/5555文献标识码! E5555文章编号! #)/!0!1)("!"#$#"%0""%%0"'
5
5 作者简介! 彭正明"#()1 年%$ # 男# 高级工程师&
$%概述
甘肃省引洮供水工程是解决甘肃中部旱区城镇
及工业用水' 农村人畜饮水' 生态环境用水的大型
跨流域调水工程& 工程线路长# 地质条件复杂& 二
期工程渠接一期渠尾# 沿祖厉河与渭河两流域分水
岭由西向东# 总干' 干渠以隧洞为主# 以渡槽' 倒
虹' 暗渠等连接& 在黄土低山梁峁区沟掌地' 沟谷
川台地部位# 黄土层底部分布饱水的粉质壤土' 粉
质粘土层# 构成部分隧洞围岩# 存在饱水土围岩稳
定问题- 渠线穿越黄土覆盖的中新生代凹陷盆地
区# 区内广泛分布红色碎屑岩# 其分布广' 厚度
大# 成岩程度低# 水理性质' 物理力学性质差# 属
于软岩或极软岩# 构成大部分隧洞围岩# 存在隧洞
稳定问题& 前人对黄土隧洞围岩的稳定性等已有研
究# 本文基于现有勘察资料# 采用工程地质分析方
法对本工程主要工程地质问题进行初步研究&
&%饱水土围岩稳定研究与评价
&'$%第四系饱水土的分布特征
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ikm
#
'
' Kk@ikm
#
' 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#" ;/"2# 结构中密%密实# 具水平
层理- 部分区域底部尚有Kk@km
! 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hdkm
!
' 黄土' ikm
#
1
粉质壤土底部及以下# 水位以下的土体呈饱和
状态&
&'&%第四系饱水土的工程地质特性
"#$ 饱水土的土层结构及塑性特征! 饱水土围
岩主要为ikm
#
'
' Kk@ikm
#
' 褐黄' 浅黄色中' 重粉质
壤土夹杂色粉质粘土' 轻粉质壤土和砂壤土薄层或
透镜体- 局部为Kk@km
! 重粉质壤土' 粉质粘土&
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& 一般粘粒含量较高的重粉质壤土
或粉质粘土结构密实# 土体呈硬塑状# 岩芯多为柱
状# 构成相对隔水层# 但本身含水量较高- 而粘粒
含量较低的中粉质壤土及所夹杂色轻粉质壤土和砂
壤土层相对持水# 构成滞水土体# 呈层状分布# 单
层厚k;$2# 岩芯软塑变形# 局部缩孔严重& 地下
水赋存于断续分布的滞水土体中# 多层滞水土体被
硬塑状重粉质壤土所隔# 无统一的自由水面& 在地
下水的长期浸润下# 土体呈软塑状# 处于饱和
状态&
"!$ 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! Z"&"/$22的
颗粒含量#)&# ;!$&(:# "&""$ ;"&"/$22的颗粒
含量$#&' ;$(&!:# ["&""$22的颗粒含量#)&#
;!(&%:# 不均匀系数NV_%&$ ;'#&## 曲率系数
Nf_"&(" ;#&)#& 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
,%%,
科研管理水利规划与设计!"#$ 年第% 期
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&
"'$ 饱水土围岩的物理力学性质! 饱水土中粘
粒含量较高的m
' 重粉质壤土' 粉质粘土的天然含
水量#(&" ;!'&(:# 略大于塑限# 土体呈塑流状#
多处于饱和状态& 干密度#&'! ;#&)/L*f2
'
# 孔隙
比"&(#! ;#&")## 液限''&' ;'/&$:# 塑限#(&%
;!'&$:# 塑性指数#'&$ ;#1&/# 渗透系数!&(!
A#"
@1
;"&"## A#"
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f2*-& 直剪试验N_!%&"$ ;
''&/"78K#
2
! !(&' ; '"&!a# P-_ #!&!# ;
'"&"(Q8K# K
# @!_
"&"/( ;"&#%#Q8K
@#
# 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!$:以上# 部
分接近'":# 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N
_#'&(% ;1&$78K# 可塑状态的粉质壤土抗剪强度
N_1'&!) ;)!&''78K& 而Kk@km
! 重粉质壤土' 粉
质粘土# 含水量比m
' 土略低# 干密度#&)' ;
#&/)L*f2
'
# 孔隙比"&$$" ;"&)))# 液限'!&/ ;
11&(:# 塑限#%&! ;!#&$:# 塑性指数##&) ;
!!&)& 渗透系数"1&1$ ;/&$$$ A#"
@$
f2*-# 属低压
缩' 弱透水' 非湿陷性土&
"1$ 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#&'! ;!&//L*k# 以HU
! @
1
%Nk
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F 型'
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1
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@
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F型为主# HU
! @
1 含量达
'/% ;##'1&/$2L*k# 对普通混凝土具有结晶型硫酸
盐中%强腐蚀性&
&'(%第四系饱水土隧洞围岩的稳定性评价
构成洞身围岩的饱水土# 属极不稳定围岩& 施
工开挖后# 处于临空状态# 土体应力状态变化# 发
生松弛' 变形# 地下水渗流形态也将改变# 外围水
体向洞内排泄# 水力坡度骤然提高# 在动水压力作
用下# 土体结构改变# 强度降低& 稳定性极差# 自
稳时间很短# 易发生顶拱塌方' 边墙滑动' 墙脚流
土" 泥$ ' 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&
(%中$ 新生代红色碎屑岩类软岩问题研究
与评价
('$%中$ 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"Y
#
=7$ ' 古
近系"P$ ' 新近系"D$ 地层& Y
#
=7 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- P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- D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&
('&%中$ 新生代红色碎屑岩类软岩的工程地质
特性
55"#$ 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& Y
#=7
' P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#
,%(,
!"#$ 年第% 期水利规划与设计科研管理
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& D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&
"!$ 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& Y
#
=7' P
砾岩' 砂砾岩密度!&'# ;!&1!L*f2
'
# 天然含水量
一般小于':# 孔隙率%&)% ;#!&$:# 粘土矿物含
量少# 在天然状态下具有一定强度# 单轴抗压强度
达!1 ;'!Q8K# 变形模量#!"" ;#$""Q8K# 泊松比
"&!" ;"&!$# 多属较软岩- D泥岩' 砂质泥岩的性
质相近# 亲水性粘土矿物含量高# 一般#" ;1":#
个别达$":# 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/:# 最大#):- 孔隙率大于):# 最大
达#%&$:# 天然状态单轴抗压强度均不超过$Q8K#
变形模量小于$""Q8K# 一般为#"" ;'""Q8K# 泊
松比一般为"&' 左右# 多为极软岩&
"'$ 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'"2,. 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#"2,.& 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!1= 即碎裂# 泥岩因失水缓
慢# 干缩碎裂进程较长&
"1$ 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 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( ;
!#&(:# 有荷"$"78K$ 膨胀率! ;1:# 膨胀力一般
'" ;)$78K# 最大可达#/"78K# 岩石饱和吸水率#%
;'':# 结合粘土矿物含量# 参考有关标准综合判
断# 泥岩及泥质粉砂岩具弱膨胀性& 有时还具有流
变特性# 表现为岩石的蠕变# 即在较小的应力下变
形随时间逐渐增大的现象&
引洮工程的红层岩类是一种特殊的极软岩类#
从岩石固有的特性来说# 其具有软的特性- 从工程
应用来看# 强度低# 承载力小# 变形大&
('(%红层软岩地基的开挖保护及隧洞围岩的稳
定性
55由于红层软岩中细粒相的极软岩具有遇水膨
胀' 软化崩解' 失水干裂的特性# 作为地基时应清
除强风化层# 并避免浸水和长期暴露" 可预留'"f2
以上的保护层$ # 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"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" 下转第($ 页$
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科研管理水利规划与设计!"#$ 年第% 期
!"#! #"&'()(*+&,--.&#)/!0!1)(&!"#$&"%&"'"