输水隧洞区白垩系地层基本地质特性研究

滕 杰，田建林，裴晓东，李松磊，胡 宁

(1．中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222;2．宁夏水投集团有限公司，宁夏银川 750001;3．上海勘测设计研究院，上海 200000)

0 引言

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程是将固原地区南部六盘山东麓泾河流域地表水，经拦截、调蓄，向北输送到固原中北部干旱缺水地区，属区域性水资源优化配置工程。其中包括输水隧洞11座，单洞长595～10 775 m，总长 35．75 km。除 1#、10#、11#隧洞外，大部分隧洞穿越的主要地层为白垩系六盘山群下统乃家河组(K1n)及马东山组(K1m)泥岩夹少量泥灰岩。输水隧洞穿越地层多以泥岩为主，仅局部夹有少量泥灰岩及泥质页岩，因而对泥岩工程地质特性的研究，对输水隧洞的设计与施工均具有重大意义。

1 主要地质特征

输水隧洞区白垩系六盘山群下统乃家河组(K1n)及马东山组(K1m)地层地貌上属低中山地貌单元，地形起伏较大，山梁与沟谷相间。受风化影响较大，山梁多为浑圆状，无明显山峰与峭壁。地表除不规则分布有风积黄土外，山体上部多分布有全风化的泥岩，生长有低矮灌木;山体下部坡脚多分布有坡残积碎石土，草本植物发育。

马东山组(K1m):岩性以泥岩为主，夹有薄层泥灰岩，泥晶泥状结构，薄层状构造，泥钙质胶结，层理较发育。

乃家河组(K1n):岩性为泥岩夹薄层泥灰岩，泥岩为灰色，薄层状，泥质胶结，抗风化能力弱;泥灰岩多呈灰色、青灰色，薄—中厚层状，多呈隐晶质结构，抗风化能力相对较强，呈陡坎地形和突出状地形。

输水隧洞沿线属于小关山复式背斜的西翼，发育有多个宽缓背斜和宽缓向斜，地层产状以NE10°～30°NW∠8°～10°及 NW340°～345°SW∠15°～20°较多。

工程区地表未发现大规模断裂，洞线附近发育一些小断层，延伸较短。受风化及卸荷影响节理裂隙较发育。

隧洞区白垩系基岩物理风化作用较为强烈，一般强风化厚度10～15 m，弱风化层厚度35～40 m，山脊附近风化深度较缓坡地带要深3～5 m。

2 岩石矿物及化学成分

2．1 岩矿鉴定

输水隧洞区白垩系下统岩石进行岩矿鉴定，其成果表明白垩系乃家河组及马东山组泥岩的组成矿物基本相近。

岩矿鉴定后定名为灰质泥岩或含粉砂灰质泥岩，泥晶泥状结构，薄层状构造。

岩石矿物由方解石与泥质矿物组成，褐铁矿、石英少量。其中泥质矿物含量约58% ～62%，方解石含量为33% ～35%。

泥质矿物:隐晶质—泥状、显微鳞片状，多呈隐晶质—泥状，有隐晶质—胶状褐铁矿渲染，呈 0．1～0．2 mm微层状相对聚集，弱定向分布。

方解石:泥晶状，d≤0．004 mm，与以铁染泥质矿物为主的泥质薄层呈0．1～0．2 mm薄层相间，定向分布。

石英碎屑:次棱角—棱角—尖棱角状，d=0．01～0．1 mm，多数d=0．03 ～0．06 mm，多次生加大重结晶，长轴弱定向排列，多呈微纹状相对聚集，与泥晶方解石—泥状泥质矿物薄层相间，组成岩石之薄层状构造。

褐铁矿:隐晶质胶状，部分呈质点状聚集，不均匀弱定向渲染泥质矿物、方解石。

岩石裂隙发育，沿裂隙为次生方解石呈细脉状充填，零散分布。

2．2 化学分析

采用全岩X射线粉晶衍射、化学成分和差热分析方法对白垩系灰质泥岩化学成分及矿物成分进行分析。

据隧洞岩石常规化学元素分析成果，白垩系泥岩的化学成分主要为 SiO2、CaO、Al2O3、MgO，而 Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中化学成分中SiO2含量约31%～41%，CaO的含量12% ～23%，Al2O3的含量9% ～13%，MgO的含量为4% ～9%;烧失量为10% ～25%，其他化学成分的含量多＜5%。

隧洞岩石微量化学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%，其他微量化学元素含量均 ＜0．1%。

据隧洞岩石全岩X射线粉晶衍射分析成果，隧洞岩石的主要矿物成分黏土、石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、石膏、黄铁矿、方沸石等，其中黏土含量为23．5% ～37．0%、石英含量10．0% ～16．7%、方解石含量为方解石6．5% ～40．3%，少部分含量石膏。黏土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脱石。

3 岩石物理力学性质

3．1 常规物理力学试验

对白垩系下统乃家河组(K1n)泥岩、泥灰岩及马东山组(K1m)泥岩进行块体密度、含水率、吸水率、抗压强度、弹性模量、变形模量、泊松比、抗剪断等常规岩石物理力学性质试验，干及湿(近饱和)状态下的主要物理力学试验成果见表1。

表1 物理力学性质试验成果统计表Table 1 The test results of physical and mechanical properties

白垩系下统地层主要岩性为泥岩及泥灰岩，泥灰岩的抗压强度、变形模量、弹性模量等指标均明显高于泥岩，但泥灰岩主要以夹层的形式分布于泥岩之中，对隧洞的稳定性起不到决定性的作用。因而泥岩的岩体质量对隧洞的稳定性起着控制作用。

泥岩的湿抗压强度为 0．5 ～18．1 MPa，多属软岩［1］。在干燥状态和天然状态下，其单轴抗压强度较高，湿或饱和状态下，其抗压强度明显低于干燥状态和天然状态，同样弹性模量和变形模量也具有相似的规律性，由此可见泥岩属于易软化岩石。

3．2 岩石三轴压缩试验

对输水隧洞的白垩系泥岩分别加压1 MPa、3 MPa、5 MPa进行室内三轴压缩试验成果。据三轴压缩试验成果，综合岩石的单轴抗压强度，在围压为1 MPa时，白垩系泥岩的峰值强度与单轴抗压强度相比并没有明显的提高;当围压为3 MPa时，湿状态下的岩样峰值强度较围压为1 MPa时提高了70%左右，天然状态下的岩样峰值强度较围压为1 MPa时大部分提高了30%左右;当围压为5 MPa时，湿状态下的岩样峰值强度较围压为1 MPa时提高了120% ～140%，天然状态下的岩样峰值强度较围压为1 MPa时大部分提高了60%～100%。总体而言，三轴试验峰值抗压强度具有随围压的增加而增加的特点，但是增加的幅度不大。

3．3 原位变形测试

在白垩系马东山组泥岩夹泥灰岩的平硐内进行原位变形试验，设计试验应力1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，按垂直层面和平行层面两个方向进行加压试验。

垂直层面加压的变形试验，随着试验应力的增加，变形模量及弹性模量均具有逐渐减小的趋势，试验应力为5 MPa时，2组试验的变形模量值为4．43～5．38 GPa，平均为4．90 GPa;弹性模量为 10．05 ～11．69 GPa，平均为 10．87 GPa。

平行层面加压的变形试验，随着试验应力的增加，变形模量及弹性模量均具有逐渐减小的趋势，试验应力为5 MPa时，2组试验的变形模量值为5．82～6．08 GPa，平均为5．95 GPa;弹性模量为 9．72 ～10．97 GPa，平均为 10．35 GPa。

试验应力垂直层面的变形模量较平行层面的略低，而弹性模量值相差较小。

3．4 岩石三轴蠕变试验

隧洞钻孔内的白垩系马东山组泥岩进行三轴蠕变试验，试验共施加了6级荷载，各级应力水平下岩石轴向与径向的瞬时应变、蠕应变以及总应变见表2。

表2 各级应力水平下岩石的轴向、径向瞬时应变、蠕应变以及总应变Table 2 The instantaneous strain，creep strain，total strain of radial strain and axial strain of rocks under different stress levels

根据以上试验成果岩石蠕变具有如下规律:

(1)泥岩的轴向应变、径向应变分为两部分，一部分是瞬时应变，即每级应力水平施加瞬间试样产生的瞬时变形;另一部分是蠕变应变，即在恒定应力水平作用下，试样的变形随时间而增长。在各级应力水平下，轴向和径向蠕变曲线均划分为2个阶段，第一阶段是衰减蠕变阶段，第二阶段是稳定蠕变阶段。

(2)表中试验成果为天然状态下的蠕变，其蠕变量值不大，然而泥岩属软岩，水对其蠕变量的影响显著，对于饱水状态下的蠕变可能有明显增大。

(3)试样轴向和径向的衰减蠕变阶段历时随偏差应力的增加而延长，即应力水平越高，岩石发生衰减蠕变的时间越长。

(4)泥岩试样轴向与径向的瞬时应变、蠕应变以及总应变均随应力水平的增加而增大。在各级应力水平下，轴向的瞬时应变、蠕应变以及总应变始终比径向的瞬时应变、蠕应变以及总应变大。表明在三轴压缩应力状态下，岩石的总体变形以轴向压缩变形为主。在各级应力水平下，径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大。因此，岩石的径向蠕变效应明显。

(5)第一级应力水平下试样的径向瞬时应变、蠕应变均较轴向小很多，主要原因是试样自静水加载开始，轴向以及径向始终处于三向受压状态，岩石材料内部原有的裂隙被压密，孔洞被压缩闭合，而岩石材料本身并未达到受压屈服状态。因此，其径向受围压的约束作用，在较低的应力水平下没有出现较大的变形。

(6)在试验过程中，岩石的轴向蠕变以及径向蠕变均没有出现明显的起始蠕变强度，即在较低的应力水平下，岩石的变形亦随时间而增大。

3．5 岩石膨胀及崩解试验

为了解白垩系泥岩的膨胀性对钻孔岩芯进行侧向约束膨胀、膨胀压力、自由膨胀等试验，泥岩侧向约束膨胀率为 0．04% ～1．08%，平均值为 0．58%，均 ＜3%;膨胀力为4．40 ～62．20 kPa，平均值为 20．6 kPa，均 ＜100 kPa;径向自由膨胀率为0．00% ～1．56%，平均为0．49%;轴向自由膨胀率为 0．02% ～2．92%，平均值为0．61%。均＜30%。

按《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》(DL/T5414—2009)附录W对膨胀岩进行分类，根据膨胀率、膨胀力、自由膨胀率等试验成果综合判断隧洞区白垩系泥岩属非膨胀岩［2］。

据隧洞区白垩系泥岩崩解性试验成果，白垩系泥岩的耐崩解指数为81．14% ～98．82%，平均耐崩解指数为92．47%，参考《软岩巷道支护技术》对隧洞岩石耐崩解性进行评价，多属高—很高的耐久性岩石，部分为中高耐久性岩石。

4 岩体地球物理特性

4．1 钻孔声波测试成果

在隧洞区白垩系下统地层的钻孔内进行孔内声波测试，白垩系泥岩夹泥灰岩地层强风化岩体声波速度平均值为2 409 m/s，动弹性模量平均值为7．04 GPa，完整性系数平均值为0．25;弱风化岩体声波速度平均值为2 293～3 308 m/s，动弹性模量平均值为6．12～18．68 GPa，完整性系数平均值为 0．22 ～ 0．54。微风化—新鲜岩体声波速度平均值为2 816～3 900 m/s，动弹性模量平均值为12．69～28．19 GPa，完整性系数平均值为0．40 ～0．76。

4．2 地震波测试成果

在白垩系马东山组(K1m)泥岩与薄层泥灰岩的平硐内进行地震波测试，测试成果见表3。

表3 岩体地震波测试成果统计表Table 3 The results of seismic tests on the different rock masses

由表可知，白垩系马东山组强风化及弱风化岩体的完整性系数均＜0．15，属破碎岩体;微风化岩体的完整性系数为0．14 ～0．76，平均为 0．37，多属完整性差岩体。主要与岩层多属薄层状构造有关。

4．3 岩块波速随时间的变化

为了解白垩系泥岩岩芯失去围岩应力后的声波速度变化规律，在钻孔自岩芯取出后即进行测试声波速度，然后按照一定的时间间隔进行测试，直至岩芯声波速度稳定为准。

各岩芯声波波速衰降稳定、声波衰降率及岩芯裂开时间间隔等存在一定差异，经过38～66 h左右波速基本稳定，衰降率约15% ～28%。经过66～120 h后岩芯基本碎裂，无法进行声波测试。

钻孔岩芯经过三维卸荷后，声波波速衰减较快，隧洞开挖过程中仅一个方向临空卸荷，虽然其强度衰减不会如此之快，但是隧洞围岩稳定性仍然具有随着开挖卸荷及含水量变化而降低的趋势。

5 结论

根据岩石试验及物探测试成果综合分析，白垩系下统泥岩主要工程地质特性如下:

(1)白垩系泥岩为软岩，易于软化，水的作用对其力学强度影响明显。

(2)具有高的耐久性。两者均具有失水干裂的不良特性。

(3)在保持天然含水状态或三维应力条件下，岩体具有较高的强度。

［1］ GB 50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］．

［2］ DL/T 5414—2009，水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程［S］．