滕 杰，田建林，裴曉東，李松磊，胡 寧

(1．中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222;2．寧夏水投集團有限公司，寧夏銀川 750001;3．上海勘測設計研究院，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)南部六盤山東麓涇河流域地表水，經(jīng)攔截、調蓄，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595～10 775 m，總長 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及泥質頁巖，因而對泥巖工程地質特性的研究，對輸水隧洞的設計與施工均具有重大意義。

1 主要地質特征

輸水隧洞區(qū)白堊系六盤山群下統(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。受風化影響較大，山梁多為渾圓狀，無明顯山峰與峭壁。地表除不規(guī)則分布有風積黃土外，山體上部多分布有全風化的泥巖，生長有低矮灌木;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，泥晶泥狀結構，薄層狀構造，泥鈣質膠結，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，泥質膠結，抗風化能力弱;泥灰?guī)r多呈灰色、青灰色，薄—中厚層狀，多呈隱晶質結構，抗風化能力相對較強，呈陡坎地形和突出狀地形。

輸水隧洞沿線屬于小關山復式背斜的西翼，發(fā)育有多個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)白堊系基巖物理風化作用較為強烈，一般強風化厚度10～15 m，弱風化層厚度35～40 m，山脊附近風化深度較緩坡地帶要深3～5 m。

2 巖石礦物及化學成分

2．1 巖礦鑒定

輸水隧洞區(qū)白堊系下統(tǒng)巖石進行巖礦鑒定，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泥巖或含粉砂灰質泥巖，泥晶泥狀結構，薄層狀構造。

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

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

方解石:泥晶狀，d≤0．004 mm，與以鐵染泥質礦物為主的泥質薄層呈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，多次生加大重結晶，長軸弱定向排列，多呈微紋狀相對聚集，與泥晶方解石—泥狀泥質礦物薄層相間，組成巖石之薄層狀構造。

褐鐵礦:隱晶質膠狀，部分呈質點狀聚集，不均勻弱定向渲染泥質礦物、方解石。

巖石裂隙發(fā)育，沿裂隙為次生方解石呈細脈狀充填，零散分布。

2．2 化學分析

采用全巖X射線粉晶衍射、化學成分和差熱分析方法對白堊系灰質泥巖化學成分及礦物成分進行分析。

據(jù)隧洞巖石常規(guī)化學元素分析成果，白堊系泥巖的化學成分主要為 SiO2、CaO、Al2O3、MgO，而 Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中化學成分中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%，其他化學成分的含量多＜5%。

隧洞巖石微量化學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、鉀長石、斜長石、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 巖石物理力學性質

3．1 常規(guī)物理力學試驗

對白堊系下統(tǒng)乃家河組(K1n)泥巖、泥灰?guī)r及馬東山組(K1m)泥巖進行塊體密度、含水率、吸水率、抗壓強度、彈性模量、變形模量、泊松比、抗剪斷等常規(guī)巖石物理力學性質試驗，干及濕(近飽和)狀態(tài)下的主要物理力學試驗成果見表1。

表1 物理力學性質試驗成果統(tǒng)計表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的抗壓強度、變形模量、彈性模量等指標均明顯高于泥巖，但泥灰?guī)r主要以夾層的形式分布于泥巖之中，對隧洞的穩(wěn)定性起不到?jīng)Q定性的作用。因而泥巖的巖體質量對隧洞的穩(wěn)定性起著控制作用。

泥巖的濕抗壓強度為 0．5 ～18．1 MPa，多屬軟巖［1］。在干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)下，其單軸抗壓強度較高，濕或飽和狀態(tài)下，其抗壓強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，由此可見泥巖屬于易軟化巖石。

3．2 巖石三軸壓縮試驗

對輸水隧洞的白堊系泥巖分別加壓1 MPa、3 MPa、5 MPa進行室內三軸壓縮試驗成果。據(jù)三軸壓縮試驗成果，綜合巖石的單軸抗壓強度，在圍壓為1 MPa時，白堊系泥巖的峰值強度與單軸抗壓強度相比并沒有明顯的提高;當圍壓為3 MPa時，濕狀態(tài)下的巖樣峰值強度較圍壓為1 MPa時提高了70%左右，天然狀態(tài)下的巖樣峰值強度較圍壓為1 MPa時大部分提高了30%左右;當圍壓為5 MPa時，濕狀態(tài)下的巖樣峰值強度較圍壓為1 MPa時提高了120% ～140%，天然狀態(tài)下的巖樣峰值強度較圍壓為1 MPa時大部分提高了60%～100%?？傮w而言，三軸試驗峰值抗壓強度具有隨圍壓的增加而增加的特點，但是增加的幅度不大。

3．3 原位變形測試

在白堊系馬東山組泥巖夾泥灰?guī)r的平硐內進行原位變形試驗，設計試驗應力1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，按垂直層面和平行層面兩個方向進行加壓試驗。

垂直層面加壓的變形試驗，隨著試驗應力的增加，變形模量及彈性模量均具有逐漸減小的趨勢，試驗應力為5 MPa時，2組試驗的變形模量值為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，隨著試驗應力的增加，變形模量及彈性模量均具有逐漸減小的趨勢，試驗應力為5 MPa時，2組試驗的變形模量值為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。

試驗應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 巖石三軸蠕變試驗

隧洞鉆孔內的白堊系馬東山組泥巖進行三軸蠕變試驗，試驗共施加了6級荷載，各級應力水平下巖石軸向與徑向的瞬時應變、蠕應變以及總應變見表2。

表2 各級應力水平下巖石的軸向、徑向瞬時應變、蠕應變以及總應變Table 2 The instantaneous strain，creep strain，total strain of radial strain and axial strain of rocks under different stress levels

根據(jù)以上試驗成果巖石蠕變具有如下規(guī)律:

(1)泥巖的軸向應變、徑向應變分為兩部分，一部分是瞬時應變，即每級應力水平施加瞬間試樣產(chǎn)生的瞬時變形;另一部分是蠕變應變，即在恒定應力水平作用下，試樣的變形隨時間而增長。在各級應力水平下，軸向和徑向蠕變曲線均劃分為2個階段，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，水對其蠕變量的影響顯著，對于飽水狀態(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隨偏差應力的增加而延長，即應力水平越高，巖石發(fā)生衰減蠕變的時間越長。

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

(5)第一級應力水平下試樣的徑向瞬時應變、蠕應變均較軸向小很多，主要原因是試樣自靜水加載開始，軸向以及徑向始終處于三向受壓狀態(tài)，巖石材料內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，在較低的應力水平下沒有出現(xiàn)較大的變形。

(6)在試驗過程中，巖石的軸向蠕變以及徑向蠕變均沒有出現(xiàn)明顯的起始蠕變強度，即在較低的應力水平下，巖石的變形亦隨時間而增大。

3．5 巖石膨脹及崩解試驗

為了解白堊系泥巖的膨脹性對鉆孔巖芯進行側向約束膨脹、膨脹壓力、自由膨脹等試驗，泥巖側向約束膨脹率為 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勘察技術規(guī)程》(DL/T5414—2009)附錄W對膨脹巖進行分類，根據(jù)膨脹率、膨脹力、自由膨脹率等試驗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《軟巖巷道支護技術》對隧洞巖石耐崩解性進行評價，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 鉆孔聲波測試成果

在隧洞區(qū)白堊系下統(tǒng)地層的鉆孔內進行孔內聲波測試，白堊系泥巖夾泥灰?guī)r地層強風化巖體聲波速度平均值為2 409 m/s，動彈性模量平均值為7．04 GPa，完整性系數(shù)平均值為0．25;弱風化巖體聲波速度平均值為2 293～3 308 m/s，動彈性模量平均值為6．12～18．68 GPa，完整性系數(shù)平均值為 0．22 ～ 0．54。微風化—新鮮巖體聲波速度平均值為2 816～3 900 m/s，動彈性模量平均值為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的平硐內進行地震波測試，測試成果見表3。

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

由表可知，白堊系馬東山組強風化及弱風化巖體的完整性系數(shù)均＜0．15，屬破碎巖體;微風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造有關。

4．3 巖塊波速隨時間的變化

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

各巖芯聲波波速衰降穩(wěn)定、聲波衰降率及巖芯裂開時間間隔等存在一定差異，經(jīng)過38～66 h左右波速基本穩(wěn)定，衰降率約15% ～28%。經(jīng)過66～120 h后巖芯基本碎裂，無法進行聲波測試。

鉆孔巖芯經(jīng)過三維卸荷后，聲波波速衰減較快，隧洞開挖過程中僅一個方向臨空卸荷，雖然其強度衰減不會如此之快，但是隧洞圍巖穩(wěn)定性仍然具有隨著開挖卸荷及含水量變化而降低的趨勢。

5 結論

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

(1)白堊系泥巖為軟巖，易于軟化，水的作用對其力學強度影響明顯。

(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)或三維應力條件下，巖體具有較高的強度。

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

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