陳運東

(重慶市水利規(guī)劃院， 重慶　401147)

侏羅系紅層典型工程地質問題分析

陳運東

(重慶市水利規(guī)劃院， 重慶401147)

【摘要】侏羅系紅層受成巖作用和地下水活動等因素影響，工程應用性質較差，引起的工程地質問題復雜。本文對重慶地區(qū)侏羅系紅層存在的巖溶或類巖溶滲漏、卸荷回彈、水巖作用和岸坡穩(wěn)定等工程地質問題進行了分析與總結，并提出了相關建議。

【關鍵詞】侏羅系紅層； 工程地質； 問題分析

1前言

重慶市以山地為主，山地面積約占幅員面積的75%，平壩僅占2.4%；區(qū)內地層出露齊全，除第三系外，從震旦系至第四系均有出露，其中侏羅系紅層分布面積最為廣闊，約占全市幅員面積的51%，集中分布于齊耀山基底斷裂以西，沙市隱伏斷裂以南的大片區(qū)域，主要有珍珠沖組、自流井組、新田溝組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組，其中自流井組又分東岳廟、馬鞍山和大安寨3段。侏羅系是廣義“紅層”的主要組成部分，其巖性主要由泥質巖、砂巖、灰?guī)r等組成，其間有石膏、鐵礦等分布。截至2011年底，全市建成各類水庫2852座，其中大型水庫16座，中型水庫87座。7座大型水庫位于侏羅系紅層，占大型水庫總數的42%；中型水庫59座，占已成中型水庫總數的67.8%。近期規(guī)劃的水庫工程58%以上分布于該“紅層” 區(qū)內，本文梳理分析了工程中遇到的一些典型工程地質問題，對重慶市內水利水電工程的勘察設計與管理具有重要意義。

2典型工程地質問題分析

重慶市侏羅系紅層分布面積廣而集中，除城口、秀山、酉陽、黔江等區(qū)縣基本無該層分布外，其他36個區(qū)縣均有較大范圍出露(見下頁圖1)。巖性上主要有泥質巖、砂巖和灰?guī)r等，泥質巖及部分砂巖為飽和抗壓強度一般小于30MPa的軟巖，僅灰?guī)r和部分砂巖飽和抗壓強度可達30MPa以上，且分布范圍小，如：下統自流井組灰?guī)r、中統沙溪廟底部關口砂巖等。中統沙溪廟組、新田溝組等地層中有石膏等可溶物分布，溶蝕后可能導致壩基巖體滲漏，這些可溶物溶濾后會改變地下水化學成分，增強地下水腐蝕性。下統自流井組地層中有灰?guī)r分布，其溶蝕后往往成為水庫滲漏的通道。上統遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組由泥巖和中厚層砂巖組成，該地層往往構成向斜的核部，巖層傾角水平，河床巖性常由厚層砂巖夾泥巖組成，這些特性決定了侏羅系紅層存在較復雜的工程地質問題，如：巖溶或類巖溶滲漏、卸荷回彈、岸坡穩(wěn)定等，現就這些工程地質問題作簡要分析。

圖1　重慶市侏羅系地層分布示意圖1—省界；2—侏羅系分布區(qū)；3—區(qū)縣所在地

2.1巖溶滲漏問題

侏羅系下統自流井組分為大安寨、馬鞍山和東岳廟3段，其巖性除泥質巖外，還有介殼灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及泥質灰?guī)r分布，灰?guī)r總厚度大于150m，構造上為褶皺的翼部，巖層傾角40°～65°，層間溶蝕作用明顯，若庫區(qū)存在低鄰谷等情況時，其滲漏問題需要加倍關注。層間巖溶通道是否產生滲漏，是評價成庫條件好壞的重要因素，有的工程雖已建成，但因巖溶滲漏問題的存在，影響了工程效益的發(fā)揮。墊江石路口水庫庫區(qū)為橫向谷，分布有自流井組大安寨段生物碎屑灰?guī)r，厚度30～35m，巖層陡傾下游，在距庫區(qū)右岸約1km處灰?guī)r被低谷切割，庫水以下降泉的形式在灰?guī)r中出露，滲漏流量隨庫水位高低變化，一般為10～15L/s。通過防滲整治后流量明顯減小，但尚不徹底。因此在類似區(qū)域開展工程勘察設計時要查明其巖溶水文地質條件，評價產生滲漏的可能性。

2.2“類巖溶”問題

侏羅系中統新田溝組、沙溪廟組地層中分布有石膏等可溶鹽，工程實踐中發(fā)現厚度一般為1～11mm不等，多沿砂巖或泥巖層間呈脈狀分布，其溶蝕作用有的稱“類巖溶”，對工程的危害性不可小視。

a.石膏在溶蝕作用下呈“類巖溶”狀態(tài)，一方面已經成為了貫通性的溶蝕裂隙，無疑為壩基巖體滲漏提供了通道；另一方面，勘察時未發(fā)現溶蝕的石膏層，需分析水庫形成后，原有水文地質條件發(fā)生改變，并在滲透水壓的反復作用下，造成石膏層的溶蝕而引起水庫巖溶性滲漏的可能性，提出相應的對策措施。在奉節(jié)草坪水庫下壩址鉆探中，當右岸ZK4孔鉆至約80m深時，發(fā)現鉆孔沖洗液從距離88m遠的河床鉆孔ZK1冒出，從兩個孔的巖芯編錄和壓水試驗看，沖洗液串孔段均為侏羅系中統新田溝組砂巖，ZK1孔5～8m、ZK4孔78～81m孔深范圍內沿不同層面分布有多層石膏層，厚度2～3mm不等，且有溶蝕現象，含石膏層孔段滲透率明顯高于相鄰的孔段(見圖2)，對之采用灌漿等工程措施予以處理。

圖2　鉆孔沖洗液沿層間溶蝕裂隙滲流示意圖(據勘察資料改編)1—第四系人工填土;2—第四系坡殘積層;3—侏羅系中統新田溝組;4—砂巖;5—泥巖;6—透水率;7—水滲流方向

大足玉灘水庫壩基也存在石膏層，在壩址區(qū)，巖體中多見有石膏脈，石膏脈主要發(fā)育在壩基下的J2s2-2砂巖中，其次為J2s2-1泥巖、粉砂巖中；空間上方向性不明顯，單層厚度較薄，一般延伸長度不大，局部延伸長度較長；部分有風化溶蝕現象，但規(guī)模都較小。雖未對其采取專門措施，但在工程蓄水后要關注石膏層的溶蝕及是否引起滲漏等問題。

b.“類巖溶”破壞巖體結構，影響其整體性，從而降低壩基巖體質量、削弱洞室的穩(wěn)定性。某水庫發(fā)現一洞室，其圍巖地層巖性為侏羅系中統新田溝組巨厚層狀石英砂巖，兩組垂直裂隙較發(fā)育，在距地表6～15m范圍內沿層分布有3～11mm厚石膏，局部有芒硝，洞總長約850m，洞內可見石鐘乳等典型的可溶鹽溶蝕后的產物，“類巖溶”作用明顯，與此相伴的是圍巖失穩(wěn)、塌頂強烈，“類巖溶”等地質作用不斷地使圍巖的穩(wěn)定性更加惡化。

2.3卸荷回彈問題

在向斜近核部地帶建設水壩時，河床為傾角近于水平巖層，壩基基坑開挖到一定深度時往往會產生一定程度的卸荷回彈，使基坑淺層巖體產生結構面張開或新的微細裂隙，破壞巖體的完整性，加重其滲透性。如：其水電站河床壩基為侏羅系沙溪廟組厚層砂巖，巖層近水平，在基坑開挖接近設計深度時，基槽表部巖體因卸荷作用有松弛現象，錘擊時始終呈“空響”聲，基坑表部總存在松動巖塊；其水庫河床地帶巖性為侏羅系上統遂寧組灰白色、灰色、巨厚層狀細粒長石石英砂巖，傾向右岸偏上游，傾角8°～12°，本層厚度18.7～20.36m，在壩基河床段開挖時出現表部巖體裂隙張開并產生新的微細裂隙。經分析上述兩個工程均系壩基開挖卸荷回彈所致，后經工程措施處理效果良好。

2.4水巖作用問題

侏羅系地層中泥巖、粉砂巖分布廣泛、強度低，飽和抗壓強度小于5MPa的極軟巖占相當比例，其孔隙率、吸水率高，具有明顯的遇水易軟化等特點，在水的長期浸泡下泥質巖的軟化系數更是存在不斷變小的現象，通過對重慶5座水電站庫岸侏羅系中統沙溪廟組弱風化泥巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖進行取樣試驗，發(fā)現這些庫岸巖體經過50～60年的浸泡后，巖石的軟化系數較工程初設報告中軟化系數降低了20%～30%，說明侏羅系軟巖水巖作用的時效性對工程的影響不可忽視，在巖石取樣試驗及地質力學參數選取中應該充分考慮這一因素。

2.5岸坡穩(wěn)定問題

圖3　典型岸坡結構示意圖

巖性組合上，侏羅系紅層區(qū)主要由砂巖、泥質巖及其互層組成，力學性質上呈現軟硬相間；地形上，這種巖體構成的岸坡，因不同巖體的差異風化，砂巖多以陡坎、陡坡地形為主，泥質巖則形成斜坡，因其所處構造部位、岸坡結構、巖層產狀與坡向的關系及臨空情況等諸多因素的不同，岸坡破壞模式呈多樣性，在工程實踐中遇到較多的主要有兩類：?中陡傾角巖層組成的順向岸坡，其構造位置一般位于褶皺的兩翼，地層為侏羅系中統和下統砂巖和泥質巖，在風化、卸荷和降雨等因素作用下，砂巖與泥巖在地下水較活躍地帶往往接觸產生泥化，并在其他因素的疊加下，岸坡常產生蠕動變形或順層滑坡(見圖3(1))，如：綦江河某水電站水庫左岸岸坡的蠕動變形即為這種岸坡結構。?由近水平巖層組成的具軟弱基座岸坡，即“上砂巖下泥巖”岸坡，構造位置位于向斜核部地帶，由侏羅系上統遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組砂巖、泥巖組成，泥巖因強度低、易風化變形，成為砂巖的軟弱基座，砂巖疊加其上，坡度陡峻，垂直的構造裂隙、卸荷裂隙有所發(fā)育，在各種自然應力作用下，砂巖可能處于欠穩(wěn)定狀態(tài)最終產生崩塌(見上頁圖3(2))，如：綦江清溪河某水電站庫區(qū)岸坡巖體變形失穩(wěn)等。

3建議

侏羅系紅層由于其物質組成、結構特點、物理力學性質及水理性質等方面特點，決定其工程地質問題具有復雜性和獨特性，對此，提出以下建議。

a.加強工程勘察的針對性，對于大型工程要采取綜合勘察手段，大口徑鉆探的應用能夠直觀查明重點地段軟巖結構與物理力學特性。在取樣、試驗和關鍵力學參數取值時要注意區(qū)分地下水位以上和以下兩種情況；在飽和試驗時，要注意區(qū)分這兩類樣，分別處理；巖石力學參數建議對試驗成果分水上、水下兩種情況分別統計，在考慮水巖作用情況下用不同的折減系數打折后給出巖石力學參數建議值。

b.壩基巖體中存在石膏等易溶礦物，對其特性、溶蝕作用做深入研究，對已成大壩壩基滲流及其化學成分要加強監(jiān)測，進一步評估對壩基巖體結構、滲漏及地下水腐蝕性等方面的影響。

c.侏羅系巖體具有暴露在空氣中易風化、遇水易軟化等不良工程地質特點，基坑開挖后要及時采取封閉措施。

d.加強工程監(jiān)測，對工程驗收中存在的與工程地質相關的遺留問題要重點予以監(jiān)測，并及時整理分析相關資料，對運行情況進行評價。

參考文獻

[1]李月美,等.重慶長壽地區(qū)紅層水巖作用時效性實驗研究[J].地質災害與環(huán)境保護,2009,20(2)：71-73.

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[3]劉特洪,等.軟巖工程設計理論與施工實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001.

中圖分類號：TV221

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)02-0024-04

Analysis of Typical Geological Problems in Jurassic Red Bed

CHEN Yun-dong

(ChongqingWaterResourcesPlanningInstitute,Chongqing401147,China)

Abstract：Jurassic red bed is affected by diagenesis, groundwater activities and other factors. The project is characterized by poor engineering application property, thereby leading to complicated engineering geological problems. In the paper, Chongqing Jurassic red bed has engineering geological problems of karst or similar karst leakage, unloading rebound, water-rock interaction, bank slope stability, etc., which are analyzed and summarized. Relevant recommendations are proposed.

Keywords：Jurassic red bed; engineering geology; problem analysis