黃河中上游第三系紅層的工程地質特性

張 媛，韓 聰，韋 嫻，韋曉佳（.北方民族大學化學與化學工程學院；.北方民族大學土木工程學院，銀川 7500）

黃河中上游第三系紅層的工程地質特性

張 媛1，韓 聰2，韋 嫻1，韋曉佳1
（1.北方民族大學化學與化學工程學院；2.北方民族大學土木工程學院，銀川 750021）

黃河中上游寧東礦區部分布著厚度較大的第三系紅層軟巖，由于紅層是地質災害容易發生的地層，在工程上具有特殊的性質，為此介紹了第三系紅層的分布情況、成因、特征、工程地質特性同時對紅層地區做了工程地質評價。

黃河中上游；第三系紅層；工程地質特性

第三系紅層廣泛分布在黃河中上游的各省、自治區，其工程地質特性復雜，紅層軟巖的變形特性對于工程建設的穩定性至關重要，寧東礦區局部分布著厚度較大的紅層軟巖，當礦井井筒穿越該層軟巖時，紅層軟巖的力學特性與井筒的安全穩定有直接關系，基于此，本文對黃河中上游寧東礦區新第三系紅層軟巖的工程性質進行了研究，為進一步探尋該地區紅層軟巖對實際工程的影響提出一定理論依據。

1　第三系紅層的分布規律及成因

1.1第三系紅層的分布規律

我國的紅層大多形成于中、新生代漫長的地質歷史時期，沉積的時代主要是三疊紀、侏羅紀、白堊紀、第三紀。我國的第三系紅層分布比較廣泛，主要在西北地區大中型山間盆地、東南地區和中南地區的中小型山間盆地、東部地區大型近海盆地。第三紀紅層總體面積不大，川藏交界地帶、成都平原周緣、湘贛中部及其交界地帶、皖蘇中部及其交界地帶、陜豫鄂交界地帶、河北南部及東南部、西北部的青、甘、寧境內都有分布［1］。由此可以看出在黃河中上游的各省、自治區都分布著大量的第三系紅層。

1.2第三系紅層形成的地質背景和環境條件

在青藏高原大面積隆升的背景下，高原的東南緣發生差異性的塊斷活動，形成了西寧、共和、貴德、化隆等多個內陸湖盆。受喜馬拉雅運動I幕的影響，這些湖盆下沉，接受湖相細粒沉積，由于當時處在氣候炎熱干早的氧化環境，所沉積的地層均呈磚紅色、紫紅色，而且蒸發強烈，所以有大量的鹽份積聚［2］。受到喜馬拉雅運動11幕的影，地殼進一步下沉，盆地仍然斷陷，湖水水域擴大，區域內形成了青海湖。但由于地殼不穩定的運動，使得沉積的厚度無規律，沉積物多為泥巖和砂質泥巖堆積同時夾雜有石膏及芒硝等結晶，伴隨著斷塊活動的構造擠壓作用使地層在重力壓密的過程中經歷了構造擠壓，這樣成巖程度提高。第三紀末期，地殼由區域性下沉又轉為區域性緩慢回升，湖水由深逐漸變淺，并且退出，氣候也由炎熱干燥逐漸轉變為濕潤多雨，地層沉積的大部分是泥巖、砂巖和礫巖河流濱湖相碎屑巖類。在喜馬拉雅運動第四幕區域內差異性的升高、下降繼續，導致了共和、貴德、化隆等盆地分開，湖水外泄、黃河形成、各水系溝通，內陸的湖、盆變為山間盆地［3］，在不同內外應力的綜合作用下，塑造成現如今的地貌構架。

2　第三系紅層的特征

2.1紅層的顏色

紅層的顏色是它的主要標志，它是一種偏紅色的陸相碎屑堆積。由于在成巖過程中有物理化學變化，在成巖過程中沉積環境受各種環境因素變化的影響，因此紅層的顏色也可能會發生一些變化［4］。在一套紅色巖系中在基本的紅色色調上常常夾雜有其它的色調，這成為紅層的一個特色，其中有可能夾有白色、灰白甚至暗色等巖層。同時紅層的顏色和色調還受到其它因素的影響，如紅層巖層的含水量、砂質、膠結物成分、膠結物含量、礫石的原巖成分、礫石的含量、礫石本身的顏色等等這些因素的影響，所以不同地方的紅層，它的顏色在色度和純度都有所差別。

2.2紅層的物質組成

紅層巖性上以粘土巖、粉砂質粘土巖、粘土質粉砂巖、砂巖、砂礫巖為主，局部含薄層石膏或粘土質石膏；它的礦物成份中含有較多的親水性粘土礦物，其中綠泥石含量在10%～22.7%，伊利石含量在6.3%～25%，蒙脫石含量＜15% ，這是紅層巖體遇水膨脹崩解、失水干縮開裂的原因。

化學成份中主要有硅、鋁、鈣、鎂、鉀、鐵的氧化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO及CaO，這些物質以不同的形態存在于不同的顆粒中，對巖石的物理力學性質起著不同的作用。紅層中SiO2及Al2O3相對大量富集，SiO2的含量一般在50%以上，Al2O3含量一般占10%～20%；Fe2O3、CaCO3的含量比較高；K、Na等組分相對含量較少；Fe2O3及其水合物的積聚使得紅層呈現出紅色［5］；有些地方的紅層中含有石膏，巖鹽。在紅層沉積過程作為膠結物的硅質、鐵質及鈣質，它們的含量高低在一定程度上能反應紅層的強度特征；黃河中上游紅層中其膠結物和膠結類型影響著紅層的強度，膠結物的強度從高到低依次為，硅質和鐵質膠結，鈣質膠結，泥質膠結強度最低。

3　紅層的工程地質特性

紅層軟巖的化學成份是影響它的工程性質的主要因素。伊利石、蒙脫石是較強的親水礦物質，這些成份使軟巖遇水容易軟化、吸水后容易膨脹和沙化、失水后容易崩解等，直接影響巖石的強度并導致變形。這也是紅層軟巖的軟化系數較低，工程性質比較差的原因。

黃河中上游第三系紅層的天然密度一般為2.26g/cm3～2.40g/cm3；含水量為5.1%～10.6%；在干燥的環境下紅層抗壓強度相對較高［5］，一般為5 MPa～16 MPa，浸水后它的強度變化比較大，巖石的抗壓強度、抗剪強度會隨著含水量的增大顯著降低，具有顯著的蠕變特性［6］。

紅層中細粒碎屑巖類一般為相對隔水層，為不透水層，而粗粒碎屑巖類則為含水層和透水層，是滲水的通道。紅層中含有的鹽、堿、石膏等可溶性物質受水侵溶容易溶解、體積膨脹造成滲漏［7］；強風化層透水性較強；紅層中地下水對混凝土有侵蝕性。

4　第三系紅層工程地質評價

黃河中上游第三系紅層為埋藏型紅層，該地層具有形成的時代新、成巖作用差、巖性軟弱、強度低、承載力不高，在卸荷或開挖暴露后易受到環境條件的影響，巖體的工程地質性質變化比較大。巖體遇水后表面易膨脹、崩解、軟化，失水后干縮開裂，工程特性發生明顯的改變。在工程地質問題中主要有滑坡、礦業工程中的軟巖變形、突水等，具有一定的隱蔽性［1］。埋藏型紅層區滑坡多沿著覆蓋層與紅層接觸面發生滑動以及覆蓋層中的堆積層滑坡，與煤系地層共生紅層中，由于軟硬相間巖性組合，經常導致礦井井壁變形、巷道突水等工程問題。

［1］郭永春.紅層巖土中水的物理化學效應及其工程應用研究［D］.成都，西南交通大學，2007.

［2］吳凱.隆德縣降雨誘發紅層泥巖坡面泥流形成機理研究［D］.西安:長安大學，2014.

［3］萬宗禮，聶德新，吳曾謀.黃河上游新第三系紅層工程地質特性研究［J］.西北水電，2002（02）:60-63.

［4］彭華，吳志才.關于紅層特點及分布規律的初步探討［J］.中山大學學報（自然科學版），2003，42（05）:109-113.

［5王志兵，唐鵬，王朝陽.紅層的工程地質特性及其邊坡破壞形式［J］.福建建筑，2007，114（12）:94-97.

［6］周傳斌，余頌.黃河上游第三系紅層物理力學指標相關性研究［J］.土工基礎，2010，24（01）:52-54.

［7］余侃柱.甘肅省第三系紅層工程地質特性研究［J］.成都理工學院學報，2001，28（09）:154-156.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.093