臨夏盆地新近系極軟巖工程地質特性
——以臨夏州供水保障生態保護水源置換工程為例

劉楊威

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

臨夏州供水保障生態保護水源置換工程位于甘肅中南部，是解決臨夏州康樂、廣河、和政、東鄉、臨夏縣和臨夏市6個縣(市)城鄉生活、工業生產及北塬區農業灌溉供水，以集中水源置換區域現有分散水源，實現區域供水安全保障和生態修復，為臨夏州黃河流域生態保護和高質量發展提供水資源支撐的水源置換工程，是一項長距離跨流域調水工程。線路建筑物以隧洞為主，連接段采用倒虹吸、暗渠等建筑物，總長約110 km。本工程設計引水流量11.5 m3/s，年引水量1.92億 m3，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物工程級別為2級。

1 基本工程地質條件

1.1 地形地貌

工程區總干線中后段的康樂縣—和政縣—臨夏縣—臨夏市的廣闊地域，屬中、新生代斷陷盆地，區內黃土廣泛覆蓋，溝壑縱，地形較破碎，樹枝狀橫水系發育，山梁走向受溝谷控制，地形趨緩，山體渾圓。區內洮河及大夏河支流大致由西南流向東北，地勢總體西南高東北低，高程2 000～2 800 m，相對高差100～300 m，總體形成黃土低中山梁峁與河(溝)谷相間的地貌景觀。

1.2 地層巖性

工程區涉及到新近系臨夏組(N2l)和第四系地層。新近系臨夏組可分為四個巖性段：第一、二巖性段(N2l1-2)分布于東線脫甲山、劉家河、堡子溝，巖性為褐紅色礫巖、砂礫巖、砂巖及砂質泥巖互層，巖層單層厚20～40 cm，部分礫巖單層厚大于50 cm，總體呈中厚～厚層狀，該段厚56～534 m。第三巖性段(N2l3)為紫紅色砂質泥巖、泥質粉(細)砂巖夾疏松砂巖和砂礫巖[1]，其巖相變化劇烈，總體呈中厚—厚層狀，局部為薄層狀。第四巖性段(N2l4)為磚紅色泥巖、砂質泥巖[2]夾砂礫巖及薄層疏松砂巖，厚度大于354 m。第四系地層主要為黃土類土堆積，其次為河谷及山前盆地堆積，與工程關系較為密切的有中～上更新統洪積、風積、沖洪積物以及全新統沖洪積、洪積、坡積物，巖性主要為離石黃土、粉質粘土、馬蘭黃土、粉質壤土、砂壤土以及砂(卵)礫石等。

1.3 地質構造及地震

1.3.1 地質構造

工程區構造體系屬西秦嶺褶皺帶，總干線跨越區域較大，其分段所處構造體系的差異，造成構造特征和構造影響程度的不同。以秦嶺北緣斷裂為界，南為西秦嶺褶皺帶，北為中、新生代斷陷盆地。西秦嶺褶皺帶斷層、褶皺發育，中、新生代盆地，盆地新生代地層中構造不發育，受構造作用輕微，斷裂不發育，構造以舒緩開闊式褶皺為主。

1.3.2 地震及地震動參數

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，工程區50年超越概率為10%時地震動峰值加速度為0.15～0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.40～0.45 s，相應地震基本烈度Ⅶ度，區域構造穩定性較差。

1.4 物理地質現象

臨夏盆地巖性軟弱，主要的不良物理地質現象為滑坡，另外在一些沖切溝溝腦，黃土喀斯特較發育。該區大型滑坡多為推移式基巖滑坡，滑坡呈圈椅狀，后緣滑壁陡峭，前緣發育溝道、河流，現狀滑坡處極限穩定狀態，前緣因溝道切割及坡水、洪水沖蝕，穩定性差，有小規模解體滑塌現象。區內小型黃土滑塌、基巖淺層滑坡、土溜體發育。溝腦、梁坡部位，穩定性差，遇強降雨，常有表層滑塌、土溜等現象，和政至臨夏一帶較多見。工程總干線多穿越該區，滑坡對隧洞進出口的選擇影響較大。在線路的選線中，盡量避開了大、中型滑坡，但是小型滑坡在線路中時有分布。當建筑物布置到滑坡體上時，應將建筑物基礎深入到滑動面以下的穩定巖土體上，并對滑坡體采取防護措施，避免再次滑動。

1.5 水文地質條件

工程區處在洮河、大夏河兩大流域，分水嶺位于和政縣南陽山，引水線路經過的洮河主要支流有胭脂河、蘇家集河、南溝、牙塘河，經過的大夏河主要支流有牛津河、榆林溝、槐樹關河，地表水系發育，地表水資源的補給以降水補給為主。地表水和地下水水質均屬低礦化度淡水，無硫酸鹽腐蝕性，水質良好。

2 極軟巖工程地質特性

2.1 新近系臨夏組第一、二段(N2l1-2)巖性工程地質特性

新近系臨夏組第一、二段(N2l1-2)分布于東線脫甲山、劉家河、堡子溝，東線4#洞出口至5#洞進口為該套地層。巖性為褐紅色砂礫巖、含礫砂巖及泥質砂巖，主要物理力學指標見表1。

表1 新近系臨夏組巖石主要物理性質試驗成果表

2.1.1 物理性質[3]

砂礫巖：以鈣質膠結為主，巖體呈厚層狀結構，裂隙不發育，較為完整。遇水軟化且少量崩解。其顆粒組成：60～2 mm占31.8%～65.3%，2～0.5 mm占12%～14.1%，0.5～0.25 mm占4.4%～8.1%，0.25～0.075 mm占2.5%～14.3%，<0.075 mm占12.9%～20%。干密度2.1～2.3 g/cm3，平均值2.2 g/cm3，含水量12.6%，孔隙率5.5%，孔隙率低。鉆孔巖芯特征：鉆進過程中機械破壞嚴重，巖芯多呈散體狀，少量呈短柱狀。巖芯遇水后有軟化現象，僅局部有崩解現象。

泥質砂巖：泥質膠結，中厚層狀結構，裂隙不發育，巖體結構完整。干密度2.12～2.36 g/cm3，平均值2.15 g/cm3，含水量6%～15%，平均值9.7%，孔隙率23.2%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長度15～20 cm，最長約100 cm。巖芯遇水后有軟化現象且部分崩解，浸水一定時間均100%崩解成泥狀、碎塊狀，全部崩解所需時間不一，一般2～3 h，水理性質較差。

2.1.2 力學性質

砂礫巖、含礫砂巖：天然狀態抗壓強度9.2～26 MPa，均值18.5 MPa，凝聚力0.5～0.6 MPa，平均值0.55 MPa，內摩擦角34°～38°，平均值36°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在2.4～3.9 Lu。砂礫巖屬極軟巖，抗剪強度低，弱透水。

泥質砂巖：天然狀態抗壓強度3.8～9.2 MPa，平均值6.7 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，內摩擦角32°～34°，平均值33°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在0.6～2.2 Lu之間。屬極軟巖，抗剪強度較低，巖體透水性差，具微—弱透水性。

總之，第一、二段(N2l1-2)巖性均屬極軟巖，顆粒組成以粗顆粒為主，砂礫巖強度高于泥質砂巖，二者膠結程度不一，總體上膠結程度較差，遇水易軟化、崩解，水理性質差，砂礫巖透水性強于泥質砂巖，工程地質性質差。

2.2 新近系臨夏組第三段(N2l3)巖性工程地質特性

主要分布于牛津河以西，構成18#隧洞后段至22#隧洞圍巖及連接段部分基礎持力層，巖性主要為砂質泥巖夾泥質粉砂巖、泥巖，偶夾疏松砂巖及砂礫巖。

2.2.1 物理性質

砂質泥巖：泥質膠結，膠結程度較差，厚層狀結構，裂隙不發育，巖體結構完整。其顆粒組成：>0.075 mm的砂占17.2%～20.5%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～50.7%，≤0.005 mm的粘粒含量占30.7%～32.1%。干密度1.8～2.16 g/cm3，平均值1.90 g/cm3，含水量10.1%～18.3%，平均值14.1%，孔隙率31.75%～33.46%，平均值32.6%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長度20～30 cm，最長約150 cm，巖芯遇水后有軟化現象明顯且崩解現象較為明顯。砂質泥巖膠結程度差，顆粒較細，含有親水性黏土礦物及較大的比表面積，遇水后具有極強崩解特性，在不到30 min的時間內即全部崩解為泥砂狀，水理性質差。

泥質砂巖：為夾層，夾層厚度一般0.5～1 m，最大3.2 m，泥質膠結，膠結程度差，中厚層狀結構，裂隙不發育，巖體較完整。干密度1.91～2.12 g/cm3，平均值2.0，含水量7.2%～18.4%，平均值11.7%，孔隙率25%～32.93%，平均值28.12%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長度20～40 cm，最長約120 cm。浸水一定時間均100%崩解成泥狀、碎塊狀，全部崩解所需時間不一，一般3 h，水理性質差。

2.2.2 力學性質

砂質泥巖：天然狀態抗壓強度2.0～3.3 MPa，均值2.7 MPa，凝聚力0.08～0.15 MPa，平均值0.12 MPa，內摩擦角28°～32°，平均值30°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在0.4～1.66 Lu之間。砂質泥巖屬極軟巖，強度低，微—弱透水。

泥質砂巖：天然狀態抗壓強度3.9～7.8 MPa，平均值6.4 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，內摩擦角32°～34°，平均值33°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在1.75～2.22 Lu之間，屬弱透水巖體[4]。

根據本次勘察成果，并結合引洮供水一期工程[9]勘察經驗，第三段(N2l3)巖性比第一、二段(N2l1-2)干密度小，一般小于2.2 g/cm3，最小為1.8 g/cm3；天然含水量較大，一般大于7%，最大達18.3%；孔隙率較大，遠大于硬巖，小于密實的土類，一般25%左右。該巖組極軟巖膠結程度較第一、二段(N2l1-2)巖性差，顆粒較細，泥質砂巖強度高于砂質泥巖，砂質泥巖含有親水性黏土礦物較泥質砂巖多，遇水后具有強崩解特性[5]，砂質泥巖在不到30 min的時間內即全部崩解為泥砂狀，泥質砂巖全部崩解所需時間不一，一般3 h，二者水理性質差。通過試驗觀察，極軟巖全部崩解所用的時間有所不同，崩解時間的快慢與其含水狀況和風化程度有關，一般天然含水量大，則全部崩解所用的時間較長，相反在含水量較小或干燥情況下遇水則迅速崩解，全部崩解時間一般不超過10 min。

2.3 新近系臨夏組第四段(N2l4)巖性工程地質特性

分布于蘇集河至牛津河之間，構成13#隧洞至18#隧洞前段圍巖，巖性主要為泥巖，局部夾砂質泥巖、砂礫巖及疏松砂巖[9]。

2.3.1 物理性質

泥巖：泥質膠結，膠結程度差，厚層狀結構，裂隙不發育，巖體結構完整。其顆粒組成：> 0.075 mm的砂占4.9%～14.9%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～62.3%，≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%。干密度1.75～1.80 g/cm3，平均值1.78 g/cm3，含水量19.3%～25.1%，平均值21.1%。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈柱狀，一般長度20～40 cm，最長約160 cm，巖芯遇水后有軟化現象明顯且崩解現象明顯。泥巖膠結程度差[6]，顆粒細，含有親水性黏土礦物及較大的比表面積，遇水后具有極強崩解特性，在不到30 min的時間內即全部崩解為泥狀，水理性質差。對照有關標準，其≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%，無荷載膨脹率8.7%～9.1%，不具有膨脹性。

砂質泥巖：為夾層，厚度一般0.5～1.5 m，泥質膠結，中厚層狀，裂隙不發育，巖體結構完整。其顆粒組成：>0.075 mm的砂占8.0%～14.8%，0.075～0.005 mm粉粒占59.1%～76.8%，≤0.005 mm的粘粒含量占15.2%～26.1%。干密度1.75～1.99 g/cm3，平均值1.82，含水量5.2%～21.6%，平均值16.8%，孔隙率25.19%～36.99%，平均值31.93%。浸水后在不到30 min的時間內即全部崩解為泥砂狀，水理性質差。其無荷載膨脹率0.52%，對照有關標準，無膨脹性。

砂礫巖：為夾層，一般厚度1～2 m，厚者達5 m，泥質膠結為主，膠結程度差，鉆孔巖心呈砂礫狀，局部為泥鈣質膠結，膠結程度較好，鉆孔巖心呈短柱狀、柱狀。其顆粒組成：>2 mm的礫石占65.3%，2～0.075 mm的砂占18.9%，≤0.075 mm粉粘粒占12.9%。干密度1.82～1.92 g/cm3，平均值1.87 g/cm3，含水量13.3%～18.6%，平均值15.73%。

疏松砂巖：為夾層，主要分布在13#～18#隧洞，厚度一般0.5～2 m，厚者達5 m，泥質膠結，膠結程度差，鉆孔巖心為砂狀。其顆粒組成：>2 mm的礫石占8.1%，2～0.075 mm的砂占54.6%，0.075～0.005 mm粉粒占25%，≤0.005 mm的粘粒含量占12.3%。

2.3.2 力學性質

泥巖：天然狀態抗壓強度0.4～0.75 MPa，均值0.51 MPa，凝聚力0.07～0.12 MPa，平均值0.10 MPa，內摩擦角28°～33°，平均值30°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在0.45～2.77 Lu之間。泥巖屬極軟巖，強度低，屬微～弱透水。

砂質泥巖：天然狀態抗壓強度0.8～2.8 MPa，平均值1.5 MPa，凝聚力0.08～0.20 MPa，平均值0.12 MPa，內摩擦角30°～33°，平均值32°。根據鉆孔壓水試驗，其透水率在1.7～2.3 Lu之間，屬弱透水。

砂礫巖：天然狀態抗壓強度0.2～1 MPa，平均值0.51 MPa，根據鉆孔壓水試驗，其透水率在2.97～7.27 Lu之間，屬弱透水。

根據本次勘察成果，第四段(N2l4)巖性比第三段(N2l3)巖性干密度小，一般小于2.0 g/cm3，最小為1.72 g/cm3，略高于老黃土；天然含水量較大，一般大于10%，最大達25.1%；孔隙率較大，遠大于硬巖，小于密實的土類，一般30%左右。該巖組極軟巖膠結程度較第三段(N2l3)巖性差，顆粒較細，強度低[7]。砂質泥巖強度高于泥巖，砂礫巖和疏松砂巖膠結差，基本為散體狀，強度很低。該巖組含有親水性黏土礦物較泥質砂巖多，遇水后具有極強崩解特性，在不到30 min的時間內即全部崩解為泥砂狀，水理性質差。

3 極軟巖隧洞的工程地質問題分析評價及建議

極軟巖構成的隧洞圍巖巖體一般較完整，其圍巖穩定性取決于巖石強度性質、所處應力環境及地下水滲流。根據現行圍巖分類標準，由極軟巖構成的圍巖均為極不穩定的Ⅴ類圍巖。以上各巖組由于工程地質性質有所差異且所處地質環境不同，其圍巖穩定性亦有差異。

砂礫巖、含礫砂巖作為隧洞圍巖[8]，分布于總干渠3#隧洞及4#隧洞前段，屬極不穩定的Ⅴ類圍巖，因其膠結程度、成巖作用、水理性質、力學性質較差。該類圍巖隧洞開挖應及時支護，及時襯砌，必要時超前支護。

泥巖、砂質泥巖，呈中厚層—巨厚層層狀結構，圍巖巖體較完整，一般不含地下水，但在淺埋風化層和斷層破碎帶附近的圍巖地下水活動微弱，多呈滴滲水狀。由于屬極軟巖，隧洞開挖后，由于應力集中，當埋深大于100 m時圍巖將產生塑性變形，隧洞周邊一定范圍內的圍巖處于塑性變形狀態，在剪應力作用下出現向洞內擠入的剪切滑移、底鼓等收斂變形現象，并隨著埋深和時間的增大塑性區范圍將進一步增大，埋深大于300 m時圍巖將產生較大的塑性變形，相對變形量將大于2.5%，隧洞自穩時間很短。圍巖穩定性極差，屬Ⅴ類圍巖。應及時掛網噴錨、系統錨桿及鋼拱架支護。另外，因泥巖具長期流變特性，二次襯砌應充分考慮圍巖流變壓力。

疏松砂巖：屬極軟巖，強度低，膠結差，呈超固結砂狀，圍巖中有少量地下水，屬不良圍巖，施工時受震動影響易產生液化進而發生涌砂。該層主要分布在新近系臨夏組第四段巖性組，構成13#～18#隧洞局部洞段圍巖，但其為夾層，鉆孔揭示最大厚度5 m，但由于巖層較平緩，傾角為6°～8°，隧洞穿越5m厚疏松砂巖長度可達30～50 m。施工中應高度重視，TBM施工時應快速通過。

4 結語

通過以上對各巖組的工程地質特性綜合分析，各巖組均為極軟巖，巖性軟弱，水理性質不良。因所處地層巖組的不同，其巖性和顆粒組成有所不同，各巖組強度也有差異。

(1)從各巖組顆粒級配來看，各巖組顆粒級配變化較大，顆粒粗細程度總體由老至新逐漸變細，即第一、二段(N2l1-2)巖石顆粒較粗，以砂礫巖為主，第三段(N2l3)巖石顆粒次之，以砂質泥巖為主，第四段(N2l4)巖石顆粒較細，以泥巖為主，同時可以看出，同一巖組內巖石顆粒也有變化，同一巖組內顆粒級配的變化反映出沉積時水流的變化，不同巖組顆粒級配的變化反映出沉積環境的變化。

(2)從巖石強度來看，各巖組巖石均為極軟巖，各巖組巖石強度由老至新逐漸變低，即第一、二段(N2l1-2)巖石強度高于第三段(N2l3)巖組，第四段(N2l4)巖石成巖程度最差，強度低。

(3)總體上，紅色碎屑巖類是一種特殊的極軟巖類，從巖石固有的特性來說，其具有軟的特性；從工程應用來看，巖石強度低，承載力低，變形大。