甘肅隴東地區白堊系地層工程地質特性研究

摘要：通過對隴東地區白堊系地層分布規律及特征研究得知，隴東地區位于祁呂賀“山”字形構造體系賀蘭褶皺帶東側伊陜盾地中，白堊系地層為河湖相陸源碎屑沉積，厚達2 000 m.由白堊系下統志丹群環河華池組、羅漢洞組和涇川組三個巖組組成，巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、中細砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰巖等。取107組試樣進行室內巖石物理力學試驗，根據試驗結果和巖石結構分析，白堊系地層均屬軟質巖，巖性軟弱，強度低，局部成巖程度差，產狀平緩，干濕效應明顯，塑性變形強烈，物理力學性質易受環境因素影響。白堊系地層巖體抗壓和抗剪強度較低，抗變形能力差，抗滑穩定性差，地基承載能力低，抗沖刷性能弱，局部滲透穩定性差。通過研究初步確定了隴東地區白堊系地層分布規律及特征、巖石物理力學參數、巖體工程地質特性，提出了不良工程地質特性處理措施。

關鍵詞：物理力學性質;工程地質特性;工程措施;白堊系;隴東地區

中圖分類號：TV67

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.022

甘肅隴東地區位于鄂爾多斯盆地西南部，煤炭、石油資源豐富，是我國五大綜合能源基地之一——鄂爾多斯盆地能源基地的重要組成部分。隨著近幾年國家西部大開發、一帶一路建設、能源戰略基地建設及綠色生態保護建設，隴東黃土高原地區持續開發與治理對策顯得更為舉足輕重。制約甘肅中東部地區經濟發展的主要因素是缺水，目前許多大型跨流域調水工程已批準開工建設和正在規劃，如引洮供水工程和白龍江引水工程兩項長距離調水工程已列入國家“十三五”172項重大水利工程。隴東地區溝壑縱橫、黃土覆蓋深厚，白堊系地層構成黃土塬基底，為工程建筑物地基重要持力層和地下水主要含水層，其工程特性是影響設計方案、施工方法、工程投資和建設進度的關鍵因素。因此，筆者通過試驗充分研究白堊系地層各巖性物理力學性質，分析其工程地質特性對工程建設的影響，采取合理科學的工程措施對其不利特性加以改造，以保證所建工程正常安全運營。

1 地質分布規律及特征

1.1 構造背景

隴東地區位于祁呂賀“山”字形構造體系賀蘭褶皺帶東側伊陜盾地中[1-2]，在侏羅紀（J）末期伊陜盾地基本定型，新華夏系第三沉積帶進一步發展，使這一穩定地塊開始下降，堆積了厚達2 000 m的白堊系早期（K1）陸相碎屑巖建造，此后受燕山晚期運動的影響，伊陜盾地開始上升隆起缺失白堊紀晚期至新近紀初期（K2 -N1）沉積。新近紀晚期，隴東地區在白堊系早期地層廣遭剝蝕的基礎上形成互不相通的孤零盆地，這些盆地堆積了厚20-30 m的新近系上新統（N2）臨夏組湖相紅色黏土建造，這一沉積對古地形填平補齊，新近紀末期喜山運動使整個地區開始緩慢上升，第四紀又開始下降，堆積厚達300 m不同成因的黃土，至第四紀晚更新世（Q3）隴東黃土高原形成[3-4]。

1.2 地貌特征

隴東地區白堊系地層主要分布于六盤山以東，子午嶺以西，環江與苦水河分水嶺以南，達溪河以北，最大埋深約400 m。該地層分布范圍廣，但出露面積少，主要零星出露于山麓坡腳或深切溝谷的溝底，多為直立陡坎。深埋于隴東黃土高原下部的白堊系地層頂面基本平緩，受六盤山隆起影響，地層頂面自西北向東南部緩傾。

1.3 地層特征

隴東地區白堊系地層分布廣泛，屬陸源碎屑巖建造，在地質歷史時期僅堆積白堊系下統志丹群（Kzh）地層[5-7].巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、中細砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰巖、細礫巖等，地層（華北地層大區晉冀魯豫地層亞區）從下向上劃分為環河華池組Kj、羅漢洞組K1、涇川組K1三個巖組。

環河華池組（K1）：分布范圍最廣，主要分布于隴東地區東北部及中部，包括環縣、華池、慶城、西峰、合水、正寧、寧縣等。巖性主要為灰紫、紫紅色粉砂質泥巖與泥質粉砂巖、粉砂巖互層，夾紫紅、棕紅、灰黃色細砂巖。地層由東北向西南由細變粗、由薄變厚，具平行層理，層厚400-600 m。

羅漢洞組（K1）：分布面積較小，主要分布于隴東地區中南部，包括涇川縣東南部、鎮原縣東北部、靈臺縣大部。巖性為紫紅、棕紅、灰白色泥質粉砂巖和粉砂質泥巖互層，局部夾雜色細礫巖。地層北薄南厚、北細南粗，具交錯層理，層厚215 - 395 m。

涇川組（K1）：分布面積較小，主要分布于隴東地區西南部，包括涇川縣和靈臺縣西部、崇信縣大部、鎮原縣西部。巖性分為上下兩層，下層為淺藍灰色泥灰巖一砂質泥巖一粉細砂巖組成的韻律層，上層為紫紅色泥巖、砂質泥巖夾泥質砂巖、砂巖。向西南部泥灰巖明顯減少，且不穩定，其粒度變粗，夾有含礫粗砂巖、細礫巖，具薄層平行層理，層厚135 -154 m。

1.4 沉積特征

環河華池組cKh）地層具有清晰平整的平行層理，不同色調的泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、細砂巖及其過渡巖呈互層狀產出，泥質巖中常見1 mm左右深淺相間的平行紋理，巖石以氧化條件下的紫色調為主，氣候炎熱干燥，屬河漫灘相為主的河湖相沉積。

羅漢洞組（K1）地層巖性以紫紅一棕色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主，層理表現不好，巖層中發育洪流式交錯層理，是環河華池組（Kh）沉積的淡水湖泊消失后，在干燥氣候條件下河流洪積、沖積和凹地雨水匯集的暫時性淡水湖泊內動蕩環境中沉積，屬河流相沉積。

涇川組（K1）地層巖性以灰綠色一灰色泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，向上部出現雜色、棕紅色，具薄層平行層理，層面平整清晰，出現多層灰白色泥灰巖夾層，多鈣質膠結，為較為穩定的湖泊環境，屬淡水湖相、河湖相沉積。

1.5 接觸特征

甘肅隴東地區白堊系地層屬志丹群（K1），與上覆第四系（Q）黃土或零星分布的新近系（N）紅層呈平行不整合接觸，與下伏侏羅系中統（J：）地層呈平行不整合接觸。

2 物理力學性質

2. 1環河華池組（K1）

環河華池組地層巖性以灰紫一紫紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主，局部夾紫紅、棕紅、灰黃色細砂巖和泥巖，屬軟質巖，單層厚0.05 -0.30 m，具水平層理，巖性軟弱，抗風化能力差;巖體透水性差;強風化帶厚1.5-2.5 m.弱風化及以下巖體完整性較好，透水性較差，層間結合緊密，強度稍高，在飽水和干燥狀態下性能基本穩定。對該組巖石取樣25組進行室內試驗‘引，其物理力學參數（平均值，下同）見表1。

環河華池組細砂巖密度最大，吸水性最弱;粉砂質泥巖密度最小，最易吸水，遇水最易軟化，強度降低最快;干燥和飽和狀態下泥質粉砂巖強度最高，抗變形能力最強;泥質粉砂巖膠結相對較好，粉砂質泥巖和粉砂巖膠結相對較差。

2.2 羅漢洞組（K1）

羅漢洞組地層巖性主要為紫紅、棕紅、灰白色泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，局部夾雜色細礫巖，互層狀結構，單層厚0.1-0.5 m.可見交錯層理發育，巖性軟弱，強度低，層間結合較差，抗剪、抗變形性能差，遇水易軟化崩解，失水開裂，抗風化能力差，強風化帶一般厚1-4m.弱風化及以下巖體完整性較好，透水性較差[6]。對該組巖石取樣29組進行室內試驗[8].其物理力學參數見表2。

羅漢洞組泥質粉砂巖與粉砂質泥巖密度、吸水率相近，說明在動水環境中兩種巖性物質成分、顆粒組成接近;干燥和飽和狀態下泥質粉砂巖強度相對較高，抗變形能力相對較強;泥質粉砂巖膠結相對較好，粉砂質泥巖膠結相對較差。

2.3 涇川組（KJ）

涇川組地層巖性主要為紫紅色一淺藍灰色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粉細一中粗砂巖，局部夾泥灰巖，具薄層水平層理，巖體軟弱，易風化，透水性強，強風化帶厚2-4 m，弱風化及以下巖體完整性較好，透水性較差，局部粉細一中粗砂巖膠結差，呈疏松狀，透水性強。對該組巖石取樣53組進行室內試驗[8].其物理力學參數見表3。

涇川組泥灰巖密度最大;粉砂質泥巖吸水性最強，極易軟化變形;泥灰巖和泥質粉砂巖膠結較好，干濕強度相對較高且相近;粉細一中粗砂巖膠結不均一，透水性強，飽水狀態下強度損失較大。

3 工程地質特性

3.1 巖體軟化變形性

隴東地區白堊系地層均屬軟質巖，巖性軟弱，強度低，承載能力差，工程特性易受環境因素影響[7]。巖體長期暴露在空氣中，隨著外界環境因素的變化，巖體反復吸水、失水，巖體結構反復膨脹、收縮。這種長期對巖體作用的結果，導致巖體結構發生破壞，抗變形能力降低，造成建筑物地基巖體穩固性降低。

3.2 巖體抗滑穩定性

隴東地區白堊系巖體抗壓和抗剪強度普遍較低，多具水平層理或交錯層理，單層厚度不穩定，地層中還存在薄層泥巖原生夾層，夾層厚度不等。泥巖夾層顆粒細，親水性礦物含量高，巖石浸水后會在層面上形成薄層軟泥層或泥化層[5]，呈軟塑狀態，巖體中薄層泥巖原生夾層是抗滑穩定的主要控制條件，對建筑物選型、高度的確定以及工程造價和工期都有顯著影響。另外，對于在軟質巖上建設混凝土工程，巖體本身抗剪強度很低，在混凝土澆筑過程中，地基巖體吸水軟化，從而降低了混凝土與巖體接觸面的抗滑穩定性。

3.3 巖體滲透穩定性

隴東地區白堊系地層以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粉細一中粗砂巖為主，局部偶夾泥巖、細礫巖和泥灰巖等。細碎屑巖如泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖等一般在相對隔水層，不透水;粗碎屑巖如中粗砂巖、細礫巖等在含水層和透水層。另外生物化學沉積的泥灰巖沿裂隙易發生化學溶蝕，可能引起滲漏問題，若不采取適當的防滲措施，在地下水滲流作用下，局部透水層或巖溶發育段將產生機械潛蝕，使地基巖體工程性狀進一步惡化，長期滲流作用將形成集中滲漏通道，降低建筑物地基穩定性，危及工程安全，影響工程效益。

3.4 巖體承載能力

隴東地區白堊系地層抗壓強度和變形模量普遍偏低。當軟巖強度低而建筑物基礎應力大時，作為建基巖體的軟巖會因強度低而導致承載力不足。從力學機理和力學效應上分析，建筑物基礎應力大、軟巖承載能力低，軟巖發生的破壞不是因軟巖變形模量低而導致沉降變形過大引起的，而是低強度的軟巖巖體受壓破裂導致地基破壞。因此，軟巖地基承載力確定時主要按巖體抗壓強度進行折取，一般采用軟巖飽和抗壓強度的1/10 - 1/5折取。

3.5 巖體抗沖性

隴東地區白堊系地層具水平層理，層面閉合，層間無膠結，巖體強度低，易受風化和人為擾動，巖體抗沖刷能力差。在這種軟巖上修建泄水建筑物時，泄槽或消力池底板巖體若不采取防沖刷措施，在高速水流作用下，很容易發生沖刷破壞，沖刷坑可較快形成，有沿層間擴大的趨勢，影響消能建筑物的安全。

4 工程措施

（1）對于巖體軟化變形問題，一般采取防水、預留保護層或噴混凝土封閉巖面的辦法，防止建基面遇水發生軟化、失水干裂或機械振動破壞巖體結構。在地基開挖過程中采取合理的排、堵水措施，嚴防地下水、河水、地表洪流對地基巖體造成破壞;當開挖至建基面附近時，嚴禁大藥量爆破，只能松動爆破后用機械挖除，再預留保護層采用人工撬挖;人工撬挖后，采用人工清除建基面虛渣、松動塊和泥化層，用風槍吹干凈浮土、巖粉，及時噴或澆混凝土封閉巖面;對于斷層帶、層間擠壓帶、泥巖夾層等適當挖槽采用混凝土回填。

（2）對于巖體抗滑穩定問題，一般應挖除影響地基穩定的薄層泥巖夾層或軟化泥化層，也可采用齒槽截斷滑動面或洞挖回填混凝土的方式處理，或進行錨固處理，一般將壩肩深嵌于岸坡巖體中，增強建筑物的抗滑能力[3]。

（3）對于巖體滲透穩定性問題，一般采用排水和防滲相結合的辦法，減小建筑物所受的揚壓力和防止地基發生滲透破壞。防滲可以延長地基巖體滲徑，減小滲透量、流速、比降;排水可以降低揚壓力，避免地基巖體受到滲透水流的有害作用。隴東地區白堊系地層中局部存在承壓水，為了避免承壓水可能頂裂建基面巖層，造成地基巖體擾動破壞，需預先造孔排水減壓。

（4）對于地基巖體承載力問題，一般采用固結灌漿的辦法，提高地基巖體的完整性、堅固性，從而提高地基巖體的承載能力。

（5）對于巖體抗沖性問題，一般采用固結灌漿和系統錨桿，提高巖體整體性，抵抗高壓水流對巖體結構造成沖擊破壞。

5 結語

（1）甘肅隴東地區位于祁呂賀“山”字形構造體系賀蘭褶皺帶東側的伊陜盾地中，白堊系地層為河湖相陸源碎屑沉積，厚達2 000 m.構成隴東黃土塬基底，由白堊系下統志丹群環河華池組、羅漢洞組和涇川組三個巖組組成，巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、中細砂巖，局部夾薄層泥巖、泥灰巖等。

（2）甘肅隴東地區白堊系地層均屬軟質巖，巖體多具水平層理或交錯層理，巖性軟弱，強度低，局部成巖程度差，產狀平緩，干濕效應明顯，塑性變形強烈。

（3）甘肅隴東地區白堊系地層巖體抗壓和抗剪強度普遍偏低，抵抗變形能力差，抗滑穩定性差，地基承載能力低，抗沖刷性能弱，局部巖體滲透穩定性差，巖體工程特性易受環境因素影響。

（4）甘肅隴東地區白堊系地層巖性多樣，工程地質特性各異。根據建筑物特點，充分利用地層巖體的有利特性，對于不利特性采取工程措施處理，保證所建工程正常安全運營。

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【責任編輯 張華巖】

收稿日期：2018-06-01

基金項目：“水資源高效開發利用”重點專項（ 2016YFC0401801）

作者簡介：邊義成（1970-），男，甘肅靈臺人，高級工程師，主要從事水利水電和巖土工程地質勘察工作