四川盆地紅層巖體質(zhì)量劣化特征及其保護措施研究

張 世 殊， 趙 小 平， 冉 從 彥， 胡 金 山， 張 佑 廷

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130 )

0 引 言

“紅層”是外觀顏色以紅色系為主的陸上沉積地層，在我國分布廣泛，主要是指形成于三疊紀、侏羅紀、白堊紀和古近紀的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相的陸相碎屑巖，巖性有礫巖、砂巖和泥巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，以西南地區(qū)尤其是四川盆地的“紅層”最具代表性。其巖性主要為一套砂巖與泥巖不等厚互層、軟硬相間的地質(zhì)組合，具有強度低和易遇水軟化而導致巖體大變形和難以支護等問題。隨著水電資源的不斷開發(fā)、聯(lián)通東西部的水利水運和交通設施的不斷建設，這些紅層特有的工程特性越來越明顯。目前，針對“紅層”巖體的研究主要集中在水理特性、力學行為和其邊坡失穩(wěn)機制等方面。如周翠英等[1-5]基于單軸和三軸試驗等室內(nèi)試驗設備，研究了“紅層”巖體不同圍壓、環(huán)境溫度、含水量下的強度、破壞演化過程、蠕變特性等；李果等[6-8]研究了紅層軟巖具有軟化系數(shù)隨著含水率增加而減少的水理特性，并且泥巖和泥質(zhì)砂巖都具有崩解性，其中泥巖的崩解程度更高；肖尊群等[9-10]從微細觀角度出發(fā)，研究了紅層軟巖的力學特性和破壞機理；舒中潘等[11-13]研究了紅層滑坡的失穩(wěn)機理和穩(wěn)定性分析方法。

總而言之，目前針對“紅層”巖體的水理特征和力學行為等研究成果較為豐碩，但鮮有針對性強、經(jīng)濟性高的防護措施研究，以紅層邊坡為例，其工程影響更多的是開挖或其他工程影響下，“紅層”巖體快速風化或遇水軟化等質(zhì)量劣化影響導致的邊坡穩(wěn)定問題。

1 四川盆地紅層分布及建造

四川盆地紅層的沉積建造是一個漫長的地質(zhì)歷史過程，也是伴隨古四川盆地的形成過程，其特有的沉積環(huán)境造就了其特有的分布和沉積建造，從而表現(xiàn)出特有的工程特性。

1.1 四川盆地紅層分布特點

四川盆地紅層主要分布在四川盆地及周邊的嘉陵江流域、涪江流域、渠江流域、沱江流域、岷江下游流域、雅礱江下游流域、金沙江下游流域、長寧河流域、赤水河流域、長江的川江流域等區(qū)域。四川盆地紅層沉積環(huán)境有湖相沉積、河湖相沉積、沖積相沉積和河流相沉積，各時期的沉積比例[14]如圖1所示，早侏羅世以湖相(占16%)及河湖交替相(68%)為主(小計84%)；中侏羅世的湖相(7%)及河湖交替相(37%)占44%，晚侏羅世占40%，這時期大致與沖積扇相及河流相的面積相當；早白堊世的沖積扇相(12%)與河流相(83%)占到95%。

四川盆地紅層沉積物緣主要源自盆地周邊山系，不同時期的地質(zhì)活動也造就了紅層不同的分布特征：近盆周山體的前緣一帶均沉積了礫巖、含礫砂巖等粗碎屑巖，向盆地中心過渡帶則為砂巖、粉砂巖等，湖盆中心地帶則為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖及泥灰?guī)r等。顯示了盆地內(nèi)從北西向南東，或由北向南巖石的顆粒粒徑由粗到細的總體趨勢。

圖1 各地質(zhì)歷史時期四川盆地紅層沉積相面積 占四川盆地總面積比例

1.2 四川盆地紅層沉積建造

四川盆地紅層沉積環(huán)境和各沉積相所占比例變化表明，從早侏羅世到古近紀的各地質(zhì)歷史沉積期，紅層巖石的巖性組合受沉積盆地的逐漸萎縮、沉積環(huán)境的變化，從以泥頁巖為主，向砂泥巖互層過渡變化的總體趨勢明顯。巖性主要表現(xiàn)為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，其化學成分見表1。

表1 四川盆地紅層主要巖性化學組成

圖2 四川盆地紅層主要巖性化學成分對比

如圖2四川盆地紅層主要巖性化學成分對比所示，砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖四種巖石主要化學成份基本一致，均以SiO2為主，其次為R2O3(Fe和Al的倍半氧化物)、Fe2O3和CaO。相比砂巖和泥質(zhì)粉砂巖SiO2含量較高，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖Fe2O3、CaO和MgO含量相對較高，而正是由于這些含量的差異，使砂巖和泥巖的水理特性和強度特征差異顯著，即紅層地區(qū)的泥巖普遍具有遇水敏感，強度普遍低于砂巖的特點。

2 紅層巖體質(zhì)量劣化特征

“紅層”巖體獨特的沉積環(huán)境和成巖建造，造就了特有的巖石結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，在工程上宏觀表現(xiàn)出特有的工程特性，如紅層巖體快速風化和水致劣化等。

2.1 快速風化

結(jié)合大量四川盆地紅層分布地區(qū)的工程實踐，本文總結(jié)了多個工程紅層巖體的風化深度和開挖后快速風化深度，并進行了統(tǒng)計分析(表2)。

表2 四川盆地紅層地區(qū)主要工程強/弱風化深度統(tǒng)計

四川盆地紅層地區(qū)多個水利水電工程統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖3、4)，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖體礦物組成影響，個別岸坡強風化深度達45 m，弱風化深度可達100 m，且砂巖為主的岸坡風化深度均小于泥巖為主岸坡，但在統(tǒng)計意義上，天然邊坡“紅層”巖體強風化深度范圍主要分布在2～7.6 m，弱風化深度分布范圍主要為4.6～22.8 m，而這對指導工程布置、開挖、支護等具有重要意義。

圖3 四川盆地紅層巖體強風化深度范圍

由于“紅層”巖體特殊的成巖建造和礦物成分，天然紅層岸坡在開挖影響下有具有快速風化特征。大量工程實踐表明，紅層巖體開挖揭露后6 h內(nèi)，快速風化厚度可達10～30 cm，隨時間推移，風化程度逐漸加重，并產(chǎn)生表面崩離和風化繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展的趨勢(圖5)。

2.2 水致劣化

如前文所述，四川盆地“紅層”巖體特有的物質(zhì)組成，造成其具有明顯的水致劣化特征，內(nèi)在機理表現(xiàn)為：化學和物理化學反應引發(fā)軟巖顆粒及粒間的力學連結(jié)減弱，導致軟巖結(jié)構(gòu)強度發(fā)生變異。在四川盆地10余個紅層地區(qū)的水利水電工程紅層巖體強度試驗的基礎上，統(tǒng)計了33組紅層巖體的水致劣化前后的強度值。

圖4 四川盆地紅層巖體弱風化深度范圍

圖5 紅層邊坡開挖后快速風化、崩落

a.泥巖

b.粉砂質(zhì)泥巖

c.泥質(zhì)粉砂巖

d.砂巖圖6 四川盆地紅層干/濕單軸抗壓強度和軟化系數(shù)

如圖6所示，在大量“紅層”巖體主要的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖干、濕飽和抗壓強度統(tǒng)計的基礎上，四川地區(qū)紅層中的泥巖干抗壓強度一般在1.47～8.08 MPa之間，濕抗壓強度為1.02～4.78 MPa，其軟化系數(shù)為0.51～0.80；粉砂質(zhì)泥巖干抗壓強度約7～28 MPa，濕抗壓強度為5～14 MPa，其軟化系數(shù)為0.41～0.77；泥質(zhì)粉砂巖干抗壓強度約5.41～54 MPa，濕抗壓強度3.95～28.2 MPa，其軟化系數(shù)0.51～0.73；砂巖干抗壓強度約33～82 MPa，濕抗壓強度20～36.1MPa，其軟化系數(shù)0.35～0.64。比較而言，四川地區(qū)紅層泥巖的軟化系數(shù)最高，粉砂質(zhì)泥巖其次，砂巖最低；但就其軟化系數(shù)范圍而言，泥巖軟化系數(shù)分布范圍最廣，砂巖分布范圍最小，其原因在于泥巖遇水更敏感。

3 紅層巖體保護措施

由于四川盆地紅層具有強度低、親水能力強、易遇水軟化等特有工程特點，在紅層地區(qū)建設時存在巖體大變形、難支護等問題。在上文研究的基礎上，提出了基于紅層快速風化、水致劣化特點的 “防滲排水-預留開挖-加固封閉”快速工程保護措施，具有可實施性高、施工速度快、針對性強、工程投入低等特點。具體措施如下：

防滲排水：邊坡開挖前應首先做好外圍的截排水措施，禁止先開挖后排水，基坑開挖中，在基坑四周應有完整有效的抽排水系統(tǒng)，滲水、積水特別嚴重的部位，還應專門采用“堵”、“抽”、“排”等有效措施，確保基坑干地施工；

預留開挖：采用科學合理的開挖方式。優(yōu)先選擇光面爆破或預裂爆破，少藥量，多梯段，基坑開挖最底層應預留30 cm采取人工撬挖；

加固封閉：在卸荷擾動前提下，風化崩解速度尤其很快，施工中，壩基巖體應在清基完成后4h內(nèi)進行澆筑或封閉，邊坡巖體應在分層分段驗收完成后及時噴射混凝土進行保護。

4 結(jié) 語

本文在四川盆地10余個水電水利工程實踐的基礎上，以四川盆地紅層巖體為研究對象，系統(tǒng)研究了四川盆地紅層巖體的分布、物質(zhì)組成、巖體質(zhì)量劣化特征及其保護措施等，取得的主要結(jié)論如下：

(1)四川盆地紅層巖石的巖性組合受沉積盆地的逐漸萎縮、沉積環(huán)境的變化，從以泥頁巖為主，向砂、泥巖互層過渡變化的總體趨勢明顯。

(2)四川盆地紅層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖四種巖石主要化學成份基本一致，均以SiO2為主，其次為R2O3(Fe和Al的倍半氧化物)、Fe2O3和CaO。

(3)四川盆地紅層巖體開挖揭露后6h內(nèi)，快速風化厚度可達10 cm～30 cm，隨時間推移，風化程度逐漸加重，并產(chǎn)生表面崩離和風化繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展的趨勢，為工程開挖提供了指導。

(4)四川盆地紅層巖體在水致劣化作用下，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖軟化系數(shù)分別為0.51～0.80、0.41～0.77、0.51～0.73和0.35～0.64。

(5)基于紅層快速風化、水致劣化特點，提出了 “防滲排水-預留開挖-加固封閉”快速工程保護措施，具有可實施性高、施工速度快、針對性強、工程投入低等特點。