貴州萬家寨引黃工程區(qū)泥灰?guī)r工程地質(zhì)特性分析

貴州萬家寨引黃工程區(qū)泥灰?guī)r工程地質(zhì)特性分析

1奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r巖經(jīng)過早奧陶世末的懷遠(yuǎn)運動，山西省大部分地區(qū)升格為土地和準(zhǔn)平原。他進(jìn)入中國奧陶世海水，從北東到西南第三次入侵該省。在潮汐帶的交替沉積環(huán)境中，在奧陶系馬溝組（o2x1）、馬溝組（o2s1）和鳳峰組（o2f）的下段。巖石學(xué)相比復(fù)雜，含大量白云石碳酸鹽巖。宏觀名稱為泥灰?guī)r和角礫巖，廣泛發(fā)育石膏沉積。具體說奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r是在古氣候干燥炎熱,海水咸化的潮上巖坪相及潮上瀉湖相沉積物?？傮w看大部分泥灰?guī)r中角礫構(gòu)造發(fā)育,角礫呈棱角礫構(gòu)造發(fā)育,角礫呈棱角狀和次棱角狀,直徑0.3cm至數(shù)厘米,最大直徑約2m,其主要成分為白云巖和泥質(zhì)白云巖。由于后期碳酸鹽的沉積膠結(jié),使角礫并不破碎。這種角礫巖不僅在垂直方向有分層分布特點,而且在水平方向上具廣泛的區(qū)域分布特點。近年來我們結(jié)合萬家寨引黃工程建設(shè),利用X—射線和差熱分析,以及掃描電子顯微鏡觀察配合能譜分析等方法,對奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r礦物組成進(jìn)行了綜合鑒定。發(fā)現(xiàn)組成角礫狀泥灰?guī)r的巖石成分是極其復(fù)雜的,它包括鈣質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等碳酸鹽巖系列,并含有石膏晶體和石膏夾層,尚含有少量伊利石—高嶺石等粘土礦物和伊利石—蒙脫石混層粘土。由于該泥灰?guī)r巖性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、不均一性,決定了其具有特殊的工程性質(zhì)。2泥漿巖的性質(zhì)和水理性質(zhì)2.1天然含水量通過對48組奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r巖樣試驗得知,天然密度為1.99g/cm3～2.56g/cm3,平均值為2.338g/cm3;天然含水量為4%～6%;平均干密度2.296g/cm3;孔隙度平均值為14.91%。2.2物理屬性2.2.1陣風(fēng)鋒通過干燥巖塊浸水破壞試驗知,新鮮巖石干燥飽和吸水率1.82%～12.47%,平均值為6.25%;膠結(jié)系數(shù)小于2的占20.9%,膠結(jié)系數(shù)為2～5之間的占45.8%,膠結(jié)系數(shù)大于5的占33.33%。因此泥灰?guī)r總體看屬于中等膠結(jié)、中等耐久性的巖石,即在干濕交替環(huán)境下較易產(chǎn)生崩解破壞,抗風(fēng)化能力較差。2.2.2泥灰?guī)r質(zhì)材料膨脹巖是指由于與水的物理化學(xué)作用而發(fā)生巖石含水量增加體積膨脹的巖石。就膨脹機(jī)理來說膨脹巖可分兩類:一類是含硬石膏的巖石,吸水轉(zhuǎn)化為石膏并發(fā)生體積膨脹。另一類為一部分泥質(zhì)巖,因粘土礦物吸水而發(fā)生體積膨脹。由于奧陶系泥灰?guī)r為泥質(zhì)巖類與碳酸鹽巖之間的過渡相,巖層中不僅含有石膏晶體,局部石膏成層或透鏡體,而成為山西省石膏礦產(chǎn)的主要地層,而且含有少量粘土礦物。一般來說,若石膏層埋深大于300m,構(gòu)造條件封閉,則有可能具膨脹性的硬石膏,如引黃工程聯(lián)接段7#隧洞樁號47+800～50+400段,穿過泥灰?guī)r層中所夾的石膏層(厚度14.2m～17.6m),構(gòu)造條件封閉,極有可能為具膨脹性的硬石膏;另一方面泥灰?guī)r巖層中同時含有2.27%～12.47%的泥質(zhì)物,最大含量可達(dá)38.87%,其礦物成分為伊利石、高嶺石、蒙脫石,及伊蒙混層礦物,一般認(rèn)為伊利石為非膨脹礦物,其它則為膨脹性礦物。這些泥質(zhì)物雖然含量較少,但對泥灰?guī)r的膨脹性起著重要作用。所以工程建設(shè)中必須注意是否具有膨脹性問題。通過48組巖樣分析具膨脹性的巖樣占25%,膨脹等級為微～弱?？梢娞烊粻顟B(tài)下的膨脹性并不大,膨脹性的巨大顯現(xiàn)是在巖石開挖暴露條件下由于干燥或風(fēng)干作用巖石含水量降低時,浸水發(fā)生膨脹,干燥程度越大膨脹性越強。工程實踐證明奧陶系泥灰?guī)r的膨脹性很不均一,例如太古嵐鐵路掃石1#隧道穿過該泥灰?guī)r層,長度1185m,施工中,樁號Dh282+14～Dh283+34m地段兩側(cè)邊墻出現(xiàn)不同程度裂縫,并出現(xiàn)滲水。建成通車后,Dh287+07～Dh287+50處出現(xiàn)邊墻開裂,水溝蓋板頂起,水溝電纜槽被剪斷,并形成錯臺,錯臺處裂縫寬達(dá)4～5cm。其形成原因為泥灰?guī)r發(fā)生膨脹所致。因此,泥灰?guī)r的膨脹性應(yīng)引起重視。2.2.3腐蝕樣品的測定泥灰?guī)r中除成層石膏外,含有石膏晶體,采用石膏重量法測定48組巖樣中石膏含量為0.1%～2.65%的巖樣占52%,參照SO2?442-含量對混凝土的腐蝕標(biāo)準(zhǔn),即具有腐蝕性樣品占一半。泥灰?guī)r中石膏含量雖然不高,且石膏為中溶鹽,但對混凝土的長期作用足以使其強度降低,變形量增大,更重要的是石膏溶解造成巖石滲透性增大。3水泥巖石從以上分析可以看出泥灰?guī)r是一種特殊的碳酸鹽巖類巖石,其單軸抗壓強度為4.5Mpa～14.2Mpa,是一種軟弱巖石。我們利用三軸流變儀對泥灰?guī)r樣品進(jìn)行了瞬時力學(xué)參數(shù)試驗,包括原濕度單軸壓縮、等圍壓三軸壓縮和浸水單軸壓縮、浸水三軸壓縮力學(xué)試驗等。3.1結(jié)構(gòu)的大小控制泥灰?guī)r的瞬時力學(xué)特性主要受泥巖的風(fēng)化程度、泥質(zhì)物含量、內(nèi)含角礫多少及大小、含水量的大小控制。通過室內(nèi)三軸流變試驗得出較新鮮泥灰?guī)r的瞬時力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1:3.2濕度和浸水試件試驗結(jié)果泥灰?guī)r蠕變試驗設(shè)備為三軸流變儀,我們進(jìn)行了原濕度和浸水試件的單軸壓縮流變及三軸壓縮流變試驗共5組,試驗結(jié)果見表2。從圖1、圖2可以看出泥灰?guī)r的流動變形破壞形式為加速型流動變形。3.3泥灰?guī)r流動變形從以上特征可以看出:①奧陶系泥灰?guī)r的單軸抗壓強度小于30MPa,屬于軟巖類巖石;②從全部試驗資料看泥灰?guī)r的瞬時力學(xué)參數(shù)與取樣深度有關(guān),一般而言,取樣深度大,風(fēng)化程度弱,強度較高,變形模量較大;③從表2知,原濕度及浸水蠕變試驗兩者阻尼變形模量、粘滯系數(shù)相差1.25～1.5倍。這表明水對泥灰?guī)r的流動變形影響很大,在工程施工中應(yīng)引起重視;④從表2還知,泥灰?guī)r單軸狀態(tài)下的粘滯系數(shù)比有圍壓下的粘滯系數(shù)要成倍地減少,約2～3倍,對水工隧洞來說開挖后緊跟第一次柔性支護(hù)很有必要,這樣能大大提高圍巖的自穩(wěn)能力,減少流動變形量;⑤從泥灰?guī)r破壞特征看,隧洞工程開挖時可能產(chǎn)生如下破壞現(xiàn)象:a.側(cè)墻表面首先因泥灰?guī)r單軸抗壓強度小,產(chǎn)生剪切裂隙;b.圍巖內(nèi)部將因泥灰?guī)r巖性成分的不同,與時間有關(guān)的破壞形式可能出現(xiàn)網(wǎng)化塑性流動破壞、追蹤微層理層面等結(jié)構(gòu)面的剪切流動破壞、剪切流動破壞等;⑥泥灰?guī)r的瞬時力學(xué)特性和流動變形特性、泥灰?guī)r的地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀態(tài),以及泥灰?guī)r所處地質(zhì)環(huán)境是決定水工隧洞開挖方案、支護(hù)決策、支護(hù)處理措施的主要因素。做為隧洞圍巖其具有差異流動變形、流動變形具有各向異性、流動變形破壞具有巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)。4泥灰?guī)r流動變形通過對奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r沉積環(huán)境、巖性巖相、物化、力學(xué)試驗等分析,得出如下結(jié)論:1)萬家寨引黃工程區(qū)奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r是一種巖性成分復(fù)雜的碳酸鹽巖,是一種具中等膠結(jié)、中等耐久性和微～弱膨脹性的軟弱巖石。2)奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r中含石膏晶體和石膏夾層是該地層的重要特征,隨著降雨入滲或隧洞水外滲石膏溶解不僅造成泥灰?guī)r強度降低、變形量增大、巖體的滲透性也將增大,而且溶解的SO?244-2離子具有較強的腐蝕性,腐蝕作用將使輸水建筑物混凝土襯砌體、混凝土管片以及PCCP管強度受到很大影響。石膏的溶蝕和對混凝土襯砌體的腐蝕作用在國內(nèi)外不少隧洞中有所發(fā)生,如沙木拉達(dá)隧道、三峨山隧洞等。所以引黃工程設(shè)計、施工中應(yīng)該重視此問題,如引黃工程聯(lián)接段7#隧洞泥灰?guī)r夾石膏層隧洞段,應(yīng)采用抗腐蝕的硫酸鹽水泥襯砌,或預(yù)制管片。3)通過試驗分析得出泥灰?guī)r的力學(xué)性質(zhì)較差,其流動變形特征可歸納為3條:①流動變形破壞形式以剪切流動破壞為主;②具有差異流動變形特點和流動變形具有各向異性;③流動變形破壞具有巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)。4)工程處理建議:①蠕變試驗結(jié)果表明水對泥灰?guī)r流動變形影響很大,而萬家寨引黃工程設(shè)計的就是隧洞輸水工程,內(nèi)水外滲將使隧洞圍巖泥灰?guī)r強度降低,影響洞室穩(wěn)定;另一方面從巖體本身看,泥灰?guī)r上覆地層均