南水北调中线工程总干渠潞王坟试验段膨胀岩工程地质特性研究

邹志悝

（河南省南水北调建设管理局，郑州 450000）

南水北调中线工程总干渠线路长1 400余km，渠道沿线地质条件复杂，其中穿越膨胀岩土渠段累计长约340余km。膨胀岩土因其特殊的工程性质，易造成渠道边坡失稳，对工程的安全运行产生严重危害，是中线工程的主要技术问题之一。

为解决该技术难题，提出可靠的工程处理措施，同时兼顾经济合理性以及施工工艺的可操作性等，针对沙河南 漳河南渠段膨胀岩土分布及成岩特点，经过慎重的比选，从岩性、膨胀性、渠坡高度、地下水位等方面，综合比较场地环境等，选定河南省新乡市凤泉区潞王坟段做为膨胀岩现场原型试验段。

1 试验段地质概况和膨胀岩工程地质特性

1．1 地质概况

从宏观上看，潞王坟膨胀岩试验段地层岩性为上第三系上新统潞王坟组黏土岩和泥灰岩；膨胀等级以弱膨胀为主，其次为中、强膨胀性；地形地貌属软岩丘陵区。渠道挖深15～40 m，属于沙河南 彰河南渠段边坡较高地段。

场区地形起伏较大，地下水位埋藏较深，一般在渠底以下，以孔隙裂隙水为主。由于黏土岩裂隙发育，并夹杂少量泥灰岩薄层，且各组构造裂隙相互切割，以局部连通的形式赋存于软岩裂隙网络之中，局部形成规模较小的含水体系，仅在一定范围内有水力联系和统一的水面，但地下水水量不大。

总干渠潞王坟渠段位于华北地震构造区。华北地震构造区大致以太行山东缘断裂为界分为东西2个地震带，东部为河北平原地震带，西部为山西地震带，渠线位于两地震带的交界处。试验段沿线地震动峰值加速度0．20 g，相当于地震基本烈度Ⅷ度。

1．2 膨胀岩分布特征

试验段内分布的膨胀岩土主要为上第三系潞王坟组（N2L）滨湖相、河湖相陆源碎屑沉积的软岩，一般具如下特征：

（1）岩性主要为棕黄、棕红杂灰绿色黏土岩（包括砂质黏土岩）和灰白色、灰白杂灰绿色及灰黄色泥灰岩，大部分出露地表，仅在冲沟及斜坡段上覆第四系松散层。

（2）膨胀岩的颗粒组成中黏粒含量较高，一般为25%～50%，局部达75%，其中胶粒约占15%～40%，局部达57%。

（3）膨胀岩中网状裂隙较发育，裂隙面光滑，并见有擦痕，裂隙间充填物质含水量大，此外部分渠段尚存在层间结构面和软弱夹层等软弱结构面，抗剪强度低，对渠道边坡的稳定极为不利。

（4）膨胀岩中的矿物成分包括黏土矿物和碎屑矿物。影响岩土膨胀性的主要是亲水的黏土矿物蒙脱石（微晶高岭土）和伊利石（水云母），其吸水量大，具有快速膨胀与收缩特性。

1．3 膨胀岩的矿物组成

泥灰岩的主要矿物为碎屑矿物和黏土矿物，其中碎屑矿物含量60%～80%，成分主要为石英、方解石，以方解石为主；黏土矿物含量20%～40%，成分主要有蒙脱石和伊利石，以蒙脱石为主。黏土岩的主要矿物为黏土矿物（含量60%～70%）和碎屑矿物（含量30%～40%），黏土矿物主要由蒙脱石和伊利石组成，以蒙脱石为主；碎屑矿物以石英或方解石为主；微量矿物主要为金属矿物、绿云母、电气石、磷灰石、锆石和石榴石等。

黏土矿物含量决定膨胀岩的膨胀性，黏土岩黏土矿物含量较高，泥灰岩黏土矿物含量相对较少。

2 膨胀岩主要物理力学性质

2．1 含水率与密度

据地勘资料，试验段黏土岩天然含水量7%～34．3%，平均值21．4%，具膨胀潜势黏土岩的天然含水量一般为15%～34．3%；成岩差的泥灰岩天然含水量为1．1% ～34．7%，平均值19．9%。

天然干密度是决定膨胀岩膨胀性的影响因素之一，它与土颗粒的成分、含水量等密切相关。一般情况下，天然干密度愈大，膨胀力愈大。根据试验成果，黏土岩天然干密度1．4～2．0 g／cm3，平均1．65 g／cm3；成岩差的泥灰岩天然干密度1．32～2．07 g／cm3，平均1．66 g／cm3。由于本渠段膨胀岩岩性不均一，含有钙质团块。

2．2 界限含水率

本渠段膨胀岩多属高液限，其中，黏土岩液限28．1% ～67．6%，平均44．5%；成岩差的泥灰岩液限23．5% ～67．6%，平均43．1%。黏土岩和泥灰岩的自由膨胀率与液限一般呈正比关系。

膨胀岩中亲水性黏土矿物占比重较大，故具有比表面积大、扩散双电层较厚的特点。与一般黏性土相比较，其黏土颗粒表面的的水膜较厚，所保护的薄膜水总量也特别多，因此具有高液限、低塑限的特点。

黏土岩的塑性指数10．4～31．7，平均值19．6；成岩差的泥灰岩塑性指数8．0～31．7，平均值18．7。一般情况下，膨胀岩塑性指数愈大，其自由膨胀率愈大，反之，自由膨胀率愈小。黏土岩液性指数－0．7～－0．4，平均值 －0．15；成岩好的泥灰岩液性指数 －0．02～－0．55，平均值 －0．24；成岩差的泥灰岩 －0．68～0．18，平均值 －0．21。说明黏土岩和泥灰岩自然状态下多呈硬塑坚硬状态。

2．3 黏粒含量

膨胀岩的颗粒组成是其膨胀性的主要决定因素，一般情况下黏粒含量愈高，其自由膨胀率愈大。本渠段黏土岩黏粒含量17%～48%，平均值31%；成岩差的泥灰岩黏粒含量16%～37．8%，平均值23%。

2．4 单轴抗压强度

黏土岩饱和抗压强度0．004～0．16 MPa，平均0．05 MPa；成岩差的泥灰岩自然抗压强度0．18～3．03 MPa，平均0．96 MPa；饱和抗压强度0．01～0．16 MPa，平均0．04 MPa。黏土岩和泥灰岩均为极软岩。

2．5 膨胀岩抗剪强度取值建议

在渠坡稳定性分析上，膨胀岩的抗剪强度是最重要的影响指标，为研究膨胀岩的抗剪强度对膨胀岩进行了室内直剪、三轴剪试验和中型直剪试验，并在沙河南 漳河南渠段选取代表性试点进行了膨胀岩现场大型直剪试验。

膨胀岩的抗剪强度指标一般离散性较大，主要原因在于：黏土岩、泥灰岩裂隙的发育程度、分布范围、间距、倾角及连通情况等情况千差万别，加之在浸水和失水环境下多有不同程度的胀缩变形；同时，对钻孔试样，因其尺寸一般较小，且受取样扰动的影响，难以准确反映裂隙面、软弱结构面的抗剪强度，因此，钻孔试样抗剪强度代表性较差。现场大型剪切试验受条件限制试验组数较少，且现场土层的不均匀性，导致试验成果较为离散；而室内中型剪切试验，因为试验周期短，费用低，在妥善保管试样，防止试样受较大扰动的情况下，其试验成果有一定的实用价值。

关于膨胀岩的强度指标取值，《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－1999）附录D规定：“具有超固结性、多裂隙性和胀缩性的膨胀土，承受荷载时呈渐进破坏，宜根据所含黏土矿物的性状、微裂隙的密度和建筑物地段在施工期、运行期的干湿效应等综合分析后选取标准值，具流变特性的强、中等膨胀土，宜取流变强度作为标准值，弱膨胀土、含钙质结核的膨胀土可以峰值强度的小值平均值作为标准值”。

综合考虑多种因素，建议：中、强膨胀岩强度指标取残余强度，弱膨胀岩强度指标取峰值强度的小值平均值。

2．6 膨胀岩的渗透性

根据现场水文试验（压水试验）成果，试验段黏土岩一般具微弱透水性，泥灰岩一般具弱透水性，局部成岩差，裂隙、岩溶发育的泥灰岩具中等透水性。

3 膨胀岩胀缩变形及崩解特性

膨胀岩的膨胀性是指膨胀岩中的亲水性黏土矿物在吸水后产生的膨胀变形，失水后体积收缩产生干裂的特性。膨胀岩的膨胀潜势与亲水性黏土矿物的含量成正比关系。

3．1 膨胀潜势

根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112 87）中有关膨胀性的分类标准，本试验段以自由膨胀率作为膨胀性主要判别依据，即：40≤自由膨胀率δef＜65为弱膨胀岩；65≤自由膨胀率 δef＜90为中膨胀岩；90≤自由膨胀率 δef为强膨胀岩。同时规定，相同地层，以某一膨胀等级土样超过30%即认为整个地层均为该膨胀等级的岩土。

膨胀性试验按《土工试验规程》（SL237 1999）进行。上第三系软岩做膨胀性试验789组，其中勘察期间做286组，开挖及地质复核期间做503组。由试验成果可知：膨胀岩具膨胀潜势的356组，占试验总组数的45．1%；其中具弱膨胀潜势的254组，占试验总组数的32．2%，具中等膨胀潜势的95组，占试验总组数的12．0%，具强膨胀潜势的7组，占试验总组数的0．9%。其中黏土岩作膨胀性试验445组，具膨胀潜势（40%≤δef）的279组，占试验组数的62．7%；泥灰岩作胀缩性试验344组，具膨胀潜势（40%≤δef）的 77组，占试验组数的22．4%。膨胀岩膨胀性试验成果统计见表1。

试验成果显示，泥灰岩一般具弱膨胀潜势，黏土岩一般具弱中等膨胀潜势，个别具强膨胀潜势。同时，根据各场点的试验成果显示，膨胀岩的膨胀潜势在空间分布上的随机性较大，反映了膨胀岩的膨胀潜势在水平方向和垂直方向的不均匀性。

根据室内膨胀性试验，结合试验段现场开挖情况，上第三系膨胀岩膨胀潜势一般具如下特征。

（1）成岩较好的坚硬膨胀岩一般不具膨胀潜势。

（2）具弱膨胀潜势膨胀岩的特点：黏土岩颜色多为棕黄、棕红色，局部杂少量灰绿色，黏粒（黏土矿物）含量相对较少。成岩较差，岩性不均，含有钙质团块，局部含砂。网状裂隙不太发育，软弱结构面较少，遇水膨胀、失水干裂性能相对较弱，风干后遇水崩解速度较慢；野外地表多表现为低丘。泥灰岩多为灰黄、灰白杂灰黄色，含钙质团块，碳酸钙或碳酸镁含量较高，成岩较好，岩芯多呈坚硬柱状、块状。遇水膨胀性弱或不膨胀，风干后遇水不易崩解，网状裂隙不发育，软弱结构面较少；不易风化；野外地表多表现为低丘，并见有直立边坡。

（3）具中等或强膨胀潜势膨胀岩的特点：黏土岩多呈棕红色，杂大量灰白、灰绿色；黏粒（黏土矿物）含量较高；成岩差，遇水膨胀、失水干裂性能较强，崩解速度快；网状裂隙及软弱结构面发育，裂面光滑，并见有擦痕，裂隙及结构面间充填灰绿色黏土矿物，含水量一般较高；野外天然边坡较缓，新开挖的边坡旱季剥落、雨季滑塌现象严重。

表1 上第三系膨胀岩膨胀性试验成果表Table 1 Test results of the expansive properties for the neogene expansive rock

3．2 膨胀力

膨胀力是指土体在吸水膨胀过程中，伴随体积增大而产生的应力。膨胀岩的膨胀力与膨胀岩的天然含水量和干密度有一定的关系。试验成果表明，试验段黏土岩的膨胀力为25～362．5 kPa；成岩差的泥灰岩的膨胀力46～58 kPa。

3．3 崩 解

试验表明，试验段上第三系潞王坟组（N2L）黏土岩和部分泥灰岩网状裂隙较发育，遇水易崩解。黏土岩耐崩解性指数为0%，多在第一循环已崩解完，耐崩解性很低；泥灰岩耐崩解性指数30．6%，耐崩解性低。说明第三系黏土岩和大部分泥灰岩对软化及崩解作用的抵抗能力都很低。渠道通过该岩层渠坡稳定性差，需对该岩类的膨胀性和崩解性同时采取特殊处理措施。

4 结 语

（1）试验段膨胀岩主要为上第三系上新统潞王坟组（N2L）滨湖相、河湖相陆源碎屑沉积的软岩，沿渠线分布连续。黏土岩和成岩较差的泥灰岩岩性、岩相变化较频繁，多呈渐变状，层面高低不平，无统一层面，局部呈薄层或透镜体状分布。

（2）试验段膨胀岩是多裂隙岩体，成岩差的泥灰岩裂隙发育规律不明显，网状裂隙发育，失水后见有龟裂现象，渠坡的破坏形式一般为坍塌。成岩较好的泥灰岩岩质坚硬，一般不具膨胀性，野外边坡近直立。黏土岩节理裂隙发育，一般为闭合裂隙，失水开裂，裂面光滑，并见有擦痕；裂隙间充填黑色铁锰质薄膜及灰绿色高岭土条带，充填物含水量较高，沿裂隙面抗剪强度较低；网状裂隙较发育，抗崩解能力很低，开挖过程中局部有坍塌现象；局部岩体中存在有软弱结构面，抗剪强度低，开挖过程中有滑坡现象。

（3）亲水性黏土矿物是膨胀岩产生胀缩变形的物质基础，其成分主要为蒙脱石和伊利石，试验段黏土岩的黏土矿物含量60%～70%，泥灰岩黏土矿物成分含量30%～40%。根据膨胀性试验成果，黏土岩一般具弱中等膨胀潜势，个别具强膨胀潜势，成岩差的泥灰岩一般具弱膨胀潜势，成岩好的泥灰岩一般不具膨胀潜势。

（4）膨胀岩的胀缩、变形的特性不仅取决于其亲水矿物的含量，同时与膨胀岩的含水量、干密度、黏粒含量等有一定的相关关系。根据试验数据分析，可知：试验段膨胀岩液限、塑性指数、黏粒含量愈大，其膨胀潜势愈强，反之，膨胀潜势愈弱；膨胀力随含水量的增加而减小，随干密度的增加而增大；线缩率随天然含水量的增加而增大。该段膨胀岩不仅具有胀、缩变形的特性，同时抗崩解能力也很低。

（5）膨胀岩渠坡的破坏形式，一般是沿裂隙、结构面的剪切破坏。试验段膨胀岩的抗剪强度指标的选取总体趋向于中、强膨胀岩（土）取残余强度，弱膨胀岩（土）取峰值强度的小均值作为本渠段膨胀岩土强度建议值。

（6）试验段渠坡属深挖方段，开挖深度28～40 m，除上部断续分布有第四系松散层外，渠坡岩性主要为上第三系泥灰岩和黏土岩，局部夹砂岩或砂砾岩。除二级马道以上部分成岩较好泥灰岩不具膨胀潜势外，成岩差的泥灰岩和黏土岩一般具弱、弱中等膨胀潜势。膨胀岩的多裂隙性和膨胀性使其在干湿交替、胀缩变形后强度降低，沿裂隙和结构面产生滑坡、坍塌等破坏；吸水后体积膨胀，在膨胀压力作用下对渠道衬彻造成破坏。因此膨胀岩渠段渠道施工时，对膨胀岩应采取相应的处理和保护措施。

［1］ 河南省水利勘测总队．南水北调中线一期工程总干渠膨胀岩（土）试验段工程（潞王坟）段招标设计阶段工程地质勘察报告［R］．郑州：河南省水利勘测总队，2007．