水文地質(zhì)條件工程地質(zhì)分區(qū)在工程中的應(yīng)用

周 游

(陜西鐵道工程勘察有限公司, 陜西寶雞 721001)

近年來,隧道涌水等工程地質(zhì)問題一直是隧道的勘察設(shè)計與施工中一個主要工程地質(zhì)問題,也是隧道施工過程主要的工程地質(zhì)風險之一,如果能在選線過程查明水文地質(zhì)條件,提前有效識別風險,提出針對性的處理措施,就能降低甚至規(guī)避施工、運營過程中的風險,減少和免除這類地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失。為了在選線階段就較為系統(tǒng)、有效地認識并查明水文地質(zhì)條件,做好水文地質(zhì)條件的工程地質(zhì)分區(qū)成為隧道選址區(qū)內(nèi)一個十分重要的條件。

山西中南部鐵路通道某地段位于山西省長治市與臨汾市的交界處，地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶,該段工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復雜,工程地質(zhì)問題突出。本文通過工程和水文地質(zhì)條件對該地區(qū)的工程地質(zhì)分區(qū)進行了初步探討。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

隧道選址區(qū)西起太岳山前緣翹凹,東止沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶,跨越沁河與漳河分水嶺——安泰山及黑虎嶺[1],地勢起伏較大,地面高程1 034.2～1 559.2 m,相對高差約210 m。

1.2 地層巖性

該區(qū)域主要出露地層為二疊系上統(tǒng)石千峰組：(P2sh)泥巖夾砂巖，以磚紅色泥巖為主,局部間夾薄層淡水灰?guī)r,底部為灰白、黃綠色含礫中粗粒砂巖,巖質(zhì)較軟巖體受干濕影響崩解明顯,具弱膨脹性。三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)：淺紫紅—淡紫色中薄層夾中厚層狀中細粒長石砂巖、長石石英砂巖,層間夾少量紫紅色砂質(zhì)泥巖、薄層泥礫巖,區(qū)域地層厚度約338.3～442.50 m；泥質(zhì)巖石以砂質(zhì)泥巖為主,石膏層質(zhì)軟,以薄夾層的形式存在。三疊系和尚溝組(T1h)：青灰色、紫紅色,強—弱風化長石砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖互層,巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu),屬軟—較軟巖,區(qū)域厚164.0～264 m。三疊系二馬營組(T2er)：灰綠及黃綠色長石砂巖夾紫紅色、暗紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖,區(qū)域厚470～660 m。以及第四系下更新統(tǒng)(Q1)圓礫土，卵石土與褐紅色粉質(zhì)黏土、粉土、黏性土；第四系中更新統(tǒng)(Q2)棕紅色及黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土,夾有薄層粉細砂或圓礫土層；第四系上更新統(tǒng)(Q3)黃褐色及灰色粉質(zhì)黏土、粉土,局部夾有粉細砂或圓礫土層,局部地表覆蓋有人工填土；第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、圓礫土,主要分布于河谷及溝谷地段與山間盆地附近。

1.3 氣象特征

線路通過地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)。以寒冷干燥,大陸型氣候為特征。晝夜溫差變化較大,表現(xiàn)為降雨量少,蒸發(fā)量大,空氣干燥,春秋季節(jié)多風,夏季短促而炎熱,冬季漫長且嚴寒。平均氣溫9.9 ℃,極端最高氣溫38.7 ℃,極端最低氣溫-12.6 ℃,最冷月平均氣溫-6.1 ℃；年平均降水量465.8～509.1 mm,年平均蒸發(fā)量1 506.3 mm；瞬時最大風速13.7 m/s,主導風向南風；土壤冰凍期從當年10 月下旬到次年的3 月下旬,季節(jié)最大凍土深度75 cm[1]。

1.4 地震動參數(shù)

據(jù)調(diào)查,有史記載以來隧址區(qū)域范圍內(nèi)共發(fā)生兩次5級地震,未發(fā)生過5級以上強烈地震,地震活動較弱,屬新構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)塊。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001),隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.10g；相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度；地震動反映譜特征周期0.40 s。

1.5 水文地質(zhì)概況

場地區(qū)為燕山期造山運動所形成的沁水塊坳[1]。該地區(qū)的主要特征為J、K地層缺失,出現(xiàn)了第四系與T、P直接相接的不整合接觸關(guān)系。第四系覆蓋層主要分布于溝谷地段與山間盆地。由于沁河與漳河分水嶺——安泰山及黑虎嶺的影響,第一條水文地質(zhì)界線為第四系與T、P的不整合接觸線,在低山丘陵區(qū)第四系覆蓋層與下伏基巖均為相對隔水層,降雨以地表徑流的方式流入山谷和山間盆地。在山間盆地區(qū),第四系覆蓋層為透水層,下伏T1h的砂巖為含水層,T1h泥巖為相對隔水層,地下水以地下徑流的方式通過該山間盆地區(qū),由西向東、由北向南匯入附近河流。通過調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，最晚形成的泉都集中分布在該界線附近。第2條分界線為T1l與P2sh的整合接觸線，T1l砂巖裂隙發(fā)育,透水性較強,且根據(jù)區(qū)域水文資料描述,該建筑場地區(qū)內(nèi)砂巖的持水性較好,地下水的滯后效應(yīng)明顯,給水度0.000 8<μ<0.003,滲透系數(shù)K>35 m/d。P2sh的厚層泥巖為區(qū)域上標志性隔水層,由于相對隔水與透水的情況,地下水相對富集。這點在現(xiàn)場勘察查的過程中得到證實。

2 工程地質(zhì)分區(qū)的劃定

現(xiàn)場的工程地質(zhì)鉆探成果表明,不同地貌單元與不同地質(zhì)構(gòu)造單元的水文地質(zhì)條件截然不同[5]。決定場地水文地質(zhì)條件的關(guān)鍵因素為場地的地貌特征與場地的工程地質(zhì)條件,根據(jù)地層巖性特征與地質(zhì)構(gòu)造特征將該場地區(qū)分為三個工程地質(zhì)區(qū)：(1)低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅰ)區(qū)；(2)階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅱ)區(qū)；(3)山間盆地工程地質(zhì)區(qū)為(Ⅲ)區(qū)；其分布見圖1。

圖1 工程地質(zhì)分區(qū)

3 各分區(qū)的工程地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

3.1 低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)區(qū)

該區(qū)揭示地層主要為第四系殘積粉質(zhì)黏土,厚度為3～6 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d；三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖夾泥巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為23 m/d；三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂泥巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為18 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d；三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖滲透系數(shù)K約為42 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d。

本區(qū)表層均有較薄的第四系粉質(zhì)黏土覆蓋,其透水性較差,且多為山地地貌,山體坡度為20°～60°,有較好的地表水排水條件。工程地質(zhì)勘探的結(jié)果表明,地下水埋深都大于300 m。該區(qū)砂巖工程地質(zhì)條件較好,為良好的天然持力層,且地下水富集的可能性較低,為隧道工程以及其他地下建筑工程提供了良好的地質(zhì)條件；該區(qū)內(nèi)存在地表徑流的作用,地表存在較多靜水壓力和動水壓力集中帶,為不良地質(zhì)提供了有利條件,且由于地貌條件的限制,在該區(qū)進行地表工程建設(shè)存在一定地質(zhì)風險。

3.2 階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)區(qū)

如圖2所示，該區(qū)揭露地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土,厚度為2～8 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d；第四系沖洪積圓礫土厚度為4～9 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為80 m/d；第四系沖洪積卵石土厚度為3～5 m，滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為150 m/d；三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂巖滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為25 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d；三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖夾泥巖滲透系數(shù)K約為42 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d。

圖2 階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)水文勘探點布置圖與水文地質(zhì)縱斷面

本區(qū)由于為河流作用形成地貌河谷地貌,局部存在第四系含水層,且地形相對平緩,有較好的儲水條件,但由于含水層多被隔水層切割,未能形成地下連續(xù)徑流。工程地質(zhì)勘探結(jié)果表明,該地區(qū)的地下水成不連續(xù)分布，且埋深也出現(xiàn)較大的差異,地下水位高差為5～45 m。該區(qū)地層多為第四覆蓋層,工程地質(zhì)條件較差,且局部存在地下水富集的可能性。由于該區(qū)的地下儲存條件存在離散性,因此地下水的分布和量級關(guān)系也是非線性的,增加了勘察設(shè)計過程的不確定性。同時，對于地下工程建筑來說,第四系覆蓋層的工程地質(zhì)條件差[4],建議地下工程對該區(qū)進行繞避。該區(qū)第四系覆蓋層中的卵礫石層為良好的天然持力層,且為良好的含水層,為人為用水提供了水文地質(zhì)條件,同時山谷間的堆積物與當?shù)亟涤炅坎痪邆浒l(fā)育泥石流的條件,為民用建筑等工程建設(shè)提供了良好的地質(zhì)條件。

3.3 山間盆地工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)區(qū)

如圖3所示，該區(qū)揭露地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土,厚度為3～5 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.008 m/d[2]；第四系沖洪積圓礫土厚度為5～10 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為80 m/d；第四系沖洪積,卵石土厚度為3～5 m,滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為150 m/d；三疊系下統(tǒng)和尚溝組砂泥巖互層滲透系數(shù)K(經(jīng)驗系數(shù))約為18 m/d,泥巖K(經(jīng)驗系數(shù))約為0.004 m/d[1]。

圖3 某山間盆地區(qū)水文地質(zhì)

山間盆地發(fā)育有濁漳河南源源頭,源于泉水(泉上為靈湫廟)[1]。源頭泉水出露于圪洞溝溝口—發(fā)鳩山背斜東翼的單斜構(gòu)造與房頭廟正斷裂交匯處；房頭廟正斷裂西傾,為大傾角正斷層,含水介質(zhì)為砂巖、砂巖風化裂隙發(fā)育帶、構(gòu)造破碎帶,被泥巖分隔形成多層含水系統(tǒng)。地下水流向由西向東、由北向南。東邊界沿斷層形成強徑流帶,沿北東向斷層帶通向泉口集中涌出, 為“順置式”地下水系統(tǒng),屬斷層溢流泉。濁漳河的漳水南源古為長子縣舊八景之一,稱“濁源瀉碧”,河水從山腳下流出,一片碧綠,湍流直瀉,西流東往,老泉口石龍頭現(xiàn)已不出水,南源為廟前一口井,附近泉水總量0.82 L/s,水位高程1 046 m,該井為石哲鄉(xiāng)濁漳河兩岸村莊的主要飲用水源,廟后發(fā)鳩山脈泉水不發(fā)育。

通過對水文地質(zhì)勘探與水文地質(zhì)資料的分析,鑒于該山間盆地的地下水活動高程主要在場地第一條水文地質(zhì)界線與第二條水文地質(zhì)界線附近(見圖4、圖5)。水文地質(zhì)勘探結(jié)果表明，水文地質(zhì)界線附近存在地下強徑流，建議工程活動如隧道、高層建筑等需要進行大型施工開挖的工程應(yīng)對該區(qū)進行繞避。若由于其他原因必須在該區(qū)進行工程活動,建議控制開挖深度,且需要進行防水措施,避免增加工程的地質(zhì)風險和對當?shù)厮馁Y源的破壞,若在該區(qū)進行隧道工程的建設(shè),建議加大埋深,埋深最大值以第二條水文地質(zhì)界線以上100 m為下限。

圖4 某山間盆地基巖等值線

圖5 某盆地剖面

4 結(jié)論

(1)該建筑場地地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶,地形總體由西北至東南呈現(xiàn)出中間低、兩頭高的變化特點。在漫長的地質(zhì)發(fā)展過程中,本區(qū)經(jīng)歷了多次造山運動和海進海退的地質(zhì)旋回,使區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜。因此,根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件的差異,把場地分為(1)低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)區(qū)；(2)階地與河漫灘工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)區(qū)；(3)山間盆地工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)區(qū)；是比較合理的,具有較強的可操作性。

(2)不同分區(qū)的水文地質(zhì)條件的控制因素不同,且各有特點,對工程的影響也呈現(xiàn)出各異性。明確掌握各工程地質(zhì)分區(qū)的特點,對預(yù)防工程地質(zhì)問題的發(fā)生具有一定的指導意義,為鐵路選線提供可靠的依據(jù)。

(3)通過對復雜工程地質(zhì)條件下工程地質(zhì)分區(qū)的探討、分析,能更加有效、科學地認識水文地質(zhì)條件,預(yù)測工程施工中可能出現(xiàn)的地下水條件導致的問題,從而規(guī)避鐵路施工、運營過程中的風險,實現(xiàn)鐵路工程在安全、穩(wěn)定的前提下進行建設(shè),提高工程經(jīng)濟性與合理性。

[1] 王延濤.新建山西中南部鐵路勘察大綱[R].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2009

[2] 中鐵第一勘測設(shè)計院.鐵道工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999

[3] GB—50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[4] 常士驃，張?zhí)K明.工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[5] 鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范TB10049—2004[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[6] 曾憲明.宜萬鐵路施工地質(zhì)工作[J].鐵道勘察,2010(1)