青藏高原南緣某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)深厚覆蓋層工程地質(zhì)特征*

羅永紅 南 凱 謝春慶 宋志賓 胡 鵬 范孝藝 潘 凱 李 航

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國(guó))

(②中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司， 廣州 510170， 中國(guó))

0 引 言

深厚覆蓋層是指厚度大于30 m的第四紀(jì)松散堆積覆蓋層(王運(yùn)生等， 2007)。目前深厚覆蓋層的存在，是一個(gè)具有區(qū)域性乃至全球性的普遍現(xiàn)象(許強(qiáng)等， 2010)。根據(jù)已建工程的地質(zhì)資料揭示(鄒林， 2000； 胡金山等， 2016； 劉昌， 2017)，金沙江下游新市鎮(zhèn)至宜賓河段，覆蓋層厚度普遍超過(guò)100 m，雅魯藏布江流域里龍壩址最深覆蓋層達(dá)286 m，林芝尼洋河多布水電站壩址左岸區(qū)，覆蓋層厚度180～359.3 m。已建成的大渡河冶勒水電站覆蓋層，最大厚度達(dá)420 m。此外，個(gè)別水電站工程壩基發(fā)現(xiàn)500 m以上的超深厚覆蓋層(如米林水電站)，通過(guò)電測(cè)手段發(fā)現(xiàn)澤當(dāng)曲水大橋附近的古河床覆蓋層厚度達(dá)到600 m(余挺等， 2020)。關(guān)于深厚覆蓋層的成因，羅守成(1995)認(rèn)為深厚覆蓋層是新構(gòu)造的升降或停頓，以及第四紀(jì)冰川運(yùn)動(dòng)的刨蝕作用形成的構(gòu)造型和氣候型的加積層，表現(xiàn)為地層成分在縱向上有規(guī)律的重復(fù)出現(xiàn)。王蘭生等(2005)提出了一種崩滑流堆積成因模式，即地震、暴雨等誘發(fā)的山體垮塌、滑坡和泥石流等災(zāi)害，產(chǎn)生堵江等現(xiàn)象，或滑坡體前緣直接沉積于早期覆蓋層之上，從而引發(fā)局部的深厚覆蓋層堆積。王運(yùn)生等(2006)認(rèn)為是末次冰期中的間冰段時(shí)期河流強(qiáng)烈侵蝕谷底下切河床所致，并提出河谷下切形成的三級(jí)階地，在河谷回填堆積時(shí)期形成二級(jí)、一級(jí)階地和現(xiàn)今的河床。這種間冰期的溯源侵蝕，最明顯表現(xiàn)在岷江流域，自下游向上游其覆蓋層逐漸增厚。鄭達(dá)(2010)認(rèn)為深厚覆蓋層不僅僅是河流堆積物的加積，也是一種堆積物快速回填的結(jié)果，當(dāng)其厚度超過(guò)60 m，還伴存著堰塞堆積的現(xiàn)象?？偨Y(jié)前人研究表明，深厚覆蓋層主要受構(gòu)造、氣候及物理地質(zhì)作用等因素的影響。高原深厚的第四紀(jì)覆蓋層成因較內(nèi)地河流呈復(fù)雜多樣化。

河谷深厚覆蓋層的形成受上述因素影響，其物質(zhì)組成變化，顆粒級(jí)配不均勻等導(dǎo)致工程地質(zhì)特性差異明顯，由此引發(fā)的工程地質(zhì)問(wèn)題層出不窮。研究表明河谷深厚覆蓋層具有分布厚度變化大且不連續(xù)、結(jié)構(gòu)差異顯著、成分多樣化、堆積序列異常、成因類型復(fù)雜和物理力學(xué)性質(zhì)不均勻性等特點(diǎn)(楊天俊， 1998； 許強(qiáng)等， 2008； 李會(huì)中等， 2014)。對(duì)于深厚覆蓋層工程地質(zhì)問(wèn)題的研究以滲漏居多，如王正成等(2017)對(duì)深厚覆蓋層研究發(fā)現(xiàn)，弱透水層的埋深變化對(duì)整個(gè)覆蓋層的滲流場(chǎng)變化產(chǎn)生較大影響。其滲漏問(wèn)題主要為管涌、流土。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)在覆蓋層上的建筑物，約一半事故是由滲漏破壞和沉陷等工程地質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致(陳海軍等， 1996； 譚儒蛟等， 2008； 張飛， 2015)，而地震液化也是常見(jiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題之一(白勇等， 2008； 王正成等， 2019； 蔡正銀等， 2020)。

以上主要為解決水電工程壩基穩(wěn)定性等問(wèn)題的深厚或超深厚覆蓋層相關(guān)研究多位于青藏高原周緣地區(qū)的深切河谷地帶，其成因及工程地質(zhì)特性與青藏高原面上所處的高程及第四紀(jì)氣候環(huán)境有顯著差異。隨著我國(guó)“川藏鐵路”建設(shè)以及“一帶一路”倡議向尼泊爾等國(guó)家延伸，大量鐵路等工程將選址青藏高原面上盆地或河谷地帶，而對(duì)于青藏高原腹地等地區(qū)出露的深厚覆蓋層研究相對(duì)較少，對(duì)其工程地質(zhì)特性及工程地質(zhì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足。

本論文研究區(qū)青藏高原南緣某擬建機(jī)場(chǎng)位于定日縣境內(nèi)，距離珠穆朗瑪峰約50 km，場(chǎng)區(qū)屬朋曲河右岸河漫灘及一級(jí)階地，平均海拔4300 m。通過(guò)對(duì)該機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地勘察發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)址所在地帶覆蓋層普遍超過(guò)30 m以上，最深厚度超過(guò)105 m仍未揭穿，覆蓋物成分在水平和縱向上復(fù)雜交錯(cuò)，成因復(fù)雜，物理力學(xué)參數(shù)變化較大，而基于青藏高原南緣地區(qū)深厚覆蓋層的研究資料相對(duì)較缺乏，對(duì)區(qū)內(nèi)大規(guī)模工程建設(shè)產(chǎn)生一定制約作用。本論文以擬建機(jī)場(chǎng)工程地質(zhì)勘探資料，對(duì)場(chǎng)址區(qū)揭露的深厚覆蓋層特征及其工程地質(zhì)特性的研究，不僅對(duì)青藏高原南緣地區(qū)深厚覆蓋層成因及其工程地質(zhì)特性分析具有一定的科學(xué)意義，而且為該地區(qū)類似大型工程的地基巖土體評(píng)價(jià)及處理提供一定的借鑒依據(jù)，也為珠峰地區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供一定參考。

1 深厚覆蓋層空間分布及物質(zhì)組成特征

1.1 深厚覆蓋層空間分布特征

圖1 研究場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)平面圖

1.2 深厚覆蓋層組成特征

圖2 跑道軸線剖面圖

圖3 場(chǎng)區(qū)鉆探揭露覆蓋層特征

綜合鉆探揭露表明，研究場(chǎng)區(qū)覆蓋層總體表現(xiàn)為“橫向泥石流堆積分區(qū)，縱向不同成因覆蓋層分層”特征，其中全新世沖洪積層的物質(zhì)成分復(fù)雜特征大于泥石流堆積物，而湖相沉積及晚更新沖洪積層物質(zhì)成分較為單一。

2 深厚覆蓋層成因分析

研究區(qū)覆蓋層物質(zhì)從泥石流相-河流相-湖相-河流相之間的變化，間接反映了青藏高原南緣地區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造作用及該地區(qū)第四紀(jì)氣候變化特性。

研究表明(李建忠等， 2004)，珠峰朗瑪峰地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，差異上升運(yùn)動(dòng)明顯，而在崗巴—定日盆地表現(xiàn)為相對(duì)下降。受板塊碰撞作用的影響，在崗巴地區(qū)形成一深水坳陷盆地(李國(guó)彪等， 2002)，此為朋曲河谷演化的始端，為研究區(qū)深厚覆蓋層的形成提供了空間。第四紀(jì)以來(lái)，青藏高原發(fā)生過(guò)多次冰期及間冰期(李炳元等， 1983； 李吉均等， 1983； 楊逸疇等， 1983； 李永昭， 1998)，普遍開(kāi)始冰凍圈記錄是在中更新世早期，也有認(rèn)為開(kāi)始于早更新世早期(趙越等， 2009)，隨著全球性冰期到來(lái)，暗示著青藏高原在中更新世早期整體性較快速抬升進(jìn)入冰凍圈，即海拔3500 m以上(趙越等， 2009)。1964年希夏邦馬峰科學(xué)考察隊(duì)在野博康加勒地層中，采到高山櫟等葉子的印痕化石，研究得出2 Ma前(上新世晚期)，喜馬拉雅山海拔約5000 m(徐仁等， 1973)，而現(xiàn)今其平均海拔高度超過(guò)7000 m。據(jù)此推測(cè)，朋曲河谷地區(qū)(現(xiàn)今海拔約4300 m)在中更新世早期海拔高度低于3500 m，并未進(jìn)入冰凍圈層。在第一次冰期期間，氣溫降低，引發(fā)水分轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰層，降低了水分的流動(dòng)，海平面降低，河谷地帶產(chǎn)生溯源侵蝕現(xiàn)象，朋曲河谷地帶以侵蝕為主，并未有大量物源堆積。希夏邦馬冰期后，青藏高原經(jīng)歷了聶拉木冰期、吉隆寺冰期、絨布寺冰期(李炳元等， 1983； 楊逸疇等， 1983)，其中最后兩次冰期發(fā)生在晚更新世以來(lái)，也是青藏高原快速抬升階段，而其間冰期階段青藏高原氣候變暖，冰川消融，水的搬運(yùn)能力加大，河谷地帶產(chǎn)生大量物源堆積，鉆孔揭露層厚在63～105 m的晚更新世沖洪積覆蓋層即為此階段堆積物，組成物質(zhì)為細(xì)砂和粗砂，厚度超過(guò)40 m(未揭穿)。由于喜馬拉雅山脈阻擋了印度洋水汽北進(jìn)，晚更新世以來(lái)的冰期規(guī)模低于中更新世冰期，由此使得其間冰期的冰川消融水流搬運(yùn)作用有限，局限于2 mm以下的砂粒等。進(jìn)入全新世以來(lái)，青藏高原進(jìn)入了冰后期，氣候回暖，誘發(fā)大量冰川崩塌或形成凍融泥石流堰塞朋曲河道形成湖泊，形成湖相沉積，鉆孔揭露其淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度超過(guò)40 m。隨著沉積物導(dǎo)致河床抬升及堰塞體潰決，青藏高原氣候進(jìn)入短期的冷暖交替波動(dòng)階段，由此引發(fā)流水搬運(yùn)物質(zhì)多樣化，無(wú)明顯沉積韻律，沉積物呈片狀透鏡體，鉆孔揭露全新世沖洪積層中粉土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂和圓礫等均有，厚度變化較大。伴隨著青藏高原氣候穩(wěn)定，且氣溫升高，夏季暴雨常發(fā)，加之溝道或坡面冰磧物等物源豐富，導(dǎo)致泥石流頻發(fā)并形成多期次堆積特征。此外，根據(jù)泥石流堆積區(qū)淺井揭露在其堆積層5～6 m處，普遍存在約1 m厚的粉細(xì)砂透鏡體，表現(xiàn)為泥石流停止堆積并受到地表洪流沖刷及物質(zhì)沉積一段時(shí)間后，再次疊加泥石流物質(zhì)堆積(圖4)。

圖4 研究場(chǎng)區(qū)淺井揭示泥石流堆積層特征

3 覆蓋層工程地質(zhì)特性

3.1 覆蓋層物理力學(xué)特性

基于室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(如載荷、剪切、標(biāo)貫等)，研究區(qū)各層覆蓋層的物理力學(xué)特性統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 表層覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

淺層物質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，第①層泥石流堆積物，其中角礫層為不良級(jí)配土，中等壓縮性中硬-堅(jiān)硬土，承載力一般，屬?gòu)?qiáng)透水層； 碎石層為不良級(jí)配土，屬低壓縮性中軟-堅(jiān)硬土，承載力較高，屬?gòu)?qiáng)透水。第②層沖洪積堆積物，其圓礫為不良級(jí)配，低壓縮性中軟-中硬土，承載力一般，強(qiáng)透水層； 粉細(xì)砂層除局部級(jí)配良好外，為級(jí)配不良，中等壓縮性中硬-軟弱土，承載力較差，中等透水層； 粉土為中等壓縮-高壓性軟弱土，承載力較差，弱透水層。第③層湖相粉質(zhì)黏土，為中等壓縮-高壓縮性中硬土，局部為中軟土，承載力較差，屬于弱透水層或隔水層。

3.2 工程地質(zhì)問(wèn)題分析

基于研究區(qū)覆蓋層成因及物理力學(xué)特性分析表明，表層泥石流及沖洪積堆積物空間上分布不連續(xù)，縱向厚度及物理力學(xué)性質(zhì)變化較大，研究場(chǎng)區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題存在以下幾個(gè)方面：

3.2.1 地基不均勻

研究區(qū)表層沖洪積層(②層)物質(zhì)組成不均勻，夾含粉土和粉細(xì)砂中等壓縮-高壓縮性軟弱土，橫向上粉土層厚度空間變化不均一(圖5)，同一土層的不均勻性問(wèn)題突出。在研究區(qū)西側(cè)第②層與其上覆的厚度變化不均的泥石流碎石層(①層)相比，兩者壓縮模量(Es)相差16～46 MPa，不同土層的承載力特性差異大。

圖5 研究區(qū)粉土厚度等值線圖

通過(guò)對(duì)跑道軸線剖面(圖2)沉降量計(jì)算分析表明，在允許建筑安全使用的前提下，每相鄰50 m鉆孔之間沉降差異量為0.83～166.91 mm，隨著壓縮層厚度的增加地基沉降量顯著增大(圖6)。

3.2.2 地基滲漏破壞問(wèn)題

研究區(qū)南北兩側(cè)豐富的地表及地下水徑流至研究場(chǎng)地最終排泄進(jìn)入朋曲河，在沖洪積層(②層)和泥石流層(①層)中均存在潛蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為地表水系常年渾濁，在雨季更加明顯，局部表層泥沙淤積?；谂R界水力梯度和不均勻系數(shù)公式：

(1)

(2)

式中：Jcr為臨界水力梯度；ρs為土粒密度(g·cm-3)；ε為土孔隙比；η為不均勻系數(shù)；d60為小于某粒徑土重的累計(jì)60%對(duì)應(yīng)粒徑；d10為小于某粒徑土重的累計(jì)10%對(duì)應(yīng)粒徑。

經(jīng)計(jì)算研究場(chǎng)區(qū)土層臨界水力梯度和不均勻系數(shù)值如表2。

表2 土層滲透參數(shù)

根據(jù)伊斯托明娜(張倬元等， 2016)提出的允許水力梯度和不均勻系數(shù)關(guān)系線(圖7藍(lán)色虛線)，以及臨界梯度(紅色虛線)和不均勻系數(shù)關(guān)系曲線，據(jù)此判斷研究區(qū)覆蓋層中碎石、角礫，圓礫和部分粉細(xì)砂為骨架的地層存在滲流破壞可能。

圖7 臨界水力梯度、允許水力梯度與不均勻系數(shù)關(guān)系

3.2.3 邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題

基于擬建機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)整平標(biāo)高4311～4328 m，填方區(qū)主要位于東側(cè)沖洪積堆積區(qū)(②層)，挖方區(qū)主要位于南側(cè)泥石流堆積區(qū)(①層)。其中：東側(cè)填方區(qū)地下水位埋深常年0～0.5 m，原地基(②層)粉細(xì)砂、圓礫長(zhǎng)期飽水，填方后其固結(jié)沉降緩慢，而不均勻沉降容易導(dǎo)致填方邊坡破壞。在挖方區(qū)，地下水位穩(wěn)定標(biāo)高4315～4324 m，開(kāi)挖后部分地下水位出露地表或高于挖方邊坡坡腳，碎塊石堆積物的強(qiáng)透水性容易導(dǎo)致潛蝕或管涌，引起邊坡變形及破壞，當(dāng)暴雨作用下，滲透破壞及動(dòng)水壓力等綜合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響更為顯著。

3.2.4 地基凍融破壞

研究區(qū)場(chǎng)地靠近珠峰，年最低氣溫- 21.7 ℃，東側(cè)沖洪積層屬季節(jié)性凍土。根據(jù)覆蓋層含水率和凍結(jié)水位線判定沖洪積層屬Ⅳ凍脹，凍脹率6%～12%。因原地基受季節(jié)性氣溫的影響不斷處于凍脹-融陷循環(huán)，容易對(duì)剛度較大的混凝土道槽產(chǎn)生地基凍融破壞作用。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)青藏高原南緣某擬建機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)深厚覆蓋層發(fā)育特征及工程地質(zhì)特性分析，獲得以下結(jié)論：

(2)研究區(qū)位于青藏高原南緣崗巴—定日盆地，受板塊強(qiáng)烈碰撞作用形成的深水坳陷盆地為深厚覆蓋層堆積提供了空間。成因分析表明，已揭露63 m以下物質(zhì)與晚更新世以來(lái)青藏高原快速抬升及間冰期氣候變化密切相關(guān)，而淺表層63 m以內(nèi)堆積物與青藏高原全新世以來(lái)的氣候回暖及冷暖交替變化密切相關(guān)。

(3)研究區(qū)覆蓋層物理力學(xué)特性統(tǒng)計(jì)表明，相同成因?qū)又形镔|(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)差異明顯，而不同成因覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，除粉質(zhì)黏土層為相對(duì)隔水層外，其余覆蓋層物質(zhì)多為中等至強(qiáng)透水性。

(4)研究區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題主要表現(xiàn)為不均勻沉降、滲漏破壞、邊坡不穩(wěn)定及凍融誘發(fā)地基破壞問(wèn)題。