水文地質條件工程地質分區在工程中的應用

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問題一直是隧道的勘察設計與施工中一個主要工程地質問題,也是隧道施工過程主要的工程地質風險之一,如果能在選線過程查明水文地質條件,提前有效識別風險,提出針對性的處理措施,就能降低甚至規避施工、運營過程中的風險,減少和免除這類地質災害帶來的損失。為了在選線階段就較為系統、有效地認識并查明水文地質條件,做好水文地質條件的工程地質分區成為隧道選址區內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—陽城北北東向褶皺帶,該段工程地質條件與水文地質條件復雜,工程地質問題突出。本文通過工程和水文地質條件對該地區的工程地質分區進行了初步探討。

1 地質概況

1.1 地形地貌

隧道選址區西起太岳山前緣翹凹,東止沁水塊坳主體沾尚—武鄉—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

該區域主要出露地層為二疊系上統石千峰組：(P2sh)泥巖夾砂巖，以磚紅色泥巖為主,局部間夾薄層淡水灰巖,底部為灰白、黃綠色含礫中粗粒砂巖,巖質較軟巖體受干濕影響崩解明顯,具弱膨脹性。三疊系下統劉家溝組(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泥巖、薄層泥礫巖,區域地層厚度約338.3～442.50 m；泥質巖石以砂質泥巖為主,石膏層質軟,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、泥質砂巖、泥巖互層,巖體呈中厚層狀結構,屬軟—較軟巖,區域厚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、砂質泥巖,區域厚470～660 m。以及第四系下更新統(Q1)圓礫土，卵石土與褐紅色粉質黏土、粉土、黏性土；第四系中更新統(Q2)棕紅色及黃褐色粉質黏土、粉土,夾有薄層粉細砂或圓礫土層；第四系上更新統(Q3)黃褐色及灰色粉質黏土、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(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

線路通過地區屬中溫帶干旱、半干旱氣候區。以寒冷干燥,大陸型氣候為特征。晝夜溫差變化較大,表現為降雨量少,蒸發量大,空氣干燥,春秋季節多風,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,季節最大凍土深度75 cm[1]。

1.4 地震動參數

據調查,有史記載以來隧址區域范圍內共發生兩次5級地震,未發生過5級以上強烈地震,地震活動較弱,屬新構造活動相對穩定的構造區塊。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306—2001),隧址區地震動峰值加速度為0.10g；相應的地震基本烈度為Ⅶ度；地震動反映譜特征周期0.40 s。

1.5 水文地質概況

場地區為燕山期造山運動所形成的沁水塊坳[1]。該地區的主要特征為J、K地層缺失,出現了第四系與T、P直接相接的不整合接觸關系。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,第一條水文地質界線為第四系與T、P的不整合接觸線,在低山丘陵區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,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,由西向東、由北向南匯入附近河流。通過調查也發現，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砂巖裂隙發育,透水性較強,且根據區域水文資料描述,該建筑場地區內砂巖的持水性較好,地下水的滯后效應明顯,給水度0.000 8<μ<0.003,滲透系數K>35 m/d。P2sh的厚層泥巖為區域上標志性隔水層,由于相對隔水與透水的情況,地下水相對富集。這點在現場勘察查的過程中得到證實。

2 工程地質分區的劃定

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

圖1 工程地質分區

3 各分區的工程地質特征與水文地質條件

3.1 低山丘陵工程地質區(Ⅰ)區

該區揭示地層主要為第四系殘積粉質黏土,厚度為3～6 m,滲透系數K(經驗系數)約為0.008 m/d；三疊系中統二馬營組砂巖夾泥巖滲透系數K(經驗系數)約為23 m/d；三疊系下統和尚溝組砂泥巖滲透系數K(經驗系數)約為18 m/d,泥巖K(經驗系數)約為0.004 m/d；三疊系下統劉家溝組砂巖滲透系數K約為42 m/d,泥巖K(經驗系數)約為0.004 m/d。

本區表層均有較薄的第四系粉質黏土覆蓋,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。工程地質勘探的結果表明,地下水埋深都大于300 m。該區砂巖工程地質條件較好,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條件；該區內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,為不良地質提供了有利條件,且由于地貌條件的限制,在該區進行地表工程建設存在一定地質風險。

3.2 階地與河漫灘工程地質區(Ⅱ)區

如圖2所示，該區揭露地層主要為第四系沖洪積粉質黏土,厚度為2～8 m,滲透系數K(經驗系數)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K(經驗系數)約為80 m/d；第四系沖洪積卵石土厚度為3～5 m，滲透系數K(經驗系數)約為150 m/d；三疊系下統和尚溝組砂巖滲透系數K(經驗系數)約為25 m/d,泥巖K(經驗系數)約為0.004 m/d；三疊系下統劉家溝組砂巖夾泥巖滲透系數K約為42 m/d,泥巖K(經驗系數)約為0.004 m/d。

圖2 階地與河漫灘工程地質區水文勘探點布置圖與水文地質縱斷面

本區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,未能形成地下連續徑流。工程地質勘探結果表明,該地區的地下水成不連續分布，且埋深也出現較大的差異,地下水位高差為5～45 m。該區地層多為第四覆蓋層,工程地質條件較差,且局部存在地下水富集的可能性。由于該區的地下儲存條件存在離散性,因此地下水的分布和量級關系也是非線性的,增加了勘察設計過程的不確定性。同時，對于地下工程建筑來說,第四系覆蓋層的工程地質條件差[4],建議地下工程對該區進行繞避。該區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條件,同時山谷間的堆積物與當地降雨量不具備發育泥石流的條件,為民用建筑等工程建設提供了良好的地質條件。

3.3 山間盆地工程地質區(Ⅲ)區

如圖3所示，該區揭露地層主要為第四系沖洪積粉質黏土,厚度為3～5 m,滲透系數K(經驗系數)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K(經驗系數)約為80 m/d；第四系沖洪積,卵石土厚度為3～5 m,滲透系數K(經驗系數)約為150 m/d；三疊系下統和尚溝組砂泥巖互層滲透系數K(經驗系數)約為18 m/d,泥巖K(經驗系數)約為0.004 m/d[1]。

圖3 某山間盆地區水文地質

山間盆地發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—發鳩山背斜東翼的單斜構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,含水介質為砂巖、砂巖風化裂隙發育帶、構造破碎帶,被泥巖分隔形成多層含水系統。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,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,該井為石哲鄉濁漳河兩岸村莊的主要飲用水源,廟后發鳩山脈泉水不發育。

通過對水文地質勘探與水文地質資料的分析,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界線與第二條水文地質界線附近(見圖4、圖5)。水文地質勘探結果表明，水文地質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對該區進行繞避。若由于其他原因必須在該區進行工程活動,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風險和對當地水文資源的破壞,若在該區進行隧道工程的建設,建議加大埋深,埋深最大值以第二條水文地質界線以上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 結論

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

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

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

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

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

[3] GB—50021—2001 巖土工程勘察規范[S]

[4] 常士驃，張蘇明.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[5] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程水文地質勘察規范TB10049—2004[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[6] 曾憲明.宜萬鐵路施工地質工作[J].鐵道勘察,2010(1)