淺談構造地質(zhì)學(xué)在工程地質(zhì)中的應用

  0引言

 

  近年來(lái)地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害和由地質(zhì)構造變形引發(fā)的建筑工程破壞等次生災害在世界各地頻發(fā)，給人類(lèi)生命和財產(chǎn)造成了極大的損失。隨著(zhù)地殼和地表環(huán)境的不斷演化以及人類(lèi)工程建設活動(dòng)的不斷進(jìn)行，我們正在且將繼續面臨著(zhù)地震、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降、礦山與地下工程等工程地質(zhì)問(wèn)題。作為地質(zhì)科學(xué)中的一門(mén)基礎學(xué)科，構造地質(zhì)學(xué)主要研究巖層和巖體在內力地質(zhì)作用下產(chǎn)生的構造，在解決以上問(wèn)題過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。

 

  1構造地質(zhì)與工程地質(zhì)的區別與聯(lián)系

 

  構造地質(zhì)學(xué)主要研究各種地質(zhì)構造在空間中的基本形態(tài)、組合形式和分布規律，在時(shí)間上的形成次序、演化過(guò)程和發(fā)展歷史，以及巖層和巖體的巖石力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構造的成因機制，進(jìn)而探討產(chǎn)生地質(zhì)構造的地殼運動(dòng)的方式、規律和動(dòng)力來(lái)源。工程地質(zhì)學(xué)是調查、研究和解決與工程建設的規劃、設計、施工和運營(yíng)（生產(chǎn)）有關(guān)的由人類(lèi)工程活動(dòng)和地質(zhì)環(huán)境相互作用引起的工程和環(huán)境問(wèn)題，以及地質(zhì)災害的預測預防和治理的一門(mén)地質(zhì)科學(xué)。

 

  二者的研究目的雖然不同，但是研究?jì)热荻茧x不開(kāi)地質(zhì)體與地質(zhì)構造，其中各種地質(zhì)構造的形態(tài)、分布規律及其演化過(guò)程等為工程建設的安全進(jìn)行提供了有力的保證，而巖層和巖體的巖石力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構造的成因機制則在工程地質(zhì)問(wèn)題的分析中起到了決定性的作用。

 

  另外，大陸巖石圈與資源、環(huán)境等因素密切相關(guān)，是人類(lèi)賴(lài)以生存與發(fā)展基地?，F代構造地質(zhì)學(xué)根據大陸構造、大陸動(dòng)力學(xué)等方面的理論，研究分析了全球板塊運動(dòng)形式和速率、現今大陸板塊內主要活動(dòng)帶的地殼運動(dòng)特征與應力分布及其動(dòng)力學(xué)機制等全球環(huán)境變化的原因，這為人類(lèi)對資源和工程建設的需求、地質(zhì)災害的預防預測、地質(zhì)環(huán)境的保護等問(wèn)題提供了理論的指導。

 

  2構造地質(zhì)學(xué)在工程地質(zhì)中的應用

 

  在工程地質(zhì)中，把地質(zhì)體內的各種構造變形，如褶皺、斷層、節理、劈理，還有其他各種面狀和線(xiàn)狀構造，稱(chēng)之為結構面，其基本特征、相互關(guān)系及現代活動(dòng)性決定了該區域內的區域穩定性、巖（土）體穩定性及地下水滲流條件等，所以，地質(zhì)構造控制著(zhù)工程地質(zhì)環(huán)境和工程地質(zhì)條件。因此，構造地質(zhì)學(xué)在地基穩定性、斜坡穩定性、地下洞室穩定性、區域穩定性等工程地質(zhì)問(wèn)題和滑坡、礦井突水、水庫滲漏、地裂縫等地質(zhì)災害問(wèn)題中都有著(zhù)極其重要的應用。下面著(zhù)重從區域地殼穩定性、大型工程場(chǎng)地選址、斜坡穩定性評價(jià)、地下洞室穩定性等方面，闡述構造地質(zhì)學(xué)在工程地質(zhì)中的具體應用。

 

  2.1在區域地殼穩定性評價(jià)中的應用

 

  近年來(lái)，根據現代構造地質(zhì)學(xué)研究中的大陸動(dòng)力學(xué)理論和巖石斷裂力學(xué)理論，一些學(xué)者提出了區域穩定性動(dòng)力學(xué)理論。區域穩定性動(dòng)力學(xué)理論在區域穩定性評價(jià)過(guò)程中，能夠使大陸地殼動(dòng) 力學(xué)過(guò)程、構造和地震活動(dòng)性與巖土體的工程地質(zhì)條件得到有機統一，最終實(shí)現大到區域地殼、小到場(chǎng)地地基的穩定性合理評價(jià)。

 

  區域深層地殼的穩定性決定于地殼深部的變異層帶的性質(zhì)特征，按結構和流變性特征，大陸巖石圈分為四套動(dòng)力學(xué)子系統。第一套動(dòng)力學(xué)子系統是在上地幔頂部流變層。上地幔頂部的軟流圈和低速高導層之間夾著(zhù)較硬的層位，在全球構造應力的作用下，軟層通過(guò)流動(dòng)作用使硬層發(fā)生變形，在這個(gè)過(guò)程中能產(chǎn)生熱效應和力學(xué)效應，從而引發(fā)地殼各圈層間的拆離、剪切、增溫、加厚或減薄，從而導致巖漿作用和構造作用的發(fā)生。第二套動(dòng)力學(xué)子系統是在殼幔過(guò)渡流變層。地殼和地幔沿該殼幔過(guò)渡流變帶容易發(fā)生較大尺度的水平位移，從而造成大規模的造山帶擠壓碰撞和逆沖疊覆及裂陷區的地殼減薄伸展。第三套動(dòng)力學(xué)子系統在地殼軟弱層。大陸地殼按流變性、能干性、持力性等可以分為軟弱層和持力層兩大類(lèi)，其中軟弱層自上而下還可以分為沉積蓋層與淺變質(zhì)層間的拆離面、上地殼淺變質(zhì)巖層與深變質(zhì)基底間的拆離面、上地殼10km處的低速高導層、中地殼25~30km處的低速高導層等。這些軟弱層面構成了地殼內大尺度的水平滑脫層，常常作為造山帶的逆沖推覆、伸展垮塌、拆沉作用、變質(zhì)核雜巖的拆離出露邊界，在拉張區中，也常常作為伸展成盆地遷移和滑動(dòng)邊界。第四套動(dòng)力學(xué)子系統在地殼持力層。地殼持力層在橫向上多被斷裂所切割，其與軟弱層交界處形成脆韌性過(guò)渡帶，該過(guò)渡帶地震易發(fā)；而孕震條件及機理決定于持力層與軟弱層之間形成的動(dòng)力學(xué)作用耦合關(guān)系和活動(dòng)協(xié)調性。

 

  2.2在大型工程場(chǎng)地選址中的應用

 

  大型工程場(chǎng)地一般都位于造山帶、盆地構造、盆嶺構造這三類(lèi)構造區帶上，它們是由于近地表上地殼的擠壓推覆、擴張伸展和剪切走滑的構造變形作用所形成的。

 

  造山帶一般都作為重大能源工程場(chǎng)地選址區域，資源開(kāi)發(fā)、災害防治和環(huán)境保護等工程的進(jìn)行 決定于造山帶的結構、 演化和動(dòng)力學(xué)特征。根據造山帶的形成機制，其可以分為逆沖推覆型、伸展型和走滑型三大類(lèi)。其中，逆沖推覆構造中形成的前鋒帶、沖起塊體和飛來(lái)峰等構造，它們的變形最強烈，形成的斷裂最密集，節理最發(fā)育，巖體最破碎；伸展構造的滑覆體前緣和滑來(lái)峰的穩定性較差。

 

  在進(jìn)行工程選址時(shí)，應盡量避開(kāi)這些構造不穩定地區。 盆地是人類(lèi)主要聚居區，故其選址更為的重要，在一些大型水利工程或者地震災后重建的居民選址工作中，比如三峽移民工程、汶川大地震中災后重建工程、以及舟曲重大泥石流災后的重建工程等等，需要特別注意盆地中的不穩定區域、隱伏的活動(dòng)性斷裂等。按成因可將盆地分為壓陷盆地、走滑盆地、伸展盆地。其中壓陷盆地較為穩定，除了鄰近造山帶一側活動(dòng)性較強；受地殼剪切走滑的影響，走滑盆地活動(dòng)性較強，一般較不穩定；伸展盆地由于盆地中心地殼減薄、淺層破裂較發(fā)育，而盆地邊緣則受邊界活斷層的影響大，所以伸展盆地的中心和邊緣穩定性最差。還有，盆地的上下不一致常常導致其轉換處發(fā)生地震；盆地內部的隱伏斷裂常常導致地表發(fā)生地裂縫，直接威脅工程建筑的安全穩定，比如大同地裂縫的形成，是由于新生代以來(lái)，同盆地受來(lái)自青藏高原和太平洋方向的側向擠壓，而導致右旋剪切拉張以及地幔上隆，區內地殼減薄，基底地殼斷裂發(fā)展到上地幔，再伴隨著(zhù)斷陷作用而發(fā)生地震和地裂縫。

 

  盆嶺構造是大陸淺層構造中的重要類(lèi)型，其由正斷層形成地塹、地壘、掀斜和犁式斷層等組成，其中隆起區為穩定區，沉降區為非穩定區。

 

  2.3在斜坡穩定性評價(jià)中的應用

 

  我國是個(gè)多山區的國家，每年都會(huì )因為斜坡地質(zhì)災害的發(fā)生而造成人員的傷亡和財產(chǎn)的損失，因此，做好災前的斜坡穩定性評價(jià)十分的必要。滑坡、崩塌、泥石流等是斜坡地質(zhì)災害中最常見(jiàn)的三種，它們發(fā)生的主要因素都是來(lái)自自然方面的地形地貌、地質(zhì)構造、地層巖性、巖土體結構特性、新構造活動(dòng)及地下水條件等。其中，地質(zhì)構造控制著(zhù)中國山體的總體格局，新構造活動(dòng)的強弱反映該地區地殼的穩定性，而地貌與構造共同控制著(zhù)滑坡、崩塌、泥石流災害的發(fā)育程度。所以，滑坡、崩塌、泥石流的形成與斷裂構造之間有著(zhù)密切的關(guān)系，斷裂的性質(zhì)、破碎帶寬度、節理裂隙的發(fā)育程度及其組合特征等都是影響斜坡地質(zhì)災害的重要因素。 在工程地質(zhì)學(xué)中，通常根據巖體的結構面發(fā)育類(lèi)型及程度將其分成Ⅰ~Ⅴ5個(gè)等級，不同等級的結構面的性質(zhì)與組合形式不同，以此來(lái)判斷巖土體的穩定性與變形破壞方式，從而進(jìn)行斜坡的穩定性評價(jià)。工程地質(zhì)學(xué)中的結構面就是構造地質(zhì)中的構造結構面，指巖體中具有一定方向、力學(xué)強度相對較低、兩向延伸的地質(zhì)界面(或地質(zhì)帶)，例如巖層層面、節理、軟弱夾層以及各種成因的斷裂、裂隙等，反映了在長(cháng)期內外動(dòng)力作用下的地質(zhì)構造現象?；碌男纬膳c發(fā)展受地質(zhì)構造的影響表現為兩個(gè)方面：第一，滑坡往往沿斷裂破碎帶成群成帶的分布形成；第二，滑動(dòng)面的空間展布及滑坡的范圍受到巖層面、斷層面、節理面、片理面及 不整合面等各種軟弱結構面控制。 因此，在斜坡穩定性評價(jià)中，必須先根據結構面確定滑動(dòng)面的總 體形態(tài)和空間展布，從而確定其規模，以此來(lái)采取相應的預防措施。

 

  地質(zhì)構造對崩塌的控制作用也表現在兩個(gè)方面：第一是斷裂構造對崩塌的控制作用。具體表現在，當陡峭的斜坡走向與區域性斷裂平行或大致平行時(shí)，沿該斜坡發(fā)生的崩塌一般較多；而大型崩塌往往發(fā)生在幾組斷裂交匯的峽谷區；在斷層密集分布區，巖層較破碎，坡度較陡的時(shí)候，斜坡常發(fā)生崩塌或落石。第二，褶皺構造對崩塌的控制作用。褶皺核部巖層變形強烈，大量垂直層面的張節理在核部形成，而且在多次構造作用和風(fēng)化作用的不斷影響下，破碎巖體往往產(chǎn)生一定的位移，從而形成潛在崩塌巖體，當褶皺軸向與坡面方向垂直時(shí)，斜坡一般多產(chǎn)生落石和小型的崩塌；當褶皺軸向與坡面平行時(shí)，在高陡邊坡上就容易產(chǎn)生規模較大的崩塌。 由于構造作用形成的高差大、高坡度及大面積的流域溝谷等地形地貌，新構造運動(dòng)下形成的巖體變形與構造結構面，為泥石流的發(fā)生創(chuàng )造了必要條件。因此，可以從構造角度分析泥石流的產(chǎn)生條件，提前做好預防措施，可以達到杜絕災害發(fā)生或者減少災害損失的目的。

 

  2.4在地下洞室穩定性維護中的應用

 

  地下洞室開(kāi)挖后，如果不加以支撐和維護，則洞室圍巖繪制地應力的作用下發(fā)生變形或破壞，在采礦界這種現象稱(chēng)之為地壓顯現。在礦井事故方面，由地壓造成的危害主要有頂板下沉和垮落、底板隆起、巖壁垮幫、支架變形破壞、采井冒落、 巖層錯動(dòng)、煤與瓦斯突出及巖爆等等。這些事故發(fā)生的主要原因取決于圍巖的巖性和結構，特別是當巖體的地質(zhì)構造發(fā)育充分而且復雜的情況下，洞室開(kāi)挖后，容易形成構造應力集中區。比如在斷層、軟弱破碎巖墻或者巖脈等軟弱結構面附近，往往容易形成應力集中區，若不加以防范，則很可能發(fā)生事故。 通過(guò)對礦井地質(zhì)構造的分析，根據構造綱要圖對錨桿支護方式提供指導，可以取得良好的支護效果，保證安全生產(chǎn)。比如，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，當掘進(jìn)到向斜、背斜的軸部轉折端或斷層、陷落柱時(shí)，地質(zhì)人員根據收集到的頂煤厚資料和煤層的節、劈理、產(chǎn)狀及含水情況以及巷道冒頂情況，準確地繪制出構造綱要圖，然后綜合分析影響巷道支護的地質(zhì)構造因素，用所得出的結論預測巷道掘進(jìn)前方可能遇到地質(zhì)構造，從而采用合適的支護方式。

 

  3結語(yǔ)

 

  由上面的分析可知，構造地質(zhì)學(xué)在工程地質(zhì)中有著(zhù)十分重要的作用，特別是在山區，一些工程地質(zhì)問(wèn)題中甚至起著(zhù)決定性的作用；離開(kāi)構造地質(zhì)學(xué)搞工程地質(zhì)，不僅使得工作將變盲目，可能浪費很多的材料與人力，而且容易引發(fā)新的地質(zhì)災害，造成人員的傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。例如，汶川地震災后重建的縣城，在災后第二年的暴雨之后又被泥水所掩埋，不僅造成了極大的經(jīng)濟損失，而且給當地的災民造成更大的心理陰影，不利于社會(huì )的和諧穩定發(fā)展。所以，在今后的工程地質(zhì)工作中，一定要首先從構造地質(zhì)學(xué)的角度認真分析擬建工程所在場(chǎng)地的整個(gè)區域的穩定性，確定穩定之后或者采取相應的措施可以維持穩定之后，再結合當地具體的地質(zhì)構造分布情況，對工程進(jìn)行詳細設計、施工，最終達到安全、經(jīng)濟、效益的統一。