水文地質(zhì)條件工程地質(zhì)分區在工程中的應用

  近年來(lái), 隧道涌水等工程地質(zhì)問(wèn)題一直是隧道的勘察設計與施工中一個(gè)主要工程地質(zhì)問(wèn)題, 也是隧道施工過(guò)程主要的工程地質(zhì)風(fēng)險之一, 如果能在選線(xiàn)過(guò)程查明水文地質(zhì)條件, 提前有效識別風(fēng)險, 提出針對性的處理措施, 就能降低甚至規避施工、運營(yíng)過(guò)程中的風(fēng)險, 減少和免除這類(lèi)地質(zhì)災害帶來(lái)的損失。為了在選線(xiàn)階段就較為系統、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)分區成為隧道選址區內一個(gè)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(cháng)治市與臨汾市的交界處, 地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉—陽(yáng)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(wèn)題突出。本文通過(guò)工程和水文地質(zhì)條件對該地區的工程地質(zhì)分區進(jìn)行了初步探討。

 

  1 地質(zhì)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(yáng)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(zhì)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(cháng)石砂巖、長(cháng)石石英砂巖, 層間夾少量紫紅色砂質(zhì)泥巖、薄層泥礫巖, 區域地層厚度約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(fēng)化長(cháng)石砂巖、泥質(zhì)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(yíng)組(T2er):灰綠及黃綠色長(cháng)石砂巖夾紫紅色、暗紫色泥巖、砂質(zhì)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(zhì)黏土、粉土、黏性土;第四系中更新統(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(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(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(xiàn)路通過(guò)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(fā)量大, 空氣干燥, 春秋季節多風(fēng), 夏季短促而炎熱, 冬季漫長(cháng)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(shí)最大風(fēng)速13.7 m/s, 主導風(fēng)向南風(fēng);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。

 

  1.4 地震動(dòng)參數

 

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

 

  1.5 水文地質(zhì)概況

 

  場(chǎng)地區為燕山期造山運動(dòng)所形成的沁水塊坳。

 

  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(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(xiàn)為第四系與T、P的不整合接觸線(xiàn), 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(guò)該山間盆地區, 由西向東、由北向南匯入附近河流。通過(guò)調查也發(fā)現, 最晚形成的泉都集中分布在該界線(xiàn)附近。

 

  第2條分界線(xiàn)為T(mén)1l與P2sh的整合接觸線(xiàn), T1l砂巖裂隙發(fā)育, 透水性較強, 且根據區域水文資料描述, 該建筑場(chǎng)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(diǎn)在現場(chǎng)勘察查的過(guò)程中得到證實(shí)。

 

  2 工程地質(zhì)分區的劃定

 

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

 

  3 各分區的工程地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

 

  3.1 低山丘陵工程地質(zhì)區(Ⅰ )區

 

  該區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K(經(jīng)驗系數)約為0.008 m/d;三疊系中統二馬營(yíng)組砂巖夾泥巖滲透系數K(經(jīng)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(jīng)驗系數)約為18 m/d, 泥巖K(經(jīng)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(jīng)驗系數)約為0.004 m/d。

 

  本區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)勘探的結果表明,地下水埋深都大于300 m。該區砂巖工程地質(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;該區內存在地表徑流的作用, 地表存在較多靜水壓力和動(dòng)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, 在該區進(jìn)行地表工程建設存在一定地質(zhì)風(fēng)險。

 

  3.2 階地與河漫灘工程地質(zhì)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(zhì)黏土, 厚度為2 ～ 8 m, 滲透系數K(經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)驗系數)約為25 m/d, 泥巖K(經(jīng)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(jīng)驗系數)約為0.004 m/d。

 

  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(zhì)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(zhì)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(guān)系也是非線(xiàn)性的, 增加了勘察設計過(guò)程的不確定性。

 

  同時(shí), 對于地下工程建筑來(lái)說(shuō), 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進(jìn)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(zhì)條件, 同時(shí)山谷間的堆積物與當地降雨量不具備發(fā)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(zhì)條件。

 

  3.3 山間盆地工程地質(zhì)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(zhì)黏土, 厚度為3 ～ 5 m, 滲透系數K(經(jīng)驗系數)約為0.008 m/d[ 2] ;第四系沖洪積圓礫土厚度為5 ～ 10m, 滲透系數K(經(jīng)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(jīng)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(jīng)驗系數)約為18 m/d, 泥巖K(經(jīng)驗系數)約為0.004 m/d[ 1] 。

 

  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(fēng)化裂隙發(fā)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(cháng)子縣舊八景之一, 稱(chēng)“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(fā)鳩山脈泉水不發(fā)育。

 

  通過(guò)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(dòng)高程主要在場(chǎng)地第一條水文地質(zhì)界線(xiàn)與第二條水文地質(zhì)界線(xiàn)附近(見(jiàn)圖4、圖5)。水文地質(zhì)勘探結果表明, 水文地質(zhì)界線(xiàn)附近存在地下強徑流, 建議工程活動(dòng)如隧道、高層建筑等需要進(jìn)行大型施工開(kāi)挖的工程應對該區進(jìn)行繞避。若由于其他原因必須在該區進(jìn)行工程活動(dòng), 建議控制開(kāi)挖深度,且需要進(jìn)行防水措施, 避免增加工程的地質(zhì)風(fēng)險和對當地水文資源的破壞, 若在該區進(jìn)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(zhì)界線(xiàn)以上100 m為下限。

 

  4 結論

 

  (1)該建筑場(chǎng)地地處沁水塊坳主體沾尚—武鄉—陽(yáng)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(diǎn)。在漫長(cháng)的地質(zhì)發(fā)展過(guò)程中, 本區經(jīng)歷了多次造山運動(dòng)和海進(jìn)海退的地質(zhì)旋回,使區內地質(zhì)構造復雜。因此, 根據場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件的差異, 把場(chǎng)地分為(1)低山丘陵工程地質(zhì)區(Ⅰ )區;(2)階地與河漫灘工程地質(zhì)區(Ⅱ )區;(3)山間盆地工程地質(zhì)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(zhì)條件的控制因素不同,且各有特點(diǎn), 對工程的影響也呈現出各異性。明確掌握各工程地質(zhì)分區的特點(diǎn), 對預防工程地質(zhì)問(wèn)題的發(fā)生具有一定的指導意義, 為鐵路選線(xiàn)提供可靠的依據。

 

  (3)通過(guò)對復雜工程地質(zhì)條件下工程地質(zhì)分區的探討、分析, 能更加有效、科學(xué)地認識水文地質(zhì)條件, 預測工程施工中可能出現的地下水條件導致的問(wèn)題, 從而規避鐵路施工、運營(yíng)過(guò)程中的風(fēng)險, 實(shí)現鐵路工程在安全、穩定的前提下進(jìn)行建設, 提高工程經(jīng)濟性與合理性。