水文地质条件工程地质分区在工程中的应用

周 游

(陕西铁道工程勘察有限公司, 陕西宝鸡 721001)

近年来,隧道涌水等工程地质问题一直是隧道的勘察设计与施工中一个主要工程地质问题,也是隧道施工过程主要的工程地质风险之一,如果能在选线过程查明水文地质条件,提前有效识别风险,提出针对性的处理措施,就能降低甚至规避施工、运营过程中的风险,减少和免除这类地质灾害带来的损失。为了在选线阶段就较为系统、有效地认识并查明水文地质条件,做好水文地质条件的工程地质分区成为隧道选址区内一个十分重要的条件。

山西中南部铁路通道某地段位于山西省长治市与临汾市的交界处，地处沁水块坳主体沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带,该段工程地质条件与水文地质条件复杂,工程地质问题突出。本文通过工程和水文地质条件对该地区的工程地质分区进行了初步探讨。

1 地质概况

1.1 地形地貌

隧道选址区西起太岳山前缘翘凹,东止沁水块坳主体沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带,跨越沁河与漳河分水岭——安泰山及黑虎岭[1],地势起伏较大,地面高程1 034.2～1 559.2 m,相对高差约210 m。

1.2 地层岩性

该区域主要出露地层为二叠系上统石千峰组：(P2sh)泥岩夹砂岩，以砖红色泥岩为主,局部间夹薄层淡水灰岩,底部为灰白、黄绿色含砾中粗粒砂岩,岩质较软岩体受干湿影响崩解明显,具弱膨胀性。三叠系下统刘家沟组(T1l)：浅紫红—淡紫色中薄层夹中厚层状中细粒长石砂岩、长石石英砂岩,层间夹少量紫红色砂质泥岩、薄层泥砾岩,区域地层厚度约338.3～442.50 m；泥质岩石以砂质泥岩为主,石膏层质软,以薄夹层的形式存在。三叠系和尚沟组(T1h)：青灰色、紫红色,强—弱风化长石砂岩、泥质砂岩、泥岩互层,岩体呈中厚层状结构,属软—较软岩,区域厚164.0～264 m。三叠系二马营组(T2er)：灰绿及黄绿色长石砂岩夹紫红色、暗紫色泥岩、砂质泥岩,区域厚470～660 m。以及第四系下更新统(Q1)圆砾土，卵石土与褐红色粉质黏土、粉土、黏性土；第四系中更新统(Q2)棕红色及黄褐色粉质黏土、粉土,夹有薄层粉细砂或圆砾土层；第四系上更新统(Q3)黄褐色及灰色粉质黏土、粉土,局部夹有粉细砂或圆砾土层,局部地表覆盖有人工填土；第四系全新统(Q4)粉土、圆砾土,主要分布于河谷及沟谷地段与山间盆地附近。

1.3 气象特征

线路通过地区属中温带干旱、半干旱气候区。以寒冷干燥,大陆型气候为特征。昼夜温差变化较大,表现为降雨量少,蒸发量大,空气干燥,春秋季节多风,夏季短促而炎热,冬季漫长且严寒。平均气温9.9 ℃,极端最高气温38.7 ℃,极端最低气温-12.6 ℃,最冷月平均气温-6.1 ℃；年平均降水量465.8～509.1 mm,年平均蒸发量1 506.3 mm；瞬时最大风速13.7 m/s,主导风向南风；土壤冰冻期从当年10 月下旬到次年的3 月下旬,季节最大冻土深度75 cm[1]。

1.4 地震动参数

据调查,有史记载以来隧址区域范围内共发生两次5级地震,未发生过5级以上强烈地震,地震活动较弱,属新构造活动相对稳定的构造区块。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001),隧址区地震动峰值加速度为0.10g；相应的地震基本烈度为Ⅶ度；地震动反映谱特征周期0.40 s。

1.5 水文地质概况

场地区为燕山期造山运动所形成的沁水块坳[1]。该地区的主要特征为J、K地层缺失,出现了第四系与T、P直接相接的不整合接触关系。第四系覆盖层主要分布于沟谷地段与山间盆地。由于沁河与漳河分水岭——安泰山及黑虎岭的影响,第一条水文地质界线为第四系与T、P的不整合接触线,在低山丘陵区第四系覆盖层与下伏基岩均为相对隔水层,降雨以地表径流的方式流入山谷和山间盆地。在山间盆地区,第四系覆盖层为透水层,下伏T1h的砂岩为含水层,T1h泥岩为相对隔水层,地下水以地下径流的方式通过该山间盆地区,由西向东、由北向南汇入附近河流。通过调查也发现，最晚形成的泉都集中分布在该界线附近。第2条分界线为T1l与P2sh的整合接触线，T1l砂岩裂隙发育,透水性较强,且根据区域水文资料描述,该建筑场地区内砂岩的持水性较好,地下水的滞后效应明显,给水度0.000 8<μ<0.003,渗透系数K>35 m/d。P2sh的厚层泥岩为区域上标志性隔水层,由于相对隔水与透水的情况,地下水相对富集。这点在现场勘察查的过程中得到证实。

2 工程地质分区的划定

现场的工程地质钻探成果表明,不同地貌单元与不同地质构造单元的水文地质条件截然不同[5]。决定场地水文地质条件的关键因素为场地的地貌特征与场地的工程地质条件,根据地层岩性特征与地质构造特征将该场地区分为三个工程地质区：(1)低山丘陵工程地质区为(Ⅰ)区；(2)阶地与河漫滩工程地质区为(Ⅱ)区；(3)山间盆地工程地质区为(Ⅲ)区；其分布见图1。

图1 工程地质分区

3 各分区的工程地质特征与水文地质条件

3.1 低山丘陵工程地质区(Ⅰ)区

该区揭示地层主要为第四系残积粉质黏土,厚度为3～6 m,渗透系数K(经验系数)约为0.008 m/d；三叠系中统二马营组砂岩夹泥岩渗透系数K(经验系数)约为23 m/d；三叠系下统和尚沟组砂泥岩渗透系数K(经验系数)约为18 m/d,泥岩K(经验系数)约为0.004 m/d；三叠系下统刘家沟组砂岩渗透系数K约为42 m/d,泥岩K(经验系数)约为0.004 m/d。

本区表层均有较薄的第四系粉质黏土覆盖,其透水性较差,且多为山地地貌,山体坡度为20°～60°,有较好的地表水排水条件。工程地质勘探的结果表明,地下水埋深都大于300 m。该区砂岩工程地质条件较好,为良好的天然持力层,且地下水富集的可能性较低,为隧道工程以及其他地下建筑工程提供了良好的地质条件；该区内存在地表径流的作用,地表存在较多静水压力和动水压力集中带,为不良地质提供了有利条件,且由于地貌条件的限制,在该区进行地表工程建设存在一定地质风险。

3.2 阶地与河漫滩工程地质区(Ⅱ)区

如图2所示，该区揭露地层主要为第四系冲洪积粉质黏土,厚度为2～8 m,渗透系数K(经验系数)约为0.008 m/d；第四系冲洪积圆砾土厚度为4～9 m,渗透系数K(经验系数)约为80 m/d；第四系冲洪积卵石土厚度为3～5 m，渗透系数K(经验系数)约为150 m/d；三叠系下统和尚沟组砂岩渗透系数K(经验系数)约为25 m/d,泥岩K(经验系数)约为0.004 m/d；三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩渗透系数K约为42 m/d,泥岩K(经验系数)约为0.004 m/d。

图2 阶地与河漫滩工程地质区水文勘探点布置图与水文地质纵断面

本区由于为河流作用形成地貌河谷地貌,局部存在第四系含水层,且地形相对平缓,有较好的储水条件,但由于含水层多被隔水层切割,未能形成地下连续径流。工程地质勘探结果表明,该地区的地下水成不连续分布，且埋深也出现较大的差异,地下水位高差为5～45 m。该区地层多为第四覆盖层,工程地质条件较差,且局部存在地下水富集的可能性。由于该区的地下储存条件存在离散性,因此地下水的分布和量级关系也是非线性的,增加了勘察设计过程的不确定性。同时，对于地下工程建筑来说,第四系覆盖层的工程地质条件差[4],建议地下工程对该区进行绕避。该区第四系覆盖层中的卵砾石层为良好的天然持力层,且为良好的含水层,为人为用水提供了水文地质条件,同时山谷间的堆积物与当地降雨量不具备发育泥石流的条件,为民用建筑等工程建设提供了良好的地质条件。

3.3 山间盆地工程地质区(Ⅲ)区

如图3所示，该区揭露地层主要为第四系冲洪积粉质黏土,厚度为3～5 m,渗透系数K(经验系数)约为0.008 m/d[2]；第四系冲洪积圆砾土厚度为5～10 m,渗透系数K(经验系数)约为80 m/d；第四系冲洪积,卵石土厚度为3～5 m,渗透系数K(经验系数)约为150 m/d；三叠系下统和尚沟组砂泥岩互层渗透系数K(经验系数)约为18 m/d,泥岩K(经验系数)约为0.004 m/d[1]。

图3 某山间盆地区水文地质

山间盆地发育有浊漳河南源源头,源于泉水(泉上为灵湫庙)[1]。源头泉水出露于圪洞沟沟口—发鸠山背斜东翼的单斜构造与房头庙正断裂交汇处；房头庙正断裂西倾,为大倾角正断层,含水介质为砂岩、砂岩风化裂隙发育带、构造破碎带,被泥岩分隔形成多层含水系统。地下水流向由西向东、由北向南。东边界沿断层形成强径流带,沿北东向断层带通向泉口集中涌出, 为“顺置式”地下水系统,属断层溢流泉。浊漳河的漳水南源古为长子县旧八景之一,称“浊源泻碧”,河水从山脚下流出,一片碧绿,湍流直泻,西流东往,老泉口石龙头现已不出水,南源为庙前一口井,附近泉水总量0.82 L/s,水位高程1 046 m,该井为石哲乡浊漳河两岸村庄的主要饮用水源,庙后发鸠山脉泉水不发育。

通过对水文地质勘探与水文地质资料的分析,鉴于该山间盆地的地下水活动高程主要在场地第一条水文地质界线与第二条水文地质界线附近(见图4、图5)。水文地质勘探结果表明，水文地质界线附近存在地下强径流，建议工程活动如隧道、高层建筑等需要进行大型施工开挖的工程应对该区进行绕避。若由于其他原因必须在该区进行工程活动,建议控制开挖深度,且需要进行防水措施,避免增加工程的地质风险和对当地水文资源的破坏,若在该区进行隧道工程的建设,建议加大埋深,埋深最大值以第二条水文地质界线以上100 m为下限。

图4 某山间盆地基岩等值线

图5 某盆地剖面

4 结论

(1)该建筑场地地处沁水块坳主体沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带,地形总体由西北至东南呈现出中间低、两头高的变化特点。在漫长的地质发展过程中,本区经历了多次造山运动和海进海退的地质旋回,使区内地质构造复杂。因此,根据场地的水文地质条件的差异,把场地分为(1)低山丘陵工程地质区(Ⅰ)区；(2)阶地与河漫滩工程地质区(Ⅱ)区；(3)山间盆地工程地质区(Ⅲ)区；是比较合理的,具有较强的可操作性。

(2)不同分区的水文地质条件的控制因素不同,且各有特点,对工程的影响也呈现出各异性。明确掌握各工程地质分区的特点,对预防工程地质问题的发生具有一定的指导意义,为铁路选线提供可靠的依据。

(3)通过对复杂工程地质条件下工程地质分区的探讨、分析,能更加有效、科学地认识水文地质条件,预测工程施工中可能出现的地下水条件导致的问题,从而规避铁路施工、运营过程中的风险,实现铁路工程在安全、稳定的前提下进行建设,提高工程经济性与合理性。

[1] 王延涛.新建山西中南部铁路勘察大纲[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2009

[2] 中铁第一勘测设计院.铁道工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,1999

[3] GB—50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[4] 常士骠，张苏明.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[5] 铁道第一勘察设计院.铁路工程水文地质勘察规范TB10049—2004[S].北京：中国铁道出版社,2004

[6] 曾宪明.宜万铁路施工地质工作[J].铁道勘察,2010(1)