西宁盆地第三系地层对工程的影响

张启龙 杨 刚

(铁一院甘肃铁道综合勘察院,甘肃兰州 730000)

西宁是我国青海省的省会城市,地处青藏高原的东缘,也是我国西北黄土高原西缘,既具有高原独特的气候特征,也具有黄土高原的地貌特征和地层特征。

兰新(甘肃兰州至新疆乌鲁木齐)客运专线通过西宁北上,翻越大阪山和祁连山后,与原兰新铁路并驾齐驱,西上乌鲁木齐。笔者有幸参加这次兰新客运专线兰州至门源段的岩土工程勘察工作,并重点在西宁地区勘察,对西宁盆地分布的第三系地层有了与原有地质资料(区域地质资料和既有线地质资料)不同的认识。一般而言,第三系地层以内陆湖相细颗粒碎屑沉积为主,只有在特定的环境条件下才有化学沉积。而西宁盆地第三系地层则是内陆湖相细颗粒碎屑沉积与内陆湖相化学沉积交替沉积,形成了巨厚的棕红色泥岩、硫酸盐为主(石膏,芒硝),夹有氯化物(NaCl为主)薄层(尖灭层)的化学沉积层,唯独不见砂岩地层。

1 西宁盆地第三系地层的特征

1.1 西宁盆地第三系地层的分布特征

(1)平面分布特征

西宁盆地东侧(小峡及峡口地段)为古生界闪长岩及角闪石英片岩。第三系地层与古生界闪长岩及角闪石英片岩呈角度不整合接触。南北两侧低山均为(南至拉脊山北麓,北至大阪山南麓之间)巨厚的第三系棕红色泥岩及硫酸盐为主的化学沉积层,西侧直至响河峡口。但第三系地层中的硫酸盐为主的化学沉积层却只分布在南川河、北川河以东的低山及其阶地上(见图1)。

图1 西宁盆地第三系地层分布示意

(2)空间分布特征

西宁盆地第三系地层之上一般都覆盖有第四系松散层,高处(2350～2380m)为厚5～80m不等的风积黄土,低洼处(2205～2225m)为厚2～60m不等的碎石类土;其下为第三系棕红色泥岩,厚10～80m不等;再下就是巨厚的硫酸盐为主(石膏,芒硝),夹有氯化物(NaCl为主)薄层(尖灭层)的化学沉积层。该层中部夹有一层厚5.8～6.5m的纯白色石膏层,像群山的玉带,成为从东进入西宁的一道靓丽风景线。

其下还有一层呈紫红色,厚约5.5～6.0m,形似砂岩,但其组成成分为石膏、芒硝等其他硫酸盐以及少量黏土矿物的化学沉积层,成为该化学沉积层的标志层。除此而外,一般都呈薄层泥岩与薄层硫酸盐化学沉积层互层状,厚度5～15cm不等。

值得一提的是在这巨厚的硫酸盐化学沉积层中,毫无规律可循的夹杂着多层岩盐(NaCl为主)薄层(尖灭层)。在勘察钻探中,多数情况下,这层氯化钠化学沉积层岩芯不成形,而且量小,充分说明了易溶岩的特点,即岩芯中的大多数盐分在钻探过程中被溶解掉。同时,还说明了氯化钠化学沉积层在平面上呈窝状分布,在空间上呈尖灭层状分布。

西宁盆地第三系地层的产状为N45～55°E/8～12°N。局部地段呈水平状(见图2)。

1.2 西宁盆地第三系地层的岩性特征

(1)泥岩:多为棕红色,夹在硫酸盐沉积层中的泥岩呈灰色及深灰色。其主要矿物成分以伊利石、蒙脱石等黏土矿物为主,泥质结构,局部夹有粉砂质结构,厚层状构造,成岩作用差。地层质地细腻,但大多夹有3～10mm厚的石膏薄层,局部夹有20～30cm厚粉砂质泥岩(泥质粉砂岩)。

(2)石膏岩:白色为主,其主要矿物成分以石膏为主,质地不纯时含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物。纤维状结构,也多见有雪花状结构,厚层状构造,但在硫酸盐化学沉积层中的石膏岩呈薄层状构造,一般5～10cm厚,且质地不纯净,含有大量的泥土,局部有涩味。

以上这8个工作小组各有专攻，各自负责组织专家组，设计和实施具体项目和临时特设的项目。此外还有联络小组，负责成员国相关部门和代表之间、各个工作组之间以及委员会和其他组织机构的外联工作。委员会另设有观察员席位，这些席位给国际政府间组织和非政府组织以及非成员国提供了参与波罗的海海洋环保治理、为自己的利益和诉求发声的机会。[注] 例如，观察员国有白俄罗斯、乌克兰，国际政府间组织观察员有国际海事组织、联合国环境保护署、国际气候组织、波罗的海议会会议等，国际非政府组织观察员有波罗的海港口组织，波罗的海农民环境论坛、国际鸟类生命组织等，详细名单见赫尔辛基委员会网站。

(3)硫酸盐化学沉积层:杂色,也有成层的紫红色。其主要矿物成分以石膏、芒硝为主,也有硫酸镁、硫酸铁等的结晶体,一般这套地层质地不纯,多含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物。细粒结晶结构,厚层状构造,跟石膏岩一样,也有薄层状构造,质地不纯净,但岩质较硬,形似砂岩,具很浓的苦涩味和咸味,在勘察过程中曾经误认为是泥岩夹砂岩,走了一些弯路。

(4)岩盐:以灰色及深灰色为主,其主要矿物成分以伊利石、蒙脱石等黏土矿物为主,氯化钠次之,多为泥质结构。因此,这套地层含盐量20%～50%不等,以泥土为主,见有大小不均的氯化钠结晶体,最大的结晶体5mm ×10mm,最小的结晶体1mm ×1mm,泥土具有很浓的咸味。在勘察钻探中,岩芯多不成形,说明地层致密性差,加之易溶盐的溶解,导致这种结果。

图2 西宁盆地火车站附近地质剖面

1.3 硫酸盐为主化学沉积层的化学成分

在石膏岩中化学成分以硫酸钙(CaSO4)为主,夹杂有芒硝时,则为硫酸钠(NaSO4)。

在硫酸盐化学成积层中,其化学成分以硫酸钙(CaSO4)、硫酸钠 (NaSO4)为主,硫酸镁 (MgSO4)、硫酸铁(FeSO4)伴生。

在岩盐层中,其化学成分以氯化钠(NaCl)为主,氯化钾(KCl)氯化镁(MgCl2)等氯化物伴生。

2 西宁盆地第三系地层的形成机理

2.1 古地貌推理

在白垩纪时代,现在的西宁盆地乃至整个青藏高原处在海洋或者平原地貌。之后的新构造运动(喜马拉雅造山运动)在比此更早形成的近南北向断裂构造的影响下,将青藏高原逐级抬升。在一定时期,遗留到现在的青海湖和西宁盆地形成了正在抬升中的内陆湖。而且是含盐量极高的咸水湖。

2.2 新构造运动及其地质作用

新构造运动的不断发展,使得整个青藏高原及其以西地区形成了区域性的隆起或局部的凹陷。隆起的遭剥蚀,凹陷的接受沉积。在这期间,青海湖和西宁盆地时分时合。以致在新生代的早第三纪,两地彻底分离,青海湖地区既不接受沉积,也不遭受剥蚀,而西宁盆地则开始了全面的沉积。当然,这种沉积是淡水与青海湖的咸水交替沉积。到晚期,完全变成了淡水的湖相沉积(棕红色泥岩)。

总之,是新构造运动造就了现在的地形地貌,也赋予了现在的西宁盆地第三系地层独特的岩性特征。

3 西宁盆地第三系地层的工程地质问题

3.1 地基的稳定问题

西宁盆地第三系地层中的硫酸盐化学成积层作为建筑物的持力层时,地基的稳定与地下水的埋藏深度及其地下水的变化幅度有着很大的关系。

当该地层处在地下水位以上时,由于没有任何动力和介质参与对底层结构、地层组成成分的破坏,一般都不会对建筑物地基的稳定性造成影响。

当该地层处在地下水位以下时,就会有两种情况出现。

(1)第一种情况:地基持力层主要部分处在地下水位变化幅度范围内。由于该地层的化学成分主要是易溶盐,在地下水位随着季节的变化而上下变化时,地层中的易溶盐被溶解,被带走,造成地层结构的被破坏。这时,可以肯定地讲,其地基承载力被削弱而降低,甚至会造成一些易溶盐被溶解后的空洞。这是我们最不愿看到的结果。

(2)第二种情况:地基持力层全部处在地下水位下(地下水位变化幅度下限)。在没有大的地质构造影响的情况下,其地下水一般是相对静止的,而且也处在地层中的易溶盐溶解和含盐的地下水再结晶的平衡状态中。因此,地基持力层地层的结构的破坏也是微乎其微。这样,对地基承载能力的影响也是很小的。

3.2 地下洞室(隧道)的稳定问题

地下洞室(隧道)的稳定有两个方面,一是地基,二是围岩。这里主要对地下洞室(隧道)的围岩稳定加以论述。

上面把西宁盆地第三系地层独特的硫酸盐化学沉积层及其所夹的岩盐薄层的岩性特征做了说明。这些特征反映到岩体上,既有岩石地层的特征,又有散体土层的特征,就呈现出整个岩体的完整性相对较差。在计算地下洞室(隧道)松动围岩的压力时,除用弹塑性理论计算公式(P=K1Rγ+K2Cg)计算外,还应该按散体的土压力计算公式进行计算,将二者计算结果进行比较取大值。我们已经有了在化学沉积层(岩盐)上面修建公路和铁路的经验,但还没有在化学沉积层中开挖地下洞室(隧道)的经验。故取大值做好地下洞室(隧道)的衬砌,确保地下洞室(隧道)的稳定与安全是非常必要的。

3.3 边坡的稳定问题

现场调查发现,该硫酸盐化学沉积层既能形成直立的陡崖,也能形成负坡,但这种地形一般持续时间不长,往往是错落、崩坍的隐患所在地。西宁盆地从东到西近12km的北山被划为危岩、落石及滑坡的危险区,并逐步进行治理的事实说明了这一点。由于该地层易溶岩含量较高,在大气降水等因素的影响下,很容易形成软弱结构面,再通过软弱结构面将易溶岩带走,该软弱结构面的不断扩大,致使岩体内的应力进行重新分布,其结果是造成边坡的变形。因此,不管是自然边坡还是人工边坡,在这样的地层上,时刻存在着边坡的不稳定性。

4 结束语

总而言之,西宁盆地第三系地层,特别是硫酸盐化学沉积层具有着独特性质和特点。因此,我们应在以下几个方面采取有针对性的措施:

(1)在建筑材料的选用上必须采用抗硫酸盐腐蚀的水泥。

(2)借鉴岩盐地层上工程建设的经验,尽最大可能的保留其上棕红色泥岩的硬壳,采用明挖扩大基础,并对其地基进行必要的加固处理。

(3)若采用桩基础,宜用端承摩擦桩,不宜采用摩擦桩。

(4)边坡不论高低,禁止暴露,及时防护。

[1]TB10012—2007,铁路工程地质勘察规范[S]

[2]GB50021-2004,岩土工程勘察规范[S]

[3]TB10027—2001,铁路工程不良地质勘察规程[S]

[4]TB10038—2001,铁路工程特殊岩土勘察规程[S]