西寧盆地第三系地層對工程的影響

張啟龍 楊 剛

(鐵一院甘肅鐵道綜合勘察院,甘肅蘭州 730000)

西寧是我國青海省的省會城市,地處青藏高原的東緣,也是我國西北黃土高原西緣,既具有高原獨特的氣候特征,也具有黃土高原的地貌特征和地層特征。

蘭新(甘肅蘭州至新疆烏魯木齊)客運專線通過西寧北上,翻越大阪山和祁連山后,與原蘭新鐵路并駕齊驅(qū),西上烏魯木齊。筆者有幸參加這次蘭新客運專線蘭州至門源段的巖土工程勘察工作,并重點在西寧地區(qū)勘察,對西寧盆地分布的第三系地層有了與原有地質(zhì)資料(區(qū)域地質(zhì)資料和既有線地質(zhì)資料)不同的認識。一般而言,第三系地層以內(nèi)陸湖相細顆粒碎屑沉積為主,只有在特定的環(huán)境條件下才有化學(xué)沉積。而西寧盆地第三系地層則是內(nèi)陸湖相細顆粒碎屑沉積與內(nèi)陸湖相化學(xué)沉積交替沉積,形成了巨厚的棕紅色泥巖、硫酸鹽為主(石膏,芒硝),夾有氯化物(NaCl為主)薄層(尖滅層)的化學(xué)沉積層,唯獨不見砂巖地層。

1 西寧盆地第三系地層的特征

1.1 西寧盆地第三系地層的分布特征

(1)平面分布特征

西寧盆地東側(cè)(小峽及峽口地段)為古生界閃長巖及角閃石英片巖。第三系地層與古生界閃長巖及角閃石英片巖呈角度不整合接觸。南北兩側(cè)低山均為(南至拉脊山北麓,北至大阪山南麓之間)巨厚的第三系棕紅色泥巖及硫酸鹽為主的化學(xué)沉積層,西側(cè)直至響河峽口。但第三系地層中的硫酸鹽為主的化學(xué)沉積層卻只分布在南川河、北川河以東的低山及其階地上(見圖1)。

圖1 西寧盆地第三系地層分布示意

(2)空間分布特征

西寧盆地第三系地層之上一般都覆蓋有第四系松散層,高處(2350～2380m)為厚5～80m不等的風積黃土,低洼處(2205～2225m)為厚2～60m不等的碎石類土;其下為第三系棕紅色泥巖,厚10～80m不等;再下就是巨厚的硫酸鹽為主(石膏,芒硝),夾有氯化物(NaCl為主)薄層(尖滅層)的化學(xué)沉積層。該層中部夾有一層厚5.8～6.5m的純白色石膏層,像群山的玉帶,成為從東進入西寧的一道靚麗風景線。

其下還有一層呈紫紅色,厚約5.5～6.0m,形似砂巖,但其組成成分為石膏、芒硝等其他硫酸鹽以及少量黏土礦物的化學(xué)沉積層,成為該化學(xué)沉積層的標志層。除此而外,一般都呈薄層泥巖與薄層硫酸鹽化學(xué)沉積層互層狀,厚度5～15cm不等。

值得一提的是在這巨厚的硫酸鹽化學(xué)沉積層中,毫無規(guī)律可循的夾雜著多層巖鹽(NaCl為主)薄層(尖滅層)。在勘察鉆探中,多數(shù)情況下,這層氯化鈉化學(xué)沉積層巖芯不成形,而且量小,充分說明了易溶巖的特點,即巖芯中的大多數(shù)鹽分在鉆探過程中被溶解掉。同時,還說明了氯化鈉化學(xué)沉積層在平面上呈窩狀分布,在空間上呈尖滅層狀分布。

西寧盆地第三系地層的產(chǎn)狀為N45～55°E/8～12°N。局部地段呈水平狀(見圖2)。

1.2 西寧盆地第三系地層的巖性特征

(1)泥巖:多為棕紅色,夾在硫酸鹽沉積層中的泥巖呈灰色及深灰色。其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),局部夾有粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,成巖作用差。地層質(zhì)地細膩,但大多夾有3～10mm厚的石膏薄層,局部夾有20～30cm厚粉砂質(zhì)泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)。

(2)石膏巖:白色為主,其主要礦物成分以石膏為主,質(zhì)地不純時含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。纖維狀結(jié)構(gòu),也多見有雪花狀結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,但在硫酸鹽化學(xué)沉積層中的石膏巖呈薄層狀構(gòu)造,一般5～10cm厚,且質(zhì)地不純凈,含有大量的泥土,局部有澀味。

以上這8個工作小組各有專攻，各自負責組織專家組，設(shè)計和實施具體項目和臨時特設(shè)的項目。此外還有聯(lián)絡(luò)小組，負責成員國相關(guān)部門和代表之間、各個工作組之間以及委員會和其他組織機構(gòu)的外聯(lián)工作。委員會另設(shè)有觀察員席位，這些席位給國際政府間組織和非政府組織以及非成員國提供了參與波羅的海海洋環(huán)保治理、為自己的利益和訴求發(fā)聲的機會。[注] 例如，觀察員國有白俄羅斯、烏克蘭，國際政府間組織觀察員有國際海事組織、聯(lián)合國環(huán)境保護署、國際氣候組織、波羅的海議會會議等，國際非政府組織觀察員有波羅的海港口組織，波羅的海農(nóng)民環(huán)境論壇、國際鳥類生命組織等，詳細名單見赫爾辛基委員會網(wǎng)站。

(3)硫酸鹽化學(xué)沉積層:雜色,也有成層的紫紅色。其主要礦物成分以石膏、芒硝為主,也有硫酸鎂、硫酸鐵等的結(jié)晶體,一般這套地層質(zhì)地不純,多含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。細粒結(jié)晶結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,跟石膏巖一樣,也有薄層狀構(gòu)造,質(zhì)地不純凈,但巖質(zhì)較硬,形似砂巖,具很濃的苦澀味和咸味,在勘察過程中曾經(jīng)誤認為是泥巖夾砂巖,走了一些彎路。

(4)巖鹽:以灰色及深灰色為主,其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主,氯化鈉次之,多為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此,這套地層含鹽量20%～50%不等,以泥土為主,見有大小不均的氯化鈉結(jié)晶體,最大的結(jié)晶體5mm ×10mm,最小的結(jié)晶體1mm ×1mm,泥土具有很濃的咸味。在勘察鉆探中,巖芯多不成形,說明地層致密性差,加之易溶鹽的溶解,導(dǎo)致這種結(jié)果。

圖2 西寧盆地火車站附近地質(zhì)剖面

1.3 硫酸鹽為主化學(xué)沉積層的化學(xué)成分

在石膏巖中化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)為主,夾雜有芒硝時,則為硫酸鈉(NaSO4)。

在硫酸鹽化學(xué)成積層中,其化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)、硫酸鈉 (NaSO4)為主,硫酸鎂 (MgSO4)、硫酸鐵(FeSO4)伴生。

在巖鹽層中,其化學(xué)成分以氯化鈉(NaCl)為主,氯化鉀(KCl)氯化鎂(MgCl2)等氯化物伴生。

2 西寧盆地第三系地層的形成機理

2.1 古地貌推理

在白堊紀時代,現(xiàn)在的西寧盆地乃至整個青藏高原處在海洋或者平原地貌。之后的新構(gòu)造運動(喜馬拉雅造山運動)在比此更早形成的近南北向斷裂構(gòu)造的影響下,將青藏高原逐級抬升。在一定時期,遺留到現(xiàn)在的青海湖和西寧盆地形成了正在抬升中的內(nèi)陸湖。而且是含鹽量極高的咸水湖。

2.2 新構(gòu)造運動及其地質(zhì)作用

新構(gòu)造運動的不斷發(fā)展,使得整個青藏高原及其以西地區(qū)形成了區(qū)域性的隆起或局部的凹陷。隆起的遭剝蝕,凹陷的接受沉積。在這期間,青海湖和西寧盆地時分時合。以致在新生代的早第三紀,兩地徹底分離,青海湖地區(qū)既不接受沉積,也不遭受剝蝕,而西寧盆地則開始了全面的沉積。當然,這種沉積是淡水與青海湖的咸水交替沉積。到晚期,完全變成了淡水的湖相沉積(棕紅色泥巖)。

總之,是新構(gòu)造運動造就了現(xiàn)在的地形地貌,也賦予了現(xiàn)在的西寧盆地第三系地層獨特的巖性特征。

3 西寧盆地第三系地層的工程地質(zhì)問題

3.1 地基的穩(wěn)定問題

西寧盆地第三系地層中的硫酸鹽化學(xué)成積層作為建筑物的持力層時,地基的穩(wěn)定與地下水的埋藏深度及其地下水的變化幅度有著很大的關(guān)系。

當該地層處在地下水位以上時,由于沒有任何動力和介質(zhì)參與對底層結(jié)構(gòu)、地層組成成分的破壞,一般都不會對建筑物地基的穩(wěn)定性造成影響。

當該地層處在地下水位以下時,就會有兩種情況出現(xiàn)。

(1)第一種情況:地基持力層主要部分處在地下水位變化幅度范圍內(nèi)。由于該地層的化學(xué)成分主要是易溶鹽,在地下水位隨著季節(jié)的變化而上下變化時,地層中的易溶鹽被溶解,被帶走,造成地層結(jié)構(gòu)的被破壞。這時,可以肯定地講,其地基承載力被削弱而降低,甚至會造成一些易溶鹽被溶解后的空洞。這是我們最不愿看到的結(jié)果。

(2)第二種情況:地基持力層全部處在地下水位下(地下水位變化幅度下限)。在沒有大的地質(zhì)構(gòu)造影響的情況下,其地下水一般是相對靜止的,而且也處在地層中的易溶鹽溶解和含鹽的地下水再結(jié)晶的平衡狀態(tài)中。因此,地基持力層地層的結(jié)構(gòu)的破壞也是微乎其微。這樣,對地基承載能力的影響也是很小的。

3.2 地下洞室(隧道)的穩(wěn)定問題

地下洞室(隧道)的穩(wěn)定有兩個方面,一是地基,二是圍巖。這里主要對地下洞室(隧道)的圍巖穩(wěn)定加以論述。

上面把西寧盆地第三系地層獨特的硫酸鹽化學(xué)沉積層及其所夾的巖鹽薄層的巖性特征做了說明。這些特征反映到巖體上,既有巖石地層的特征,又有散體土層的特征,就呈現(xiàn)出整個巖體的完整性相對較差。在計算地下洞室(隧道)松動圍巖的壓力時,除用彈塑性理論計算公式(P=K1Rγ+K2Cg)計算外,還應(yīng)該按散體的土壓力計算公式進行計算,將二者計算結(jié)果進行比較取大值。我們已經(jīng)有了在化學(xué)沉積層(巖鹽)上面修建公路和鐵路的經(jīng)驗,但還沒有在化學(xué)沉積層中開挖地下洞室(隧道)的經(jīng)驗。故取大值做好地下洞室(隧道)的襯砌,確保地下洞室(隧道)的穩(wěn)定與安全是非常必要的。

3.3 邊坡的穩(wěn)定問題

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),該硫酸鹽化學(xué)沉積層既能形成直立的陡崖,也能形成負坡,但這種地形一般持續(xù)時間不長,往往是錯落、崩坍的隱患所在地。西寧盆地從東到西近12km的北山被劃為危巖、落石及滑坡的危險區(qū),并逐步進行治理的事實說明了這一點。由于該地層易溶巖含量較高,在大氣降水等因素的影響下,很容易形成軟弱結(jié)構(gòu)面,再通過軟弱結(jié)構(gòu)面將易溶巖帶走,該軟弱結(jié)構(gòu)面的不斷擴大,致使巖體內(nèi)的應(yīng)力進行重新分布,其結(jié)果是造成邊坡的變形。因此,不管是自然邊坡還是人工邊坡,在這樣的地層上,時刻存在著邊坡的不穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

總而言之,西寧盆地第三系地層,特別是硫酸鹽化學(xué)沉積層具有著獨特性質(zhì)和特點。因此,我們應(yīng)在以下幾個方面采取有針對性的措施:

(1)在建筑材料的選用上必須采用抗硫酸鹽腐蝕的水泥。

(2)借鑒巖鹽地層上工程建設(shè)的經(jīng)驗,盡最大可能的保留其上棕紅色泥巖的硬殼,采用明挖擴大基礎(chǔ),并對其地基進行必要的加固處理。

(3)若采用樁基礎(chǔ),宜用端承摩擦樁,不宜采用摩擦樁。

(4)邊坡不論高低,禁止暴露,及時防護。

[1]TB10012—2007,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[2]GB50021-2004,巖土工程勘察規(guī)范[S]

[3]TB10027—2001,鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[4]TB10038—2001,鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]