地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與地表及坑探工程斜面水平投影圖編制

馬敏坤，郭佩佩，張 海, ，黃太忠，楊德傳

（1.貴州省地礦局113地質(zhì)大隊(duì)，貴州 六盤(pán)水 553001；2.成都理工大學(xué)，核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

地表及坑探工程素描圖既是如實(shí)反映各種地質(zhì)現(xiàn)象的一種最基礎(chǔ)圖件，也是反映工程地質(zhì)情況的重要成果。因此，作圖方法的正確與否直接關(guān)系到地質(zhì)現(xiàn)象及工程地質(zhì)情況的真實(shí)性。據(jù)了解，不少地質(zhì)工作者在制作地表及坑探工程斜面水平投影圖時(shí)，均是直接用地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向繪制地質(zhì)界線。筆者認(rèn)為除特殊情形外，用此法繪制的地質(zhì)界線是欠妥的。傳統(tǒng)的地質(zhì)界線繪制方法有“V”形法和放線比例尺法，還有個(gè)別學(xué)者則采用了解析幾何法?！癡”形法給人一種模糊的概念，操作起來(lái)很不方便。放線比例尺法、解析幾何法雖然克服了“V”形法的缺陷，但操作起來(lái)較為繁瑣。這三種方法均主要運(yùn)用于地形地質(zhì)圖的編制，在地表及坑探工程斜面水平投影素描制圖中不便運(yùn)用。為此，筆者根據(jù)任意地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與任意斜面之間的組合關(guān)系，導(dǎo)出了地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、斜面坡向及坡角之間的函數(shù)關(guān)系，從而可以根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和斜面的產(chǎn)狀要素?fù)Q算出地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向，再根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向繪制地質(zhì)界線。經(jīng)反復(fù)實(shí)踐證明，此方法用于制作斜面水平投影圖是正確的、可行的。它既簡(jiǎn)單又適用，且定量準(zhǔn)確，它解決了傳統(tǒng)制圖法中難以處理的問(wèn)題。

1 地表及坑探工程斜面水平投影圖上的地質(zhì)界線特征

圖1 水平巖層地質(zhì)界線在斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征

1.1 水平產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面 產(chǎn)狀近于水平的巖（礦）層、構(gòu)造面界線在斜面水平投影圖上表現(xiàn)為與斜面坡向垂直，與等高線平行或重合，其界線隨斜面坡向或等高線的變化而變化（圖 1）。只要測(cè)出巖（礦）層、構(gòu)造面界線的位置或高程，就可以垂直于斜面坡向或平行于其相應(yīng)高程的等高線繪制出該巖（礦）層、構(gòu)造面的界線。

1.2 直立產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面

產(chǎn)狀近于直立的巖（礦）層、構(gòu)造面界線在斜面水平投影圖上是沿巖（礦）層、構(gòu)造面走向呈直線延伸，不隨斜面坡向、坡度或等高線的變化而變化（圖 2）。只要測(cè)出巖（礦）層、構(gòu)造面界線的位置及走向，就可以根據(jù)巖（礦）層、構(gòu)造面走向繪制出該巖（礦）層、構(gòu)造面界線。

1.3 傾斜產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面

產(chǎn)狀傾斜的巖（礦）層、構(gòu)造面界線在斜面水平投影圖上表現(xiàn)為與斜面成不同方向的交切關(guān)系，其巖（礦）層、構(gòu)造面界線隨巖（礦）層或構(gòu)造面產(chǎn)狀以及斜面坡向、坡角的變化而變化（圖3～7）。

圖2 直立巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征

圖3 傾斜巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征（1）

圖4 傾斜巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征（2）

圖5 傾斜巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征（3）

圖6 傾斜巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征（4）

圖7 傾斜巖層地質(zhì)界線著斜面水平投影圖上的表現(xiàn)特征（5）

2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向

2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向的含義

地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與傾斜平面的交線在水平面上的投影線叫視走向線（圖8中AE）。視走向線兩端所指的方向即為地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向表示地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在地表或坑探工程斜面水平投影圖上的延伸方向，即地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與地表或坑探工程斜面交線的水平延伸方向。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向都有兩個(gè)方位角數(shù)值，如一方為ρ，則另一方為ρ±180°。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向隨斜面坡向及坡角的變化而變化。

2.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、斜面坡向及坡角之間的關(guān)系

地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、斜面坡向及坡角之間存在著這樣一種關(guān)系:

式中：ρ—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向方位角；φ—斜面坡向方位角；β—斜面坡角，“+”表示上坡（仰角）、“-”表示下坡（俯角）；λ—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面傾向方位角；α—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面真傾角。（圖8）

AB為斜面走向線；AC—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向；AD—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與斜面的交線；AE—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與斜面的交線在水平面上的投影線，即地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向線；∠CBD—斜面坡角；∠ECD—平行于斜面坡向的鉛直剖面上地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視傾角；∠ACB—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向與斜面坡向之間的夾角；∠AEB—地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與斜面坡向之間的夾角。

圖8 結(jié)構(gòu)面視走向與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、斜面坡及坡角的關(guān)系說(shuō)明見(jiàn)正文

（6）式即為地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、斜面坡向及坡角的關(guān)系式。

（7）式為地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向的計(jì)算式。

3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向在地表及坑探工程斜面水平投影圖編制中的應(yīng)用

例如，野外作剝土、槽探、坑道編錄時(shí)，若剝土、槽探、坑道的方向與巖（礦）層、構(gòu)造面的走向不直交，其剝土、槽探、坑道的坡度在±15～75°之間，這時(shí)剝土面、槽底、坑頂或坑底之正投影圖上的巖（礦）層、構(gòu)造面界線就要用視走向線來(lái)表示。

例1：某槽探垂直斜面坡向布置，0—1站方位90°，坡度+45°，巖層產(chǎn)狀56°∠15°；1—2站方位90°，坡度-45°，巖層產(chǎn)狀56°∠15°。繪制其槽底地質(zhì)界線。

(1)0—1站

巖層傾向λ=56°，巖層傾角α=15°；槽探方向φ=90°，槽探坡度β=+45°。

代入上述關(guān)系式得：

于是(ρ-90°)=83°,即ρ=173°

此時(shí)，根據(jù)野外測(cè)得的巖層分界位置，以槽探方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)83°或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)97°繪制巖層分界線（圖9中0-1站）。

(2)1—2站

槽探坡度β為-45°，其余數(shù)據(jù)不變，代入上述關(guān)系式得：

于是(ρ-90°)=-79°,即ρ=11°

此時(shí)，根據(jù)野外測(cè)得的巖層分界位置，以槽探方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)79°或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)101°繪制巖層分界線（圖9中1-2站）。

討論：在編制該類型的槽探或剝土素描圖時(shí)，有的學(xué)者是直接用巖層的走向來(lái)繪制地質(zhì)界線，筆者認(rèn)為這種表示方法是錯(cuò)誤的（圖10）。

圖9 根據(jù)結(jié)構(gòu)面視走向繪制地質(zhì)界線

例2：某坑道寬2.0m，垂高2.0m，0—1站斜距20m，方位60°，坡角-25°，其中0～10m為細(xì)砂巖，巖層產(chǎn)狀100°∠25°，10～15m為泥巖，15米處為斷層，斷層產(chǎn)狀30°∠60°，15～20m為白云巖，巖層產(chǎn)狀56°∠45°；1—2站斜距10m，方位110°，坡角-35°，其巖性均為白云巖，巖層產(chǎn)狀56°∠45°。繪制該坑道平面素描圖。

作圖方法（圖12）：

1）計(jì)算各基點(diǎn)坐標(biāo)，在平面圖上標(biāo)出各基點(diǎn)位置及標(biāo)高，繪制坑道輪廓線。

2）計(jì)算坑道拐彎處前后兩斜面的交線方向（同樣可以采用計(jì)算視走向的方法求得，本例為61.7°），并將其交線繪制到平圖面上（圖中AB），并將基點(diǎn)與拐彎內(nèi)側(cè)前后兩壁之交點(diǎn)用線段隔開(kāi)(圖中AC)。

3）分別計(jì)算各地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在其斜面水平投影圖上的視走向（本例分別為 80°、110°、142.5°、102°），再根據(jù)各地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向及巖性分界位置繪制地質(zhì)界線，然后繪上巖性花紋。

討論：在編制該類型的坑道平面圖時(shí)，有的學(xué)者是直接用巖層的走向來(lái)繪制地質(zhì)界線，筆者認(rèn)為這種表示方法是錯(cuò)誤的（圖12）。

圖10 直接用巖層走向繪制的地質(zhì)界線

圖11 運(yùn)用結(jié)構(gòu)面視走向繪制傾斜坑道平面圖

圖12 直接用結(jié)構(gòu)面走向繪制的傾斜坑道平面圖）

4 結(jié)論

地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視傾角一樣具有及其重要的意義，前者運(yùn)用于斜面的水平投影圖上，如：地形地質(zhì)圖、剝土面、槽底、坑頂或坑底素描圖等；后者則運(yùn)用于剖面圖上，如：圖切剖面圖、實(shí)測(cè)剖面圖、槽壁及坑壁素描圖等。在地質(zhì)制圖中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視傾角都是經(jīng)常要用到的，然而，在以往的地質(zhì)文獻(xiàn)中，無(wú)論是教學(xué)單位、生產(chǎn)單位還是科研單位都未曾有過(guò)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向的論述。在單一斜面的水平投影圖上,以往的地質(zhì)界線繪制方包括“V”形制圖法、放線比例尺制圖法和解析何幾制圖法均是不便于運(yùn)用的，而直接采用地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的走向繪制地質(zhì)界線則是錯(cuò)誤的。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向不但能宏觀控制地質(zhì)界線而且還有量的概念，它能將地表及坑探工程斜面上發(fā)現(xiàn)的各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面正確地表示在水平投影圖上，只要在地質(zhì)編錄中測(cè)得地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及斜面的坡向及坡角，就能簡(jiǎn)單地用公式計(jì)算出地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的視走向，操作起來(lái)簡(jiǎn)便易行。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面視走向的建立，為全面掌握各地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在空間的分布情況及正確繪制地質(zhì)界線提供了有利手段。

[1] 戚筱?。こ痰刭|(zhì)及水文地質(zhì)[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，1997．

[2] 成都地質(zhì)學(xué)院．構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1989．

[3] 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)．構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1989．

[4] 劉悅忠．解析幾何法在傾斜地質(zhì)結(jié)構(gòu)面地質(zhì)圖編制中的應(yīng)用[J]．貴州地質(zhì)．2000，17（3）：196～199．

[5] 人民教育出版社中學(xué)數(shù)學(xué)室．高中數(shù)學(xué)·第一冊(cè)（下）[M]．北京：人民教出版社，2003：28～36，129～133．