渭南市抽黃供水北灣調(diào)蓄池工程深部地層的成因時(shí)代判別

成小勇

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000)

0 前言

渭南市北灣調(diào)蓄池工程位于蒲城縣龍陽鎮(zhèn)北灣村的洛河岸邊，根據(jù)區(qū)域資料及前期勘察調(diào)繪，工程區(qū)第四系覆蓋層深厚。為研究、計(jì)算池堤(大壩)填筑過程及后期的沉降變形問題，需要探明深層巖土的時(shí)代成因、地質(zhì)條件等。本次勘探于池堤軸線部位布設(shè)三個(gè)120 m深的鉆孔，以查明池堤地基深層巖土的工程地質(zhì)特性。工程區(qū)前期各勘察階段鉆孔最大深度僅40 m，本次深度達(dá)120 m，首先要解決的就是地層時(shí)代的認(rèn)定劃分，因?yàn)槿陆y(tǒng)與晚更新統(tǒng)地層在前期勘察已有定論，本次重點(diǎn)是晚更新統(tǒng)以下的地層劃分及判定。本文結(jié)合工作實(shí)際操作的過程，就該工程深部地層的成因時(shí)代認(rèn)定劃分進(jìn)行分析判定。

1 工程概況及地質(zhì)條件

北灣調(diào)蓄池工程位于渭南市蒲城縣龍陽鎮(zhèn)北灣坡下村的洛河右岸邊，總蓄水量944萬m3，由池堤(壩)、進(jìn)水箱涵、放水洞、泵站等組成。均質(zhì)土堤(壩)長1630 m，最大堤(壩)高24 m，建筑物級(jí)別為2級(jí)。工程區(qū)行政管轄以洛河為界，左岸歸大荔縣管轄，右岸屬蒲城縣，河流在此由西南流向轉(zhuǎn)為東南流向，東雷二期抽黃工程的洛河渡槽橫跨于兩岸階地前緣的突出點(diǎn)上，調(diào)蓄池則位于這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)下游側(cè)。

工程區(qū)洛河兩岸發(fā)育不對(duì)稱的堆積階地，左岸為三級(jí)階地，缺失一、二級(jí)階地，高漫灘疊置于三級(jí)階地上。地層巖性有黃土、黃土狀土及古土壤，下部為一套沖、湖積成因的壤土、砂及礫石層，著名的大荔人頭骨化石則發(fā)現(xiàn)于下部的砂礫石層中。右岸為二級(jí)階地上疊一級(jí)階地，地層巖性有黃土、壤土、砂及礫石層。調(diào)蓄池的池堤(大壩)位于右岸一級(jí)階地上，兩端堤肩與二級(jí)階地相接，形成池盆。工程區(qū)位置見圖1。

圖1 工程區(qū)位置圖

2 判別地層成因時(shí)代的必要性

各個(gè)地質(zhì)年代形成的地層，都包含著大量的信息。如根據(jù)地層中所含礦物、化石等，可推演出當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境、動(dòng)植物演化等，反之，根據(jù)地層形成的年代、成因，可追溯生物演化事件、氣候變遷的歷史事件等。當(dāng)然，對(duì)于地質(zhì)學(xué)中工程地質(zhì)這一分支學(xué)科來說，主要研究工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，查明地層工程地質(zhì)特性，為確定保證建筑物穩(wěn)定與正常使用的防護(hù)措施提供依據(jù)。

通過前人的多年研究、積累，對(duì)各個(gè)時(shí)代的地層，已有一些統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，如晚更新統(tǒng)及以前的地層不產(chǎn)生液化、濕陷性黃土一般僅限于中更新統(tǒng)上部及以上的地層、老地層在密實(shí)度和承載性上一般高于新地層等，因此，確定地層、劃分成因時(shí)代是做好地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，是重要的工作內(nèi)容。

3 地層成因時(shí)代的判定方法及過程

由于前期勘探鉆孔最深只有40 m，全部在全新統(tǒng)(Q4)及晚更新統(tǒng)(Q3)地層中，并未涉及更早期地層，本次鉆孔深度達(dá)120 m，進(jìn)入更早期地層。在勘探過程中發(fā)現(xiàn)工程區(qū)還存在兩個(gè)時(shí)代的細(xì)砂層直接接觸沉積的現(xiàn)象，且顏色、顆粒組成及礦物成分上極為相似，難以區(qū)分。在對(duì)池堤(大壩)深層巖土的時(shí)代及成因劃分中，運(yùn)用區(qū)域地質(zhì)資料、地貌層序、包含化石、巖芯鑒定、原位及室內(nèi)試驗(yàn)等方法進(jìn)行綜合評(píng)判，最終確認(rèn)勘探范圍內(nèi)的深部地層為中更新統(tǒng)河、湖相沉積地層。

3.1 區(qū)域地質(zhì)資料

根據(jù)《陜西省關(guān)中盆地第四紀(jì)地質(zhì)圖》(比例1∶20萬)，工程區(qū)沿洛河兩岸主要為第四系松散沉積物，局部出露有上第三系(N22)物質(zhì)，見圖2。經(jīng)實(shí)地踏勘，區(qū)域地質(zhì)圖所示位置并未發(fā)現(xiàn)有第三系地層出露，再在區(qū)域地質(zhì)圖上查閱工程區(qū)東、西兩個(gè)方向的剖面圖發(fā)現(xiàn)，第三系沉積物均位于地層底部，所示范圍無在地表出露的可能。又根據(jù)陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局的《陜西省地質(zhì)圖》，第三系地層出露點(diǎn)應(yīng)在工程區(qū)上游的大荔縣境內(nèi)，離工程區(qū)尚有一定距離，說明區(qū)域資料在局部亦存在不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。

圖2 工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

《陜西省關(guān)中盆地第四紀(jì)地質(zhì)圖》上的Ⅲ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅳ剖面所示，工程區(qū)第四系松散堆積物厚度大于300 m，而120 m的深度應(yīng)在中更新統(tǒng)的河、湖相沉積層中。

3.2 古生物化石

古生物化石是古代生物保存在地層中的遺體或遺跡，經(jīng)過億萬年的演變，形成化石埋藏于地層中，通過某些特定化石可以確定所在地層的年代。

二級(jí)階地(Q3)上部為風(fēng)積黃土，下部為一套沖積成因地層，包括壤土、砂壤土、細(xì)砂、礫石等，地層中發(fā)現(xiàn)最多的是蝸牛殼和殼蚌兩類具代表性的化石。蝸牛殼主要存在于二級(jí)階地上更新統(tǒng)(Q3)上部細(xì)砂層中，數(shù)量很多，完整蝸牛殼直徑2 cm左右，石化程度差，白色，暗淡無光澤，手捏即碎。殼蚌化石只存在于上更新統(tǒng)(Q3)下部的細(xì)砂和礫石層中，數(shù)量較多，完整化石直徑一般5 cm～8 cm，乳白色絲絹光澤，石化程度高，質(zhì)重。在全新統(tǒng)地層中，蝸牛殼分布較少，無殼蚌化石，在最終認(rèn)定的中更新統(tǒng)(Q2)地層中，蝸牛殼僅偶爾見到，且呈碎片狀，殼蚌化石亦完全沒有，因此蝸牛殼和殼蚌化石可認(rèn)為是晚更新統(tǒng)沖積相標(biāo)志層。

3.3 地層層序

地質(zhì)學(xué)基本規(guī)律：在層狀巖層的正常序列中，先形成的巖層位于下面，后形成的巖層位于上面。這一原理稱地層層序律，也稱疊覆原理。根據(jù)巖層的上下疊置關(guān)系，可以判定巖層形成時(shí)間的早晚。

工程區(qū)第四紀(jì)以來無強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，第四系地層沉積韻律由上往下為由新到老。就工程區(qū)的地形地貌來說，洛河三級(jí)階地發(fā)育于右岸，而左岸未見到三級(jí)階地，結(jié)合區(qū)域資料，表明二級(jí)階地疊置于三級(jí)階地之上，一級(jí)階地又疊置于二級(jí)階地上，河漫灘則內(nèi)疊于一級(jí)階地上。按地層層序，全新統(tǒng)沖積地層沉積于河漫灘和一級(jí)階地上部，其下為上更新統(tǒng)沖積地層，再下為中更新統(tǒng)河、湖相沉積地層。階地、地層疊置情況見圖3。

圖3 工程區(qū)地層結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 巖芯鑒定

由鉆孔中提取上來的巖芯包含著所在地層的詳細(xì)信息，如顏色、層理、顆粒組成、包含物、密實(shí)或堅(jiān)硬程度等，巖芯鑒定是對(duì)所在地層肉眼可見的、最直觀的了解。

鉆孔中提取上來的巖芯全新統(tǒng)的砂壤土較疏松，具針管狀孔隙；上更新統(tǒng)壤土則切面光滑、可塑狀、較致密，偶見針狀孔隙；至中更新統(tǒng)地層后，同樣是壤土，巖芯為長柱狀，雖在地下水位以下呈飽和狀，但多為硬塑狀，干后堅(jiān)硬，巖芯斷口具鋒刃感，最主要的是夾有多層藍(lán)灰色的湖積相沉積層。在靜水環(huán)境下，隨著物質(zhì)不斷積累、礦物結(jié)合等因素，使湖泥呈藍(lán)灰色或青灰色，藍(lán)灰色巖芯就是湖積相的特征之一。而根據(jù)區(qū)域資料，包括工程區(qū)在內(nèi)的周邊大面積區(qū)域，在中更新世時(shí)為沖、湖積相沉積，通過鉆孔巖芯鑒定，表明鉆孔深度內(nèi)的下部地層為沖、湖積成因地層。

3.5 原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

工程地質(zhì)勘察中對(duì)較深地層認(rèn)定劃分時(shí)，原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是不可或缺的重要支撐。對(duì)于粗粒土，通過標(biāo)貫、動(dòng)探試驗(yàn)確定密實(shí)程度，來判斷或復(fù)核地層的新老關(guān)系，動(dòng)探、標(biāo)貫統(tǒng)計(jì)成果見表1。對(duì)于細(xì)粒土，通過顆粒分析、干密度、孔隙比等室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)分析地層的沉積環(huán)境和密實(shí)程度，從而推斷或復(fù)核地層間的相互關(guān)系，室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成果見表2。

表1 粗粒土動(dòng)探、標(biāo)貫測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

表2 細(xì)粒土試驗(yàn)成果匯總表

從統(tǒng)計(jì)的動(dòng)力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)可以看出，全新統(tǒng)砂礫石層錘擊數(shù)平均值僅為11.6擊，剛達(dá)到中密程度。上更新統(tǒng)砂礫石錘擊數(shù)平均值為40.0擊，已達(dá)到密實(shí)狀態(tài)；而中更新統(tǒng)砂礫石層則達(dá)到了54.5擊，較上更新統(tǒng)砂礫石在密實(shí)程度上又有了明顯提升。根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)，各層細(xì)砂在顆粒組成上很相似，按粒徑無法判斷沉積時(shí)代，因此再按密實(shí)程度來分析，上更新統(tǒng)細(xì)砂層錘擊數(shù)平均值為50.1擊，中更新統(tǒng)細(xì)砂層錘擊數(shù)平均值為51.3擊，均為密實(shí)狀態(tài)，二者差異不明顯。分析認(rèn)為，細(xì)砂層粒徑分布范圍較窄，顆粒之間的相互填充、相互咬合及聯(lián)鎖機(jī)制較差，因此密實(shí)狀態(tài)變化不明顯。

細(xì)粒土全新統(tǒng)為砂壤土，上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)主要為壤土，根據(jù)鉆孔原狀樣品的室內(nèi)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，從干密度、孔隙比等可以看出，所取樣品中全新統(tǒng)干密度最小、孔隙比最大，而上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層密實(shí)程度則都有一個(gè)明顯的抬升，但中更新統(tǒng)地層中，下部較上部密實(shí)程度雖有所增加，但增加的程度明顯小于不同時(shí)代間的增量。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，其與新老地層間的邏輯關(guān)系是相符的，也間接說明了地層劃分是正確的。

4 結(jié)論

1)工程地質(zhì)主要研究工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，確定地層，劃分成因時(shí)代，是做好地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，是重要的工作內(nèi)容。

2)以區(qū)域地質(zhì)資料為指導(dǎo)，化石標(biāo)志層結(jié)合地形地貌進(jìn)行層序推導(dǎo)，巖芯鑒定直觀判斷其成因和時(shí)代，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、復(fù)核各地層間的邏輯關(guān)系，綜合判定地層成因時(shí)代。

3)經(jīng)綜合判定、相互印證，確定出涉及地層的成因時(shí)代，認(rèn)定鉆孔所及的深部地層為中更新統(tǒng)沖、湖積成因地層。

4)對(duì)區(qū)域資料要相信但不能迷信，防止出現(xiàn)誤判，如區(qū)域地質(zhì)圖上工程區(qū)有第三系巖層出露，實(shí)際在工程區(qū)并沒有出露，且埋藏較深。地層層序推導(dǎo)過程應(yīng)注意不同階地間的疊置方式和邏輯關(guān)系。不同時(shí)代的地層，試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該是不同的，如果不符合邏輯關(guān)系，但又沒有一個(gè)合理的解釋，就該重新審視地層劃分的準(zhǔn)確性了。