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宿淮铁路地质灾害危险性评估

2011-12-31李杰刚严小宁王克佳邱方胜

城市建设理论研究 2011年28期
关键词:软土岩溶危险性

李杰刚 严小宁 王克佳 邱方胜

摘要:结合铁路具体工程实例,收集相关资料,从实际出发,对工程建设本身可能遭受地质灾害的危险性和诱发加剧地质灾害的可能性做出评估,并提出防治建议,为以后开展岩土工程勘察及设计提供地质依据。

关键词:铁路工程、地质环境、地质灾害、危险性评估

引言

地质灾害危险性评估是一个复杂的地学多源信息综合分析的过程,铁路工程地质灾害危险性评估是一种处于可行性研究勘察至初步勘察阶段间,带有协助设计方案风险性决策的勘查类型,其工作手段主要是收集区域地质环境资料和进行野外地质灾害调查。新建铁路线位于苏、皖两省北部,沿线经过地貌以黄淮平原为主,零星分布着孤岛状残丘,在大地构造单元中属华北断块区,地质环境背景较复杂。收集丰富的区域地质环境资料、查明建设线路周围地质灾害隐患,对现状地质灾害、拟建场地可能引发或加剧的地质灾害,以及建设工程本身可能遭受地质灾害的危险性进行评估,对拟建工程提供防灾、减灾及场地规划等具有重要的意义。

1 建设项目工程概况

该项新建铁路线位于苏、皖两省北部,地理位置特殊。根据地质环境条件本次评估围绕该新建铁路走廊进行,线路总长度为123.230km,评估区包括该工程征地沿线、两端及两侧各扩展800~1000m为调查和评估范围,特殊地段扩展至用地范围周边可能遭受危害的灾害来源的范围,调查面积约260km2。

2 研究区地质环境

影响地质灾害危险性的因素繁多,包括地质条件、地形地貌条件、气候条件、水文条件、 植被条件及人为活动条件等,其信息来源于岩石圈、水圈、大气圈和生物圈,具有多源性、 复杂性、模糊性等特点。地质灾害危险性评估是对大量要素的整体综合评估行为。

2.1 气象水文

线路地处暖温带半湿润季风气候区,具有季风明显、气候温和、四季分明、雨量适中等特征。但该工程处于中纬度地带,位于长江与黄河两大流域之间,有过渡性的气候特点,冷暖气团交替频繁,天气多变,影响年季降水分配,常出现暴雨、连阴雨、冰雹、霜冻、干热风等灾害性气候。

线路经过地区位于淮北平原区,属淮河流域,沿线河流河道纵坡平缓(一般在0.1‰左右),河床宽浅,水流速度缓慢,排水能力低。解放前经常发生洪涝灾害,解放后大兴水利,形成了较为完善的排洪、除涝灌溉体系。虽排涝系统已初具规模,但排涝系统标准仍较低,设计频率仅为3年或5年一遇,对于相对低洼地区在内涝频率较小时依然有内涝产生,同时,人为因素使内涝洪水排出不畅,产生积水。

2.2 地形地貌

沿线经过地貌以黄淮平原为主,在灵璧、泗县零星分布着孤岛状残丘。平原区地形平坦、开阔,地势由西北向东南缓倾。沿线多为耕地、村舍,水网密布,阡陌纵横。出露地层为第四系全新统黏土、粉质黏土。线路大部分地区经过该区。丘陵区多呈孤岛状分布,山顶大多呈浑圆状,山坡多较缓,植被较发育,大部分已成为当地采石场,基岩为青白口系九顶山组石灰岩。

2.3 地层岩性

根据区域资料、钻孔资料及对评估区地质调查,沿线出露地层主要以第四系全新统地层为主,零星出露青白口系石灰岩。经勘探揭露的下部地层有第四系上更新统、第三系上新统及青白口系地层。

评估区地层岩性中等复杂,青白口系(Zq)石灰岩为可溶性岩,局部岩溶现象较发育,易产生岩溶塌陷地质灾害。同时,软土、人工填土固结差,均匀性差,力学强度低,易导致桥涵、路基不均匀沉陷,局部饱和粉细砂、粉土层易因地震引发砂土液化地质灾害,以及基坑排水引发流砂等不良地质现象,而导致地面变形、开裂等地质灾害。

2.4 地质构造与区域地壳稳定性

本区在大地构造单元属华北断块区,新华夏系是本区的主要构造形式。组成本区新华夏系的一级构造是隆起带和沉降带,次级构造以复合或单式褶皱及高角度冲断层为主,还有与其连带发生的张性及张扭性断裂。

本区新构造运动基本上继承了新华夏系及东西向构造活动方式,同时在塑造现代地貌以及频繁的地震活动中,以振荡性和差异性为显著特征。本区第四系沉积层较厚,三条推测的隐伏断层埋藏均较深,均为北北东向,与线路大角度相交,相交处工程均为一般路基,对铁路工程影响不大。区域上郯庐断裂在本工程场区东侧呈北北东向展布,对本工程有一定的影响,主要反映在本工程场区东侧为高烈度地震区(地震基本烈度为八度),可能引发地震液化等地质灾害。

根据国家质量技术监督局颁发的《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),沿线地震动峰值加速度和地震动反应谱特征周期划分见表1:

表1地震动参数划分表

序号 里程范围 地震动峰值加速度(g)(m/s2) 相当于地震基本烈度

1 CK0+000~CK28+000 0.05 六度

2 CK28+000~CK72+000 0.10 七度

3 CK72+000~CK97+400 0.15 七度

4 CK97+400~CK113+500 0.20 八度

2.5 水文地质条件

按含水岩组的岩性组合关系以及地下水的赋存条件、水理性质、水力特征等将线路沿线的地下水类型划分为:松散岩类孔隙水和碳酸岩类裂隙岩溶水两大类。

浅层孔隙水主要接受大气降水、地表水体等垂向入渗补给,其水文动态特征属入渗~蒸发、开采型,分布较为广泛、丰富。中深层孔隙水含水层组埋藏于50~200m以下,含水砂层主要为上更新统(Q3)细砂层、中粗砂层和粗砂层,厚度变化大,渗透性能强。路线沿线的可溶岩属中等发育,碳酸岩类岩溶水大都属于覆盖型岩溶水,上覆第四系冲洪积层,厚度20~50m,工程施工过程中应注意溶洞对工程的影响。

各类地下水的补给、迳流、排泄主要受气象、水文、地形、岩性、构造等各种因素控制。

本路线属于黄淮冲积平原,地势平坦,侧向迳流、排泄微弱,浅层孔隙水地下水的运移以垂直交替运动,排泄的主要包括地面蒸发、周围的居民开采地下水作为灌溉和生活用水,越流补给下伏上更新统孔隙承压水含水岩组,其水文动态特征属入渗~蒸发、开采型。排泄主要是为城镇供水的开采。

2.6 工程地质条件

工程线路区表层及上部分布人工堆积松散粘性土、软塑~硬塑状中等压缩性黏土岩组、软塑~硬塑状中等压缩性粉质黏土岩组、软塑~流塑状淤泥质粉质黏土岩组、中密~密实状粉土、稍密~中密状粉、细砂岩组、软塑~硬塑黏土岩组、软塑~硬塑粉质黏土岩组、稍密状粉土岩组、稍密~中密状粉、细砂岩组、硬塑~坚硬黏土岩组、硬塑~坚硬粉质黏土岩组,下伏基岩为极软中厚层状泥岩、砂岩岩组、硬岩厚层状灰岩岩组。

2.7 人类工程活动对地质环境的影响

该项新建铁路工程沿线以农田为主,在有农田的地段人类工程活动一般。但在局部地段,人类工程活动较强烈,对地质环境产生了较大的改变,在本评估区主要表现在该地区的人类的疏通河道及修建相关水利工程设施、修建铁路及公路及开采矿石、人为取土等工程活动,在一定程度上破坏了地质环境的平衡。占评估区绝大部分的平原原始地貌保持较好,故综合判定该区破坏地质环境的人类工程活动一般,仅局部较强烈,对周边地质环境破坏不大。

3 地质灾害危险性评估

3.1 现状评估

地质灾害危险性现状评估主要是针对已有地质灾害的地质环境条件、规模、变形活动特征、引发因素和形成机制,初步评价其稳定性,在此基础上对其稳定性和对威胁对象危害程度做出评估。根据灾害类型的不同分述如下:

(1)评估区崩塌灾害共发育1处,为小型崩塌,现状评估中主要根据崩塌是否造成人和建筑物的危害,由于崩塌现状未造成人员伤亡和经济损失小,划分为危害性小,危险性小。

(2)分布范围有限,规模一般也不大,多属于小的级别,危险性小,主要影响居民住房安全及交通速度、平稳性和舒适性,造成的危害程度较轻,较易处理,属危险性小。

评估区内发育有两种地质灾害:崩塌1处、软土路基沉降4处。现状均未造成人员伤亡,经济损失小,其危害性小,综合分析地质灾害现状危险性小。

3.2 预测评估

根据该铁路工程建设场地地质环境条件,结合建设工程类型、规模及施工方式等,预测铁路工程建设可能引发或加剧的地质灾害。建设过程中引发的地质灾害主要为边坡失稳(路堤填筑边坡失稳)。此外,工程存在遭受的地质灾害的可能性主要有软土路基沉降、地震液化、桥基失稳、岩溶塌陷等。

(1)路堤边坡危险性评估

借鉴其它铁路地质灾害评估主要是结合本线路工程地质条件,采取假定填土材料达标、分层夯实的情况下,与评定标准进行比较,定性评判。该新建铁路工程在工程建设过程中和建成后,可能引发或加剧的地质灾害类型主要是边坡失稳(路堤边坡失稳)。路堤边坡失稳对拟建工程危害、危险性中等共11处。

(2) 岩溶塌陷灾害危险性预测

评估区的覆盖型岩溶稳定性主要取决于覆盖层厚度、岩溶发育程度、地下水的埋深及波动范围三个方面。因此,进行该类地质灾害预测评估,地质灾害评估方法并结合本线路工程的工程地质条件,并根据以下原则进行评判:若覆盖层厚度大于30m,线岩溶率小于3%则危险性小;覆盖层厚度在10~30m,线岩溶率在3%~10%,危险性中等;覆盖层厚度小于10m,线岩溶率大于10%则为危险性大。

据上述原则评判标准:CK59+000~CK59+960段岩溶覆盖层厚度30~40m,地下水位埋深1~2m,岩溶发育率小于3%,危险性小;CK59+960~CK71+000段岩溶中等发育,覆盖层厚度15~30m,线岩溶率在3%~10%,危险性中等。

(3) 桥基失稳危险性预测

该线特大桥、大桥共20座,主要为跨越河流、道路而设。桥基失稳产生的因素有以下几个方面:

①桥基基础处于上覆第四系软土层上,易产生不均匀沉降。

②在隐伏岩溶区,桥基虽然进入基岩内,但处于厚度较薄的可溶岩顶板上时,存在因下部基岩持力层厚度不够,在受力后持力层产生破坏,进而造成桥基失稳的危险性。

③桥基基础处于隐伏岩溶区开口溶洞、溶沟的充填物上时,易产生过大沉降或不均匀沉降。

④桥基持力层处于可溶岩岩面时,因可溶岩表面可能发育有溶沟、溶槽而使表面强度不一致,从而导致桥基因持力层强度不均产生不均匀沉降,桥基失稳。

⑤桥基础与路基结合部位由于基础强不同易产生不均匀沉降。

根据预测结果基础较不稳定,危险性中等的特大桥、大桥3座;基础相对较稳定,危险性小的特大桥、大桥17座。

(4) 软土地基沉降灾害危险性预测

本线路工程段软土主要分布在老濉河古河道,土质为淤泥质粘土、粉质粘土、软粉质粘土。标贯击数1~2击,内摩擦角约0~5°,粘聚力为11~16kPa,地基容许承载力60~80kPa,属松土(Ⅰ级)。

根据路堤填高,软土下卧硬层横坡情况,对软土地基厚度小于3m的地段采用清除换填处理;对较厚软土,可采用碎石桩、搅拌桩等方法进行加固处理。

铁路工程建设过程中或建成后,若对软土地基防护不当或未进行处理时,铁路构筑物潜在遭受软土地基变形,造成铁路建(构)筑物发生变形、破坏,导致交通阻塞,引发交通事故的危险。根据铁路经验,结合工程建设时对软土地基加固处理的费用和难度,若软土厚度大于10m或软土孔隙比大于1.5,危险性大;若软土厚度大于3m、小于10m,其孔隙比大于1.0,小于1.5,危险性中等;若软土厚度小于3m,且孔隙比小于1.0时危险性小。

根据预测结果,危险性大的软土路基段落一处,其余各处危险性小,综合判定软土路基沉降危险性小,危害性小。

(5)地震液化危险性预测

新建宿淮铁路安徽段线路CK28+000~CK113+500地震动峰值加速度为0.10g、0.15g、0.20g,相当于地震基本烈度七度、八度,线路经过七度区长度约69km,经过八度区长度约17km。沿线分布有第四系饱和粉土、粉细砂,按要求需进行液化判定。本评估报告采用《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)推荐的方法对各钻孔0~15m及0~20m深度内饱砂土进行液化判别,对于有液化土层的钻孔再进行液化等级的计算。

铁路工程建设过程中或建成后,若对可液化地段处理不当,造成铁路建(构)筑物发生变形、破坏,导致交通阻塞,引发交通事故的危险。根据铁路经验,结合工程建设时对地基加固处理的费用和难度:若液化土层液化等级为轻微时,危害性小;若液化等级为中等时危害性中等;若液化等级为严重时危害性大。

根据收集到的钻孔资料计算,评估区可液化段危险性预测评估见表2。

表2沿线地震可液化段危险性预测评估表

序号 液化土类型 起迄里程 长 度

(m) 液化土层厚度

(m) 液化指数 液化等级 危险性预测评估

1 粉土、粉砂 CK60+614~CK61+500 886 3.0~4.0 7.7 中等 危险性中等

2 粉土、粉砂 CK64+000~CK64+873 873 2.0~4.0 9.9 中等 危险性中等

3 粉土、粉砂 CK65+200~CK65+800 600 1.0~3.0 10.7 中等 危险性中等

4 粉土、粉砂 CK66+500~CK68+000 1500 1.0~3.0 9.2 中等 危险性中等

5 粉土、粉砂 CK70+573~CK70+920 317 3.0~5.0 21.5 严重 危险性大

6 粉土、粉砂 CK72+320~CK72+530 210 3.0~10 30.1 严重 危险性大

7 粉土、粉砂 CK76+010~CK76+090 80 3.0~5.0 10.7 中等 危险性中等

根据预测结果:液化等级严重,危险性大的地震可液化段有2处,液化等级中等;危险性中等的地震可液化段5处,综合判定地震液化沉降危险性中等~大,危险性中等~大。

3.3 综合性评估

综合分析评估区内地质环境条件,根据现状评估和预测评估结果进行综合评估,将评估区划分为危险性大区、危险性中等区和危险性小区。地质灾害危险性大的有2个区段,合计长度6.342km,占评估线路总长(123.230km)5.15%;地质灾害危险性中等的有4个区段,合计长度21.662km,占评估线路总长(123.230km)17.58%;地质灾害危险性小的有6个区段,合计长度95.226km,占评估线路总长(123.230km)77.27%。

4 结论及建议

(1)在铁路建设施工和使用过程中,做好地质灾害的防治和监测预报工作,做到及时发现、及时处理、消除隐患,减少和避免地质灾害的损失。

(2)对适宜性差的场地,需要科学规划设计和制订切实有效的防护处理措施,方可进行工程建设。

(3)铁路沿线可溶岩地区开采地下水须进行论证。

(4)铁路建设过程中应充分考虑当地的自然、社会环境,注意水土保持和生态环境保护,尽量减轻污染和对环境的破坏。

(5)本次新建宿淮铁路地质灾害危险性评估不可替代相应的工程勘察工作,施工过程中应根据工程需要进行相应的施工勘察。

注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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