地层分界特征及工程问题导析

2020-11-02王先忠

水利规划与设计 2020年10期

王先忠，刘蓓，史恒

(河南省水利勘测有限公司，河南省特殊岩土环境控制工程技术研究中心，河南郑州 450008)

在水利工程边坡稳定、边坡防冲刷、边坡及基底防渗等工程地质问题处理中，为节约投资，减少工程量，在既经济又安全的前提下，多以地层分界线为边界条件进行处理相应的工程地质问题，因与前期概算工程量不同，以实际发生工程量进行计量结算。在公私合营模式下，该处理工程地质问题型式引起的工程量变化是否允许？本文以地质勘察专业对地层分界线的特点进行解析、研究，论述其为边界条件下处理工程地质问题的利弊，为合理、适宜的选择工程处理措施提供参考依据。

1 地质分界线

岩石圈三大类岩石[1]是可以相互转化的，在地质内外力作用下，地表形态再次塑造，岩层再次发生变化，以致岩体具不连续性、非均质性及各向异性。即使是层理构造显著的沉积岩，因在沉积时期地形的高低起伏，虽经亿万年的压缩、变化，其层间关系亦呈高低起伏状，且受地质作用下，沉积岩岩相、层厚在不同空间点上均存在差异性。作为地球发展最近时期的第四系，其形成的松散岩石一般称为沉积物[2]等，由于沉积物一般形成不久或正在形成，成岩作用微弱，在外动力作用下，具有岩性松散、成因多样、岩性岩相变化快、层厚差异大等特征。

工程地质学[3]是研究与人类工程建筑有关的地质问题的一门学科，属于应用地质学的范畴，通过工程地质勘察来实现。工程地质勘察是以点带面，通过地质测绘、勘探、物探、试验、原位测试等工作，利用工程地质专业技术知识综合分析研究，由浅至深的一种探索、研究工作，是为查明影响工程建筑物的地质因素而进行的地质调查研究工作。工程地质勘察广为采用的是，通过勘探点直接揭露场区工程地质条件[4]，为设计提供准确的工程地质剖面。填绘地层分界线划分地层是绘制工程地质剖面图的重要工作内容。

地质分界线是一个地质概念，是不同地质体和地质现象之间的界线，即地层、岩体、风化、地层年代、地质构造等分界面同某一剖面的交线，是地质填图(地质图、柱状图和剖面图)中按一定比例尺用来表示地层程序、岩性变化和彼此接触关系的填图线。划分和确定地质界线是地质填图或有关地质工作的重要内容，通过所填绘的地质界线来反映出地质体和地质现象的轮廓。地层分界线是地质分界线的一种，是两种地层或岩性之间的界线，是研究地质工作需要根据地层划分情况所填绘的地层轮廓线。

2 地层分界线的特点

地质剖面图[5]是按一定比例尺表示地质剖面上的地质现象及相互关系的表达地质信息图件，与地质图配合以获得地质构造的立体概念，填绘地层分界线是绘制地质剖面的关键点，勘探点[6]地层岩性划分是填绘地质剖面及地质研究的基础工作。

根据地层岩性特征及地质剖面绘制原理，地层分界线具有3个特点。

(1)分界线附近工程特性弱化性

勘探点中岩性划分依据岩土的岩性、岩相特征进行，但因岩土形成过程中诸多地质动力等作用下，两地层接触间存在厚度不一的在岩性、岩相处于相变、渐变的过渡段，尤其是第四系松散地层最是明显，具有模糊性[7]、不确定性的，亦称之为“相变段”。工程地质研究中，根据工程需要，在无需进行详细划分的情况下，根据成因、类型、颜色、结构、状态、物性等特征，经统计、地质分析，再进行工程地质归纳、概化后，依据亲疏关系将该相变段一分为二，合层于上、下近亲地层岩性中，该分界部位即为两接触地层岩性的划分线。如，黏砂层分界线附近，黏性土中砂粒含量稍高、砂性土中黏粒含量稍高，如图1所示，轻粉质壤土及轻壤土合层于上部中粉质壤土中，砂壤土及粉砂合层于下部粉细砂层中。综上所述，由于岩性间相变段岩性、岩相是相变、渐变的，在地质研究、归纳、概化后应用于工程地质中，地层分界线具有分界线附近工程特性弱化性的特点。

图1 黏砂层间岩性划分示意图

(2)非直线性

根据土岩岩相、层厚特点，尤其是第四系岩性特征——岩性岩相变化快、层厚差异大，地层在沉积、喷发、变质等形成过程中，地层界限具高低起伏状，特别是第四系地层，地层界线起伏大，由此，地层分界线具非直线性特点。

(3)勘探点可控而勘探点间不完全可控性

勘探点的地层划分确定后，将勘探点的及其分层界点按高程及比例尺投放于工程地质剖面图的相应位置上，两勘探点间地层分界线在无构造因素下，一般采用直线连接，但根据个人的认知程度不同，亦有根据地层走势或相关规律分析，进行人为曲线勾勒的情况，这种做法只是一种最接近现实的一种推论，不能完全与实际吻合。如图2所示，第四系地质剖面图中，两勘探点间土砂分界线的连接，一般采用直线连接，但其实际地层分界线走向亦有可能上翘或下浮；如图3所示，待勘探点加密后，实际两勘探点地层分界线处于下浮状态，与图2所示推测下浮地层分界线亦不能完全吻合。综上所述，由于地层分界线的非直线性，勘探点的研究的一定间距性，地层分界线具勘探点可控而勘探点间不完全可控性。

图2 勘探点加密前地层分界线连接示意图

图3 勘探点加密后地层分界线连接示意图

综前所述，地层分界线具非直线性、勘探点可控而勘探点间不完全可控性、分界线附近工程特性弱化性等特点。

3 以地层分界处理问题的利弊

根据上述分析，以地层分界线作为处理工程地质问题的边界条件，具有以下利弊因素：

(1)经济节约性

根据边坡、渗透等的稳定[8]计算分析，以需处理相应工程地质问题的地层顶线为边界进行处理时，其工程量从理论到实际，因未增加多余的额外量，其必然是最经济合理。在实际处理时，在可控条件下，以实际发生工程量进行计量结算，可以大大节约投资成本，减少较多的能满足工程需要而无须采取工程处理措施的其它工程量。在此需强调是，以实际发生工程量为结算计量，与概算工程量是有差别的。

(2)微量额外付出性

根据岩性间相变渐变原理，地层分界线具有分界线附近工程特性弱化性的特点，工程处理时，需采取一定的手段来规避这种弱化的可能，或采取适宜的方法尽可能完全查明弱化性的具体分布范围再进行处理。即，工程项目实施过程中，通过勘察、施工等其本职性能工作中，再稍投入微量性的手段与方法，其具有微量额外付出性。

(3)工程量的可变性

地层分界线为边界条件进行处理相应的工程地质问题，但由于地层分界线具非直线性、勘探点间不完全可控性，以及地层划分在勘察期间至施工揭露等随阶段深入的认知程度不同，勘察期间所概算的工程量与实际工程量是存在偏差的，是不能完全计算出处理工程地质问题时的实际工程量的，存在变大或变小的可能性，即：以地层分界线为边界条件处理工程地质问题时，存在工程量的可变性的工程特性。

(4)实施效果的起伏性

由于地质分界线是高低起伏变化的，具非直线性，那么，在以此作为边界条件进行处理工程地质问题时，处理后的实施效果亦是随着地质分界线处于高低起伏变化的。即：以地层分界线为边界条件处理工程地质问题时，工程处理实施效果存在随界限的起伏性。

4 采取的一些处理措施

针对以地层分界线为界处理工程地质问题时存在的不利因素，具体实施过程中均采取了一定处理措施。

(1)针对分界线附近工程特性弱化性

根据岩性间相变渐变原理，地层分界线具有分界线附近工程特性弱化性的特点，工程处理时，为规避这种弱化的可能，地下隐蔽工程类，一般采取深入相对应岩土层一定深度；开挖揭露工程类，一般采取将相应弱化性部分合进需处理的岩土层内。如：出山店水库土坝段防渗墙[9]根据抓斗岩心确认地层分界后需深入下层不小于1 m或不小于2 m；出山店水库混凝土坝段防渗帷幕[10]在先导孔压水试验具体确认防渗5 Lu线后深入以下不小于5 m；某工程渠道边坡以砂顶界线进行衬砌[11]时施工地质编录将含砂量稍高的岩性合进砂层中，南水北调膨胀土换填为保证全断面压实一致等等原因的全断面处理，SL251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》[12]储量计算时有用层上、下限应各扣除一定厚度，等等措施。

(2)针对工程量可变性

针对工程量可变性，在勘察阶段就已经开始进行了，由低到高的勘察阶段除了有效的控制工程造价、合理选择线路与方案外，亦是对各工程地质问题处理的工程量进行逐渐的量化、细化、可控中；施工过程中的一些要求的手段与方法亦是控制工程量的具体措施，如：出山店水库的帷幕灌浆先导孔，即进行灌浆试验，亦复核勘察成果，且能有效控制实施工程量；南水北调及出山店水库的土卵分界或土岩分界采用分层开挖计算开挖覆盖层[13]土方或土石方工程量；水工岩质隧洞[14]或边坡根据开挖揭露的地质编录成果，及时评价其围岩类别[15]及稳定性，有针对性采取处理措施，即处理措施经济有效，处理方案工程量亦有效可控。在此，需强调的是，由于勘探点可控而勘探点间不完全可控性，会出现实际工程量与概算工程量差值较大的可能，对此特性，建设方应予以充分认识。

(3)实施效果的起伏性

若处理地质问题的措施位于地下，其具体效果因隐蔽性而显现不出具体效果；若位于地上，因显现于视野中，其高低起伏的效果是否影响视觉？是否会引起一定的误解？……，是需引发深思的。

因此，针对实施效果的起伏性，工程中常处理地下隐蔽工程类采用以地层分界线为边界条件处理工程地质问题。