青藏高原南缘某机场场区深厚覆盖层工程地质特征*

罗永红 南 凯 谢春庆 宋志宾 胡 鹏 范孝艺 潘 凯 李 航

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059， 中国)

(②中煤江南建设发展有限公司， 广州 510170， 中国)

0 引 言

深厚覆盖层是指厚度大于30 m的第四纪松散堆积覆盖层(王运生等， 2007)。目前深厚覆盖层的存在，是一个具有区域性乃至全球性的普遍现象(许强等， 2010)。根据已建工程的地质资料揭示(邹林， 2000； 胡金山等， 2016； 刘昌， 2017)，金沙江下游新市镇至宜宾河段，覆盖层厚度普遍超过100 m，雅鲁藏布江流域里龙坝址最深覆盖层达286 m，林芝尼洋河多布水电站坝址左岸区，覆盖层厚度180～359.3 m。已建成的大渡河冶勒水电站覆盖层，最大厚度达420 m。此外，个别水电站工程坝基发现500 m以上的超深厚覆盖层(如米林水电站)，通过电测手段发现泽当曲水大桥附近的古河床覆盖层厚度达到600 m(余挺等， 2020)。关于深厚覆盖层的成因，罗守成(1995)认为深厚覆盖层是新构造的升降或停顿，以及第四纪冰川运动的刨蚀作用形成的构造型和气候型的加积层，表现为地层成分在纵向上有规律的重复出现。王兰生等(2005)提出了一种崩滑流堆积成因模式，即地震、暴雨等诱发的山体垮塌、滑坡和泥石流等灾害，产生堵江等现象，或滑坡体前缘直接沉积于早期覆盖层之上，从而引发局部的深厚覆盖层堆积。王运生等(2006)认为是末次冰期中的间冰段时期河流强烈侵蚀谷底下切河床所致，并提出河谷下切形成的三级阶地，在河谷回填堆积时期形成二级、一级阶地和现今的河床。这种间冰期的溯源侵蚀，最明显表现在岷江流域，自下游向上游其覆盖层逐渐增厚。郑达(2010)认为深厚覆盖层不仅仅是河流堆积物的加积，也是一种堆积物快速回填的结果，当其厚度超过60 m，还伴存着堰塞堆积的现象。总结前人研究表明，深厚覆盖层主要受构造、气候及物理地质作用等因素的影响。高原深厚的第四纪覆盖层成因较内地河流呈复杂多样化。

河谷深厚覆盖层的形成受上述因素影响，其物质组成变化，颗粒级配不均匀等导致工程地质特性差异明显，由此引发的工程地质问题层出不穷。研究表明河谷深厚覆盖层具有分布厚度变化大且不连续、结构差异显著、成分多样化、堆积序列异常、成因类型复杂和物理力学性质不均匀性等特点(杨天俊， 1998； 许强等， 2008； 李会中等， 2014)。对于深厚覆盖层工程地质问题的研究以渗漏居多，如王正成等(2017)对深厚覆盖层研究发现，弱透水层的埋深变化对整个覆盖层的渗流场变化产生较大影响。其渗漏问题主要为管涌、流土。据统计国内在覆盖层上的建筑物，约一半事故是由渗漏破坏和沉陷等工程地质问题导致(陈海军等， 1996； 谭儒蛟等， 2008； 张飞， 2015)，而地震液化也是常见的工程地质问题之一(白勇等， 2008； 王正成等， 2019； 蔡正银等， 2020)。

以上主要为解决水电工程坝基稳定性等问题的深厚或超深厚覆盖层相关研究多位于青藏高原周缘地区的深切河谷地带，其成因及工程地质特性与青藏高原面上所处的高程及第四纪气候环境有显著差异。随着我国“川藏铁路”建设以及“一带一路”倡议向尼泊尔等国家延伸，大量铁路等工程将选址青藏高原面上盆地或河谷地带，而对于青藏高原腹地等地区出露的深厚覆盖层研究相对较少，对其工程地质特性及工程地质问题认识不足。

本论文研究区青藏高原南缘某拟建机场位于定日县境内，距离珠穆朗玛峰约50 km，场区属朋曲河右岸河漫滩及一级阶地，平均海拔4300 m。通过对该机场场地勘察发现，场址所在地带覆盖层普遍超过30 m以上，最深厚度超过105 m仍未揭穿，覆盖物成分在水平和纵向上复杂交错，成因复杂，物理力学参数变化较大，而基于青藏高原南缘地区深厚覆盖层的研究资料相对较缺乏，对区内大规模工程建设产生一定制约作用。本论文以拟建机场工程地质勘探资料，对场址区揭露的深厚覆盖层特征及其工程地质特性的研究，不仅对青藏高原南缘地区深厚覆盖层成因及其工程地质特性分析具有一定的科学意义，而且为该地区类似大型工程的地基岩土体评价及处理提供一定的借鉴依据，也为珠峰地区地质环境保护提供一定参考。

1 深厚覆盖层空间分布及物质组成特征

1.1 深厚覆盖层空间分布特征

图1 研究场区工程地质平面图

1.2 深厚覆盖层组成特征

图2 跑道轴线剖面图

图3 场区钻探揭露覆盖层特征

综合钻探揭露表明，研究场区覆盖层总体表现为“横向泥石流堆积分区，纵向不同成因覆盖层分层”特征，其中全新世冲洪积层的物质成分复杂特征大于泥石流堆积物，而湖相沉积及晚更新冲洪积层物质成分较为单一。

2 深厚覆盖层成因分析

研究区覆盖层物质从泥石流相-河流相-湖相-河流相之间的变化，间接反映了青藏高原南缘地区强烈的构造作用及该地区第四纪气候变化特性。

研究表明(李建忠等， 2004)，珠峰朗玛峰地区新构造运动强烈，差异上升运动明显，而在岗巴—定日盆地表现为相对下降。受板块碰撞作用的影响，在岗巴地区形成一深水坳陷盆地(李国彪等， 2002)，此为朋曲河谷演化的始端，为研究区深厚覆盖层的形成提供了空间。第四纪以来，青藏高原发生过多次冰期及间冰期(李炳元等， 1983； 李吉均等， 1983； 杨逸畴等， 1983； 李永昭， 1998)，普遍开始冰冻圈记录是在中更新世早期，也有认为开始于早更新世早期(赵越等， 2009)，随着全球性冰期到来，暗示着青藏高原在中更新世早期整体性较快速抬升进入冰冻圈，即海拔3500 m以上(赵越等， 2009)。1964年希夏邦马峰科学考察队在野博康加勒地层中，采到高山栎等叶子的印痕化石，研究得出2 Ma前(上新世晚期)，喜马拉雅山海拔约5000 m(徐仁等， 1973)，而现今其平均海拔高度超过7000 m。据此推测，朋曲河谷地区(现今海拔约4300 m)在中更新世早期海拔高度低于3500 m，并未进入冰冻圈层。在第一次冰期期间，气温降低，引发水分转化为固态冰层，降低了水分的流动，海平面降低，河谷地带产生溯源侵蚀现象，朋曲河谷地带以侵蚀为主，并未有大量物源堆积。希夏邦马冰期后，青藏高原经历了聂拉木冰期、吉隆寺冰期、绒布寺冰期(李炳元等， 1983； 杨逸畴等， 1983)，其中最后两次冰期发生在晚更新世以来，也是青藏高原快速抬升阶段，而其间冰期阶段青藏高原气候变暖，冰川消融，水的搬运能力加大，河谷地带产生大量物源堆积，钻孔揭露层厚在63～105 m的晚更新世冲洪积覆盖层即为此阶段堆积物，组成物质为细砂和粗砂，厚度超过40 m(未揭穿)。由于喜马拉雅山脉阻挡了印度洋水汽北进，晚更新世以来的冰期规模低于中更新世冰期，由此使得其间冰期的冰川消融水流搬运作用有限，局限于2 mm以下的砂粒等。进入全新世以来，青藏高原进入了冰后期，气候回暖，诱发大量冰川崩塌或形成冻融泥石流堰塞朋曲河道形成湖泊，形成湖相沉积，钻孔揭露其淤泥质粉质黏土层厚度超过40 m。随着沉积物导致河床抬升及堰塞体溃决，青藏高原气候进入短期的冷暖交替波动阶段，由此引发流水搬运物质多样化，无明显沉积韵律，沉积物呈片状透镜体，钻孔揭露全新世冲洪积层中粉土、粉细砂、中粗砂、砾砂和圆砾等均有，厚度变化较大。伴随着青藏高原气候稳定，且气温升高，夏季暴雨常发，加之沟道或坡面冰碛物等物源丰富，导致泥石流频发并形成多期次堆积特征。此外，根据泥石流堆积区浅井揭露在其堆积层5～6 m处，普遍存在约1 m厚的粉细砂透镜体，表现为泥石流停止堆积并受到地表洪流冲刷及物质沉积一段时间后，再次叠加泥石流物质堆积(图4)。

图4 研究场区浅井揭示泥石流堆积层特征

3 覆盖层工程地质特性

3.1 覆盖层物理力学特性

基于室内及现场试验(如载荷、剪切、标贯等)，研究区各层覆盖层的物理力学特性统计如表1。

表1 表层覆盖层物理力学参数统计特征

浅层物质物理力学参数统计表明，第①层泥石流堆积物，其中角砾层为不良级配土，中等压缩性中硬-坚硬土，承载力一般，属强透水层； 碎石层为不良级配土，属低压缩性中软-坚硬土，承载力较高，属强透水。第②层冲洪积堆积物，其圆砾为不良级配，低压缩性中软-中硬土，承载力一般，强透水层； 粉细砂层除局部级配良好外，为级配不良，中等压缩性中硬-软弱土，承载力较差，中等透水层； 粉土为中等压缩-高压性软弱土，承载力较差，弱透水层。第③层湖相粉质黏土，为中等压缩-高压缩性中硬土，局部为中软土，承载力较差，属于弱透水层或隔水层。

3.2 工程地质问题分析

基于研究区覆盖层成因及物理力学特性分析表明，表层泥石流及冲洪积堆积物空间上分布不连续，纵向厚度及物理力学性质变化较大，研究场区主要工程地质问题存在以下几个方面：

3.2.1 地基不均匀

研究区表层冲洪积层(②层)物质组成不均匀，夹含粉土和粉细砂中等压缩-高压缩性软弱土，横向上粉土层厚度空间变化不均一(图5)，同一土层的不均匀性问题突出。在研究区西侧第②层与其上覆的厚度变化不均的泥石流碎石层(①层)相比，两者压缩模量(Es)相差16～46 MPa，不同土层的承载力特性差异大。

图5 研究区粉土厚度等值线图

通过对跑道轴线剖面(图2)沉降量计算分析表明，在允许建筑安全使用的前提下，每相邻50 m钻孔之间沉降差异量为0.83～166.91 mm，随着压缩层厚度的增加地基沉降量显著增大(图6)。

3.2.2 地基渗漏破坏问题

研究区南北两侧丰富的地表及地下水径流至研究场地最终排泄进入朋曲河，在冲洪积层(②层)和泥石流层(①层)中均存在潜蚀现象，表现为地表水系常年浑浊，在雨季更加明显，局部表层泥沙淤积。基于临界水力梯度和不均匀系数公式：

(1)

(2)

式中：Jcr为临界水力梯度；ρs为土粒密度(g·cm-3)；ε为土孔隙比；η为不均匀系数；d60为小于某粒径土重的累计60%对应粒径；d10为小于某粒径土重的累计10%对应粒径。

经计算研究场区土层临界水力梯度和不均匀系数值如表2。

表2 土层渗透参数

根据伊斯托明娜(张倬元等， 2016)提出的允许水力梯度和不均匀系数关系线(图7蓝色虚线)，以及临界梯度(红色虚线)和不均匀系数关系曲线，据此判断研究区覆盖层中碎石、角砾，圆砾和部分粉细砂为骨架的地层存在渗流破坏可能。

图7 临界水力梯度、允许水力梯度与不均匀系数关系

3.2.3 边坡稳定性问题

基于拟建机场场区整平标高4311～4328 m，填方区主要位于东侧冲洪积堆积区(②层)，挖方区主要位于南侧泥石流堆积区(①层)。其中：东侧填方区地下水位埋深常年0～0.5 m，原地基(②层)粉细砂、圆砾长期饱水，填方后其固结沉降缓慢，而不均匀沉降容易导致填方边坡破坏。在挖方区，地下水位稳定标高4315～4324 m，开挖后部分地下水位出露地表或高于挖方边坡坡脚，碎块石堆积物的强透水性容易导致潜蚀或管涌，引起边坡变形及破坏，当暴雨作用下，渗透破坏及动水压力等综合作用对边坡稳定性影响更为显著。

3.2.4 地基冻融破坏

研究区场地靠近珠峰，年最低气温- 21.7 ℃，东侧冲洪积层属季节性冻土。根据覆盖层含水率和冻结水位线判定冲洪积层属Ⅳ冻胀，冻胀率6%～12%。因原地基受季节性气温的影响不断处于冻胀-融陷循环，容易对刚度较大的混凝土道槽产生地基冻融破坏作用。

4 结 论

通过对青藏高原南缘某拟建机场场区深厚覆盖层发育特征及工程地质特性分析，获得以下结论：

(2)研究区位于青藏高原南缘岗巴—定日盆地，受板块强烈碰撞作用形成的深水坳陷盆地为深厚覆盖层堆积提供了空间。成因分析表明，已揭露63 m以下物质与晚更新世以来青藏高原快速抬升及间冰期气候变化密切相关，而浅表层63 m以内堆积物与青藏高原全新世以来的气候回暖及冷暖交替变化密切相关。

(3)研究区覆盖层物理力学特性统计表明，相同成因层中物质的物理力学性质差异明显，而不同成因覆盖层物理力学性质差异较大，除粉质黏土层为相对隔水层外，其余覆盖层物质多为中等至强透水性。

(4)研究区主要工程地质问题主要表现为不均匀沉降、渗漏破坏、边坡不稳定及冻融诱发地基破坏问题。