張啟龍 楊 剛

(鐵一院甘肅鐵道綜合勘察院,甘肅蘭州 730000)

西寧是我國(guó)青海省的省會(huì)城市,地處青藏高原的東緣,也是我國(guó)西北黃土高原西緣,既具有高原獨(dú)特的氣候特征,也具有黃土高原的地貌特征和地層特征。

蘭新(甘肅蘭州至新疆烏魯木齊)客運(yùn)專線通過(guò)西寧北上,翻越大阪山和祁連山后,與原蘭新鐵路并駕齊驅(qū),西上烏魯木齊。筆者有幸參加這次蘭新客運(yùn)專線蘭州至門(mén)源段的巖土工程勘察工作,并重點(diǎn)在西寧地區(qū)勘察,對(duì)西寧盆地分布的第三系地層有了與原有地質(zhì)資料(區(qū)域地質(zhì)資料和既有線地質(zhì)資料)不同的認(rèn)識(shí)。一般而言,第三系地層以內(nèi)陸湖相細(xì)顆粒碎屑沉積為主,只有在特定的環(huán)境條件下才有化學(xué)沉積。而西寧盆地第三系地層則是內(nèi)陸湖相細(xì)顆粒碎屑沉積與內(nèi)陸湖相化學(xué)沉積交替沉積,形成了巨厚的棕紅色泥巖、硫酸鹽為主(石膏,芒硝),夾有氯化物(NaCl為主)薄層(尖滅層)的化學(xué)沉積層,唯獨(dú)不見(jiàn)砂巖地層。

1 西寧盆地第三系地層的特征

1.1 西寧盆地第三系地層的分布特征

(1)平面分布特征

西寧盆地東側(cè)(小峽及峽口地段)為古生界閃長(zhǎng)巖及角閃石英片巖。第三系地層與古生界閃長(zhǎng)巖及角閃石英片巖呈角度不整合接觸。南北兩側(cè)低山均為(南至拉脊山北麓,北至大阪山南麓之間)巨厚的第三系棕紅色泥巖及硫酸鹽為主的化學(xué)沉積層,西側(cè)直至響河峽口。但第三系地層中的硫酸鹽為主的化學(xué)沉積層卻只分布在南川河、北川河以東的低山及其階地上(見(jiàn)圖1)。

圖1 西寧盆地第三系地層分布示意

(2)空間分布特征

西寧盆地第三系地層之上一般都覆蓋有第四系松散層,高處(2350～2380m)為厚5～80m不等的風(fēng)積黃土,低洼處(2205～2225m)為厚2～60m不等的碎石類土;其下為第三系棕紅色泥巖,厚10～80m不等;再下就是巨厚的硫酸鹽為主(石膏,芒硝),夾有氯化物(NaCl為主)薄層(尖滅層)的化學(xué)沉積層。該層中部夾有一層厚5.8～6.5m的純白色石膏層,像群山的玉帶,成為從東進(jìn)入西寧的一道靚麗風(fēng)景線。

其下還有一層呈紫紅色,厚約5.5～6.0m,形似砂巖,但其組成成分為石膏、芒硝等其他硫酸鹽以及少量黏土礦物的化學(xué)沉積層,成為該化學(xué)沉積層的標(biāo)志層。除此而外,一般都呈薄層泥巖與薄層硫酸鹽化學(xué)沉積層互層狀,厚度5～15cm不等。

值得一提的是在這巨厚的硫酸鹽化學(xué)沉積層中,毫無(wú)規(guī)律可循的夾雜著多層巖鹽(NaCl為主)薄層(尖滅層)。在勘察鉆探中,多數(shù)情況下,這層氯化鈉化學(xué)沉積層巖芯不成形,而且量小,充分說(shuō)明了易溶巖的特點(diǎn),即巖芯中的大多數(shù)鹽分在鉆探過(guò)程中被溶解掉。同時(shí),還說(shuō)明了氯化鈉化學(xué)沉積層在平面上呈窩狀分布,在空間上呈尖滅層狀分布。

西寧盆地第三系地層的產(chǎn)狀為N45～55°E/8～12°N。局部地段呈水平狀(見(jiàn)圖2)。

1.2 西寧盆地第三系地層的巖性特征

(1)泥巖:多為棕紅色,夾在硫酸鹽沉積層中的泥巖呈灰色及深灰色。其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),局部夾有粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,成巖作用差。地層質(zhì)地細(xì)膩,但大多夾有3～10mm厚的石膏薄層,局部夾有20～30cm厚粉砂質(zhì)泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)。

(2)石膏巖:白色為主,其主要礦物成分以石膏為主,質(zhì)地不純時(shí)含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。纖維狀結(jié)構(gòu),也多見(jiàn)有雪花狀結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,但在硫酸鹽化學(xué)沉積層中的石膏巖呈薄層狀構(gòu)造,一般5～10cm厚,且質(zhì)地不純凈,含有大量的泥土,局部有澀味。

以上這8個(gè)工作小組各有專攻，各自負(fù)責(zé)組織專家組，設(shè)計(jì)和實(shí)施具體項(xiàng)目和臨時(shí)特設(shè)的項(xiàng)目。此外還有聯(lián)絡(luò)小組，負(fù)責(zé)成員國(guó)相關(guān)部門(mén)和代表之間、各個(gè)工作組之間以及委員會(huì)和其他組織機(jī)構(gòu)的外聯(lián)工作。委員會(huì)另設(shè)有觀察員席位，這些席位給國(guó)際政府間組織和非政府組織以及非成員國(guó)提供了參與波羅的海海洋環(huán)保治理、為自己的利益和訴求發(fā)聲的機(jī)會(huì)。[注] 例如，觀察員國(guó)有白俄羅斯、烏克蘭，國(guó)際政府間組織觀察員有國(guó)際海事組織、聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署、國(guó)際氣候組織、波羅的海議會(huì)會(huì)議等，國(guó)際非政府組織觀察員有波羅的海港口組織，波羅的海農(nóng)民環(huán)境論壇、國(guó)際鳥(niǎo)類生命組織等，詳細(xì)名單見(jiàn)赫爾辛基委員會(huì)網(wǎng)站。

(3)硫酸鹽化學(xué)沉積層:雜色,也有成層的紫紅色。其主要礦物成分以石膏、芒硝為主,也有硫酸鎂、硫酸鐵等的結(jié)晶體,一般這套地層質(zhì)地不純,多含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,跟石膏巖一樣,也有薄層狀構(gòu)造,質(zhì)地不純凈,但巖質(zhì)較硬,形似砂巖,具很濃的苦澀味和咸味,在勘察過(guò)程中曾經(jīng)誤認(rèn)為是泥巖夾砂巖,走了一些彎路。

(4)巖鹽:以灰色及深灰色為主,其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主,氯化鈉次之,多為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此,這套地層含鹽量20%～50%不等,以泥土為主,見(jiàn)有大小不均的氯化鈉結(jié)晶體,最大的結(jié)晶體5mm ×10mm,最小的結(jié)晶體1mm ×1mm,泥土具有很濃的咸味。在勘察鉆探中,巖芯多不成形,說(shuō)明地層致密性差,加之易溶鹽的溶解,導(dǎo)致這種結(jié)果。

圖2 西寧盆地火車站附近地質(zhì)剖面

1.3 硫酸鹽為主化學(xué)沉積層的化學(xué)成分

在石膏巖中化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)為主,夾雜有芒硝時(shí),則為硫酸鈉(NaSO4)。

在硫酸鹽化學(xué)成積層中,其化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)、硫酸鈉 (NaSO4)為主,硫酸鎂 (MgSO4)、硫酸鐵(FeSO4)伴生。

在巖鹽層中,其化學(xué)成分以氯化鈉(NaCl)為主,氯化鉀(KCl)氯化鎂(MgCl2)等氯化物伴生。

2 西寧盆地第三系地層的形成機(jī)理

2.1 古地貌推理

在白堊紀(jì)時(shí)代,現(xiàn)在的西寧盆地乃至整個(gè)青藏高原處在海洋或者平原地貌。之后的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng))在比此更早形成的近南北向斷裂構(gòu)造的影響下,將青藏高原逐級(jí)抬升。在一定時(shí)期,遺留到現(xiàn)在的青海湖和西寧盆地形成了正在抬升中的內(nèi)陸湖。而且是含鹽量極高的咸水湖。

2.2 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其地質(zhì)作用

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展,使得整個(gè)青藏高原及其以西地區(qū)形成了區(qū)域性的隆起或局部的凹陷。隆起的遭剝蝕,凹陷的接受沉積。在這期間,青海湖和西寧盆地時(shí)分時(shí)合。以致在新生代的早第三紀(jì),兩地徹底分離,青海湖地區(qū)既不接受沉積,也不遭受剝蝕,而西寧盆地則開(kāi)始了全面的沉積。當(dāng)然,這種沉積是淡水與青海湖的咸水交替沉積。到晚期,完全變成了淡水的湖相沉積(棕紅色泥巖)。

總之,是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造就了現(xiàn)在的地形地貌,也賦予了現(xiàn)在的西寧盆地第三系地層獨(dú)特的巖性特征。

3 西寧盆地第三系地層的工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1 地基的穩(wěn)定問(wèn)題

西寧盆地第三系地層中的硫酸鹽化學(xué)成積層作為建筑物的持力層時(shí),地基的穩(wěn)定與地下水的埋藏深度及其地下水的變化幅度有著很大的關(guān)系。

當(dāng)該地層處在地下水位以上時(shí),由于沒(méi)有任何動(dòng)力和介質(zhì)參與對(duì)底層結(jié)構(gòu)、地層組成成分的破壞,一般都不會(huì)對(duì)建筑物地基的穩(wěn)定性造成影響。

當(dāng)該地層處在地下水位以下時(shí),就會(huì)有兩種情況出現(xiàn)。

(1)第一種情況:地基持力層主要部分處在地下水位變化幅度范圍內(nèi)。由于該地層的化學(xué)成分主要是易溶鹽,在地下水位隨著季節(jié)的變化而上下變化時(shí),地層中的易溶鹽被溶解,被帶走,造成地層結(jié)構(gòu)的被破壞。這時(shí),可以肯定地講,其地基承載力被削弱而降低,甚至?xí)斐梢恍┮兹茺}被溶解后的空洞。這是我們最不愿看到的結(jié)果。

(2)第二種情況:地基持力層全部處在地下水位下(地下水位變化幅度下限)。在沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造影響的情況下,其地下水一般是相對(duì)靜止的,而且也處在地層中的易溶鹽溶解和含鹽的地下水再結(jié)晶的平衡狀態(tài)中。因此,地基持力層地層的結(jié)構(gòu)的破壞也是微乎其微。這樣,對(duì)地基承載能力的影響也是很小的。

3.2 地下洞室(隧道)的穩(wěn)定問(wèn)題

地下洞室(隧道)的穩(wěn)定有兩個(gè)方面,一是地基,二是圍巖。這里主要對(duì)地下洞室(隧道)的圍巖穩(wěn)定加以論述。

上面把西寧盆地第三系地層獨(dú)特的硫酸鹽化學(xué)沉積層及其所夾的巖鹽薄層的巖性特征做了說(shuō)明。這些特征反映到巖體上,既有巖石地層的特征,又有散體土層的特征,就呈現(xiàn)出整個(gè)巖體的完整性相對(duì)較差。在計(jì)算地下洞室(隧道)松動(dòng)圍巖的壓力時(shí),除用彈塑性理論計(jì)算公式(P=K1Rγ+K2Cg)計(jì)算外,還應(yīng)該按散體的土壓力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,將二者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較取大值。我們已經(jīng)有了在化學(xué)沉積層(巖鹽)上面修建公路和鐵路的經(jīng)驗(yàn),但還沒(méi)有在化學(xué)沉積層中開(kāi)挖地下洞室(隧道)的經(jīng)驗(yàn)。故取大值做好地下洞室(隧道)的襯砌,確保地下洞室(隧道)的穩(wěn)定與安全是非常必要的。

3.3 邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該硫酸鹽化學(xué)沉積層既能形成直立的陡崖,也能形成負(fù)坡,但這種地形一般持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),往往是錯(cuò)落、崩坍的隱患所在地。西寧盆地從東到西近12km的北山被劃為危巖、落石及滑坡的危險(xiǎn)區(qū),并逐步進(jìn)行治理的事實(shí)說(shuō)明了這一點(diǎn)。由于該地層易溶巖含量較高,在大氣降水等因素的影響下,很容易形成軟弱結(jié)構(gòu)面,再通過(guò)軟弱結(jié)構(gòu)面將易溶巖帶走,該軟弱結(jié)構(gòu)面的不斷擴(kuò)大,致使巖體內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行重新分布,其結(jié)果是造成邊坡的變形。因此,不管是自然邊坡還是人工邊坡,在這樣的地層上,時(shí)刻存在著邊坡的不穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之,西寧盆地第三系地層,特別是硫酸鹽化學(xué)沉積層具有著獨(dú)特性質(zhì)和特點(diǎn)。因此,我們應(yīng)在以下幾個(gè)方面采取有針對(duì)性的措施:

(1)在建筑材料的選用上必須采用抗硫酸鹽腐蝕的水泥。

(2)借鑒巖鹽地層上工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn),盡最大可能的保留其上棕紅色泥巖的硬殼,采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),并對(duì)其地基進(jìn)行必要的加固處理。

(3)若采用樁基礎(chǔ),宜用端承摩擦樁,不宜采用摩擦樁。

(4)邊坡不論高低,禁止暴露,及時(shí)防護(hù)。

[1]TB10012—2007,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[2]GB50021-2004,巖土工程勘察規(guī)范[S]

[3]TB10027—2001,鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[4]TB10038—2001,鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]