羅永紅 南 凱 謝春慶 宋志賓 胡 鵬 范孝藝 潘 凱 李 航

(①地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059， 中國)

(②中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司， 廣州 510170， 中國)

0 引 言

深厚覆蓋層是指厚度大于30 m的第四紀松散堆積覆蓋層(王運生等， 2007)。目前深厚覆蓋層的存在，是一個具有區(qū)域性乃至全球性的普遍現(xiàn)象(許強等， 2010)。根據(jù)已建工程的地質(zhì)資料揭示(鄒林， 2000； 胡金山等， 2016； 劉昌， 2017)，金沙江下游新市鎮(zhèn)至宜賓河段，覆蓋層厚度普遍超過100 m，雅魯藏布江流域里龍壩址最深覆蓋層達286 m，林芝尼洋河多布水電站壩址左岸區(qū)，覆蓋層厚度180～359.3 m。已建成的大渡河冶勒水電站覆蓋層，最大厚度達420 m。此外，個別水電站工程壩基發(fā)現(xiàn)500 m以上的超深厚覆蓋層(如米林水電站)，通過電測手段發(fā)現(xiàn)澤當曲水大橋附近的古河床覆蓋層厚度達到600 m(余挺等， 2020)。關(guān)于深厚覆蓋層的成因，羅守成(1995)認為深厚覆蓋層是新構(gòu)造的升降或停頓，以及第四紀冰川運動的刨蝕作用形成的構(gòu)造型和氣候型的加積層，表現(xiàn)為地層成分在縱向上有規(guī)律的重復出現(xiàn)。王蘭生等(2005)提出了一種崩滑流堆積成因模式，即地震、暴雨等誘發(fā)的山體垮塌、滑坡和泥石流等災害，產(chǎn)生堵江等現(xiàn)象，或滑坡體前緣直接沉積于早期覆蓋層之上，從而引發(fā)局部的深厚覆蓋層堆積。王運生等(2006)認為是末次冰期中的間冰段時期河流強烈侵蝕谷底下切河床所致，并提出河谷下切形成的三級階地，在河谷回填堆積時期形成二級、一級階地和現(xiàn)今的河床。這種間冰期的溯源侵蝕，最明顯表現(xiàn)在岷江流域，自下游向上游其覆蓋層逐漸增厚。鄭達(2010)認為深厚覆蓋層不僅僅是河流堆積物的加積，也是一種堆積物快速回填的結(jié)果，當其厚度超過60 m，還伴存著堰塞堆積的現(xiàn)象。總結(jié)前人研究表明，深厚覆蓋層主要受構(gòu)造、氣候及物理地質(zhì)作用等因素的影響。高原深厚的第四紀覆蓋層成因較內(nèi)地河流呈復雜多樣化。

河谷深厚覆蓋層的形成受上述因素影響，其物質(zhì)組成變化，顆粒級配不均勻等導致工程地質(zhì)特性差異明顯，由此引發(fā)的工程地質(zhì)問題層出不窮。研究表明河谷深厚覆蓋層具有分布厚度變化大且不連續(xù)、結(jié)構(gòu)差異顯著、成分多樣化、堆積序列異常、成因類型復雜和物理力學性質(zhì)不均勻性等特點(楊天俊， 1998； 許強等， 2008； 李會中等， 2014)。對于深厚覆蓋層工程地質(zhì)問題的研究以滲漏居多，如王正成等(2017)對深厚覆蓋層研究發(fā)現(xiàn)，弱透水層的埋深變化對整個覆蓋層的滲流場變化產(chǎn)生較大影響。其滲漏問題主要為管涌、流土。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)在覆蓋層上的建筑物，約一半事故是由滲漏破壞和沉陷等工程地質(zhì)問題導致(陳海軍等， 1996； 譚儒蛟等， 2008； 張飛， 2015)，而地震液化也是常見的工程地質(zhì)問題之一(白勇等， 2008； 王正成等， 2019； 蔡正銀等， 2020)。

以上主要為解決水電工程壩基穩(wěn)定性等問題的深厚或超深厚覆蓋層相關(guān)研究多位于青藏高原周緣地區(qū)的深切河谷地帶，其成因及工程地質(zhì)特性與青藏高原面上所處的高程及第四紀氣候環(huán)境有顯著差異。隨著我國“川藏鐵路”建設(shè)以及“一帶一路”倡議向尼泊爾等國家延伸，大量鐵路等工程將選址青藏高原面上盆地或河谷地帶，而對于青藏高原腹地等地區(qū)出露的深厚覆蓋層研究相對較少，對其工程地質(zhì)特性及工程地質(zhì)問題認識不足。

本論文研究區(qū)青藏高原南緣某擬建機場位于定日縣境內(nèi)，距離珠穆朗瑪峰約50 km，場區(qū)屬朋曲河右岸河漫灘及一級階地，平均海拔4300 m。通過對該機場場地勘察發(fā)現(xiàn)，場址所在地帶覆蓋層普遍超過30 m以上，最深厚度超過105 m仍未揭穿，覆蓋物成分在水平和縱向上復雜交錯，成因復雜，物理力學參數(shù)變化較大，而基于青藏高原南緣地區(qū)深厚覆蓋層的研究資料相對較缺乏，對區(qū)內(nèi)大規(guī)模工程建設(shè)產(chǎn)生一定制約作用。本論文以擬建機場工程地質(zhì)勘探資料，對場址區(qū)揭露的深厚覆蓋層特征及其工程地質(zhì)特性的研究，不僅對青藏高原南緣地區(qū)深厚覆蓋層成因及其工程地質(zhì)特性分析具有一定的科學意義，而且為該地區(qū)類似大型工程的地基巖土體評價及處理提供一定的借鑒依據(jù)，也為珠峰地區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護提供一定參考。

1 深厚覆蓋層空間分布及物質(zhì)組成特征

1.1 深厚覆蓋層空間分布特征

圖1 研究場區(qū)工程地質(zhì)平面圖

1.2 深厚覆蓋層組成特征

圖2 跑道軸線剖面圖

圖3 場區(qū)鉆探揭露覆蓋層特征

綜合鉆探揭露表明，研究場區(qū)覆蓋層總體表現(xiàn)為“橫向泥石流堆積分區(qū)，縱向不同成因覆蓋層分層”特征，其中全新世沖洪積層的物質(zhì)成分復雜特征大于泥石流堆積物，而湖相沉積及晚更新沖洪積層物質(zhì)成分較為單一。

2 深厚覆蓋層成因分析

研究區(qū)覆蓋層物質(zhì)從泥石流相-河流相-湖相-河流相之間的變化，間接反映了青藏高原南緣地區(qū)強烈的構(gòu)造作用及該地區(qū)第四紀氣候變化特性。

研究表明(李建忠等， 2004)，珠峰朗瑪峰地區(qū)新構(gòu)造運動強烈，差異上升運動明顯，而在崗巴—定日盆地表現(xiàn)為相對下降。受板塊碰撞作用的影響，在崗巴地區(qū)形成一深水坳陷盆地(李國彪等， 2002)，此為朋曲河谷演化的始端，為研究區(qū)深厚覆蓋層的形成提供了空間。第四紀以來，青藏高原發(fā)生過多次冰期及間冰期(李炳元等， 1983； 李吉均等， 1983； 楊逸疇等， 1983； 李永昭， 1998)，普遍開始冰凍圈記錄是在中更新世早期，也有認為開始于早更新世早期(趙越等， 2009)，隨著全球性冰期到來，暗示著青藏高原在中更新世早期整體性較快速抬升進入冰凍圈，即海拔3500 m以上(趙越等， 2009)。1964年希夏邦馬峰科學考察隊在野博康加勒地層中，采到高山櫟等葉子的印痕化石，研究得出2 Ma前(上新世晚期)，喜馬拉雅山海拔約5000 m(徐仁等， 1973)，而現(xiàn)今其平均海拔高度超過7000 m。據(jù)此推測，朋曲河谷地區(qū)(現(xiàn)今海拔約4300 m)在中更新世早期海拔高度低于3500 m，并未進入冰凍圈層。在第一次冰期期間，氣溫降低，引發(fā)水分轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰層，降低了水分的流動，海平面降低，河谷地帶產(chǎn)生溯源侵蝕現(xiàn)象，朋曲河谷地帶以侵蝕為主，并未有大量物源堆積。希夏邦馬冰期后，青藏高原經(jīng)歷了聶拉木冰期、吉隆寺冰期、絨布寺冰期(李炳元等， 1983； 楊逸疇等， 1983)，其中最后兩次冰期發(fā)生在晚更新世以來，也是青藏高原快速抬升階段，而其間冰期階段青藏高原氣候變暖，冰川消融，水的搬運能力加大，河谷地帶產(chǎn)生大量物源堆積，鉆孔揭露層厚在63～105 m的晚更新世沖洪積覆蓋層即為此階段堆積物，組成物質(zhì)為細砂和粗砂，厚度超過40 m(未揭穿)。由于喜馬拉雅山脈阻擋了印度洋水汽北進，晚更新世以來的冰期規(guī)模低于中更新世冰期，由此使得其間冰期的冰川消融水流搬運作用有限，局限于2 mm以下的砂粒等。進入全新世以來，青藏高原進入了冰后期，氣候回暖，誘發(fā)大量冰川崩塌或形成凍融泥石流堰塞朋曲河道形成湖泊，形成湖相沉積，鉆孔揭露其淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度超過40 m。隨著沉積物導致河床抬升及堰塞體潰決，青藏高原氣候進入短期的冷暖交替波動階段，由此引發(fā)流水搬運物質(zhì)多樣化，無明顯沉積韻律，沉積物呈片狀透鏡體，鉆孔揭露全新世沖洪積層中粉土、粉細砂、中粗砂、礫砂和圓礫等均有，厚度變化較大。伴隨著青藏高原氣候穩(wěn)定，且氣溫升高，夏季暴雨常發(fā)，加之溝道或坡面冰磧物等物源豐富，導致泥石流頻發(fā)并形成多期次堆積特征。此外，根據(jù)泥石流堆積區(qū)淺井揭露在其堆積層5～6 m處，普遍存在約1 m厚的粉細砂透鏡體，表現(xiàn)為泥石流停止堆積并受到地表洪流沖刷及物質(zhì)沉積一段時間后，再次疊加泥石流物質(zhì)堆積(圖4)。

圖4 研究場區(qū)淺井揭示泥石流堆積層特征

3 覆蓋層工程地質(zhì)特性

3.1 覆蓋層物理力學特性

基于室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(如載荷、剪切、標貫等)，研究區(qū)各層覆蓋層的物理力學特性統(tǒng)計如表1。

表1 表層覆蓋層物理力學參數(shù)統(tǒng)計特征

淺層物質(zhì)物理力學參數(shù)統(tǒng)計表明，第①層泥石流堆積物，其中角礫層為不良級配土，中等壓縮性中硬-堅硬土，承載力一般，屬強透水層； 碎石層為不良級配土，屬低壓縮性中軟-堅硬土，承載力較高，屬強透水。第②層沖洪積堆積物，其圓礫為不良級配，低壓縮性中軟-中硬土，承載力一般，強透水層； 粉細砂層除局部級配良好外，為級配不良，中等壓縮性中硬-軟弱土，承載力較差，中等透水層； 粉土為中等壓縮-高壓性軟弱土，承載力較差，弱透水層。第③層湖相粉質(zhì)黏土，為中等壓縮-高壓縮性中硬土，局部為中軟土，承載力較差，屬于弱透水層或隔水層。

3.2 工程地質(zhì)問題分析

基于研究區(qū)覆蓋層成因及物理力學特性分析表明，表層泥石流及沖洪積堆積物空間上分布不連續(xù)，縱向厚度及物理力學性質(zhì)變化較大，研究場區(qū)主要工程地質(zhì)問題存在以下幾個方面：

3.2.1 地基不均勻

研究區(qū)表層沖洪積層(②層)物質(zhì)組成不均勻，夾含粉土和粉細砂中等壓縮-高壓縮性軟弱土，橫向上粉土層厚度空間變化不均一(圖5)，同一土層的不均勻性問題突出。在研究區(qū)西側(cè)第②層與其上覆的厚度變化不均的泥石流碎石層(①層)相比，兩者壓縮模量(Es)相差16～46 MPa，不同土層的承載力特性差異大。

圖5 研究區(qū)粉土厚度等值線圖

通過對跑道軸線剖面(圖2)沉降量計算分析表明，在允許建筑安全使用的前提下，每相鄰50 m鉆孔之間沉降差異量為0.83～166.91 mm，隨著壓縮層厚度的增加地基沉降量顯著增大(圖6)。

3.2.2 地基滲漏破壞問題

研究區(qū)南北兩側(cè)豐富的地表及地下水徑流至研究場地最終排泄進入朋曲河，在沖洪積層(②層)和泥石流層(①層)中均存在潛蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為地表水系常年渾濁，在雨季更加明顯，局部表層泥沙淤積?；谂R界水力梯度和不均勻系數(shù)公式：

(1)

(2)

式中：Jcr為臨界水力梯度；ρs為土粒密度(g·cm-3)；ε為土孔隙比；η為不均勻系數(shù)；d60為小于某粒徑土重的累計60%對應粒徑；d10為小于某粒徑土重的累計10%對應粒徑。

經(jīng)計算研究場區(qū)土層臨界水力梯度和不均勻系數(shù)值如表2。

表2 土層滲透參數(shù)

根據(jù)伊斯托明娜(張倬元等， 2016)提出的允許水力梯度和不均勻系數(shù)關(guān)系線(圖7藍色虛線)，以及臨界梯度(紅色虛線)和不均勻系數(shù)關(guān)系曲線，據(jù)此判斷研究區(qū)覆蓋層中碎石、角礫，圓礫和部分粉細砂為骨架的地層存在滲流破壞可能。

圖7 臨界水力梯度、允許水力梯度與不均勻系數(shù)關(guān)系

3.2.3 邊坡穩(wěn)定性問題

基于擬建機場場區(qū)整平標高4311～4328 m，填方區(qū)主要位于東側(cè)沖洪積堆積區(qū)(②層)，挖方區(qū)主要位于南側(cè)泥石流堆積區(qū)(①層)。其中：東側(cè)填方區(qū)地下水位埋深常年0～0.5 m，原地基(②層)粉細砂、圓礫長期飽水，填方后其固結(jié)沉降緩慢，而不均勻沉降容易導致填方邊坡破壞。在挖方區(qū)，地下水位穩(wěn)定標高4315～4324 m，開挖后部分地下水位出露地表或高于挖方邊坡坡腳，碎塊石堆積物的強透水性容易導致潛蝕或管涌，引起邊坡變形及破壞，當暴雨作用下，滲透破壞及動水壓力等綜合作用對邊坡穩(wěn)定性影響更為顯著。

3.2.4 地基凍融破壞

研究區(qū)場地靠近珠峰，年最低氣溫- 21.7 ℃，東側(cè)沖洪積層屬季節(jié)性凍土。根據(jù)覆蓋層含水率和凍結(jié)水位線判定沖洪積層屬Ⅳ凍脹，凍脹率6%～12%。因原地基受季節(jié)性氣溫的影響不斷處于凍脹-融陷循環(huán)，容易對剛度較大的混凝土道槽產(chǎn)生地基凍融破壞作用。

4 結(jié) 論

通過對青藏高原南緣某擬建機場場區(qū)深厚覆蓋層發(fā)育特征及工程地質(zhì)特性分析，獲得以下結(jié)論：

(2)研究區(qū)位于青藏高原南緣崗巴—定日盆地，受板塊強烈碰撞作用形成的深水坳陷盆地為深厚覆蓋層堆積提供了空間。成因分析表明，已揭露63 m以下物質(zhì)與晚更新世以來青藏高原快速抬升及間冰期氣候變化密切相關(guān)，而淺表層63 m以內(nèi)堆積物與青藏高原全新世以來的氣候回暖及冷暖交替變化密切相關(guān)。

(3)研究區(qū)覆蓋層物理力學特性統(tǒng)計表明，相同成因?qū)又形镔|(zhì)的物理力學性質(zhì)差異明顯，而不同成因覆蓋層物理力學性質(zhì)差異較大，除粉質(zhì)黏土層為相對隔水層外，其余覆蓋層物質(zhì)多為中等至強透水性。

(4)研究區(qū)主要工程地質(zhì)問題主要表現(xiàn)為不均勻沉降、滲漏破壞、邊坡不穩(wěn)定及凍融誘發(fā)地基破壞問題。