地層分界特征及工程問題導析

王先忠，劉 蓓，史 恒

(河南省水利勘測有限公司，河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008)

在水利工程邊坡穩(wěn)定、邊坡防沖刷、邊坡及基底防滲等工程地質(zhì)問題處理中，為節(jié)約投資，減少工程量，在既經(jīng)濟又安全的前提下，多以地層分界線為邊界條件進行處理相應的工程地質(zhì)問題，因與前期概算工程量不同，以實際發(fā)生工程量進行計量結(jié)算。在公私合營模式下，該處理工程地質(zhì)問題型式引起的工程量變化是否允許？本文以地質(zhì)勘察專業(yè)對地層分界線的特點進行解析、研究，論述其為邊界條件下處理工程地質(zhì)問題的利弊，為合理、適宜的選擇工程處理措施提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)分界線

巖石圈三大類巖石[1]是可以相互轉(zhuǎn)化的，在地質(zhì)內(nèi)外力作用下，地表形態(tài)再次塑造，巖層再次發(fā)生變化，以致巖體具不連續(xù)性、非均質(zhì)性及各向異性。即使是層理構(gòu)造顯著的沉積巖，因在沉積時期地形的高低起伏，雖經(jīng)億萬年的壓縮、變化，其層間關(guān)系亦呈高低起伏狀，且受地質(zhì)作用下，沉積巖巖相、層厚在不同空間點上均存在差異性。作為地球發(fā)展最近時期的第四系，其形成的松散巖石一般稱為沉積物[2]等，由于沉積物一般形成不久或正在形成，成巖作用微弱，在外動力作用下，具有巖性松散、成因多樣、巖性巖相變化快、層厚差異大等特征。

工程地質(zhì)學[3]是研究與人類工程建筑有關(guān)的地質(zhì)問題的一門學科，屬于應用地質(zhì)學的范疇，通過工程地質(zhì)勘察來實現(xiàn)。工程地質(zhì)勘察是以點帶面，通過地質(zhì)測繪、勘探、物探、試驗、原位測試等工作，利用工程地質(zhì)專業(yè)技術(shù)知識綜合分析研究，由淺至深的一種探索、研究工作，是為查明影響工程建筑物的地質(zhì)因素而進行的地質(zhì)調(diào)查研究工作。工程地質(zhì)勘察廣為采用的是，通過勘探點直接揭露場區(qū)工程地質(zhì)條件[4]，為設(shè)計提供準確的工程地質(zhì)剖面。填繪地層分界線劃分地層是繪制工程地質(zhì)剖面圖的重要工作內(nèi)容。

地質(zhì)分界線是一個地質(zhì)概念，是不同地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象之間的界線，即地層、巖體、風化、地層年代、地質(zhì)構(gòu)造等分界面同某一剖面的交線，是地質(zhì)填圖(地質(zhì)圖、柱狀圖和剖面圖)中按一定比例尺用來表示地層程序、巖性變化和彼此接觸關(guān)系的填圖線。劃分和確定地質(zhì)界線是地質(zhì)填圖或有關(guān)地質(zhì)工作的重要內(nèi)容，通過所填繪的地質(zhì)界線來反映出地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象的輪廓。地層分界線是地質(zhì)分界線的一種，是兩種地層或巖性之間的界線，是研究地質(zhì)工作需要根據(jù)地層劃分情況所填繪的地層輪廓線。

2 地層分界線的特點

地質(zhì)剖面圖[5]是按一定比例尺表示地質(zhì)剖面上的地質(zhì)現(xiàn)象及相互關(guān)系的表達地質(zhì)信息圖件，與地質(zhì)圖配合以獲得地質(zhì)構(gòu)造的立體概念，填繪地層分界線是繪制地質(zhì)剖面的關(guān)鍵點，勘探點[6]地層巖性劃分是填繪地質(zhì)剖面及地質(zhì)研究的基礎(chǔ)工作。

根據(jù)地層巖性特征及地質(zhì)剖面繪制原理，地層分界線具有3個特點。

(1)分界線附近工程特性弱化性

勘探點中巖性劃分依據(jù)巖土的巖性、巖相特征進行，但因巖土形成過程中諸多地質(zhì)動力等作用下，兩地層接觸間存在厚度不一的在巖性、巖相處于相變、漸變的過渡段，尤其是第四系松散地層最是明顯，具有模糊性[7]、不確定性的，亦稱之為“相變段”。工程地質(zhì)研究中，根據(jù)工程需要，在無需進行詳細劃分的情況下，根據(jù)成因、類型、顏色、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、物性等特征，經(jīng)統(tǒng)計、地質(zhì)分析，再進行工程地質(zhì)歸納、概化后，依據(jù)親疏關(guān)系將該相變段一分為二，合層于上、下近親地層巖性中，該分界部位即為兩接觸地層巖性的劃分線。如，黏砂層分界線附近，黏性土中砂粒含量稍高、砂性土中黏粒含量稍高，如圖1所示，輕粉質(zhì)壤土及輕壤土合層于上部中粉質(zhì)壤土中，砂壤土及粉砂合層于下部粉細砂層中。綜上所述，由于巖性間相變段巖性、巖相是相變、漸變的，在地質(zhì)研究、歸納、概化后應用于工程地質(zhì)中，地層分界線具有分界線附近工程特性弱化性的特點。

圖1 黏砂層間巖性劃分示意圖

(2)非直線性

根據(jù)土巖巖相、層厚特點，尤其是第四系巖性特征——巖性巖相變化快、層厚差異大，地層在沉積、噴發(fā)、變質(zhì)等形成過程中，地層界限具高低起伏狀，特別是第四系地層，地層界線起伏大，由此，地層分界線具非直線性特點。

(3)勘探點可控而勘探點間不完全可控性

勘探點的地層劃分確定后，將勘探點的及其分層界點按高程及比例尺投放于工程地質(zhì)剖面圖的相應位置上，兩勘探點間地層分界線在無構(gòu)造因素下，一般采用直線連接，但根據(jù)個人的認知程度不同，亦有根據(jù)地層走勢或相關(guān)規(guī)律分析，進行人為曲線勾勒的情況，這種做法只是一種最接近現(xiàn)實的一種推論，不能完全與實際吻合。如圖2所示，第四系地質(zhì)剖面圖中，兩勘探點間土砂分界線的連接，一般采用直線連接，但其實際地層分界線走向亦有可能上翹或下浮；如圖3所示，待勘探點加密后，實際兩勘探點地層分界線處于下浮狀態(tài)，與圖2所示推測下浮地層分界線亦不能完全吻合。綜上所述，由于地層分界線的非直線性，勘探點的研究的一定間距性，地層分界線具勘探點可控而勘探點間不完全可控性。

圖2 勘探點加密前地層分界線連接示意圖

圖3 勘探點加密后地層分界線連接示意圖

綜前所述，地層分界線具非直線性、勘探點可控而勘探點間不完全可控性、分界線附近工程特性弱化性等特點。

3 以地層分界處理問題的利弊

根據(jù)上述分析，以地層分界線作為處理工程地質(zhì)問題的邊界條件，具有以下利弊因素：

(1)經(jīng)濟節(jié)約性

根據(jù)邊坡、滲透等的穩(wěn)定[8]計算分析，以需處理相應工程地質(zhì)問題的地層頂線為邊界進行處理時，其工程量從理論到實際，因未增加多余的額外量，其必然是最經(jīng)濟合理。在實際處理時，在可控條件下，以實際發(fā)生工程量進行計量結(jié)算，可以大大節(jié)約投資成本，減少較多的能滿足工程需要而無須采取工程處理措施的其它工程量。在此需強調(diào)是，以實際發(fā)生工程量為結(jié)算計量，與概算工程量是有差別的。

(2)微量額外付出性

根據(jù)巖性間相變漸變原理，地層分界線具有分界線附近工程特性弱化性的特點，工程處理時，需采取一定的手段來規(guī)避這種弱化的可能，或采取適宜的方法盡可能完全查明弱化性的具體分布范圍再進行處理。即，工程項目實施過程中，通過勘察、施工等其本職性能工作中，再稍投入微量性的手段與方法，其具有微量額外付出性。

(3)工程量的可變性

地層分界線為邊界條件進行處理相應的工程地質(zhì)問題，但由于地層分界線具非直線性、勘探點間不完全可控性，以及地層劃分在勘察期間至施工揭露等隨階段深入的認知程度不同，勘察期間所概算的工程量與實際工程量是存在偏差的，是不能完全計算出處理工程地質(zhì)問題時的實際工程量的，存在變大或變小的可能性，即：以地層分界線為邊界條件處理工程地質(zhì)問題時，存在工程量的可變性的工程特性。

(4)實施效果的起伏性

由于地質(zhì)分界線是高低起伏變化的，具非直線性，那么，在以此作為邊界條件進行處理工程地質(zhì)問題時，處理后的實施效果亦是隨著地質(zhì)分界線處于高低起伏變化的。即：以地層分界線為邊界條件處理工程地質(zhì)問題時，工程處理實施效果存在隨界限的起伏性。

4 采取的一些處理措施

針對以地層分界線為界處理工程地質(zhì)問題時存在的不利因素，具體實施過程中均采取了一定處理措施。

(1)針對分界線附近工程特性弱化性

根據(jù)巖性間相變漸變原理，地層分界線具有分界線附近工程特性弱化性的特點，工程處理時，為規(guī)避這種弱化的可能，地下隱蔽工程類，一般采取深入相對應巖土層一定深度；開挖揭露工程類，一般采取將相應弱化性部分合進需處理的巖土層內(nèi)。如：出山店水庫土壩段防滲墻[9]根據(jù)抓斗巖心確認地層分界后需深入下層不小于1 m或不小于2 m；出山店水庫混凝土壩段防滲帷幕[10]在先導孔壓水試驗具體確認防滲5 Lu線后深入以下不小于5 m；某工程渠道邊坡以砂頂界線進行襯砌[11]時施工地質(zhì)編錄將含砂量稍高的巖性合進砂層中，南水北調(diào)膨脹土換填為保證全斷面壓實一致等等原因的全斷面處理，SL251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[12]儲量計算時有用層上、下限應各扣除一定厚度，等等措施。

(2)針對工程量可變性

針對工程量可變性，在勘察階段就已經(jīng)開始進行了，由低到高的勘察階段除了有效的控制工程造價、合理選擇線路與方案外，亦是對各工程地質(zhì)問題處理的工程量進行逐漸的量化、細化、可控中；施工過程中的一些要求的手段與方法亦是控制工程量的具體措施，如：出山店水庫的帷幕灌漿先導孔，即進行灌漿試驗，亦復核勘察成果，且能有效控制實施工程量；南水北調(diào)及出山店水庫的土卵分界或土巖分界采用分層開挖計算開挖覆蓋層[13]土方或土石方工程量；水工巖質(zhì)隧洞[14]或邊坡根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)編錄成果，及時評價其圍巖類別[15]及穩(wěn)定性，有針對性采取處理措施，即處理措施經(jīng)濟有效，處理方案工程量亦有效可控。在此，需強調(diào)的是，由于勘探點可控而勘探點間不完全可控性，會出現(xiàn)實際工程量與概算工程量差值較大的可能，對此特性，建設(shè)方應予以充分認識。

(3)實施效果的起伏性

若處理地質(zhì)問題的措施位于地下，其具體效果因隱蔽性而顯現(xiàn)不出具體效果；若位于地上，因顯現(xiàn)于視野中，其高低起伏的效果是否影響視覺？是否會引起一定的誤解？……，是需引發(fā)深思的。

因此，針對實施效果的起伏性，工程中常處理地下隱蔽工程類采用以地層分界線為邊界條件處理工程地質(zhì)問題。

5 結(jié)論與建議

(1)土巖巖相、層厚在不同空間點上均存在差異性，所填繪的地質(zhì)分界線必然是起伏、研究點間是不完全可控的。

(2)工程地質(zhì)勘察能查明場區(qū)工程地質(zhì)條件，能反映勘探線上地層沿豎向和水平向的分布情況，卻不能完全查清地層分界線上每一點具體地層分界點的位置。

(3)地層分界線具非直線性、勘探點可控而勘探點間不完全可控性、分界線附近工程特性弱化性等特點。

(4)以地層分界處理工程地質(zhì)問題時，在微量額外付出前提下，可大大節(jié)約投資成本，具有經(jīng)濟節(jié)約性。

(5)以地層分界處理工程地質(zhì)問題時，又存在工程量可變性及實施效果起伏性的不利因素。

(6)工程量可變性一般會出現(xiàn)實際工程量與概算工程量差值較大的可能。

(7)以地層分界線為邊界條件一般處理地下隱蔽工程類工程地質(zhì)問題。