淺談構造地質學在工程地質中的應用

  0引言

 

  近年來地震、滑坡、泥石流等地質災害和由地質構造變形引發的建筑工程破壞等次生災害在世界各地頻發，給人類生命和財產造成了極大的損失。隨著地殼和地表環境的不斷演化以及人類工程建設活動的不斷進行，我們正在且將繼續面臨著地震、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降、礦山與地下工程等工程地質問題。作為地質科學中的一門基礎學科，構造地質學主要研究巖層和巖體在內力地質作用下產生的構造，在解決以上問題過程中起到了至關重要的作用。

 

  1構造地質與工程地質的區別與聯系

 

  構造地質學主要研究各種地質構造在空間中的基本形態、組合形式和分布規律，在時間上的形成次序、演化過程和發展歷史，以及巖層和巖體的巖石力學性質、地質構造的成因機制，進而探討產生地質構造的地殼運動的方式、規律和動力來源。工程地質學是調查、研究和解決與工程建設的規劃、設計、施工和運營（生產）有關的由人類工程活動和地質環境相互作用引起的工程和環境問題，以及地質災害的預測預防和治理的一門地質科學。

 

  二者的研究目的雖然不同，但是研究內容都離不開地質體與地質構造，其中各種地質構造的形態、分布規律及其演化過程等為工程建設的安全進行提供了有力的保證，而巖層和巖體的巖石力學性質、地質構造的成因機制則在工程地質問題的分析中起到了決定性的作用。

 

  另外，大陸巖石圈與資源、環境等因素密切相關，是人類賴以生存與發展基地。現代構造地質學根據大陸構造、大陸動力學等方面的理論，研究分析了全球板塊運動形式和速率、現今大陸板塊內主要活動帶的地殼運動特征與應力分布及其動力學機制等全球環境變化的原因，這為人類對資源和工程建設的需求、地質災害的預防預測、地質環境的保護等問題提供了理論的指導。

 

  2構造地質學在工程地質中的應用

 

  在工程地質中，把地質體內的各種構造變形，如褶皺、斷層、節理、劈理，還有其他各種面狀和線狀構造，稱之為結構面，其基本特征、相互關系及現代活動性決定了該區域內的區域穩定性、巖（土）體穩定性及地下水滲流條件等，所以，地質構造控制著工程地質環境和工程地質條件。因此，構造地質學在地基穩定性、斜坡穩定性、地下洞室穩定性、區域穩定性等工程地質問題和滑坡、礦井突水、水庫滲漏、地裂縫等地質災害問題中都有著極其重要的應用。下面著重從區域地殼穩定性、大型工程場地選址、斜坡穩定性評價、地下洞室穩定性等方面，闡述構造地質學在工程地質中的具體應用。

 

  2.1在區域地殼穩定性評價中的應用

 

  近年來，根據現代構造地質學研究中的大陸動力學理論和巖石斷裂力學理論，一些學者提出了區域穩定性動力學理論。區域穩定性動力學理論在區域穩定性評價過程中，能夠使大陸地殼動 力學過程、構造和地震活動性與巖土體的工程地質條件得到有機統一，最終實現大到區域地殼、小到場地地基的穩定性合理評價。

 

  區域深層地殼的穩定性決定于地殼深部的變異層帶的性質特征，按結構和流變性特征，大陸巖石圈分為四套動力學子系統。第一套動力學子系統是在上地幔頂部流變層。上地幔頂部的軟流圈和低速高導層之間夾著較硬的層位，在全球構造應力的作用下，軟層通過流動作用使硬層發生變形，在這個過程中能產生熱效應和力學效應，從而引發地殼各圈層間的拆離、剪切、增溫、加厚或減薄，從而導致巖漿作用和構造作用的發生。第二套動力學子系統是在殼幔過渡流變層。地殼和地幔沿該殼幔過渡流變帶容易發生較大尺度的水平位移，從而造成大規模的造山帶擠壓碰撞和逆沖疊覆及裂陷區的地殼減薄伸展。第三套動力學子系統在地殼軟弱層。大陸地殼按流變性、能干性、持力性等可以分為軟弱層和持力層兩大類，其中軟弱層自上而下還可以分為沉積蓋層與淺變質層間的拆離面、上地殼淺變質巖層與深變質基底間的拆離面、上地殼10km處的低速高導層、中地殼25~30km處的低速高導層等。這些軟弱層面構成了地殼內大尺度的水平滑脫層，常常作為造山帶的逆沖推覆、伸展垮塌、拆沉作用、變質核雜巖的拆離出露邊界，在拉張區中，也常常作為伸展成盆地遷移和滑動邊界。第四套動力學子系統在地殼持力層。地殼持力層在橫向上多被斷裂所切割，其與軟弱層交界處形成脆韌性過渡帶，該過渡帶地震易發；而孕震條件及機理決定于持力層與軟弱層之間形成的動力學作用耦合關系和活動協調性。

 

  2.2在大型工程場地選址中的應用

 

  大型工程場地一般都位于造山帶、盆地構造、盆嶺構造這三類構造區帶上，它們是由于近地表上地殼的擠壓推覆、擴張伸展和剪切走滑的構造變形作用所形成的。

 

  造山帶一般都作為重大能源工程場地選址區域，資源開發、災害防治和環境保護等工程的進行 決定于造山帶的結構、 演化和動力學特征。根據造山帶的形成機制，其可以分為逆沖推覆型、伸展型和走滑型三大類。其中，逆沖推覆構造中形成的前鋒帶、沖起塊體和飛來峰等構造，它們的變形最強烈，形成的斷裂最密集，節理最發育，巖體最破碎；伸展構造的滑覆體前緣和滑來峰的穩定性較差。

 

  在進行工程選址時，應盡量避開這些構造不穩定地區。 盆地是人類主要聚居區，故其選址更為的重要，在一些大型水利工程或者地震災后重建的居民選址工作中，比如三峽移民工程、汶川大地震中災后重建工程、以及舟曲重大泥石流災后的重建工程等等，需要特別注意盆地中的不穩定區域、隱伏的活動性斷裂等。按成因可將盆地分為壓陷盆地、走滑盆地、伸展盆地。其中壓陷盆地較為穩定，除了鄰近造山帶一側活動性較強；受地殼剪切走滑的影響，走滑盆地活動性較強，一般較不穩定；伸展盆地由于盆地中心地殼減薄、淺層破裂較發育，而盆地邊緣則受邊界活斷層的影響大，所以伸展盆地的中心和邊緣穩定性最差。還有，盆地的上下不一致常常導致其轉換處發生地震；盆地內部的隱伏斷裂常常導致地表發生地裂縫，直接威脅工程建筑的安全穩定，比如大同地裂縫的形成，是由于新生代以來，同盆地受來自青藏高原和太平洋方向的側向擠壓，而導致右旋剪切拉張以及地幔上隆，區內地殼減薄，基底地殼斷裂發展到上地幔，再伴隨著斷陷作用而發生地震和地裂縫。

 

  盆嶺構造是大陸淺層構造中的重要類型，其由正斷層形成地塹、地壘、掀斜和犁式斷層等組成，其中隆起區為穩定區，沉降區為非穩定區。

 

  2.3在斜坡穩定性評價中的應用

 

  我國是個多山區的國家，每年都會因為斜坡地質災害的發生而造成人員的傷亡和財產的損失，因此，做好災前的斜坡穩定性評價十分的必要。滑坡、崩塌、泥石流等是斜坡地質災害中最常見的三種，它們發生的主要因素都是來自自然方面的地形地貌、地質構造、地層巖性、巖土體結構特性、新構造活動及地下水條件等。其中，地質構造控制著中國山體的總體格局，新構造活動的強弱反映該地區地殼的穩定性，而地貌與構造共同控制著滑坡、崩塌、泥石流災害的發育程度。所以，滑坡、崩塌、泥石流的形成與斷裂構造之間有著密切的關系，斷裂的性質、破碎帶寬度、節理裂隙的發育程度及其組合特征等都是影響斜坡地質災害的重要因素。 在工程地質學中，通常根據巖體的結構面發育類型及程度將其分成Ⅰ~Ⅴ5個等級，不同等級的結構面的性質與組合形式不同，以此來判斷巖土體的穩定性與變形破壞方式，從而進行斜坡的穩定性評價。工程地質學中的結構面就是構造地質中的構造結構面，指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸的地質界面(或地質帶)，例如巖層層面、節理、軟弱夾層以及各種成因的斷裂、裂隙等，反映了在長期內外動力作用下的地質構造現象。滑坡的形成與發展受地質構造的影響表現為兩個方面：第一，滑坡往往沿斷裂破碎帶成群成帶的分布形成；第二，滑動面的空間展布及滑坡的范圍受到巖層面、斷層面、節理面、片理面及 不整合面等各種軟弱結構面控制。 因此，在斜坡穩定性評價中，必須先根據結構面確定滑動面的總 體形態和空間展布，從而確定其規模，以此來采取相應的預防措施。

 

  地質構造對崩塌的控制作用也表現在兩個方面：第一是斷裂構造對崩塌的控制作用。具體表現在，當陡峭的斜坡走向與區域性斷裂平行或大致平行時，沿該斜坡發生的崩塌一般較多；而大型崩塌往往發生在幾組斷裂交匯的峽谷區；在斷層密集分布區，巖層較破碎，坡度較陡的時候，斜坡常發生崩塌或落石。第二，褶皺構造對崩塌的控制作用。褶皺核部巖層變形強烈，大量垂直層面的張節理在核部形成，而且在多次構造作用和風化作用的不斷影響下，破碎巖體往往產生一定的位移，從而形成潛在崩塌巖體，當褶皺軸向與坡面方向垂直時，斜坡一般多產生落石和小型的崩塌；當褶皺軸向與坡面平行時，在高陡邊坡上就容易產生規模較大的崩塌。 由于構造作用形成的高差大、高坡度及大面積的流域溝谷等地形地貌，新構造運動下形成的巖體變形與構造結構面，為泥石流的發生創造了必要條件。因此，可以從構造角度分析泥石流的產生條件，提前做好預防措施，可以達到杜絕災害發生或者減少災害損失的目的。

 

  2.4在地下洞室穩定性維護中的應用

 

  地下洞室開挖后，如果不加以支撐和維護，則洞室圍巖繪制地應力的作用下發生變形或破壞，在采礦界這種現象稱之為地壓顯現。在礦井事故方面，由地壓造成的危害主要有頂板下沉和垮落、底板隆起、巖壁垮幫、支架變形破壞、采井冒落、 巖層錯動、煤與瓦斯突出及巖爆等等。這些事故發生的主要原因取決于圍巖的巖性和結構，特別是當巖體的地質構造發育充分而且復雜的情況下，洞室開挖后，容易形成構造應力集中區。比如在斷層、軟弱破碎巖墻或者巖脈等軟弱結構面附近，往往容易形成應力集中區，若不加以防范，則很可能發生事故。 通過對礦井地質構造的分析，根據構造綱要圖對錨桿支護方式提供指導，可以取得良好的支護效果，保證安全生產。比如，在煤礦開采過程中，當掘進到向斜、背斜的軸部轉折端或斷層、陷落柱時，地質人員根據收集到的頂煤厚資料和煤層的節、劈理、產狀及含水情況以及巷道冒頂情況，準確地繪制出構造綱要圖，然后綜合分析影響巷道支護的地質構造因素，用所得出的結論預測巷道掘進前方可能遇到地質構造，從而采用合適的支護方式。

 

  3結語

 

  由上面的分析可知，構造地質學在工程地質中有著十分重要的作用，特別是在山區，一些工程地質問題中甚至起著決定性的作用；離開構造地質學搞工程地質，不僅使得工作將變盲目，可能浪費很多的材料與人力，而且容易引發新的地質災害，造成人員的傷亡和財產的巨大損失。例如，汶川地震災后重建的縣城，在災后第二年的暴雨之后又被泥水所掩埋，不僅造成了極大的經濟損失，而且給當地的災民造成更大的心理陰影，不利于社會的和諧穩定發展。所以，在今后的工程地質工作中，一定要首先從構造地質學的角度認真分析擬建工程所在場地的整個區域的穩定性，確定穩定之后或者采取相應的措施可以維持穩定之后，再結合當地具體的地質構造分布情況，對工程進行詳細設計、施工，最終達到安全、經濟、效益的統一。