西北地区主要工程地质问题及研究现状_张成航

2008年第4期 西部探矿工程 115

西北地区主要工程地质问题及研究现状

张成航, 曹琰波, 范 文

(长安大学地质工程与测绘工程学院, 陕西西安710054)

摘要:西部大开发中的大规模工程建设不可避免的导致大量的工程地质与环境问题, 西北地区特殊

的地质环境, 使得工程建设遇到了各种工程地质问题, 主要有构造活动带岩土体动力稳定性、区域稳定问题、滑坡和泥石流、地面沉降、地裂缝、高陡边坡稳定问题、深埋隧道以及各种生态环境问题等。这些问题的研究决定了各种重大工程建设的顺利进行, 为了对西北地区各种工程地质问题的研究现状有一个深刻的了解, 在列举这些问题的基础上, 对其研究现状进行梳理。关键词:工程地质问题; 西北地区; 现状; 工程建设

中图分类号:P64 文献标识码:B 文章编号:1004) 5716(2008) 04) 0115) 05 中国西北地区系贺兰山以西、昆仑山和秦岭以北的广大地区, 包括陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆五个省、自治区以及内蒙古自治区的西北部分, 这一区域面积广阔, 山川纵横, 地形十分复杂, 地势西高东低, 山区面积占70%以上, 第三纪以来, 新构造活动剧烈、复杂, 地貌类型多样, 整体上看这一地区山地、高原、沙漠和盆地相间分布, 构成了独具特色的新构造地貌景观。地质环境差, 气候条件变化大、特殊岩土发育, 地质灾害频发, 工程地质问题类型多而且复杂, 严重制约了西北地区的工程建设和经济发展, 威胁着人民的生命和财产安全。

随着国家经济的发展, 西北地区的发展已经开始, 本世纪的前叶将是西北地区的大规模建设时期, 这期间势必会遇到多种多样的工程地质问题, 将着重介绍对人民的生命健康、财产安全产生重大影响的问题所在, 并对这些问题的研究现状做一个简要的介绍。1 西北地区主要的工程地质问题

21世纪的前50年将是我国西北地区大规模建设时期, 因此人与自然的矛盾不可回避, 一系列重大的工程地质问题不可回避。人们只有认识了这些问题, 才有可能去解决问题, 从协调人地关系、改造自然的同时又

[1]

在保护自然中求得发展。随着西部大开发的进程, 按照国家部署, 重点将是基础设施建设、生态环境保护与恢复和能源资源开发, 存在及将遇到的主要工程地质问题有:

1. 1 区域地壳构造稳定性与地震安全问题

西北地区发育了大量的活动断裂, 这一地区受到来自南部的印度板块和来自北部的西伯利亚块体的挤压, 区内新构造运动强烈, 发育了大量的活动断裂, 如阿尔, 性, 以及对工程结构的错断灾害都是不容忽视的工程问题。西北地区作为我国油气主产区, 以及连接中亚管线的出口与主通道, 多条输油、输气管线相继建成, 这些管线跨越了这一地区发育的大量的断层, 这就出现了对于管道场地活断层的工程稳定性的研究。

西北地区是中国五个地震多发地区之一, 地震主要分布在渭河平原、甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓, 据历史地震资料记载, 从公元1556年至今的近500年中, 本区共发生8级以上地震8次, 平均约60年一次, 约占我国8级以上地震总数的二分之一[2]。这一地区的地震活动具有强度大、频率高、周期短、震源浅、地震类型多、成带明显等特征, 区内各类工程都将遇到地震安全问题。1. 2 崩塌、滑坡、泥石流灾害

陕西、甘肃、宁夏、青海以及内蒙古西北部处在青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交会部位, 地质地貌条件复杂多样, 气象水文条件差异大。特殊的地质环境条件, 决定了这一地区为滑坡、崩塌和泥石流的多发区。陕北黄土梁峁区和关中盆地黄土台塬边缘及高阶地前缘地带的黄土滑坡区和分布于陕南秦巴山区的堆积层滑坡区。陇南滑坡区, 陇南山地和天水市部分地区, 面积0. 9@104km 2; 陇中滑坡区, 北起乌鞘岭, 南与陇南滑坡区相邻, 以黄土滑坡和黄土软岩滑坡为主; 河西滑坡区, 位于乌鞘岭以西。青海省的滑坡、崩塌和泥石流多发生于湟水、黄河及其一级支流的高阶地前和沟壑发育的丘陵区, 发育地层多在第三系碎屑岩堆积层中。宁夏这一地质灾害主要发生在宁南黄土丘陵区。

新疆自治区崩塌、滑坡、泥石流灾害主要分布在阿,

116 西部探矿工程 2008年第4期崩塌主要分布在山区交通沿线的陡坡、矿山边坡和自然斜坡的陡崖地段, 以岩体崩塌为主; 滑坡主要分布在第四系松散堆积物组成的中低山高陡斜坡区, 以伊犁谷地山区黄土型滑坡最为典型; 泥石流主要沿中低山区的河流、沟谷发育。1. 3 地面沉降、地裂缝灾害

发生在西北地区大中城市的地面沉降灾害, 产生的主要原因是过量抽汲地下水。严重危及城市排水防洪等设施和一些名胜古迹。西部大开发战略的开展使得西北地区的城市人口和工矿企业发展迅速, 对当地的地下水产生了过量汲取, 地面沉降灾害不断加剧。

地裂缝是一种地面开裂现象, 它给建筑物、公路、地下设施和耕地带来重大损失, 在西北地区以渭河盆地最为严重。目前, 西安城市建设遇到的地裂缝灾害造成的经济损失相当巨大, 如何降低这类灾害的影响, 需要对地裂缝和地面沉降的成因机理、岩土破裂机制、地下管线的抗断等问题进行详细的研究。1. 4 地面塌陷灾害

地面塌陷地质灾害成因包括岩溶塌陷、采空区塌陷和黄土湿陷。兰州市区大部分为湿陷性黄土所覆盖, 以未处理的湿陷性黄土作为基础的建筑物, 往往由于黄土的湿陷性而遭到破坏。采空区塌陷主要分布于西北各矿区, 尤以采煤区塌陷最为突出, 如陕北与天山南北麓低山丘陵的采煤工程分布区, 塌陷面积广大。近年来, 随着西北地区煤炭等资源的大力开发, 地面塌陷呈增长趋势。

1. 5 水土流失与荒漠化问题

西北地区是我国最严重的水土流失区之一, 自然条件十分恶劣, 群众长期以来沿袭倒山种地、广种薄收、超载放牧等传统生产方式, 不仅未能从根本上稳定地解决粮食生产问题, 反而加剧了水土流失。此外, 有些地方对治理保护政策执行不力, 盗伐滥伐林木现象时有发生; 同时, 随着西部大开发战略的全面实施, 这一地区的煤、气、油等矿藏资源的大规模开发和道路交通建设的快速发展, 破坏了大量的地貌和植被, 也不断造成新的人为水土流失。

西北地区是我国最大的流动沙分布区, 西北地区仅沙漠和戈壁面积就达87@104km 2, 约占总面积的28. 2%, 由于当地对于水资源的不合理利用, 加快了土地的荒漠化步伐, 荒漠化问题是制约该地区发展的重大生态问题。西北地区70%以上的土地已存在沙漠化和盐渍化, 而东部10%以上为水土流失严重区。1. 6 深埋隧道岩体结构探测与施工地质超前预报

[3]

铁路建设在穿越山区时都将以隧道为主; 南水北调西线工程位于地质构造上青藏高原东部巴颜喀拉地块内, 块体的四周边界以巨型走滑断裂和逆断裂为特征, 构造运动非常强烈, 是块体运动引发应力集中和释放能量的主要场所, 南水北调西线工程又都以隧洞的形式穿越这一台地。这些重大工程在设计阶段有关的地质资料都是在地面上利用地面勘探等手段获得的, 在地表覆盖层较厚或地质条件复杂情况下, 这些方法往往成本高, 误差大, 很难把一些较细的地质情况反映出来。

伴随着各种隧道长度的增大和埋深的增加, 这种深部岩体工程相应发生了一系列新的特征科学现象, 这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点, 而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释, 从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注, 山区隧道工程的岩体精细结构的探测技术与施工快速超前地质预报技术, 特别是在持续高的地应力的作用下, 断裂带与软弱带围岩的大变形与流变, 成为不可忽视的工程地质问题。

1. 7 地质灾害危险性评估、监测、防治及预报技术和方法

地质灾害是由于自然或人为作用, 多数情况下是二者协同作用引起的, 在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件[5]。地质灾害主要是指崩塌(含危岩体) 、滑坡、泥石流、岩溶地面塌陷和地裂缝等, 它们是比较公认的因地壳表层地质结构的剧烈变化而产生的, 且通常被认为是突发性的[6]。西北地质灾害发育, 类型多, 地质灾害危险性评估面积大, 评估工作面临对评估场地地质条件复杂程度划分把握的准确度, 提高灾害程度预计适当化, 危害程度划分的适中与否等问题。西北地区地质条件复杂, 山地多, 山体边坡稳定性差, 地质环境十分脆弱, 地质灾害分布广, 潜在隐患多, 发生频率高, 突发性强, 地质灾害监测、防治和预报技术和方法研究越来越重要, 它是实现防灾减灾、可持续发展和学科理论与试验研究的必要工作, 目前需要重点开发精度高、实时性强、远程遥测和分布式的监测手段, 如地面沉降和地裂缝的监测技术、边坡变形监测的远程遥测技术等。

1. 8 高陡边坡的变形及尺寸效应和动力稳定性随着我国大规模建设向西部推进, 西北地区高山峡谷区的一系列重大的水电建设和交通干线都涉及众多的岩质高陡边坡变形稳定问题, 以及黄土高原的高陡黄土边坡稳定问题, 露天开矿区也涉及到高陡边坡的稳定性问题, 还有边坡岩土体的动力稳定性问题。边坡的高[4]

2008年第4期 西部探矿工程 117 的增大, 边坡工程地质条件更加复杂, 使高边坡变形与稳定性成为一个突出的工程地质问题。其中高陡边坡的工程适宜性问题、形成的地质-力学机制、变形与破坏的方式、工程荷载作用下的性状及控制措施与途径是高边坡研究中必须解决的关键问题。2 西北地区工程地质问题研究现状

西北地区作为连接欧洲和中亚的陆上走廊地带, 国家在西部大开发战略实施过程中, 很大一部分资金投入到了西北地区, 进行了大量的交通网、水利枢纽和众多的能源项目的建设, 随着工程的进展, 研究人员针对遇到的各种工程问题, 提出了多种解决办法, 目前针对这些工程地质问题的研究现状如下:

2. 1 区域地壳构造稳定性与地震安全评价工作区域地壳稳定性研究经历了20世纪50、60年代的孕育、产生和发展时期, 20世纪70、80年代的理论成型阶段, 以及20世纪80年代到世纪末的系统化和定量化的一个发展过程。

研究人员将区域稳定工程地质学推进到区域稳定动力学的研究层次上, 系统地构建了区域表层稳定动力学、区域浅层稳定动力学、区域深层稳定动力学、区域活动构造动力学、区域地震动力学、区域非稳定动力学过程及机制模式, 以及区域非稳定动力学环境下的地震工程效应、岩体失稳效应、场地失稳效应及建筑物抗断效应的综合研究及分析评价的区域稳定动力学研究的理论体系与方法体系。为西北地区的重大工程建设的厂址选择、地壳稳定性、地震安全性提供了理论基础。

随着高等级公路和各种管线工程在西北地区的快速延伸, 西北地区的全新活动断裂及地裂缝, 使各种长线工程的建设面临着严重的威胁, 科研人员研究了活动断层之间的相互作用机理, 断层位错引起的应力场理论, 发展了活断层或地裂缝的精细定位探测技术研究, 但是目前关于活断层和地裂缝的研究还只是处于定性阶段。2. 2 地裂缝、地面沉降灾害机理及变形监测在20世纪50年代以后, 陕西省开展了地裂缝灾害的系统研究, 积累了大量的资料和地裂缝防治方面的宝贵经验。根据文献[11]的总结, 20世纪80年代初至今国内许多生产、科研和教学单位对西安的地裂缝及地面沉降从不同的角度开展了系统深入的研究。研究成果可概括为三个方面:一是地震地质的研究, 这方面陕西地震局、国家地震局等有关单位做了大量的工作, 成果对西安地区所处的构造动力环境作出了评价和预测; 二, [10]

[8-9][7-8]

[7]

单位通过各种手段的研究提出了多种成因观点, 对地裂

缝的成因、成灾机制获得了更实际的认识; 三是地裂缝场地工程地质评价、预测, 多家单位通过对地裂缝分布规律和工程地质特征的系统调查和统计分析, 评价了场区稳定性, 为城市规划建设提供了有利的依据。

目前结合大陆动力学研究成果, 正开展地裂缝成因机理、工程危害、防治措施等方面的研究[12]; 依靠现代测绘监测技术的新成果, 结合西安地面沉降与地裂缝GPS 监测, 提出并研究了在西安布设建立GPS 地面沉降、地裂缝监测的有关技术和实现的技术方法, 并在实际中取得了理想的结果; 建立了完善的监测预警系统和数据库, 运用/3S 0技术建立地裂缝和地面沉降监测预警系统和数据库, 定期发出预报和预警, 提出防灾

[14]

建议。

2. 3 特殊岩土边坡稳定性问题

我国近期高陡边坡研究的热点将是高陡边坡的变形模式和尺寸效应、动力变形与动力稳定性、监测与工程处理等问题。

西北地区是黄土的主要存在地, 随着西部黄土地区高等级公路的大面积建设和各种水利枢纽建设的开展, 黄土边坡稳定性的研究也逐渐开始, 研究人员研究了影响边坡稳定的各种因素, 提出了多种优化方案, 但是一直以来对30m 以下的黄土中、低边坡做过较为系统的研究, 而对30m 以上的黄土高边坡的系统研究成果则较少; 膨胀土高边坡在西北地区也大量分布, 目前这一类研究主要集中在对膨胀土边坡的渗流问题的研究, 改善边坡的防排水条件是对此类边坡的治理的重点; 秦岭山区广泛发育大量的片岩、板岩、千枚岩边坡等极易构成工程滑坡, 变质岩地区的边坡稳定问题等方面取得了一系列的研究成果[20]。

2. 4 山区泥石流灾害问题

西北地区自然泥石流分布及危害的调查已积累了相当数量的资料, 研究人员对这一地区的泥石流形成的条件和主导因素进行了研究, 认为西北地区很多地区都具有形成泥石流的条件:固体物质、水源和地形沟谷条件, 而西北干旱地区的泥石流的主导因素就是气候条件, 特别是降水; 黄土高原严重的水土流失, 表现为泥石流的一种特殊形式) ) ) 泥流, 研究人员对黄土高原泥流的分布、危害和防治措施作了研究; 不过现在随着西部矿山的开发, 矿渣性泥石流的研究还没有赶上开发的步伐, 现处于初级阶段, 只是对其分布、危害等进行了调查研究, 成因机理方面还需进行大量和深入的研究[22]。

5 [21]

[3]

[19]

[15-18]

[13]

[11]

118 西部探矿工程 2008年第4期西北地区长期以来都遭受着水土流失、荒漠化、干旱与水资源匮乏以及生态系统退化等问题, 研究人员也进行了大量的工作来研究这些问题, 已经认识到了引起这些问题的原因, 提出了一些解决办法。水土流失方面的解决途径需要以防为主, 防治结合, 因地制宜, 因灾施治, 工程措施与生物措施相结合的的措施[21]; 荒漠化方面治理的主要方向和措施以节水、合理用水为中心, 以绿洲建设为重点, 扩大林草植被, 防治风沙危害和沙尘暴的发生[23]。

虽然在西北地区进行了长期的水土流失和荒漠化问题研究, 也已取得了重大研究成果, 但该项研究任重而道远。

2. 6 深埋隧道岩体结构探测与施工地质超前预报

岩体精细结构的探测技术与施工快速超前地质预报技术, 在西北许多高速公路、铁路建设中进行了研究, 但进展不大。现在西北地区主要应用国际和国内比较成熟的技术进行探测, 各种预报手段有:地质雷达、H SP 声波反射法、跨孔CT 声波法、TSP202超前地质预报系统、H Y-303红外探测、超前钻探(30~120m 超前水平钻探和5m 加深风钻) 、地质素描、导坑超前探测(平行导坑和正洞超前导坑) 等[24]。

文献[25]对深埋长大公路隧道超前地质预报的主要内容进行了概括, 并列举了现行的各种地质预报技术方法的分类。地质预报内容包括地层岩性、褶皱、断层、岩脉、破碎带、长大节理、地下水状况、地应力状况、岩性和围岩类别等。预报的重点是断层、岩脉、破碎带、溶洞、暗河、煤系地层及其它不良地质体在掌子面前方的出露位置和对施工的影响。目前, 深埋长大公路隧道超前地质预报的技术方法上可以分为地质分析法、现场测试法、地球物理方法和数值模拟法等4大类[25]。2. 7 地质灾害危险性评估、监测、防治和预报技术和方法

地质灾害危险性评估方面, 西北地区的技术水平和实力雄厚, 成果也颇多[26-29], 但方法体系有待进一步发展。地质灾害测绘方面监测技术研究水平较高, 如采用一机多天线监测技术、Insar 监测技术等。但在岩土体内的变形检测和安全检测技术还需提高。

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[ , , .

2008年第4期 西部探矿工程 119

间接测量数学模型优化方法

雍壮志1, 洪应宋2, 刘连旺2

(1. 桂林水利电力勘测设计研究院, 广西桂林541001; 2. 广西电力工业勘测设计研究院, 广西南宁530023)

摘 要:间接测量过程中, 往往做多次观测, 建立数学模型后获取目标值。着重对比分析取观测值平

均值与取目标值平均值孰之优劣的问题。

关键词:误差传播定律; 测量模型; 精度分析

中图分类号:P22 文献标识码:B 文章编号:1004) 5716(2008) 04) 0119) 021 问题的提出

在间接测量中, 须先建立观测量与待求量之间的数学模型, 有时建立的数学模型可能并不唯一, 采用何种方法计算才能得到最佳的估计值, 是数学模型的优化问题。利用误差传播定律来分析数学模型, 比较容易判断孰之优劣, 从而得到较高精度的估计值。

2 测量模型建立的分析

在测量中, 如果所要得到的量能够直接测定, 且不需要进行任何计算, 则这种直接测量的方法可用下式表示:

Y=X (1) 式中:X ) ) ) 观测量;

Y ) ) ) 被测量。

直接测量的例子如直接测量某两点之间的距离等。

在实际测量中, 更多的情况是所要得到的结果往往不能直接测量得到, 需要测量与其相关的量, 通过这些量与被测量之间的数学关系来确定被测量的值。这时需要建立测量数据(观测量) 和待求值之间的数学模型。一般地, 如果观测量理论值为X 1, X 2, , , X n 个, 待求值为Y, 则它们之间的关系一般为:

Y=f(X 1, X 2, , , X n ) (2) 若观测量的估计值为x 1, x 2, , , x n , 则待求值的估计值y 为:

y=f(x 1, x 2, , , x n ) (3) 但上述模型可能不是唯一的, 即被测量与观测量之间的数学关系不是唯一的。

在一系列多次观测中, 设某一待测量Y 由若干个独立观测量X 1、X 2、, 、X n 经某一函数关系得到, 且这

性综合评价中的应用[J].西安工程学院学报, 2001, 23(4).

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The Engineering -Geological Problems in Northwest China

and Present Research Situation of Them ZhAN G Cheng -hang, CA O Yan -bo , F A N W en

(College of Geology Eng ineer ing and Geomantic, Chang ' a n Uni -vers ity , Shannx i X i ' a n 710054, China)

Abstract:A lo ng w ith w estern reg ion develo pment, the capital

w or ks ar e pro ceeding o n a lar ge and spectacular scale in N or th -w est China. T he constr uctio n ar riv e v ario us eng ineering g eolog y questio n in the result o f peculiar and complex geo log ical cond-i tio n, mainly has dynamic stability o f r ock soil mass in tecto nically active region, reg ion stable, landslide and the mud -r ock flow , surface subsidence, land fractures, slo pe stabilit y, deeply buries

tunnels as well as each kind o f ecolog ical environment question and so on. T hese questions' r esear ch had decided each kinds of impo rtant engineering co nstr uctio ns smoothly carr y on. In o rder to has a pr ofound understanding to each kind o f eng ineer ing g eo-l

og y question research present situatio n, car ry on a carding wo rk to these questio ns' research present status in the foundation of e -numer ating all o f them.

Key words:eng ineering geo log y question; N or thwest China; present status; Eng ineering co nstr uction