浅谈构造地质学在工程地质中的应用

  0引言

 

  近年来地震、滑坡、泥石流等地质灾害和由地质构造变形引发的建筑工程破坏等次生灾害在世界各地频发，给人类生命和财产造成了极大的损失。随着地壳和地表环境的不断演化以及人类工程建设活动的不断进行，我们正在且将继续面临着地震、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、矿山与地下工程等工程地质问题。作为地质科学中的一门基础学科，构造地质学主要研究岩层和岩体在内力地质作用下产生的构造，在解决以上问题过程中起到了至关重要的作用。

 

  1构造地质与工程地质的区别与联系

 

  构造地质学主要研究各种地质构造在空间中的基本形态、组合形式和分布规律，在时间上的形成次序、演化过程和发展历史，以及岩层和岩体的岩石力学性质、地质构造的成因机制，进而探讨产生地质构造的地壳运动的方式、规律和动力来源。工程地质学是调查、研究和解决与工程建设的规划、设计、施工和运营（生产）有关的由人类工程活动和地质环境相互作用引起的工程和环境问题，以及地质灾害的预测预防和治理的一门地质科学。

 

  二者的研究目的虽然不同，但是研究内容都离不开地质体与地质构造，其中各种地质构造的形态、分布规律及其演化过程等为工程建设的安全进行提供了有力的保证，而岩层和岩体的岩石力学性质、地质构造的成因机制则在工程地质问题的分析中起到了决定性的作用。

 

  另外，大陆岩石圈与资源、环境等因素密切相关，是人类赖以生存与发展基地。现代构造地质学根据大陆构造、大陆动力学等方面的理论，研究分析了全球板块运动形式和速率、现今大陆板块内主要活动带的地壳运动特征与应力分布及其动力学机制等全球环境变化的原因，这为人类对资源和工程建设的需求、地质灾害的预防预测、地质环境的保护等问题提供了理论的指导。

 

  2构造地质学在工程地质中的应用

 

  在工程地质中，把地质体内的各种构造变形，如褶皱、断层、节理、劈理，还有其他各种面状和线状构造，称之为结构面，其基本特征、相互关系及现代活动性决定了该区域内的区域稳定性、岩（土）体稳定性及地下水渗流条件等，所以，地质构造控制着工程地质环境和工程地质条件。因此，构造地质学在地基稳定性、斜坡稳定性、地下洞室稳定性、区域稳定性等工程地质问题和滑坡、矿井突水、水库渗漏、地裂缝等地质灾害问题中都有着极其重要的应用。下面着重从区域地壳稳定性、大型工程场地选址、斜坡稳定性评价、地下洞室稳定性等方面，阐述构造地质学在工程地质中的具体应用。

 

  2.1在区域地壳稳定性评价中的应用

 

  近年来，根据现代构造地质学研究中的大陆动力学理论和岩石断裂力学理论，一些学者提出了区域稳定性动力学理论。区域稳定性动力学理论在区域稳定性评价过程中，能够使大陆地壳动 力学过程、构造和地震活动性与岩土体的工程地质条件得到有机统一，最终实现大到区域地壳、小到场地地基的稳定性合理评价。

 

  区域深层地壳的稳定性决定于地壳深部的变异层带的性质特征，按结构和流变性特征，大陆岩石圈分为四套动力学子系统。第一套动力学子系统是在上地幔顶部流变层。上地幔顶部的软流圈和低速高导层之间夹着较硬的层位，在全球构造应力的作用下，软层通过流动作用使硬层发生变形，在这个过程中能产生热效应和力学效应，从而引发地壳各圈层间的拆离、剪切、增温、加厚或减薄，从而导致岩浆作用和构造作用的发生。第二套动力学子系统是在壳幔过渡流变层。地壳和地幔沿该壳幔过渡流变带容易发生较大尺度的水平位移，从而造成大规模的造山带挤压碰撞和逆冲叠覆及裂陷区的地壳减薄伸展。第三套动力学子系统在地壳软弱层。大陆地壳按流变性、能干性、持力性等可以分为软弱层和持力层两大类，其中软弱层自上而下还可以分为沉积盖层与浅变质层间的拆离面、上地壳浅变质岩层与深变质基底间的拆离面、上地壳10km处的低速高导层、中地壳25~30km处的低速高导层等。这些软弱层面构成了地壳内大尺度的水平滑脱层，常常作为造山带的逆冲推覆、伸展垮塌、拆沉作用、变质核杂岩的拆离出露边界，在拉张区中，也常常作为伸展成盆地迁移和滑动边界。第四套动力学子系统在地壳持力层。地壳持力层在横向上多被断裂所切割，其与软弱层交界处形成脆韧性过渡带，该过渡带地震易发；而孕震条件及机理决定于持力层与软弱层之间形成的动力学作用耦合关系和活动协调性。

 

  2.2在大型工程场地选址中的应用

 

  大型工程场地一般都位于造山带、盆地构造、盆岭构造这三类构造区带上，它们是由于近地表上地壳的挤压推覆、扩张伸展和剪切走滑的构造变形作用所形成的。

 

  造山带一般都作为重大能源工程场地选址区域，资源开发、灾害防治和环境保护等工程的进行 决定于造山带的结构、 演化和动力学特征。根据造山带的形成机制，其可以分为逆冲推覆型、伸展型和走滑型三大类。其中，逆冲推覆构造中形成的前锋带、冲起块体和飞来峰等构造，它们的变形最强烈，形成的断裂最密集，节理最发育，岩体最破碎；伸展构造的滑覆体前缘和滑来峰的稳定性较差。

 

  在进行工程选址时，应尽量避开这些构造不稳定地区。 盆地是人类主要聚居区，故其选址更为的重要，在一些大型水利工程或者地震灾后重建的居民选址工作中，比如三峡移民工程、汶川大地震中灾后重建工程、以及舟曲重大泥石流灾后的重建工程等等，需要特别注意盆地中的不稳定区域、隐伏的活动性断裂等。按成因可将盆地分为压陷盆地、走滑盆地、伸展盆地。其中压陷盆地较为稳定，除了邻近造山带一侧活动性较强；受地壳剪切走滑的影响，走滑盆地活动性较强，一般较不稳定；伸展盆地由于盆地中心地壳减薄、浅层破裂较发育，而盆地边缘则受边界活断层的影响大，所以伸展盆地的中心和边缘稳定性最差。还有，盆地的上下不一致常常导致其转换处发生地震；盆地内部的隐伏断裂常常导致地表发生地裂缝，直接威胁工程建筑的安全稳定，比如大同地裂缝的形成，是由于新生代以来，同盆地受来自青藏高原和太平洋方向的侧向挤压，而导致右旋剪切拉张以及地幔上隆，区内地壳减薄，基底地壳断裂发展到上地幔，再伴随着断陷作用而发生地震和地裂缝。

 

  盆岭构造是大陆浅层构造中的重要类型，其由正断层形成地堑、地垒、掀斜和犁式断层等组成，其中隆起区为稳定区，沉降区为非稳定区。

 

  2.3在斜坡稳定性评价中的应用

 

  我国是个多山区的国家，每年都会因为斜坡地质灾害的发生而造成人员的伤亡和财产的损失，因此，做好灾前的斜坡稳定性评价十分的必要。滑坡、崩塌、泥石流等是斜坡地质灾害中最常见的三种，它们发生的主要因素都是来自自然方面的地形地貌、地质构造、地层岩性、岩土体结构特性、新构造活动及地下水条件等。其中，地质构造控制着中国山体的总体格局，新构造活动的强弱反映该地区地壳的稳定性，而地貌与构造共同控制着滑坡、崩塌、泥石流灾害的发育程度。所以，滑坡、崩塌、泥石流的形成与断裂构造之间有着密切的关系，断裂的性质、破碎带宽度、节理裂隙的发育程度及其组合特征等都是影响斜坡地质灾害的重要因素。 在工程地质学中，通常根据岩体的结构面发育类型及程度将其分成Ⅰ~Ⅴ5个等级，不同等级的结构面的性质与组合形式不同，以此来判断岩土体的稳定性与变形破坏方式，从而进行斜坡的稳定性评价。工程地质学中的结构面就是构造地质中的构造结构面，指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸的地质界面(或地质带)，例如岩层层面、节理、软弱夹层以及各种成因的断裂、裂隙等，反映了在长期内外动力作用下的地质构造现象。滑坡的形成与发展受地质构造的影响表现为两个方面：第一，滑坡往往沿断裂破碎带成群成带的分布形成；第二，滑动面的空间展布及滑坡的范围受到岩层面、断层面、节理面、片理面及 不整合面等各种软弱结构面控制。 因此，在斜坡稳定性评价中，必须先根据结构面确定滑动面的总 体形态和空间展布，从而确定其规模，以此来采取相应的预防措施。

 

  地质构造对崩塌的控制作用也表现在两个方面：第一是断裂构造对崩塌的控制作用。具体表现在，当陡峭的斜坡走向与区域性断裂平行或大致平行时，沿该斜坡发生的崩塌一般较多；而大型崩塌往往发生在几组断裂交汇的峡谷区；在断层密集分布区，岩层较破碎，坡度较陡的时候，斜坡常发生崩塌或落石。第二，褶皱构造对崩塌的控制作用。褶皱核部岩层变形强烈，大量垂直层面的张节理在核部形成，而且在多次构造作用和风化作用的不断影响下，破碎岩体往往产生一定的位移，从而形成潜在崩塌岩体，当褶皱轴向与坡面方向垂直时，斜坡一般多产生落石和小型的崩塌；当褶皱轴向与坡面平行时，在高陡边坡上就容易产生规模较大的崩塌。 由于构造作用形成的高差大、高坡度及大面积的流域沟谷等地形地貌，新构造运动下形成的岩体变形与构造结构面，为泥石流的发生创造了必要条件。因此，可以从构造角度分析泥石流的产生条件，提前做好预防措施，可以达到杜绝灾害发生或者减少灾害损失的目的。

 

  2.4在地下洞室稳定性维护中的应用

 

  地下洞室开挖后，如果不加以支撑和维护，则洞室围岩绘制地应力的作用下发生变形或破坏，在采矿界这种现象称之为地压显现。在矿井事故方面，由地压造成的危害主要有顶板下沉和垮落、底板隆起、岩壁垮帮、支架变形破坏、采井冒落、 岩层错动、煤与瓦斯突出及岩爆等等。这些事故发生的主要原因取决于围岩的岩性和结构，特别是当岩体的地质构造发育充分而且复杂的情况下，洞室开挖后，容易形成构造应力集中区。比如在断层、软弱破碎岩墙或者岩脉等软弱结构面附近，往往容易形成应力集中区，若不加以防范，则很可能发生事故。 通过对矿井地质构造的分析，根据构造纲要图对锚杆支护方式提供指导，可以取得良好的支护效果，保证安全生产。比如，在煤矿开采过程中，当掘进到向斜、背斜的轴部转折端或断层、陷落柱时，地质人员根据收集到的顶煤厚资料和煤层的节、劈理、产状及含水情况以及巷道冒顶情况，准确地绘制出构造纲要图，然后综合分析影响巷道支护的地质构造因素，用所得出的结论预测巷道掘进前方可能遇到地质构造，从而采用合适的支护方式。

 

  3结语

 

  由上面的分析可知，构造地质学在工程地质中有着十分重要的作用，特别是在山区，一些工程地质问题中甚至起着决定性的作用；离开构造地质学搞工程地质，不仅使得工作将变盲目，可能浪费很多的材料与人力，而且容易引发新的地质灾害，造成人员的伤亡和财产的巨大损失。例如，汶川地震灾后重建的县城，在灾后第二年的暴雨之后又被泥水所掩埋，不仅造成了极大的经济损失，而且给当地的灾民造成更大的心理阴影，不利于社会的和谐稳定发展。所以，在今后的工程地质工作中，一定要首先从构造地质学的角度认真分析拟建工程所在场地的整个区域的稳定性，确定稳定之后或者采取相应的措施可以维持稳定之后，再结合当地具体的地质构造分布情况，对工程进行详细设计、施工，最终达到安全、经济、效益的统一。