水南特大橋右幅8#墩基礎隱伏巖溶漏斗形成機制初探

王建軍, 歐陽繼勝, 田成富

(1.湖北省地球物理勘察技術研究院,湖北 武漢　430056; 2.湖北省鄂西北地質礦產調查所,湖北 襄陽　441002)

0　引言

水南特大橋位于巴東縣野三關鎮以東12 km的水南村地域,橋位跨越水南河谷,為分離式橋梁,右幅橋跨為3×30+(60+5×110+60)+8×30,全長949.0 m,橋面設計標高971.98～998.33 m;左幅橋跨為3×30+(60+5×110+60)+7×30,全長922.0 m,橋面設計標高972.08～998.00 m。設計大橋最大凈空高度108.6 m,平均縱坡2.66%,橋面凈寬2 m×11.0 m,上部構造為預應力混凝土箱梁鋼構。

2004年11月該特大橋在墩基超前鉆孔施工過程中,右(北)幅8#墩(里程樁號為YK102+761.2) 6號樁位于一個隱伏的巖溶漏斗中,鉆至深度81 m時仍未揭露到可靠持力層。查明該巖溶漏斗的分布范圍及其成因,對設計施工和保證大橋的安全運營有重大的意義。

1　地質概況

場區處于構造侵蝕—溶蝕中—低山碳酸鹽巖夾碎屑巖區[1],屬巖溶峰叢槽谷地貌類型。從中三疊世(印支運動)始,區域地殼大面積抬升,形成場區如今處于鄂西三級剝夷面與現今河流侵蝕基準面過渡地帶的地勢。地勢總體東低西高,區內最高標高為1 170 m,最低水南溝谷底標高約865 m,高差達305 m,河谷深切呈“V”型,兩岸谷坡較陡。水南谷底有季節性流水,向東下泄匯入四渡河(谷底高程440 m)。研究區出露地層由新至老有:①第四系(Q)沖積與殘坡積含角礫粘土、角礫、碎石土;②二疊系上統吳家坪組下段(P2w1),巖性為黑色碳質頁巖、碳質灰巖夾薄層灰巖及薄層硅質巖及煤層(線),巖石軟硬相間,薄—中層狀構造;③二疊系下統茅口組(P1m),巖性為淺灰色厚—巨厚層狀生物碎屑微晶灰巖、含燧石結核生物碎屑灰巖。該層組灰巖中巖溶發育,溶隙中常充填粉質粘土和少量的碎石。在破碎地帶的不同深度上形成相互貫通的串珠狀溶洞、溶隙。而水南特大橋右幅8#墩正處于二疊系上統吳家坪組下段泥頁巖和下統茅口組灰巖交界面上。

橋區處于水南背斜[2],背斜呈近東西走向,向北西西傾伏;南翼產狀150°～170°∠44°～81°,北西翼產狀320°～345°∠30°～60°。橋區內主要發育一條走向為250°的F1主斷裂,主斷裂沿橋臺下半坡,經右幅7#墩右側、右幅8#-9#墩的溝谷通過,沿二疊系茅口組與吳家坪組接觸界面發育。斷裂北側(路線右側)出露茅口組灰巖地層,北部地層向北傾;靠近斷裂,在右幅4#-8#墩一帶向南傾,傾角陡,顯示斷裂附近即為褶皺核部的轉折部位。斷裂南側(路線左側)主要出露二疊系吳家坪組下段地層。受斷裂影響,核部地層茅口組南翼出露不全。主斷裂附近伴生發育一組次級斷裂(F2),次級斷裂的走向與主斷裂方向呈20°～30°夾角,次級斷裂受主斷裂的控制,斷裂寬30～100 cm,傾角在80°～90°左右,斷裂規模較小,帶內地層近直立,巖石破碎,裂隙發育,地表水常沿裂隙面下滲發生溶蝕現象。兩斷裂在右幅8#墩交匯(圖1)。橋址區右幅8#-10#墩一線未見地表徑流,地表水基本沿溶隙等巖溶通道入滲至地下。由于場區臨近四渡河侵蝕基準面,巖溶水埋藏深度大,決定了橋基工程影響范圍內地下水主要為降雨后過路水(包氣帶水)。

大橋右幅8#墩巖溶漏斗是場區內最大的負向地表巖溶形態。綜合勘察成果表明該巖溶漏斗平面呈長橢圓形,短軸(南北向)寬約26 m,長軸(東西向)長約48 m,南側陡,北側上部相對較緩而下部陡(圖2),漏斗口的范圍約900 m2,深度93 m,漏斗已被碎石土、含礫粉質粘土所充填[3]。

圖1　橋址區地質圖

圖2　巖溶漏斗基巖等標高圖

漏斗為堆積物充填,自下而上分為三層。

(1) 下層泥頁巖、灰巖塊石夾有粘性土堆積體,厚23 m。碎塊石含量不均勻,一般為20%～30%,局部>50%,礫徑5～40 cm,排列雜亂,分選性差。碎石主要成分為泥巖、頁巖、灰巖,呈棱角或次棱角狀(塌陷堆積物似很難形成次圓狀的塊石),為塌陷堆積物。

(2) 中層暗黃色—黑色碎石土,厚12 m。堆積物礫石成分以頁巖為主,厚約8 m,呈圓狀和次圓狀,礫徑0.1～12 cm,排列雜亂。該層碎石礫石成分以灰巖為主,粒徑>40 mm碎石中占優勢,粒徑10～0.1 mm的砂巖和硅質巖含量呈消長關系,分選性差,具洪積物特征。其中灰巖和硅質巖塊礫來自區內石灰巖地區,為初次搬運結果,砂巖礫石則來自夷平面上沉積物,屬多次搬運結果。

(3) 上層灰黃—暗黃色含礫粉質粘土,軟塑,含少量灰巖角礫,偶夾灰巖碎石。上部黑色粉質粘土厚約1 m,含植物莖葉碎片,構成泥炭層,水平層理發育,屬全新世和緩水流條件下的堆積物。

該橋墩基礎最終設計為人工挖孔灌注樁[4],全墩共設4根嵌巖樁,樁徑3.0 m,樁長98 m;自樁頂以下92 m配筋,樁身下部6 m范圍為素混凝土。施工時實際開挖成孔深度為102.5 m,開挖面積12 m2。施工過程發現巖壁呈向下的楔形,挖至77 m時見泥頁巖、灰巖塊石夾有粘性土堆積體,至95 m見微風化灰巖,開挖與專題研究成果基本一致,誤差<1 m。在施工過程中,施工部門采用緊跟護壁、及時排水等措施?，F該橋通車近4年,無質量安全事故,說明研究成果指導了設計及施工,有效地指導了順利施工和安全施工。

2　隱伏巖溶漏斗形成機制及演化時序

橋址屬裸露型巖溶區,右幅8#墩處隱伏巖溶漏斗形成受多種因素的影響,在諸多因素中,巖性、構造和水文地質條件是最重要的影響因素。

2.1　形成機制分析

主斷裂F1與次級斷裂F2在右幅8#墩處交匯,主斷裂F1與次級斷裂F2傾角陡,斷裂帶內巖石破碎,為巖溶水集中徑流通道,也是最有利于巖溶發育的部位。二疊紀末以來,地殼不斷抬升,四渡河侵蝕基準面不斷下降,徑流速度不斷加快,溶蝕作用加劇[5],致使區內以垂向巖溶發育為主。如與右幅8#墩處巖溶漏斗毗連的9#墩2#、4#、6#樁孔中均見有垂向溶洞發育,且見有方解石晶簇和鈣華沉積,底部見碎塊石堆積,局部有粉質粘土充填,剖面上溶洞形態表現出上寬下窄的三角狀特點。縱向上,沿斷裂帶的方向常形成貫通的溶隙、溶洞。這為巖溶漏斗形成提供了直接的證據。

巖性和地質構造為右幅8#橋墩處巖溶發育提供了基礎,兼之該處又處于沖溝中,在不斷溶蝕作用下,加之區域地殼抬升使巖溶侵蝕面下降,水流動能加大,除加速溶蝕巖壁外,還有很強的機械侵蝕和刨蝕能力,并伴隨洞壁不穩定巖石沿裂隙和層面開裂而垮落,使溶蝕斷面不斷擴大,最終在該處形成垂向巨型溶洞?；規r在不斷溶蝕過程中,粘性土和角礫混合堆積,成為溶洞堆填物。

當洞穴發展到一定跨度,覆蓋在上部的軟弱碳質頁巖、灰巖的重量和水流滲透壓力大于支承力時[6-7],頂板巖層失穩而發生崩塌,形成大小不等的巖塊、巖屑混雜堆積體。經地質改造,直至形成洞口范圍約900 m2,深度達93 m的巖溶漏斗。在上部巖層塌陷后,更加有利于地表徑流匯集、下滲,地表水流將第四系土層搬運至溶蝕漏斗內,填滿漏斗內角礫間空隙直至將漏斗填平成為現狀地貌,形成隱伏狀巖溶漏斗。

漏斗發育的初期,正好位于兩斷裂交匯處,裂隙及垂向溶隙極為發育,這些構造破裂控制了巖溶展布和漏斗的形成。由此可見,構造和地下巖溶的長期共同作用,應是溶洞發育與形成的基本原因。后期上部巖層塌陷,屬于剪斷致塌。

綜合以上分析,認為水南特大橋右幅8#墩處隱伏巖溶漏斗形成機理應為“斷裂溶蝕—剪斷致塌—流水充填”機制。

2.2　演化時序

根據上述隱伏巖溶漏斗形成機制,將其演化過程分為兩個階段,這兩個階段不是獨立,而是相輔相成、相互聯系的(見圖3)。

2.2.1溶洞形成階段

形成過程如下:該處在水流情況下,地表水沿巖石節理、斷裂以及沿斷裂面由表及里滲入,入滲過程中不斷溶蝕成溶隙、層面溶穴、落水洞等。隨著時間推移在溶隙基礎上發展起來的落水洞等逐漸相通,出現槽溝和石柱相間分布的多方向網狀通道。繼之,網狀通道彼此貫通,統一地下水系形成,巖溶水切穿地層,不斷向下和北側擴大,形成深度遠遠大于寬度的洞體。受第四紀地殼抬升的影響,使區內地下排泄基準面大幅度下降,河谷強烈深切,造成巖溶進一步向縱深發育。

2.2.2上部蓋層塌陷及充填堵塞階段

大量試驗及工程實踐表明:巖溶塌陷形成是一個緩慢的發展過程。8#墩所在地在形成巨型溶洞過程中,使水流水力梯度不斷加大,覆蓋在上部的軟弱碳質頁巖、灰巖的重量和水流滲透壓力大于洞頂板的支承力時,基巖頂板遂即被剪斷而形成地表塌陷。

漏斗堆積物是溶洞空間形成過程中和地表塌陷后堆積的。根據堆積物上下接觸關系,最先在溶洞中形成溶洞沉積物及塌陷堆積物,然后堆積了洪積成因的碎石土,最后堆積了淺水層流成因的含礫粉質粘土。堆積過程中流水亦對地表進行了改造,直至形成面積范圍約900 m2的巖溶漏斗。

圖3　隱伏巖溶漏斗形成機理演化時序示意圖

3　結語

水南特大橋8#橋墩處特殊的地質條件使該處形成了隱伏巖溶漏斗,漏斗發育的初期,正好位于兩斷裂交匯處,裂隙極為發育,這些構造破裂為巖溶漏斗雛形的形成和展布提供了有利的空間。構造和地下巖溶的長期共同作用,是溶洞發育與形成的基本原因;后期上部巖層屬剪斷垮塌,后期流水對地面進行了改造,其形成機制為“斷裂溶蝕—剪斷垮塌—流水充填”。演化過程分為溶洞形成階段、上部蓋層坍塌及充填堵塞兩個階段。這兩個階段不是獨立,而是相輔相成、相互聯系的,在地質條件、地形地貌及流水的有機耦合下,形成今天隱伏巖溶漏斗的形態。

該橋通車近4年,無質量安全事故,說明研究成果指導了設計及施工,有效地指導了順利施工和安全施工。

參考文獻：

[1]李智毅,王智濟,楊裕云，等.工程地質學基礎[M].武漢：中國地質大學出版社，1990.

[2]郭穎,李智陵.構造地質學簡明教程[M].武漢：中國地質大學出版社，1995.

[3]李成香,王建軍,唐詩群，等.應用綜合物探方法探測隱伏巖溶漏斗[J].工程勘察，2008(3)：49-52.

[4]賀建端.水南大橋98 m深的挖孔樁施工[J].公路，2007,3(3)：76-79.

[5]沈繼方,李焰云,徐瑞春，等.清江流域巖溶研究[M].北京：地質出版社，1996.

[6]何宇彬,徐超.論喀斯特塌陷的水動力因素[J].水文地質工程地質,1993,20(5):39-42.

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