水南特大橋右幅8#墩基礎(chǔ)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(shù)研究院,湖北 武漢　430056; 2.湖北省鄂西北地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所,湖北 襄陽　441002)

0　引言

水南特大橋位于巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)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(shè)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(shè)計標高972.08～998.00 m。設(shè)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(gòu)造為預應(yīng)力混凝土箱梁鋼構(gòu)。

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(shè)計施工和保證大橋的安全運營有重大的意義。

1　地質(zhì)概況

場區(qū)處于構(gòu)造侵蝕—溶蝕中—低山碳酸鹽巖夾碎屑巖區(qū)[1],屬巖溶峰叢槽谷地貌類型。從中三疊世(印支運動)始,區(qū)域地殼大面積抬升,形成場區(qū)如今處于鄂西三級剝夷面與現(xiàn)今河流侵蝕基準面過渡地帶的地勢。地勢總體東低西高,區(qū)內(nèi)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(jié)性流水,向東下泄匯入四渡河(谷底高程440 m)。研究區(qū)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(tǒng)吳家坪組下段(P2w1),巖性為黑色碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)灰?guī)r夾薄層灰?guī)r及薄層硅質(zhì)巖及煤層(線),巖石軟硬相間,薄—中層狀構(gòu)造;③二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m),巖性為淺灰色厚—巨厚層狀生物碎屑微晶灰?guī)r、含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r。該層組灰?guī)r中巖溶發(fā)育,溶隙中常充填粉質(zhì)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(tǒng)吳家坪組下段泥頁巖和下統(tǒng)茅口組灰?guī)r交界面上。

橋區(qū)處于水南背斜[2],背斜呈近東西走向,向北西西傾伏;南翼產(chǎn)狀150°～170°∠44°～81°,北西翼產(chǎn)狀320°～345°∠30°～60°。橋區(qū)內(nèi)主要發(fā)育一條走向為250°的F1主斷裂,主斷裂沿橋臺下半坡,經(jīng)右幅7#墩右側(cè)、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(fā)育。斷裂北側(cè)(路線右側(cè))出露茅口組灰?guī)r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(zhuǎn)折部位。斷裂南側(cè)(路線左側(cè))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(fā)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(guī)模較小,帶內(nèi)地層近直立,巖石破碎,裂隙發(fā)育,地表水常沿裂隙面下滲發(fā)生溶蝕現(xiàn)象。兩斷裂在右幅8#墩交匯(圖1)。橋址區(qū)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(qū)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(nèi)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(qū)內(nèi)最大的負向地表巖溶形態(tài)。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(cè)陡,北側(cè)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(zhì)粘土所充填[3]。

圖1　橋址區(qū)地質(zhì)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?guī)r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?guī)r,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?guī)r為主,粒徑>40 mm碎石中占優(yōu)勢,粒徑10～0.1 mm的砂巖和硅質(zhì)巖含量呈消長關(guān)系,分選性差,具洪積物特征。其中灰?guī)r和硅質(zhì)巖塊礫來自區(qū)內(nèi)石灰?guī)r地區(qū),為初次搬運結(jié)果,砂巖礫石則來自夷平面上沉積物,屬多次搬運結(jié)果。

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

該橋墩基礎(chǔ)最終設(shè)計為人工挖孔灌注樁[4],全墩共設(shè)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(fā)現(xiàn)巖壁呈向下的楔形,挖至77 m時見泥頁巖、灰?guī)r塊石夾有粘性土堆積體,至95 m見微風化灰?guī)r,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。現(xiàn)該橋通車近4年,無質(zhì)量安全事故,說明研究成果指導了設(shè)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(qū),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(gòu)造和水文地質(zhì)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(nèi)巖石破碎,為巖溶水集中徑流通道,也是最有利于巖溶發(fā)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(qū)內(nèi)以垂向巖溶發(fā)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(fā)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(zhì)粘土充填,剖面上溶洞形態(tài)表現(xiàn)出上寬下窄的三角狀特點?？v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(jù)。

巖性和地質(zhì)構(gòu)造為右幅8#橋墩處巖溶發(fā)育提供了基礎(chǔ),兼之該處又處于沖溝中,在不斷溶蝕作用下,加之區(qū)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(wěn)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?；?guī)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(fā)展到一定跨度,覆蓋在上部的軟弱碳質(zhì)頁巖、灰?guī)r的重量和水流滲透壓力大于支承力時[6-7],頂板巖層失穩(wěn)而發(fā)生崩塌,形成大小不等的巖塊、巖屑混雜堆積體。經(jīng)地質(zhì)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(nèi),填滿漏斗內(nèi)角礫間空隙直至將漏斗填平成為現(xiàn)狀地貌,形成隱伏狀巖溶漏斗。

漏斗發(fā)育的初期,正好位于兩斷裂交匯處,裂隙及垂向溶隙極為發(fā)育,這些構(gòu)造破裂控制了巖溶展布和漏斗的形成。由此可見,構(gòu)造和地下巖溶的長期共同作用,應(yīng)是溶洞發(fā)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(yīng)為“斷裂溶蝕—剪斷致塌—流水充填”機制。

2.2　演化時序

根據(jù)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(lián)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(jié)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(chǔ)上發(fā)展起來的落水洞等逐漸相通,出現(xiàn)槽溝和石柱相間分布的多方向網(wǎng)狀通道。繼之,網(wǎng)狀通道彼此貫通,統(tǒng)一地下水系形成,巖溶水切穿地層,不斷向下和北側(cè)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(qū)內(nèi)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(fā)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(fā)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(zhì)頁巖、灰?guī)r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(jù)堆積物上下接觸關(guān)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(zhì)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(jié)語

水南特大橋8#橋墩處特殊的地質(zhì)條件使該處形成了隱伏巖溶漏斗,漏斗發(fā)育的初期,正好位于兩斷裂交匯處,裂隙極為發(fā)育,這些構(gòu)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(gòu)造和地下巖溶的長期共同作用,是溶洞發(fā)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(lián)系的,在地質(zhì)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(tài)。

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

參考文獻：

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