S60合那高速中山中橋路基塌陷區(qū)水文地質(zhì)分析及防治措施

劉登學

摘要：文章通過查明S60合那高速省道靖西市至那坡縣中山中橋段附近巖溶塌陷區(qū)及其附近水文地質(zhì)條件，分析巖溶水文地質(zhì)條件與巖溶塌陷形成的關(guān)系，并從水文地質(zhì)角度提出巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治措施。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì);巖溶塌陷;勘察分析;防治措施

中圖分類號：U443.16A301074

0 引言

S60合那高速是廣西壯族自治區(qū)北海市合浦縣通往百色市那坡縣的區(qū)內(nèi)高速公路，連通了北海市合浦縣、欽州市、靖西市、百色市那坡縣等多個廣西壯族自治區(qū)內(nèi)縣市城市，對以上多個縣市城市的經(jīng)濟發(fā)展及交通起到了一定的促進及優(yōu)化作用，現(xiàn)該高速公路靖西市至那坡縣中山中橋段附近發(fā)生了多處巖溶地面塌陷，對高速公路的路基及路基邊坡造成了不同程度的損壞。隨著時間推移，巖溶塌陷病害如沒有及時得到治理，其變形破壞范圍將進一步擴大，進而影響高速公路的安全運營。本文結(jié)合塌陷區(qū)水文地質(zhì)情況，從提高巖體結(jié)構(gòu)自身強度及對地表水、地下水的疏導(dǎo)引排等方面進行分析，提出經(jīng)濟合理的處治措施。

1 塌陷區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 塌陷區(qū)地層巖性

塌陷區(qū)上覆第四系，下伏基巖為石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r。據(jù)鉆探揭露結(jié)果，地層自上而下表述如下：

1.1.1 第四系（Q）

（1）填土（Qml）：褐黃色，主要由黏土組成，含有少許礫石，結(jié)構(gòu)較致密，厚度0.5～10.3 m;部分地段表層有瀝青或混凝土。

（2）硬塑狀黏土（Qpl）：褐黃色，稍濕，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)致密，切面光滑，具有光澤反應(yīng)，手搓土芯具有滑膩感，干強度及韌性高，無搖振反應(yīng)。厚度0.5～6.8 m，坡腳及低洼地段局部分布。

（3）硬塑狀含圓礫黏土（Qpl）：褐黃色、棕黃色，稍濕，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)致密，切面光滑，干強度及韌性高，圓礫粒徑一般2～20 mm，最大達50 mm，呈次棱角狀。厚1.0～3.5 m，在低洼地段局部分布。

1.1.2 石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）

灰?guī)r，微風化，紫紅色、灰色，細晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅硬[1]。該層溶洞較為發(fā)育，局部鉆孔揭露溶洞呈串珠狀發(fā)育，多為充填溶洞，充填物一般為圓礫或礫砂。

1.2 塌陷區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

塌陷區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬靖西—田東隆起（V3）單元的那坡斷裂帶。受北西、北東向構(gòu)造應(yīng)力作用，構(gòu)造變形較為復(fù)雜。塌陷區(qū)位于北西向那坡—安德斷裂與東西向中山—能屯斷裂的相交部位，塌陷發(fā)生于石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r及其覆蓋層之中，但周邊地帶巖性巖相變化較大。

受斷裂影響，塌陷區(qū)巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖溶強發(fā)育，地下水的徑流及排泄條件受構(gòu)造影響。

1.3 地下水水位特征

塌陷區(qū)位于定業(yè)地下河中游南西側(cè)分支（中山—果樣）的補給-徑流區(qū)，地下水位變化較大。谷地內(nèi)地下水受地表水系的頂托作用，水位較高，在塌陷區(qū)域，地表、地下水由封閉的巖溶谷地向巖溶管道徑流、排泄，地表水潛入地下時出現(xiàn)明顯跌水（可測跌水高度約為8 m）。

塌陷區(qū)位于地表水補給地下水的徑流區(qū)域。對下游打蒙屯西北處的連通試驗接收點水位實測高程為864.12 m，估算塌陷區(qū)至打蒙屯一線的地下河管道流其水力坡度為25‰，具有巖溶洼地、谷地區(qū)地下水位落差大的明顯特征，如圖1所示。

2 試驗成果分析

2.1 巖石的可溶性分析

路基段為石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）可溶性碳酸鹽巖，根據(jù)對該組地層類似工程的數(shù)據(jù)可知該層巖石化學成分，分析成果見表1。

由表1可知，石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)rCaO含量分別為54.55%，CaO/MgO比值為213.76。一般來說可溶性巖CaO/MgO比值與薄片鑒定的方解石含量成正比。

研究表明，巖石中方解石含量愈多，CaO/MgO比值愈大，巖石愈易溶解，巖溶也最易發(fā)育[2]。根據(jù)本次薄片鑒定成果表明：石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r礦物成分主要為泥晶、微晶或粉晶方解石，含量達到90%以上，局部含少量生物屑。一般質(zhì)純層厚的巖層，巖溶發(fā)育強烈，且形態(tài)齊全、規(guī)模較大;含泥質(zhì)或其化雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發(fā)育，結(jié)晶顆粒細小的巖石，巖溶發(fā)育較弱。

2.2 示蹤試驗成果分析

以塌陷區(qū)附近中山中橋底的消水洞（S18）為投放點，接收點設(shè)置于投放點東面直線距離約4.6 km的打蒙屯西北處的一處流動天窗（S13）。選用熒光素鈉作為示蹤劑。試驗前對接收點的本底值分別進行檢測，均在合理的天然條件范圍內(nèi)。接收過程歷時7 d，采用自動監(jiān)測儀進行全天24 h監(jiān)測。接收點熒光素鈉濃度背景值約為0.14 μg/L，投放后約48 h后濃度開始上升，在58.32 h后達到峰值0.32 μg/L，濃度增加約2倍。

示蹤試驗結(jié)果證明，勘察區(qū)中山中橋橋底消水洞與打蒙屯流動天窗存在水力聯(lián)系，且示蹤劑的回收率偏低，證明該段地下存在大型巖溶管道及裂隙支流管道，該區(qū)地下水流向為由西→東（即中山村→能屯→上坡屯→打蒙屯），最終匯入定業(yè)地下河。

研究表明，巖溶的發(fā)育主要受巖石的可溶性、地質(zhì)構(gòu)造（包括巖層層面、斷層、裂隙等）和地下水控制[3]。地下水對巖溶發(fā)育的控制因素主要表現(xiàn)在兩方面，即地下水對巖體的溶蝕作用和地下水動力條件對巖溶發(fā)育的影響。故地下水的活動是形成巖溶塌陷的關(guān)鍵因素。

3 地下水的活動對巖溶塌陷的影響及防治措施3.1 地下水的活動對巖溶塌陷的影響

塌陷區(qū)處于碳酸鹽巖裂隙溶洞水和第四系孔隙水由滲流到集中徑流、排泄轉(zhuǎn)變的區(qū)域，地下水位變化大，落差大。塌陷區(qū)位于地表水補給地下水的徑流區(qū)域。勘探探測的填充型溶洞內(nèi)的含圓礫及黏土或砂及黏土均為地表水攜帶的物質(zhì)經(jīng)地下巖溶管道涌入巖溶洞穴內(nèi)，也極易隨著下次的大洪水而流入下游管道及地表河流。

3.1.1 地下水活動形成的潛蝕作用是塌陷形成的首要條件

塌陷區(qū)位于地表水補給地下水的徑流區(qū)域，塌陷范圍一帶的地下水位均低于地表水水位。地表水在向地下水的滲流過程中，由于滲流量大，加之較高的水頭差，而含礫黏土及溶洞內(nèi)充填物等結(jié)構(gòu)較為松散，地下水深流形成機械潛蝕作用，土體顆粒易被地下水流搬運而逐漸形成土洞，一旦土洞頂板失穩(wěn)即造成塌陷的產(chǎn)生。

3.1.2 地下水位隨地表水變動，影響土層重度及穩(wěn)定性

塌陷區(qū)是地表水集中匯流的低洼地段，受季節(jié)變化、大氣降雨的控制，造成地表水的暴漲暴落。地下水受地表水側(cè)向補給的控制，水位隨之波動，地下水位在垂直方向上的交替與周期性變化使基巖面附近的土層重度發(fā)生改變，加速土體崩解脫落，導(dǎo)致土洞頂部土體失穩(wěn)。當土洞迅速發(fā)展擴大達到上部土層頂板的臨界穩(wěn)定狀態(tài)時，在其他因素的共同作用下，土洞頂板失穩(wěn)而形成塌陷。

3.1.3 “抽吸效應(yīng)”形成強大的壓差，從而影響巖溶穩(wěn)定

隨著地表主要入水點的堵塞，地表水補給地下水的條件被改變，洪水期地表水水位暴漲，而地下水位較低，形成強大的壓差。尤其是地表被地表水形成水封，而地下空腔因地下水向下游排泄形成抽吸效應(yīng)。這兩個巨大的壓力導(dǎo)致土洞上覆土體不堪重負而塌陷。

總的來說，路基段巖溶塌陷是在潛蝕作用形成的土洞與壓差效應(yīng)相結(jié)合的情況下發(fā)生[4]。而目前因村民在該處有蓄水的需求，地表水排泄通道難以進一步暢通，水壓力再次劇烈波動的條件仍然存在，地下水的潛蝕作用也還存在，因此再次發(fā)生巖溶塌陷的可能性仍然極大。

3.2 防治措施

3.2.1 對地表水的防治措施

（1）設(shè)置圍堰隔離地表水，打開溶洞主入口，疏導(dǎo)地表水排泄，使地表水能夠通過地下暗河暗溝排走，防止地表水積水過多，對路基邊坡產(chǎn)生二次破壞。同時，地表水的順利排泄，也避免了地表水形成水封后產(chǎn)生“抽吸效應(yīng)”對巖溶造成危害。

（2）將沿河岸路基邊坡及橋臺錐坡防護設(shè)置為片石混凝土護坡，橋臺錐坡目前完整性較好，可在表層加鋪水泥砂漿抹面，厚度宜≥20 cm[5]，防治地表水體長期動蕩并向塌陷區(qū)滲漏、排泄形成潛蝕作用，掏空塌陷區(qū)下部的土體。

3.2.2 對地下水及巖溶的防治措施

（1）在巖溶通道呈緩流條件下，通過鉆孔及現(xiàn)有通道逐級采用純水泥漿、過渡泥漿、水泥膨潤土膏漿多批次對巖溶通道及其周邊小裂隙進行充填注漿，對塌陷坑及周邊松散土體進行充填固結(jié)，封堵地下河次入口巖溶通道、充填裂隙，固結(jié)松散土石體，提高土體強度，堵塞滲透通道[6]。

（2）打通地下暗河暗溝，對地下水進行疏導(dǎo)和引排，防止地下水反復(fù)陡漲陡落至巖土界面附近，對巖層土體造成潛蝕作用。

4 結(jié)語

通過對塌陷區(qū)水文地質(zhì)條件的勘察分析，得知塌陷區(qū)位于北西向那坡—安德斷裂與東西向中山—能屯斷裂的相交部位，受斷裂影響，塌陷區(qū)巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖溶強發(fā)育。另外，塌陷區(qū)地下水活動劇烈，地下水的滲流及地下水位垂直升降形成的潛蝕作用是塌陷形成的主要原因。同時，塌陷區(qū)具備巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的環(huán)境地質(zhì)條件，極易發(fā)生巖溶塌陷。

因此，為避免該區(qū)域再次大面積的塌陷，影響高速公路通行安全，應(yīng)盡快對病害進行處置。同時，該區(qū)域仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在工程設(shè)計與施工中，應(yīng)提前采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，以保障生產(chǎn)安全。

參考文獻：

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[6]SL62-2014，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].

收稿日期：2020-04-09