韶關(guān)港覆蓋型巖溶工程地質(zhì)特征及巖溶穩(wěn)定性評價

■ 廣東省航運規(guī)劃設(shè)計院有限公司 魯亞楠 李炳權(quán)

可溶性碳酸巖在長期地下水溶蝕作用和水動力搬運作用下易形成裂隙、溶腔或溶洞，成為巖體不連續(xù)界面和水環(huán)境入侵的通道。溶洞在自然作用以及受人類工程活動的影響下，極易誘發(fā)各種地質(zhì)問題，諸如地表坍塌沉陷、地下水滲漏、邊坡失穩(wěn)、基礎(chǔ)失效等，一直以來成為工程建設(shè)行業(yè)普遍關(guān)注和研究的話題[1]-[5]。按照巖溶埋藏深度的不同，一般可將其分為3種類別，即裸露型、埋藏型和覆蓋型。相比于裸露型巖溶和埋藏型巖溶，覆蓋型巖溶位于巖土交界面附近，具有隱蔽性，探測難度大，且成災(zāi)機理復(fù)雜，成災(zāi)時間和空間難以預(yù)測，具有突發(fā)性。范士凱[6]針對武漢地區(qū)的覆蓋型巖溶，指出地下水的潛蝕作用是造成巖溶塌陷的主要因素；羅小杰[7]等根據(jù)上覆土層類別的不同，將覆蓋型巖溶分為3類，并進(jìn)一步細(xì)分為9個亞類；張藝凡[8]等研究了地質(zhì)鉆孔誘發(fā)覆蓋型巖溶坍塌的機理，并指明不同上覆層厚度的穩(wěn)定臨界砂黏比例。由此可知，現(xiàn)階段主要分析巖溶的坍塌機理較多，且大多都集中在自然因素作用的研究，對人工活動造成的巖溶坍塌過程、特征及風(fēng)險預(yù)測的研究較少。本文依托韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程巖土工程勘察項目，在分析場區(qū)地質(zhì)條件及水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，研究巖溶的分布范圍、發(fā)育特征，建立場區(qū)巖溶坍塌模型，并基于極限平衡理論對巖溶的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

1.工程概況

韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程為新建水運港口與航道工程，位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)烏石鎮(zhèn)。項目新建12個1000噸級散貨碼頭泊位，碼頭岸線總長935m，其中，6#～9#泊位長310m，10#～12#泊位長235m，13#～17#泊位長390m。該項目同步建設(shè)后方堆場、火車裝車塔、皮帶機輸送系統(tǒng)等設(shè)施，工程設(shè)計貨物通過能力為1050萬t，主要貨物為煤炭、鐵石礦和礦建材料等。建設(shè)項目建筑物等級為Ⅱ級，基礎(chǔ)擬采用樁基（打入樁或灌注樁）或重力式。

2.場區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 場區(qū)地形地貌

場區(qū)屬河流侵蝕堆積作用形成的河間谷地地貌單元，地面較平坦。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

場區(qū)受仁化—英德—三水褶斷構(gòu)造帶所控制，位于該斷裂中段。斷裂構(gòu)造帶主要由烏石—黃思腦斷裂，北江向斜、官坪斷裂、雪山嶂背斜等組成，其中，雪山嶂背斜由雪山嶂和三姐妹背斜及三個向斜組成。場地范圍內(nèi)被第四系土層覆蓋，未取得巖層產(chǎn)狀、褶皺等特征。根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示場區(qū)未發(fā)現(xiàn)淺埋的全新活動性斷層和新構(gòu)造運動的痕跡，勘探過程中在鉆孔終孔深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層在場地分布，白堊系上統(tǒng)南雄群（K2nn）凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖與石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組（C1ym）灰?guī)r呈不整合接觸。

2.3 場區(qū)地層巖性

根據(jù)鉆探結(jié)果分析，場區(qū)內(nèi)上覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沉積地層，主要為砂類土、碎石土、卵石等，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)南雄群（K2nn）凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖與石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組（C1ym）灰?guī)r?；?guī)r主要呈灰白色和灰色，巖面起伏較大，巖體裂隙、溶洞發(fā)育，溶洞大小分布差異較大，遇洞率為38%，方解石脈較發(fā)育。

2.4 場區(qū)水文地質(zhì)特征

場區(qū)地表水為北江干流，徑流流量受氣候影響和蒸發(fā)能力、滲透能力的影響，屬于典型的降雨補給型河流。場區(qū)地下水類型按含水層性質(zhì)分為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，按埋藏條件分為潛水和承壓水。孔隙潛水較豐富，主要賦存于填土、粉細(xì)砂、粗礫砂和卵石層中，與地表水聯(lián)系緊密；基巖裂隙水主要沿風(fēng)化裂隙發(fā)育帶分布，主要由地表水或河水（洪水期）補給；巖溶水主要在巖溶發(fā)育帶分布，因其分布不均，具有一定的承壓性。北江河水及大氣降水是潛水及基巖裂隙水、巖溶裂水的主要補給來源，排泄主要表現(xiàn)為大氣蒸發(fā)。根據(jù)鉆探期間對陸域鉆孔地下水的測量，鉆孔地下水位埋藏0.60m ～7.00m，高程46.52m ～37.00m，初見水位與穩(wěn)定水位接近，年變化水位幅度在1m ～3m。

3.場區(qū)溶洞的分布及發(fā)育特征

3.1 溶洞分布

如圖1所示，場區(qū)共施鉆136個鉆孔，揭示溶洞110個，巖溶發(fā)育區(qū)域主要分布于場地上游、中游（6#～9#泊位及其后方，在鉆孔MA01 ～鉆孔MA22、鉆孔DK06 ～鉆孔DK10內(nèi)有溶洞揭示，10#～12#泊位及其后方，在鉆孔MA23 ～鉆孔MA37內(nèi)有溶洞揭示，圖2為場區(qū)典型的地質(zhì)縱斷面圖）。另外，下游13#～17#泊位及其后方鉆孔MA38 ～鉆孔MA69，基巖主要為礫巖，個別鉆孔揭示存在土洞。

圖1 巖溶在場區(qū)內(nèi)的分布范圍

圖2 場區(qū)典型地質(zhì)縱斷面

3.2 溶洞的發(fā)育特征

場區(qū)內(nèi)共有52個鉆孔遇到溶洞，遇洞率為38%，大于判定巖溶發(fā)育程度為巖溶發(fā)育的遇洞率30%要求，鉆孔單溶洞最大垂直高度為16.60m。表1、表2為場區(qū)揭示巖溶的尺寸、填充情況以及線溶率統(tǒng)計分析情況。從表中可以看出，場區(qū)溶洞尺寸大，1.0m ～5.0m的溶洞占絕大多數(shù)，約占65%，溶洞高度大于5.0m的數(shù)量占17%；溶洞的填充率較高，全充填的溶洞比例約占66%，未充填和半充填的溶洞比例約34%；溶洞線溶率高，線溶率主要集中在5%～20%，約占56%，線溶率大于20%的比例約為31%。

表1 揭示巖溶的尺寸、個數(shù)及比率

表2 揭示巖溶的充填情況、線溶率統(tǒng)計

從圖2可以看出，場區(qū)巖溶為覆蓋型巖溶，溶洞數(shù)量多，呈串珠狀，溶洞大小不一，溶洞與溶洞間的灰?guī)r厚度非常小，巖土交界面附近溶洞發(fā)育，灰?guī)r板受到地質(zhì)鉆探或者鉆孔灌注樁鉆孔后，極易坍塌破碎，溶洞間相互貫通，導(dǎo)致上部土層向溶洞內(nèi)遷移，引發(fā)上部塌陷和河水涌入。對覆蓋型串珠狀溶洞的坍塌機理和上覆土層的遷移過程進(jìn)行研究，是保障港口樁基工程成功施工的基本條件。

4.巖溶穩(wěn)定性評價

4.1 鉆孔誘發(fā)巖溶坍塌過程分析

如圖2所示，通過分析場區(qū)地層條件可知，巖溶的上覆土層主要為黏性土（⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2碎石粉質(zhì)黏土）和非黏性土（②2粉砂、②4卵石）。為建立“巖溶—上覆土層”的坍塌分析模型，上覆②2粉砂土層較薄，可以忽略其影響，而⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2碎石粉質(zhì)黏土的土層物理力學(xué)性質(zhì)相近，可將其合并為一層粉質(zhì)黏土層，如表3所示。

表3 土層的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計

綜合分析，可以建立兩種“巖溶—上覆土層”模型，如圖3所示。

圖3 不同模型的巖溶塌陷過程

模型①為“灰?guī)r+卵石”的二元結(jié)構(gòu)模型。卵石地層在受到地質(zhì)鉆孔或者鉆孔灌注樁鉆孔的擾動下，灰?guī)r溶洞被擊穿，上覆卵石由于顆粒較粗，相互間黏結(jié)力差，因此卵石顆粒不斷向溶洞內(nèi)填充，帶動上部顆粒的松動和下沉，水位也出現(xiàn)局部下降，進(jìn)一步加劇了地下水對土顆粒的“真空吸蝕”和“滲透力”作用，卵石層的滑移面與水平面的夾角大致與內(nèi)摩擦角相同，在自身重力作用下，地表不斷沉降直至溶洞填滿，水位恢復(fù)。

模型②為“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”的三元結(jié)構(gòu)模型。在初始階段，由于鉆孔將溶洞頂板擊穿，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土存在臨空面，在水軟化作用下往溶洞內(nèi)遷移，粉質(zhì)黏土層形成土洞，地表仍維持原狀，水位局部下降；在粉質(zhì)黏土和卵石自身重量、地下水的垂直滲透壓力以及“真空吸蝕”等作用下，土洞不斷擴張并失穩(wěn)，形成圓柱狀的塌陷體；卵石層的坍塌過程與模型①基本相同，水位逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)。

4.2 基于極限平衡理論的巖溶穩(wěn)定性計算方法

對于模型①來說，由于②4卵石層以中密為主，顆粒呈亞圓狀，直徑多在1cm ～5cm，少量為5cm ～10cm，間隙充填粗砂礫，無黏性，因此可以直接利用無黏性土的極限平衡理論得出卵石土沿著內(nèi)摩擦角滑移，其極限穩(wěn)定系數(shù)為：

式中，φc為卵石層的內(nèi)摩擦角，度。

對于模型②而言，如圖4所示，假設(shè)土洞上方圓柱形塌落體的側(cè)摩阻力小于作用于土洞的致塌力時，溶洞出現(xiàn)塌陷，其中，致塌力包含土體自重G、地下水下滲滲流力F1、地下水下滲引起的浮力增量F2、卵石遷移與粉質(zhì)黏土脫空產(chǎn)生的真空負(fù)壓F3以及地表動荷載F4，計算時假設(shè)F4=0，各項計算公式如下：

圖4 模型②尺寸參數(shù)

式中，h為粉質(zhì)黏土層厚度，m；△hw為地下水下降幅度，m；D為塌落拱跨徑，m；v為地下水下滲速度，m/s；γ0為地下水重度，kN/m3；γ為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)天然重度，kN/m3；p為臨界壓強差，取值區(qū)間為[0，50]，kPa。

土洞上方圓柱形塌落體的側(cè)摩阻力f為：

式中，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；φ為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)內(nèi)摩擦角，度；c為粉質(zhì)黏土與卵石的加權(quán)黏聚力，kPa。

由此可得到極限穩(wěn)定系數(shù)為：

如圖4所示，對于塌落拱跨徑D可用以公式進(jìn)行計算：

式中，d為地質(zhì)鉆孔或者鉆孔灌注樁的孔徑，m；R為溶洞頂板的高度，m；φr為灰?guī)r內(nèi)摩擦角，度。

4.3 巖溶穩(wěn)定性評價分析

綜合分析場區(qū)的勘察成果，對模型①和模型②計算時的各項參數(shù)選取如表4所示：

表4 巖溶穩(wěn)定性計算基本參數(shù)

考察不同覆蓋層厚度和常規(guī)地質(zhì)鉆孔、鉆孔灌注樁鉆孔直徑的影響，計算時對土層厚度分別取為10.0m、5.0m、2.5m，常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔徑分別取為75mm、91mm、110mm、130mm、150mm，常規(guī)鉆孔灌注樁鉆孔直徑分別取為0.5m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m、2.0m。

對于模型性①，由公式（1）可知，上覆土層厚度和鉆孔直徑對極限穩(wěn)定性系數(shù)無影響，只與卵石層的內(nèi)摩擦角相關(guān)，但在實際施工過程中，無論是地質(zhì)鉆探還是鉆孔灌注樁的成孔，都對卵石具有震動和擾動效應(yīng)，卵石顆粒較粗，相互之間黏結(jié)，受到擾動后極易松散和強度折減。

圖5為模型②不同覆蓋層厚度和不同鉆孔直徑的極限穩(wěn)定性系數(shù)計算曲線。從圖中可以看出，在任意覆蓋層厚度條件下，覆蓋層巖溶的極限穩(wěn)定系數(shù)與鉆孔之間呈現(xiàn)明顯的對數(shù)關(guān)系，隨著鉆孔直徑的增大，極限穩(wěn)定系數(shù)迅速降低。覆蓋層巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)與上覆土層的厚度明顯相關(guān)，隨著覆蓋層厚度的增加，極限穩(wěn)定性系數(shù)降低，在覆蓋層厚度為2.5m、鉆孔直徑大于1.2m時，巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)k＜1.0，出現(xiàn)坍塌風(fēng)險。在6#～9#泊位位置處，由于臨近江水，施作樁基礎(chǔ)尤為危險。

圖5 不同覆蓋層厚度和鉆孔直徑對極限穩(wěn)定性系數(shù)的影響

5.結(jié)論

韶關(guān)港烏石綜合交通樞紐一期工程港區(qū)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育、溶洞數(shù)量大、線溶率高、遇洞率高，為典型的覆蓋型巖溶，綜合分析地層后可建立“灰?guī)r+卵石”的二元結(jié)構(gòu)模型和“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”的三元結(jié)構(gòu)模型來揭示其坍塌過程和機理。

對不同上覆厚度與常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔徑、樁基礎(chǔ)成孔孔徑計算巖溶的極限穩(wěn)定性系數(shù)表明，對于“灰?guī)r+卵石+粉質(zhì)黏土”三元結(jié)構(gòu)模型，巖溶的極限穩(wěn)定系數(shù)與上覆土層厚度和鉆孔的直徑有關(guān)，且與直徑成對數(shù)衰減規(guī)律，而“灰?guī)r+卵石”二元結(jié)構(gòu)模型的極限穩(wěn)定系數(shù)與后兩者無關(guān)，但在實際施工中應(yīng)注意施工對卵石層的擾動造成的強度指標(biāo)折減。