湖南地區(qū)紅層巖溶類地質(zhì)層勘察與預(yù)防措施

樊明山

1 紅層巖溶礦體類型

紅層作為一種陸相沉積建造，其中所含的礦體種類繁多、巖性復(fù)雜，其顏色均以紅色為基本色，其層厚多為中厚至厚層狀，亦有薄層的頁巖和巨厚層的砂礫巖和礫巖等。根據(jù)礦體與巖溶的聯(lián)系，紅層巖溶可劃分為三種礦體類型。

1.1 粘土巖類巖溶

包括紫紅色薄～中厚層狀的粘土巖，粉砂質(zhì)粘土巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等，該類型巖石成分比較單一，大多以薄層的形式出現(xiàn)，亦可見厚達(dá)數(shù)米乃至數(shù)十米的情況。該類型礦體分為兩種情況，一是礦體膠結(jié)物成份不含鈣質(zhì)或微含鈣質(zhì)，也沒有石膏、芒硝等礦物，因此礦體中所產(chǎn)生的變異以分化或泥化為主，溶蝕現(xiàn)象鮮見，由于結(jié)構(gòu)密實，孔隙率低，是較好的隔水層，也常成為巖溶發(fā)育控制層。二是礦體中的膠結(jié)物成份含鈣質(zhì)，有些含有石膏、芒硝等礦物，常伴隨巖溶，溶蝕是由于膠結(jié)物或部份溶于水的礦物溶蝕，巖溶的規(guī)模往往不大，大多表現(xiàn)為溶蝕淋濾晶孔密集，不易引起人們的警惕，形成隱患。

1.2 紅層砂巖類巖溶

包括紫紅色、紫色的紅層泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖、細(xì)砂巖、砂巖等，該類礦體多為中厚～厚層狀，該類礦體有的為泥質(zhì)、鐵質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，有的鈣質(zhì)膠結(jié)，礦體中含有碳酸鹽（主要為方解石）、硫酸鹽、石膏或其他鹵化物晶體。當(dāng)膠結(jié)前者時，基本上不發(fā)育，后者則產(chǎn)生溶蝕作用，在礦層內(nèi)型成溶蝕晶洞或溶隙，成為地下水含水或透水帶。

此類型巖溶與一般碳酸鹽巖形成巖溶的情況主要有以下不一樣：一是溶蝕是由于膠結(jié)物或部份溶于水的礦物溶蝕，巖溶的規(guī)模往往不大，以至不易引起人們的警惕，二是不像一般的灰?guī)r，只要是裸露的礦巖層均可以見到溶蝕現(xiàn)象，而此類巖溶更受到環(huán)境，條件的嚴(yán)格限制，與礦山地下水的流經(jīng)，礦層裸露時間的長短更加密切相關(guān)。當(dāng)?shù)V層裸露時間長，原礦層內(nèi)己發(fā)育巖溶，已具有較多的微小的溶蝕裂隙時，往往極易造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

1.3 礫巖類巖溶

該類巖溶多發(fā)生在以灰?guī)r礫石為主要成份的底礫巖，礫石成份多為其下伏地層的礦體，礦體構(gòu)造以厚層或巨厚層狀的較多，礫石一般粒徑1cm ～20cm，也有更大者，多為鈣質(zhì)膠結(jié)。巖溶的發(fā)育與膠結(jié)物成份密切相關(guān)，當(dāng)為鈣質(zhì)膠結(jié)時，多沿礫石周圍，斷裂構(gòu)造帶、辟理線，巖層層面等出現(xiàn)溶蝕破壞；也可見礫石被部分溶蝕或全部溶蝕形成溶洞、溶溝等。

2 紅層巖溶的表現(xiàn)形式

湖南白堊系、第三系紅層下伏地層大部分為古生代礦層、礦帶，古生代泥盆系多為碳酸鹽巖石，如棋子橋組、佘田橋組均大部分是灰?guī)r，不論是粘土巖類、砂巖類或礫巖類礦層，它們都與石灰?guī)r不同，均只能是礦體的某部份可被溶蝕，因此紅層的巖溶機理與碳酸鹽巖類有很大的差異，且?guī)r溶的形態(tài)也不盡相同。紅層中常見的巖溶形態(tài)有以下幾種。

2.1 溶蝕淋濾晶孔

在泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖中有許多直徑數(shù)毫米的鈣質(zhì)晶體，硫酸鹽礦物或其它鹵化物，當(dāng)遇地下水以層面為徑流通道時，使它們被溶蝕而形成晶孔，其成大小不均的孔洞，當(dāng)這些小晶孔，晶洞沿層面形成時，往往使地下水順層面溢出形成涓涓細(xì)流。當(dāng)整個巖體均布滿淋濾晶孔時，則在礦山斜坡形成非常危險的滑坡體。當(dāng)?shù)[巖中礫石周邊的鈣質(zhì)膠結(jié)物被逐漸溶蝕成晶孔或晶洞時，使其礫石與原巖的結(jié)構(gòu)被破壞松動，礫石在重力作用下，沿斜坡或陡壁撤落，留下諸多與爍石大小相近的孔洞，這些孔洞之間不相通，或只與裂隙相通，屬于單個皺型洞。對這些新鮮的洞壁仔細(xì)觀察，可發(fā)現(xiàn)密布溶蝕淋濾晶孔或晶洞。

2.2 滲蝕潛蝕裂隙

紅層粘土巖類和紅層砂巖類中，高傾角節(jié)理內(nèi)的方解石脈或裂隙兩側(cè)的鈣質(zhì)膠結(jié)物被溶蝕后形成裂隙或溶隙。該種裂隙一般在地表沿裂隙走向延伸，向深部沿裂隙傾向發(fā)育，其裂隙的寬度差異大。由于裂隙與地表相連，當(dāng)該裂縫位于水下時，常被粘土，粉細(xì)砂和小直徑礫石緊密充填，在高水頭作用下，仍能產(chǎn)生機械管涌。

當(dāng)在厚層和巨厚層礫石層或礫石層夾砂巖互層中，由于層內(nèi)膠結(jié)物含量的差異和礫石含量比例，礫石直徑大小的不均一，使之層間的溶蝕速度有明顯差異，特別是當(dāng)溶蝕層上為非鈣質(zhì)膠結(jié)的泥質(zhì)砂巖，砂質(zhì)泥巖等時，層狀溶蝕更容易產(chǎn)生，因而常在礦層中形成上部呈拱形，礦層覆蓋單薄的矩形或長形洞穴相互連通。

3 紅層巖溶發(fā)育特征

根據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計，湖南白堊系、第三系紅層發(fā)育具有以下幾個方面的特征：

（1）紅層巖溶的溶蝕形態(tài)的分布具有明顯的分層性，溶蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在表層和淺部，且多與地表裂隙直接連通，在河床和近河床的溶洞多為砂卵石、粉細(xì)砂、粘土或塊礫石充填。由于中生代以后的紅層堆積地質(zhì)時代不長，同時僅石灰?guī)r礫石易于溶蝕，是紅層巖溶主要分布于地表及淺部，規(guī)模往往不大的主要原因。

通常的情況下，斷面呈帶狀或楔形，主要沿層面延伸，垂直發(fā)育深度一般僅幾米，寬僅為高度的幾倍，平面上常尖滅再現(xiàn)或與溶蝕裂縫相通。向深部則以溶蝕裂縫為主，其溶蝕基準(zhǔn)面常以達(dá)非鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖或泥質(zhì)巖即中止等相對隔水層控制。

（2）礦體的種類控制著巖溶發(fā)育的強度。巖溶發(fā)育受巖性的控制，巖溶最發(fā)育為巨厚層狀的灰?guī)r礫為主的礫巖或鈣質(zhì)砂巖由于礫巖中灰?guī)r礫石的含量、砂巖、泥巖夾層所占比例和膠結(jié)物含量的不同，巖溶的發(fā)育程度各異。一般來說灰?guī)r礫石和鈣質(zhì)膠結(jié)物愈多者，則巖溶發(fā)育愈強烈，即巖溶率大，巖溶形態(tài)和規(guī)模也較大，因此各種礦層巖溶發(fā)育具有非均一性。

（3）礦層面，構(gòu)造線和地下水流向嚴(yán)格控制著巖溶的發(fā)育方向，紅層地區(qū)、表層溶洞多沿層面延伸，淺層溶洞主要沿礦層層面及節(jié)理交叉組合溶蝕發(fā)育，特別是那些強烈溶蝕集中帶往往是層面和構(gòu)造裂隙，風(fēng)化裂隙的綜合發(fā)育帶。常見一些呈長條形的溶蝕洼地或一些洞穴的長軸方向與地下水的流向基本一致，由此看來，巖溶發(fā)育的方向主要受區(qū)域構(gòu)造和地下水流向的控制。巖溶發(fā)育深度小，且具向深部逐漸減弱的特點。

4 紅層巖溶機制

白堊系、第三系紅層沒有海相沉積，因此沒有紅層晶質(zhì)石灰?guī)r，故基本上沒有大規(guī)模的溶洞或溶洞群，宏觀上巖溶主要發(fā)育于灰?guī)r礫石為主的礫巖之中，但其他巖性亦可能有巖溶，有些宏觀上不易觀察得到，更要引起重視。

（1）紅層巖溶機制以化學(xué)溶解為主、機械侵蝕為輔的作用。在長期濕熱氣候與一定的成巖、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造條件下，通常碳酸鹽礦物如方解石、白云石（或可溶碳酸鹽）含量超過50%時，巖溶開始明顯發(fā)育，50%～70%時巖溶微發(fā)育，70%～90%時巖溶中等發(fā)育，超過90%時巖溶強發(fā)育。

以灰?guī)r礫石為主的礫巖巖溶機制有兩類：一類是膠結(jié)物的方解石、白云石含量少于礫石時，且該巖溶紅層受構(gòu)造運動影響小，節(jié)理裂隙不發(fā)育造成膠結(jié)物妨礙巖溶水運動和溶蝕進(jìn)行，反映巖石露頭的石灰?guī)r爍石凹進(jìn)、而膠結(jié)物突起的差異溶蝕，表現(xiàn)為礫巖中的方解石、白云石含量與非紅層石灰?guī)r相同而紅層巖溶發(fā)育較差的情況。另一類是當(dāng)膠結(jié)物的方解石、白云石含量高于礫石時，這類礫巖巖溶主要是膠結(jié)物的溶蝕潛蝕，造成巖石解體，礫石成為溶洞的充填物，這就是紅層碎屑巖中的“假巖溶”—化學(xué)溶解與潛蝕同樣重要的一種巖溶。紅層成巖期短，粒間連結(jié)力相對薄弱，是發(fā)育假巖溶的地質(zhì)基礎(chǔ)。該紅層屬半堅硬巖石，其天然抗壓強度常接近25MPa，但巖芯放置幾天便崩解碎裂。

（2）含鈣或鈣質(zhì)紅層砂巖宏觀巖溶發(fā)育多是膠結(jié)物的方解石、白云石含量高于其砂礫，其巖溶機制與上述第二類礫巖相同。可初步認(rèn)定，巖石的方解石、白云石含量超過12%時，巖溶開始明顯發(fā)育，12%～35%時巖溶微發(fā)育，35%～65%時巖溶中等發(fā)育，超過65%時巖溶強發(fā)育。這便是含鈣或鈣質(zhì)紅層砂巖假巖溶發(fā)育的區(qū)間值。

（3）泥質(zhì)類紅層巖溶宏觀特征一般不明顯，多為隱蔽性的巖溶，主要與含硫鹽有關(guān)，如石膏、芒硝等。

5 可溶性紅層地基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘察要點

紅層地區(qū)的巖性由于其巖石力學(xué)強度不高，且在鈣泥膠結(jié)的紅層砂巖、粉砂巖和灰礫巖中有巖溶發(fā)育，或有風(fēng)化、水化溶蝕后形成的軟弱夾層，因此對紅層地基應(yīng)根據(jù)其建筑物的類型、等級進(jìn)行地質(zhì)勘察，勘察工作要按不同勘察階段的技術(shù)要求進(jìn)行。對于重要的礦山地質(zhì)工程，通過勘察要查明下述問題，并進(jìn)行全面的收集水文資料，結(jié)合現(xiàn)場實際情況給與水文地質(zhì)和工程地質(zhì)評價。

5.1 可溶性紅層地基勘察的基本要求

一般說來，可溶性紅層地基勘察應(yīng)滿足以下六個方面的基本要求。

查明層的巖性成份與結(jié)構(gòu)特征，包括顆粒成份與粒度，膠結(jié)類型（即充填膠結(jié)或固結(jié)膠結(jié)，膠結(jié)物成份等），必要時可進(jìn)行適量的礦體鑒定工作。著重調(diào)查軟弱層。即軟弱結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層的分布、產(chǎn)狀、規(guī)模及巖性組成，孔隙性、滲透性及其他不良性狀。

查明含鹽包括碳酸鹽及硫酸鹽（如石膏、芒硝等）紅層發(fā)育的層位、厚度、礦物組成與化學(xué)成份，含量和分布特點及工程地質(zhì)性狀。對可溶鹽要了解其溶解速度，膨脹變形及對混凝土的侵蝕破壞性質(zhì)。

查明鈣質(zhì)膠結(jié)碳酸鹽質(zhì)礫巖巖類和含鹽砂質(zhì)巖類的可溶性組成物的含量、厚度、分布、變化規(guī)律以及巖性結(jié)構(gòu)、次膠結(jié)結(jié)構(gòu)和顆粒成分等。重點調(diào)查溶蝕發(fā)育和分布特征，包括溶蝕形態(tài)的主要類型、組合方式，溶蝕發(fā)育層位和空間分布特征及其影響因素。

查明地下水的類型、形成條件和分布規(guī)律、補給、徑流和排泄特征，了解地下水位埋深、變化幅度、巖層的透水性，并評價和判定其滲透性能。

要全面分析各項地質(zhì)資料，對紅層巖溶地基進(jìn)行專題研究，結(jié)合研究成果，編制含鹽巖類工程地質(zhì)分區(qū)圖，將含鹽巖類的性質(zhì)、類型、巖性、厚度、分布、埋藏條件以及工程地質(zhì)性狀等標(biāo)注于圖上。編制紅層巖溶溶蝕分區(qū)圖，其內(nèi)容包括巖溶的類型、層位、發(fā)育程度分級和分布特征等。

5.2 可溶性紅層地基勘察的工作方法

紅層中的巖溶形態(tài)是極為豐富的，但它與碳酸鹽類礦體中的巖溶相比卻具有自身的特點，因此不能套用一般碳酸巖地質(zhì)巖溶勘察的工作方法，而應(yīng)做到有的放矢，深入研究此類巖溶的獨特規(guī)律，為工程建設(shè)服務(wù)。

在紅層區(qū)的野外地區(qū)調(diào)查中，要尤其細(xì)心觀察。溶蝕現(xiàn)象不象碳酸鹽類巖溶那樣的直觀，具有那樣大的規(guī)模，有些要通過放大鏡仔細(xì)觀察才能發(fā)現(xiàn)有許多晶孔、晶洞等溶蝕現(xiàn)象，而正是因為這些溶蝕現(xiàn)象給工程造成重大的隱患。礦山工程地質(zhì)鉆探過程中亦不似碳酸鹽巖地區(qū)，巖溶肯定會造成孔口不返水等，而紅層巖溶由于其規(guī)模不大，微小的晶孔、晶洞有些將被沖洗液中的泥質(zhì)充填，而不一定造成井口不返水，而只有少量滲透進(jìn)巖層之中，因此以為不存在巖溶現(xiàn)象是不正確的。由于鉆探機械的強制擾動，沖洗液中的水份通過溶蝕晶孔、晶洞進(jìn)入鉆探取樣巖芯繼續(xù)作用，造成礦體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生一定的變化，因而取得的巖樣試驗結(jié)果均人為地降低了礦體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實際強度，這就是紅層地基承載力被低估的主要原因之一。

實際工作中，為了準(zhǔn)確確定紅層地基的承載力，往往不僅采取礦樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，同時可以進(jìn)行孔內(nèi)旁壓實驗，有條件的話可以做小平板荷載實驗，如為中風(fēng)化或強風(fēng)化層，還可以通過點載荷試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，動力觸探實驗等現(xiàn)場試驗方法。通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位測試，互相印證，確定紅層的工程特性。當(dāng)有滲透性要求時，可通過室內(nèi)滲透性試驗，現(xiàn)場注水、壓水試驗，甚至抽水試驗，綜合確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的滲透性能。

6 紅層巖溶防治措施

在紅層巖溶區(qū)進(jìn)行巖土工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計的工程項目特征選用合適的防治措施。

由于紅層巖石滲透造成邊坡的不穩(wěn)定性，給切方邊坡的穩(wěn)定提出了更難的要求，尤其是地質(zhì)勘測中的邊坡穩(wěn)定至關(guān)重要。由于紅層巖溶的作用，使原本屬于軟弱巖類的紅層更加增加不穩(wěn)定因素。紅層上覆土層一般為較松散碎石土或粉質(zhì)粘土，孔隙比較大、粘結(jié)力差、地表水容易下滲，下伏的紅層基巖透水性相對較弱，地表水下滲至基巖表面后沿堆積層與基巖接觸帶附近密集、運動，在地下水作用下不僅增加土體自重、增加下滑力，降低了巖土體的力學(xué)強度及滑動面抗滑力。同時由于地下水順巖面由晶孔、晶洞向里滲入、加速易溶鹽類的溶蝕作用，從而使巖體的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞，進(jìn)一步誘發(fā)淺表性大面積牽引式滑坍。

對于可能誘發(fā)淺層牽引式滑坍，可采取削坡減載，放緩邊坡，加大碎落臺， 清除松散土體，以減輕邊坡上部荷載，在邊坡下部采用抗滑擋墻支護(hù)，確保邊坡坡腳穩(wěn)定，并可結(jié)合現(xiàn)場實際，進(jìn)行坡面防護(hù)。

對于整體性較好的巖質(zhì)邊坡可采用掛網(wǎng)噴錨及時封閉，以防巖體風(fēng)化及表面水進(jìn)入溶蝕易溶鹽類而造成邊坡坍塌。同時，處理好地表水及地下水的截流引排工作，主要是設(shè)置好截水溝，并在坡面根據(jù)實際情況設(shè)置滲溝，引水管，防止地表或地下水下滲。

對具紅層巖滲的地段不宜采用高填深挖，同時支擋結(jié)構(gòu)上要以輕型兼具抗滑的結(jié)構(gòu)為好，如樁基或加筋土擋墻等。