鄒 威

(中鐵二院成都地勘巖土工程有限責(zé)任公司，成都 610031)

我國西南地區(qū)位于青藏高原東側(cè)，發(fā)育于青藏高原的金沙江(長江)，在這個(gè)巨大的大陸地形坡降帶上形成了典型的高山峽谷地貌。在這種特殊和復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件下，西南地區(qū)發(fā)育有大量的地質(zhì)災(zāi)害［1］。隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，近幾年西南地區(qū)鐵路及公路建設(shè)力度不斷加大，尤其是高等級(jí)公路迅猛發(fā)展，在國家規(guī)劃的高速公路網(wǎng)中，穿越西部喀斯特地區(qū)的高速公路里程約有1.5萬km。然而對(duì)西部喀斯特地區(qū)公路的建設(shè)過程和使用狀況的調(diào)查表明，其均不可避免的會(huì)面臨各種類型的工程問題或出現(xiàn)不同的工程病害，如公路路基、橋基下存在溶洞，隧道穿越地下暗河以及路面塌陷損壞、隧道突水等［2］，此類喀斯特地區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象較常見，國內(nèi)外對(duì)其研究也較多，而較大規(guī)模的巖溶堆積體在公路工程建設(shè)中較為少見，鮮有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行論述。公路邊坡中巖溶堆積的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)公路工程的安全運(yùn)營有決定性作用，因此對(duì)此類堆積體的成因機(jī)制形成條件以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)具有一定的工程實(shí)踐意義。

通過采取野外調(diào)查、地質(zhì)鉆探以及工程物探等手段，對(duì)涼水井巖溶堆積體的規(guī)模、基本形態(tài)特征進(jìn)行了全面的掌握，在此基礎(chǔ)上對(duì)巖溶堆積體成因及形成條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，利用極限平衡法對(duì)該巖溶堆積體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為堆積體的治理提供了重要依據(jù)，值得類似工程參考。

1 地質(zhì)概況

涼水井巖溶堆積體所處區(qū)域?qū)贅?gòu)造侵蝕低山峽谷地貌區(qū)，山峰高程900～1 100 m，相對(duì)高差約200 m;區(qū)域上地處南嶺緯向構(gòu)造體系、滇藏“歹”字形構(gòu)造體系及滇越巨型旋扭構(gòu)造體系的復(fù)合部位。巖溶堆積體后緣發(fā)育涼水井?dāng)嗔?，涼水井?dāng)鄬訛橐粭l性質(zhì)不明斷層，走向北北東～南南西，全長約15 km。進(jìn)入廣西境內(nèi)，傾向不明。在斷層西盤分布一些條帶狀基性侵入巖。地貌上為線形凹地，山背上形成鞍部，地層產(chǎn)狀雜亂，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。

涼水井巖溶堆積體區(qū)域上位于云貴高原東南部，以南亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，具雨熱同季、干冷同期、四季不明的氣候特點(diǎn)，隨海拔差異及地形影響，氣候垂直分帶顯著。多年平均氣溫19.3℃，月最高氣溫25.4℃(主要在7月)，月最低氣溫11℃(主要在1月)。多年平均降雨量1196.16 mm，降雨時(shí)空分布不均，雨季(5～10月)降水占全年降水的83%。歷年平均暴雨日數(shù)3～4 d，日最大降雨量達(dá)116.8 mm(1958年9月13日)，小時(shí)最大降雨量達(dá)63.0 mm(2001年8月25日)。年均相對(duì)濕度為 79%，全年日照時(shí)數(shù)4 423.47 h。全縣歷年平均蒸發(fā)量1 610.6 mm，最大5月198.6 mm，最小1月80.0 mm。

(1)第四系全新統(tǒng)(Q4)

粉質(zhì)黏土:灰褐、褐色，硬塑，土質(zhì)不純，含少量角礫和碎石，石質(zhì)成分為中風(fēng)化硅質(zhì)巖、灰?guī)r、輝綠巖，塊徑20～120 mm。厚0～2 m。

塊石:灰黃、灰白色，稍密～中密，潮濕，主要為鈣華，厚5～30 m。

(2)第一期堿性基性侵入巖(v-βμa)

輝綠巖:深灰色，全風(fēng)化～中風(fēng)化，輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，多呈碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，差異風(fēng)化現(xiàn)象明顯。全風(fēng)化殼變化較大，厚1～8 m;強(qiáng)風(fēng)化呈碎塊狀，厚5～22 m;中風(fēng)化巖質(zhì)節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體較破碎。與硅質(zhì)巖呈侵入接觸關(guān)系。

(3)二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)

硅質(zhì)巖:灰黃色，隱晶-微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬，薄板狀，強(qiáng) ～中風(fēng)化。巖層產(chǎn)狀 295°∠59°、67°∠66°。

圖1 涼水井巖溶堆積體工程地質(zhì)平面

2 巖溶堆積體特征

2.1 巖溶堆積體形態(tài)特征

涼水井巖溶堆積體位于線路左側(cè)，線路穿過巖溶堆積體前緣。巖溶堆積體地面高程900～952 m，巖溶堆積體長約110 m，寬40～60 m，厚度5～30 m，體積約10×104m3，潛在主滑方向?yàn)?64°，詳見圖1及圖2。巖溶堆積體表面地形較平緩，坡度2°～8°，被開墾為水田。巖溶堆積體平面上呈圈椅狀，周界明顯，四周地形高，中間堆積體低洼，呈現(xiàn)負(fù)地形形態(tài)。剖面形態(tài)上呈凹狀，前緣堆積物較厚，后緣堆積物較薄。堆積體兩側(cè)以溝槽為界位于地形陡緩交界處，基巖出露，主要為薄層狀硅質(zhì)巖，左側(cè)溝槽內(nèi)常年流水。巖溶堆積體前緣為直立陡坎，陡坎處為灰?guī)r大塊石，灰?guī)r塊石溶蝕嚴(yán)重，前緣峭壁高20～30 m，靠近前緣左側(cè)處有地下泉點(diǎn)滲出，水量約為0.2 L/s，堆積體前緣直立臨空，下伏基巖為輝綠巖。巖溶堆積體后緣邊界位于地形陡緩交界處，后側(cè)陡坡為硅質(zhì)巖，距后緣約50 m處為涼水井?dāng)鄬?，斷層上盤為灰?guī)r，灰?guī)r溶蝕發(fā)育，由于斷層影響，后緣灰?guī)r斷層崖極為發(fā)育，形成直線性灰?guī)r陡崖。

圖2 涼水井巖溶堆積體全貌

2.2 巖溶堆積體物質(zhì)組成特征

根據(jù)鉆探揭露及地質(zhì)調(diào)查資料，涼水井巖溶堆積體組成物質(zhì)主要有兩層粉質(zhì)黏土及巖溶鈣華塊石。表層粉質(zhì)黏土層較薄，厚約0～2 m，灰黃色，可塑狀。粉質(zhì)黏土以下為巖溶沉積形成的鈣華(圖3)。堆積體中鈣華巖性主要為藻灰?guī)r，質(zhì)較純，少含碎屑，呈白、淺棕、棕、灰等色，鈣華其礦物成分主要為文石，化學(xué)成分為碳酸鈣，結(jié)構(gòu)半致密～松散，疊層構(gòu)造，為鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，肉眼下觀察具有明顯的水平層理，產(chǎn)出呈層狀或似層狀，層厚為1～2 cm，層面沿層理方向延伸，呈層狀或微波狀，基本層理清晰，暗層寬0.1～0.5 mm，亮層寬0.5～1 mm，沿層面孔洞發(fā)育，孔洞形態(tài)復(fù)雜，從圓形、次圓形、多角形到長條形、不規(guī)則形均有，長條狀孔洞一般沿層面發(fā)育，孔洞一般較小，除長條形長度可以超過1.5 cm外，均在1.5 cm以下。宏觀面孔率估值可達(dá)20% ～30%。其孔隙度大，疏松多孔，密度較小，質(zhì)輕，滲透性較好，干強(qiáng)度較大，浸水后手可掰動(dòng)，強(qiáng)度急劇減小。鉆孔揭露鈣華厚度達(dá)10 m，前緣處厚度更大。堆積體底部基巖為輝綠巖及硅質(zhì)巖。

圖3 鉆孔揭示的鈣華層

泉華是沉淀于泉水溢出點(diǎn)的疏松多孔的化學(xué)堆積物。按其成分可分為石灰華、硅華等。泉華堆積的地貌形態(tài)有錐狀、扇狀、臺(tái)階狀、幔狀等，故可分別稱之為泉華錐，泉華扇，泉華臺(tái)階，石幔等［4］。根據(jù)鈣華形成環(huán)境，涼水井巖溶堆積體鈣華屬于泉華沉積。該種類型的鈣華多沿山坡沉積，主要的沉積形態(tài)有灘華，瀑華及壩華。涼水井鈣華屬于灘華，灘華常出現(xiàn)在斜坡和急灘上。其宏觀形態(tài)受地形、水的能量和生物因素的控制，地形和水的能量控制其分布面積，生物控制其厚度及外觀形態(tài)。最為常見的是拱形沉積灘華，其形態(tài)特征在平面上為扇形、剖面為楔狀，且接近泉口的方向較厚［3］。涼水井鈣華屬拱形沉積灘華，受地形控制其平面上呈長橢圓形，坡面上為楔形，其前緣厚度較大。

3 巖溶堆積體成因分析

涼水井巖溶堆積體鈣華厚度達(dá)十余米，其沉積形成經(jīng)歷了相當(dāng)漫長和復(fù)雜地質(zhì)過程。通過地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)涼水井巖溶堆積體主要經(jīng)歷了兩個(gè)重要的地質(zhì)階段。首先，涼水井?dāng)鄬拥幕顒?dòng)產(chǎn)生大量的地震能量，形成灰?guī)r陡崖，在地震及灰?guī)r自重作用下，灰?guī)r拉裂崩塌形成灰?guī)r錯(cuò)落體，為鈣華的沉積提供天然石壩;其次，在富含碳酸鹽的斷層泉水的長期浸泡及復(fù)雜地質(zhì)作用下，碳酸鈣析出結(jié)晶沉積形成鈣華。

3.1 灰?guī)r錯(cuò)落體成因

涼水井巖溶堆積體后緣發(fā)育涼水井?dāng)鄬?，涼水井?dāng)鄬拥幕顒?dòng)為錯(cuò)落體的形成提供了良好的地質(zhì)條件以及外部動(dòng)力能量。斷層錯(cuò)動(dòng)形成了斷層崖即灰?guī)r陡壁，由于構(gòu)造作用，斷層附近灰?guī)r巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，在雨水自重以及地震力的長期作用下，灰?guī)r陡壁后緣垂直節(jié)理轉(zhuǎn)化為拉裂縫，其次灰?guī)r中巖溶較為發(fā)育，溶蝕裂隙主要沿陡崖下部裂隙帶發(fā)育，加之溝谷中溝水長期對(duì)灰?guī)r的沖刷，溶蝕作用進(jìn)一步加劇，使陡崖下部形成較大的溶蝕裂隙及空洞，從而導(dǎo)致巨厚層灰?guī)r懸空，在地震作用及巖體自重作用下，促使拉裂縫進(jìn)一步的發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到一定階段時(shí)，拉裂縫轉(zhuǎn)化為剪切裂縫，隨著剪切位移的積累，剪切裂縫貫通，易發(fā)生拉裂-滑移式滑塌，破碎的灰?guī)r沿裂隙錯(cuò)斷，整體錯(cuò)落位移，形成灰?guī)r錯(cuò)落體天然石壩，為鈣華的沉積提供地形條件。

3.2 鈣華成因

鈣華又稱石灰華，是一種白色多孔的泉華狀石灰?guī)r。形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部常含小草，苔蘚等植物或上述植物腐爛后留下的空隙。是在地表由泉、河、湖水沉積形成的大孔隙次生碳酸鈣，一般具有多孔隙的海綿狀結(jié)構(gòu)以及薄層殼狀、塊狀構(gòu)造［4-5］。其成因是由于巖溶地區(qū)的飽和碳酸鈣的地下水或地表水在適宜的環(huán)境下(且往往是在植物作用影響下)因壓力降低釋放出CO2，碳酸鈣過飽和沉積形成［6-10］。泉華是飽和碳酸鈣的泉水到達(dá)地表后碳酸鈣圍繞水草或在泉水出口處沉淀而成［4］。鈣華作為巖溶作用“侵蝕”和“堆積”的一個(gè)方面，受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、地質(zhì)背景、水化學(xué)特征、水動(dòng)力條件、生物因素等方面物理和化學(xué)因素的影響，這些因素控制著鈣華的形成［5］。圖4為涼水井鈣華堆積體鈣華源泉形成的地質(zhì)環(huán)境剖面圖。

圖4 鈣華源泉形成的地質(zhì)環(huán)境剖面

3.2.1 氣候環(huán)境

在氣候環(huán)境方面，由本文第二節(jié)中氣候條件的敘述可知，涼水井巖溶堆積體位于熱帶季風(fēng)區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)由于地處熱帶、高溫多雨，巖溶作用非常強(qiáng)烈，發(fā)展速度也快，且場區(qū)內(nèi)石灰?guī)r層厚度大，斷層發(fā)育，裂隙發(fā)育，有利于巖溶作用的進(jìn)行，該堆積體屬熱帶季風(fēng)型巖溶。

3.2.2 地質(zhì)背景

根據(jù)工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件分析，涼水井巖溶堆積體是多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果，可分為以下幾個(gè)方面。

(1)可溶巖與非可溶巖的接觸帶是巖溶水動(dòng)力現(xiàn)象最活躍的場所，巖溶作用強(qiáng)烈，特別是巖層產(chǎn)狀陡傾或直立的地帶更是如此，涼水井巖溶堆積體位于后緣處位于泥盆系下統(tǒng)灰?guī)r與二疊系上統(tǒng)硅質(zhì)巖以及二疊系上統(tǒng)硅質(zhì)巖與第一期堿性基性侵入巖的接觸部位，而且該處受涼水井?dāng)鄬佑绊戄^大，傾角40°～50°，斷層附近發(fā)育一泉點(diǎn)，說明碳酸鹽巖層透水性較強(qiáng)，而硅質(zhì)巖和輝綠巖為不透水層或弱透水層。

(2)斷層及斷裂破碎帶是形成巖溶堆積體的又一重要因素。涼水井巖溶堆積體位于巖溶斷塊山地型，在碳酸鹽巖層分布的斷塊山地中，發(fā)育于斷裂帶上的巖溶。是受構(gòu)造形跡控制而發(fā)育的巖溶類型。涼水井?dāng)鄬訛槟鏀嗔?，從涼水井巖溶堆積后緣穿過，斷裂面陡傾或近直立，延伸較深較遠(yuǎn)，有利于巖溶水縱深方向活動(dòng)，形成了較大規(guī)模的溶洞和廊道，由于斷層的影響，灰?guī)r巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，為地下巖溶水的流動(dòng)提供了巖溶通道。

(3)涼水井?dāng)鄬痈浇臄鄬尤獮閹r溶鈣華堆積體的形成起了決定性的作用?；?guī)r巖層中斷層泉點(diǎn)中飽和碳酸鈣的泉水到達(dá)地表后碳酸鈣圍繞水草或在泉水出口天然石壩內(nèi)析出、結(jié)晶、沉淀，最終形成鈣華，經(jīng)過長年累月的沉積最終形成涼水井巖溶堆積體。

4 巖溶堆積體穩(wěn)定性分析

在上述對(duì)涼水井巖溶堆積體特征及成因分析的基礎(chǔ)上，建立GEO-SLOPE數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。根據(jù)巖溶堆積體潛在滑動(dòng)的方向，選取沿堆積體主方向264°剖面進(jìn)行建模計(jì)算。為了預(yù)測高速公路的修建開挖是否對(duì)斜坡穩(wěn)定造成影響，對(duì)高速公路施工開挖后地形以及開挖前原地形主剖面分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。開挖前、后堆積體計(jì)算模型如圖5、圖6所示。兩次計(jì)算巖土體物理力學(xué)參數(shù)一致。天然工況下，堆積體土層重度20.5 kN/m3、c 取 8.5 kPa、φ 取 25°，鈣華重度 21 kN/m3、c取11 kPa、φ取27.5°，當(dāng)考慮暴雨工況時(shí):堆積體飽水土層重度 21.5 kN/m3、c取 8 kPa、φ 取 24°，飽水鈣華重度22 kN/m3、c取 10 kPa、φ 取 22°。根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及斜坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件，穩(wěn)定性計(jì)算考慮以下三種計(jì)算工況。工況一(天然狀態(tài)):僅考慮邊坡巖土體的自重作用，計(jì)算時(shí)采用天然狀態(tài)下的c、φ值，地下水位以上采用坡體的天然容重，地下水位以下采用坡體的飽水容重。工況二 (暴雨):在工況一的基礎(chǔ)上，考慮持續(xù)降雨的情況。工況三(天然+地震):在工況一的基礎(chǔ)上，考慮地震的影響。本場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)設(shè)防地震烈度為Ⅶ度，水平地震系數(shù)為0.12，垂直地震系數(shù)為0.11;按照擬定的三種工況，指定基伏界面為潛在滑動(dòng)面并計(jì)算其穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果見表1。

圖5 開挖前堆積體計(jì)算模型

圖6 開挖后堆積體計(jì)算模型

表1 巖溶堆積體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

通過地質(zhì)測繪、地質(zhì)鉆探等手段對(duì)涼水井巖溶堆積體進(jìn)行了詳細(xì)的勘察，詳細(xì)的討論，分析了該巖溶堆積體的特征及成因，該巖溶堆積體巖位于溶斷塊山地型屬于灘華型泉華沉積，規(guī)模較大，其形成主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，首先是斷層活動(dòng)過程中促使灰?guī)r錯(cuò)落體石壩的形成，其次在富含碳酸鹽的斷層泉水的長期浸泡及復(fù)雜地質(zhì)作用下，碳酸鈣析出結(jié)晶沉積形成鈣華。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)堆積體開挖前后的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)涼水井巖溶堆積體開挖前在天然及暴雨工況下均處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，工程施工開挖對(duì)堆積體減載，使堆積體穩(wěn)定性提高，但施工前緣開挖對(duì)其擾動(dòng)較大，施工過程中建議對(duì)其進(jìn)行清除。

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