李飛飛，牛真茹，李 智

(1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300181)

0 引言

我國可溶巖面積分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計裸露于地表的碳酸鹽巖面積約有90.7萬 km2，加上覆蓋與埋藏于地下的碳酸鹽巖，可溶巖分布面積達346.3萬 km2，約占全國國土面積的三分之一[1]。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐越來越快，規(guī)模越來越大，工程規(guī)劃或選址時往往難以避開巖溶區(qū)，巖溶區(qū)地質(zhì)條件通常比較復(fù)雜，尤其處于覆蓋型巖溶地區(qū)的隱伏溶洞，埋深較大，隱蔽性較強，分布規(guī)律難以查明，造成潛伏易發(fā)隱患，對工程建設(shè)危害較大[2-3]。

由于影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對巖溶發(fā)育機理和巖溶地質(zhì)問題開展了大量的研究。在巖溶塌陷的勘察方法上，主要以地球物理探測及鉆探相結(jié)合的方法進行。地球物理探測常用高密度電法、高密度淺層地震法、井間CT、瞬變電磁法以及瑞雷面波、井中電視等方法[4-10]。隨著科技發(fā)展不斷進步，新研究方法(如GIS技術(shù)[11-12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊數(shù)學(xué)理論[13-15]等)的實踐應(yīng)用更趨于多元化和科學(xué)性，也為巖溶區(qū)工程建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗。

東黃山國際小鎮(zhèn)位于黃山市黃山區(qū)譚家橋鎮(zhèn)，被稱為黃山的東大門。根據(jù)前期東黃山國際小鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估書，建設(shè)區(qū)地表巖溶局部發(fā)育，存在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性。東黃山國際小鎮(zhèn)在后期建設(shè)過程中出現(xiàn)了一些巖溶工程地質(zhì)問題。例如：某跨河橋梁工程，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，施工過程中發(fā)現(xiàn)地下溶洞洞體較大，進而采用拋填片石+注漿工藝對溶洞進行處理，既給施工增加了困難又增加了工程處理費用；某橋梁工程施工過程中，因一側(cè)橋臺下2.5 m揭露溶洞，不得不調(diào)整原來設(shè)計方案，基礎(chǔ)形式由原來的擴大基礎(chǔ)改為樁基礎(chǔ)。因此，巖溶已成為東黃山國際小鎮(zhèn)建設(shè)過程中不可忽略的工程地質(zhì)問題，對該區(qū)域巖溶工程地質(zhì)問題需要進行專門研究。

本次研究依托“東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項目”，在查閱、收集區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、高密度電法物探及后期施工驗槽等多種勘察手段和方式，綜合探查了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育的特征和規(guī)模，研究了巖溶在水平和垂直方向的發(fā)育規(guī)律。研究成果對東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和巖溶區(qū)防災(zāi)減災(zāi)進行指導(dǎo)，也為后期巖溶的治理方案提供基礎(chǔ)支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)地處皖南山區(qū)黃山東部山地，山脈呈北西走向，地形切割較深。丘頂標(biāo)高一般200～350 m，東部北瓜山最高，海拔548 m，西部坳谷平緩開闊，一般標(biāo)高200 m，相對高差180～300 m。研究區(qū)地貌單元屬皖南山地，微地貌類型有低山、坳谷，整體地形為南高北低(見圖1)。

圖1 研究區(qū)三維地貌示意圖

圖2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2 地質(zhì)條件

本區(qū)地層分區(qū)屬揚子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)皖南地層小區(qū)。區(qū)域地層主要有寒武系荷塘組(∈1h)、寒武系西陽山組、華嚴(yán)寺組、第四系(Q)。其中，第四系黏性土和砂卵石層，分布于山間谷地、河谷兩側(cè)低洼地帶，呈條帶狀。下伏基巖主要有寒武系荷塘組碳質(zhì)板巖，寒武系西陽山組、華嚴(yán)寺組灰?guī)r，奧陶系印渚埠組泥巖、頁巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)大地構(gòu)造單元位于揚子準(zhǔn)地臺，下?lián)P子臺坳，皖南陷褶斷帶黃山凹褶斷束太平復(fù)向斜南翼。自古生代以來，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動，形成了比較復(fù)雜的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造形跡，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)大的地質(zhì)構(gòu)造主要有譚家橋向斜和譚家橋斷裂(見圖2)。

2 綜合勘察手段的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)調(diào)查

對研究區(qū)地表巖溶開展地質(zhì)調(diào)查，對區(qū)內(nèi)地表溶蝕裂隙、溶溝、溶洞發(fā)育情況進行記錄和整理(見圖3)。

圖3 地表溶蝕裂隙(寬3～5 cm)

研究區(qū)地表溶蝕現(xiàn)象主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶洞。區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，北東向和北西向發(fā)育最多，傾角近乎直立，節(jié)理面較平直，節(jié)理密度約4～10條/m。地表巖溶發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，根據(jù)繪制的節(jié)理產(chǎn)狀玫瑰花圖可以看出，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育方向與區(qū)內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理面方向基本一致(見圖4)。

圖4 節(jié)理產(chǎn)狀玫瑰花圖

圖5 測線視電阻率剖面圖

2.2 高密度電法物探

由于巖溶發(fā)育后一般為有充填物、半充填或無充填，故會出現(xiàn)電阻率與圍巖不同，表現(xiàn)為或高阻或低阻的響應(yīng)特征。本次研究共布設(shè)測線長度3 240 m，共布設(shè)電極648個，其中南北向測線20條，測線長度約200 m，東北-西南向測線21條，測線長度約160 m。選取代表性的測線物探成果進行分析(見圖5～圖7)。

圖6 測線視電阻率剖面圖

圖7 測線視電阻率剖面圖

從圖5測線視電阻率剖面圖可以看出，整體上剖面為相對較連續(xù)的低阻異常，在地表附近表現(xiàn)為高阻，在距離測線起點82～87 m處、105～110 m處均表現(xiàn)為低阻異常，埋深8～11 m和10～13 m處，推測可能為充水或充泥溶蝕形成的溶洞。從圖6測線視電阻率剖面圖可以看出，整體上剖面為相對較連續(xù)的低阻，在距離測線起點46～48 m處和73～78 m處，表現(xiàn)為異常高阻，埋深約5～7 m，推測可能為無充填的干洞。從圖7測線視電阻率剖面圖可以看出，視電阻率整體上剖面為相對較連續(xù)的低阻，其中距測線起點108～116 m處表現(xiàn)為低阻異常，埋深約11～14 m，推測可能為充水或充泥溶蝕形成的溶洞；而距起點126～128 m處表現(xiàn)為高阻異常，埋深約5～7 m，推測可能為無充填的干溶洞；此外距起點125～160 m處，近地表也表現(xiàn)為高阻異常，推測是由于近地表的砂、礫石及卵石等引起的。

根據(jù)物探探查結(jié)果，研究區(qū)巖溶發(fā)育多為充填型溶洞，埋深相對較淺，多在埋深5～15 m范圍內(nèi)發(fā)育，結(jié)合鉆孔揭露巖溶情況，充填物大多為粉質(zhì)黏土，少部分為砂礫石，占比約81%。

圖8 鉆孔揭露巖溶發(fā)育情況

圖9 溶蝕裂隙發(fā)育

2.3 工程地質(zhì)鉆探

鑒于高密度電法物探勘察地下巖溶發(fā)育的精度有限，采用地質(zhì)鉆探的手段對地下巖溶進行進一步探查。現(xiàn)場主要根據(jù)鉆探過程中出現(xiàn)的掉鉆、漏水、漏漿等情況以及巖芯中溶隙的充填情況來判斷場地巖土層分界線、溶洞頂板巖土層厚度和洞體充填情況(鉆孔揭露巖溶發(fā)育見圖8～圖9)。

根據(jù)鉆孔揭露溶洞發(fā)育情況，地下巖溶在垂直方向上具有多層性，一般為2～3層，最多達5層，呈串珠狀分布(見圖10)。

圖10 典型溶洞發(fā)育地質(zhì)剖面圖

以高密度電法L3測線剖面為例，距離測線起點25～28 m處、42～45 m處、80～83 m處均表現(xiàn)為高阻異常，推測可能為無充填的干溶洞，對應(yīng)埋深分別約為6 m、7 m、11 m，現(xiàn)對推測為溶洞的異常區(qū)選取3個點進行鉆孔驗證，對比圖見圖11。

圖11 鉆孔驗證結(jié)果

對比L3測線視電阻率剖面圖和地質(zhì)剖面圖可以看出，驗證孔WSCCK14孔揭露的溶洞埋深為6.4～6.8 m，WSCCK10孔揭露的溶洞埋深為7.5～8.1 m，WSCCK7孔揭露的溶洞埋深為11.4～12.4 m，即鉆孔揭露的溶洞埋深與高密度電法物探測得的高阻異常區(qū)基本吻合。

2.4 現(xiàn)場驗槽

在東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項目陸續(xù)進入施工階段，對開挖的基槽進行現(xiàn)場驗槽，從而可以更加直觀的看出現(xiàn)場地層分布、溶洞發(fā)育大小及展布方向(見圖12)，結(jié)合前期物探、鉆探等勘察手段能夠進一步對巖溶的發(fā)育形態(tài)、分布特征進行綜合分析。

圖12 基槽揭露巖溶發(fā)育情況

3 巖溶發(fā)育的發(fā)育特征與規(guī)律

3.1 地下巖溶垂直方向發(fā)育特征

綜合物探、鉆探及后期驗槽分析可知，研究區(qū)地下溶洞為垂向多層串珠狀溶洞，一般為2～3層，最多達5層，同時溶洞充填物具有一定的差異性，河流附近的溶洞充填物主要為砂礫石，且鉆孔揭露時洞內(nèi)水量相對較大，而遠(yuǎn)離河流區(qū)域揭露的溶洞多為無充填空洞或為半充填軟塑狀粉質(zhì)黏土；此外，可溶巖與非可溶巖交接帶揭露的溶洞充填物多為灰黑色風(fēng)化巖巖屑或第四系軟塑狀粉質(zhì)黏土。

對溶洞發(fā)育高度進行統(tǒng)計，鉆孔揭露的溶洞洞高多為0.1～3.0 m，個別洞高達4.0 m以上(詳見圖13)，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙為地下水的滲流通道，在地下水的流動侵蝕作用下，裂隙不斷擴大，誘使溶洞進一步發(fā)育。

圖13 溶洞發(fā)育高度范圍統(tǒng)計

圖14 溶洞發(fā)育高程分布圖

圖15 巖溶發(fā)育水平方向分布圖

對溶洞底高程進行統(tǒng)計分析，溶洞底高程主要在180～189 m和190～199 m兩個高程段(見圖14)，與平面上分布的2個走向NEE且相互獨立的巖溶強發(fā)育條帶相對應(yīng)。通過與麻川河各斷面河床實測高程對比，研究區(qū)中部河床高程為199.6 m左右，下游河床高程為187.4 m左右，即研究區(qū)2個巖溶強發(fā)育條帶與麻川河侵蝕基準(zhǔn)面相對應(yīng)。

3.2 地下巖溶水平方向發(fā)育特征

根據(jù)綜合勘察成果，巖溶強發(fā)育區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和北部，南部發(fā)育規(guī)模較小，水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強發(fā)育條帶，與區(qū)內(nèi)譚家橋斷裂(F1)走向基本一致。麻川河河床為區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，亦是地下水與地表水交替最頻繁地區(qū)，巖溶較為發(fā)育(見圖15)。

4 結(jié)語

(1)采用地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、高密度電法物探及后期施工驗槽等多種勘察手段相互驗證對研究區(qū)范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況進行了綜合探查，查明了研究區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)、充填情況、分布規(guī)律，為后期優(yōu)化施工圖設(shè)計及巖溶的專項治理方案提供基礎(chǔ)支持。

(2)根據(jù)綜合勘察結(jié)果分析，研究區(qū)巖溶發(fā)育以覆蓋型為主，主要集中在研究區(qū)中部和北部。溶洞垂向上具有分層性，以多層串珠狀溶洞為主，埋深6～10 m為巖溶強發(fā)育區(qū)，垂向上表現(xiàn)為隨著埋深的增加，巖溶發(fā)育強度逐漸減弱的趨勢。水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強發(fā)育條帶，巖溶強發(fā)育條帶與區(qū)內(nèi)譚家橋斷裂走向基本一致。

(3)工程物探具有效率高、成本低等特點，能夠較大范圍探測地質(zhì)異常區(qū)，但由于物探結(jié)果的多解性，需要配合鉆探及后期開挖驗槽進行驗證。工程鉆探和開挖驗槽能夠直觀的反映各種地層信息和地質(zhì)異常，但由于鉆探無法查明鉆孔之間的地質(zhì)信息，開挖驗槽揭露范圍有限，具有一定的局限性。因此采用物探、鉆探及后期驗槽相結(jié)合的方法能夠相互驗證、優(yōu)勢互補，提高巖溶勘察的精度。