水南特大桥右幅8#墩基础隐伏岩溶漏斗形成机制初探

王建军, 欧阳继胜, 田成富

(1.湖北省地球物理勘察技术研究院,湖北 武汉　430056; 2.湖北省鄂西北地质矿产调查所,湖北 襄阳　441002)

0　引言

水南特大桥位于巴东县野三关镇以东12 km的水南村地域,桥位跨越水南河谷,为分离式桥梁,右幅桥跨为3×30+(60+5×110+60)+8×30,全长949.0 m,桥面设计标高971.98～998.33 m;左幅桥跨为3×30+(60+5×110+60)+7×30,全长922.0 m,桥面设计标高972.08～998.00 m。设计大桥最大净空高度108.6 m,平均纵坡2.66%,桥面净宽2 m×11.0 m,上部构造为预应力混凝土箱梁钢构。

2004年11月该特大桥在墩基超前钻孔施工过程中,右(北)幅8#墩(里程桩号为YK102+761.2) 6号桩位于一个隐伏的岩溶漏斗中,钻至深度81 m时仍未揭露到可靠持力层。查明该岩溶漏斗的分布范围及其成因,对设计施工和保证大桥的安全运营有重大的意义。

1　地质概况

场区处于构造侵蚀—溶蚀中—低山碳酸盐岩夹碎屑岩区[1],属岩溶峰丛槽谷地貌类型。从中三叠世(印支运动)始,区域地壳大面积抬升,形成场区如今处于鄂西三级剥夷面与现今河流侵蚀基准面过渡地带的地势。地势总体东低西高,区内最高标高为1 170 m,最低水南沟谷底标高约865 m,高差达305 m,河谷深切呈“V”型,两岸谷坡较陡。水南谷底有季节性流水,向东下泄汇入四渡河(谷底高程440 m)。研究区出露地层由新至老有:①第四系(Q)冲积与残坡积含角砾粘土、角砾、碎石土;②二叠系上统吴家坪组下段(P2w1),岩性为黑色碳质页岩、碳质灰岩夹薄层灰岩及薄层硅质岩及煤层(线),岩石软硬相间,薄—中层状构造;③二叠系下统茅口组(P1m),岩性为浅灰色厚—巨厚层状生物碎屑微晶灰岩、含燧石结核生物碎屑灰岩。该层组灰岩中岩溶发育,溶隙中常充填粉质粘土和少量的碎石。在破碎地带的不同深度上形成相互贯通的串珠状溶洞、溶隙。而水南特大桥右幅8#墩正处于二叠系上统吴家坪组下段泥页岩和下统茅口组灰岩交界面上。

桥区处于水南背斜[2],背斜呈近东西走向,向北西西倾伏;南翼产状150°～170°∠44°～81°,北西翼产状320°～345°∠30°～60°。桥区内主要发育一条走向为250°的F1主断裂,主断裂沿桥台下半坡,经右幅7#墩右侧、右幅8#-9#墩的沟谷通过,沿二叠系茅口组与吴家坪组接触界面发育。断裂北侧(路线右侧)出露茅口组灰岩地层,北部地层向北倾;靠近断裂,在右幅4#-8#墩一带向南倾,倾角陡,显示断裂附近即为褶皱核部的转折部位。断裂南侧(路线左侧)主要出露二叠系吴家坪组下段地层。受断裂影响,核部地层茅口组南翼出露不全。主断裂附近伴生发育一组次级断裂(F2),次级断裂的走向与主断裂方向呈20°～30°夹角,次级断裂受主断裂的控制,断裂宽30～100 cm,倾角在80°～90°左右,断裂规模较小,带内地层近直立,岩石破碎,裂隙发育,地表水常沿裂隙面下渗发生溶蚀现象。两断裂在右幅8#墩交汇(图1)。桥址区右幅8#-10#墩一线未见地表径流,地表水基本沿溶隙等岩溶通道入渗至地下。由于场区临近四渡河侵蚀基准面,岩溶水埋藏深度大,决定了桥基工程影响范围内地下水主要为降雨后过路水(包气带水)。

大桥右幅8#墩岩溶漏斗是场区内最大的负向地表岩溶形态。综合勘察成果表明该岩溶漏斗平面呈长椭圆形,短轴(南北向)宽约26 m,长轴(东西向)长约48 m,南侧陡,北侧上部相对较缓而下部陡(图2),漏斗口的范围约900 m2,深度93 m,漏斗已被碎石土、含砾粉质粘土所充填[3]。

图1　桥址区地质图

图2　岩溶漏斗基岩等标高图

漏斗为堆积物充填,自下而上分为三层。

(1) 下层泥页岩、灰岩块石夹有粘性土堆积体,厚23 m。碎块石含量不均匀,一般为20%～30%,局部>50%,砾径5～40 cm,排列杂乱,分选性差。碎石主要成分为泥岩、页岩、灰岩,呈棱角或次棱角状(塌陷堆积物似很难形成次圆状的块石),为塌陷堆积物。

(2) 中层暗黄色—黑色碎石土,厚12 m。堆积物砾石成分以页岩为主,厚约8 m,呈圆状和次圆状,砾径0.1～12 cm,排列杂乱。该层碎石砾石成分以灰岩为主,粒径>40 mm碎石中占优势,粒径10～0.1 mm的砂岩和硅质岩含量呈消长关系,分选性差,具洪积物特征。其中灰岩和硅质岩块砾来自区内石灰岩地区,为初次搬运结果,砂岩砾石则来自夷平面上沉积物,属多次搬运结果。

(3) 上层灰黄—暗黄色含砾粉质粘土,软塑,含少量灰岩角砾,偶夹灰岩碎石。上部黑色粉质粘土厚约1 m,含植物茎叶碎片,构成泥炭层,水平层理发育,属全新世和缓水流条件下的堆积物。

该桥墩基础最终设计为人工挖孔灌注桩[4],全墩共设4根嵌岩桩,桩径3.0 m,桩长98 m;自桩顶以下92 m配筋,桩身下部6 m范围为素混凝土。施工时实际开挖成孔深度为102.5 m,开挖面积12 m2。施工过程发现岩壁呈向下的楔形,挖至77 m时见泥页岩、灰岩块石夹有粘性土堆积体,至95 m见微风化灰岩,开挖与专题研究成果基本一致,误差<1 m。在施工过程中,施工部门采用紧跟护壁、及时排水等措施。现该桥通车近4年,无质量安全事故,说明研究成果指导了设计及施工,有效地指导了顺利施工和安全施工。

2　隐伏岩溶漏斗形成机制及演化时序

桥址属裸露型岩溶区,右幅8#墩处隐伏岩溶漏斗形成受多种因素的影响,在诸多因素中,岩性、构造和水文地质条件是最重要的影响因素。

2.1　形成机制分析

主断裂F1与次级断裂F2在右幅8#墩处交汇,主断裂F1与次级断裂F2倾角陡,断裂带内岩石破碎,为岩溶水集中径流通道,也是最有利于岩溶发育的部位。二叠纪末以来,地壳不断抬升,四渡河侵蚀基准面不断下降,径流速度不断加快,溶蚀作用加剧[5],致使区内以垂向岩溶发育为主。如与右幅8#墩处岩溶漏斗毗连的9#墩2#、4#、6#桩孔中均见有垂向溶洞发育,且见有方解石晶簇和钙华沉积,底部见碎块石堆积,局部有粉质粘土充填,剖面上溶洞形态表现出上宽下窄的三角状特点。纵向上,沿断裂带的方向常形成贯通的溶隙、溶洞。这为岩溶漏斗形成提供了直接的证据。

岩性和地质构造为右幅8#桥墩处岩溶发育提供了基础,兼之该处又处于冲沟中,在不断溶蚀作用下,加之区域地壳抬升使岩溶侵蚀面下降,水流动能加大,除加速溶蚀岩壁外,还有很强的机械侵蚀和刨蚀能力,并伴随洞壁不稳定岩石沿裂隙和层面开裂而垮落,使溶蚀断面不断扩大,最终在该处形成垂向巨型溶洞。灰岩在不断溶蚀过程中,粘性土和角砾混合堆积,成为溶洞堆填物。

当洞穴发展到一定跨度,覆盖在上部的软弱碳质页岩、灰岩的重量和水流渗透压力大于支承力时[6-7],顶板岩层失稳而发生崩塌,形成大小不等的岩块、岩屑混杂堆积体。经地质改造,直至形成洞口范围约900 m2,深度达93 m的岩溶漏斗。在上部岩层塌陷后,更加有利于地表径流汇集、下渗,地表水流将第四系土层搬运至溶蚀漏斗内,填满漏斗内角砾间空隙直至将漏斗填平成为现状地貌,形成隐伏状岩溶漏斗。

漏斗发育的初期,正好位于两断裂交汇处,裂隙及垂向溶隙极为发育,这些构造破裂控制了岩溶展布和漏斗的形成。由此可见,构造和地下岩溶的长期共同作用,应是溶洞发育与形成的基本原因。后期上部岩层塌陷,属于剪断致塌。

综合以上分析,认为水南特大桥右幅8#墩处隐伏岩溶漏斗形成机理应为“断裂溶蚀—剪断致塌—流水充填”机制。

2.2　演化时序

根据上述隐伏岩溶漏斗形成机制,将其演化过程分为两个阶段,这两个阶段不是独立,而是相辅相成、相互联系的(见图3)。

2.2.1溶洞形成阶段

形成过程如下:该处在水流情况下,地表水沿岩石节理、断裂以及沿断裂面由表及里渗入,入渗过程中不断溶蚀成溶隙、层面溶穴、落水洞等。随着时间推移在溶隙基础上发展起来的落水洞等逐渐相通,出现槽沟和石柱相间分布的多方向网状通道。继之,网状通道彼此贯通,统一地下水系形成,岩溶水切穿地层,不断向下和北侧扩大,形成深度远远大于宽度的洞体。受第四纪地壳抬升的影响,使区内地下排泄基准面大幅度下降,河谷强烈深切,造成岩溶进一步向纵深发育。

2.2.2上部盖层塌陷及充填堵塞阶段

大量试验及工程实践表明:岩溶塌陷形成是一个缓慢的发展过程。8#墩所在地在形成巨型溶洞过程中,使水流水力梯度不断加大,覆盖在上部的软弱碳质页岩、灰岩的重量和水流渗透压力大于洞顶板的支承力时,基岩顶板遂即被剪断而形成地表塌陷。

漏斗堆积物是溶洞空间形成过程中和地表塌陷后堆积的。根据堆积物上下接触关系,最先在溶洞中形成溶洞沉积物及塌陷堆积物,然后堆积了洪积成因的碎石土,最后堆积了浅水层流成因的含砾粉质粘土。堆积过程中流水亦对地表进行了改造,直至形成面积范围约900 m2的岩溶漏斗。

图3　隐伏岩溶漏斗形成机理演化时序示意图

3　结语

水南特大桥8#桥墩处特殊的地质条件使该处形成了隐伏岩溶漏斗,漏斗发育的初期,正好位于两断裂交汇处,裂隙极为发育,这些构造破裂为岩溶漏斗雏形的形成和展布提供了有利的空间。构造和地下岩溶的长期共同作用,是溶洞发育与形成的基本原因;后期上部岩层属剪断垮塌,后期流水对地面进行了改造,其形成机制为“断裂溶蚀—剪断垮塌—流水充填”。演化过程分为溶洞形成阶段、上部盖层坍塌及充填堵塞两个阶段。这两个阶段不是独立,而是相辅相成、相互联系的,在地质条件、地形地貌及流水的有机耦合下,形成今天隐伏岩溶漏斗的形态。

该桥通车近4年,无质量安全事故,说明研究成果指导了设计及施工,有效地指导了顺利施工和安全施工。

参考文献：

[1]李智毅,王智济,杨裕云，等.工程地质学基础[M].武汉：中国地质大学出版社，1990.

[2]郭颖,李智陵.构造地质学简明教程[M].武汉：中国地质大学出版社，1995.

[3]李成香,王建军,唐诗群，等.应用综合物探方法探测隐伏岩溶漏斗[J].工程勘察，2008(3)：49-52.

[4]贺建端.水南大桥98 m深的挖孔桩施工[J].公路，2007,3(3)：76-79.

[5]沈继方,李焰云,徐瑞春，等.清江流域岩溶研究[M].北京：地质出版社，1996.

[6]何宇彬,徐超.论喀斯特塌陷的水动力因素[J].水文地质工程地质,1993,20(5):39-42.

[7]程星,黄润秋.岩溶塌陷的地质概化模型[J].水文地质工程地质,2002,29(6):30-34.