某高速公路巖溶鈣華堆積體成因及穩定性分析

鄒 威

(中鐵二院成都地勘巖土工程有限責任公司，成都 610031)

我國西南地區位于青藏高原東側，發育于青藏高原的金沙江(長江)，在這個巨大的大陸地形坡降帶上形成了典型的高山峽谷地貌。在這種特殊和復雜的地質環境條件下，西南地區發育有大量的地質災害［1］。隨著國民經濟的持續發展和國家西部大開發戰略的不斷推進，近幾年西南地區鐵路及公路建設力度不斷加大，尤其是高等級公路迅猛發展，在國家規劃的高速公路網中，穿越西部喀斯特地區的高速公路里程約有1.5萬km。然而對西部喀斯特地區公路的建設過程和使用狀況的調查表明，其均不可避免的會面臨各種類型的工程問題或出現不同的工程病害，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］，此類喀斯特地區不良地質現象較常見，國內外對其研究也較多，而較大規模的巖溶堆積體在公路工程建設中較為少見，鮮有學者對其進行論述。公路邊坡中巖溶堆積的穩定性評價，對公路工程的安全運營有決定性作用，因此對此類堆積體的成因機制形成條件以及穩定性進行分析評價具有一定的工程實踐意義。

通過采取野外調查、地質鉆探以及工程物探等手段，對涼水井巖溶堆積體的規模、基本形態特征進行了全面的掌握，在此基礎上對巖溶堆積體成因及形成條件進行了詳細的分析，利用極限平衡法對該巖溶堆積體穩定性進行了評價，為堆積體的治理提供了重要依據，值得類似工程參考。

1 地質概況

涼水井巖溶堆積體所處區域屬構造侵蝕低山峽谷地貌區，山峰高程900～1 100 m，相對高差約200 m;區域上地處南嶺緯向構造體系、滇藏“歹”字形構造體系及滇越巨型旋扭構造體系的復合部位。巖溶堆積體后緣發育涼水井斷裂，涼水井斷層為一條性質不明斷層，走向北北東～南南西，全長約15 km。進入廣西境內，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，地層產狀雜亂，巖體節理裂隙發育。

涼水井巖溶堆積體區域上位于云貴高原東南部，以南亞熱帶季風氣候為主，具雨熱同季、干冷同期、四季不明的氣候特點，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3～4 d，日最大降雨量達116.8 mm(1958年9月13日)，小時最大降雨量達63.0 mm(2001年8月25日)。年均相對濕度為 79%，全年日照時數4 423.47 h。全縣歷年平均蒸發量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(Q4)

粉質黏土:灰褐、褐色，硬塑，土質不純，含少量角礫和碎石，石質成分為中風化硅質巖、灰巖、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，全風化～中風化，輝綠結構，塊狀構造，節理裂隙很發育，巖體破碎，多呈碎塊狀鑲嵌結構，差異風化現象明顯。全風化殼變化較大，厚1～8 m;強風化呈碎塊狀，厚5～22 m;中風化巖質節理裂隙極發育，巖體較破碎。與硅質巖呈侵入接觸關系。

(3)二疊系上統吳家坪組(P2w)

硅質巖:灰黃色，隱晶-微晶結構，塊狀構造，致密堅硬，薄板狀，強 ～中風化。巖層產狀 295°∠59°、67°∠66°。

圖1 涼水井巖溶堆積體工程地質平面

2 巖溶堆積體特征

2.1 巖溶堆積體形態特征

涼水井巖溶堆積體位于線路左側，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，潛在主滑方向為264°，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，呈現負地形形態。剖面形態上呈凹狀，前緣堆積物較厚，后緣堆積物較薄。堆積體兩側以溝槽為界位于地形陡緩交界處，基巖出露，主要為薄層狀硅質巖，左側溝槽內常年流水。巖溶堆積體前緣為直立陡坎，陡坎處為灰巖大塊石，灰巖塊石溶蝕嚴重，前緣峭壁高20～30 m，靠近前緣左側處有地下泉點滲出，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，后側陡坡為硅質巖，距后緣約50 m處為涼水井斷層，斷層上盤為灰巖，灰巖溶蝕發育，由于斷層影響，后緣灰巖斷層崖極為發育，形成直線性灰巖陡崖。

圖2 涼水井巖溶堆積體全貌

2.2 巖溶堆積體物質組成特征

根據鉆探揭露及地質調查資料，涼水井巖溶堆積體組成物質主要有兩層粉質黏土及巖溶鈣華塊石。表層粉質黏土層較薄，厚約0～2 m，灰黃色，可塑狀。粉質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巖，質較純，少含碎屑，呈白、淺棕、棕、灰等色，鈣華其礦物成分主要為文石，化學成分為碳酸鈣，結構半致密～松散，疊層構造，為鈣質膠結，膠結較好，肉眼下觀察具有明顯的水平層理，產出呈層狀或似層狀，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，沿層面孔洞發育，孔洞形態復雜，從圓形、次圓形、多角形到長條形、不規則形均有，長條狀孔洞一般沿層面發育，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20% ～30%。其孔隙度大，疏松多孔，密度較小，質輕，滲透性較好，干強度較大，浸水后手可掰動，強度急劇減小。鉆孔揭露鈣華厚度達10 m，前緣處厚度更大。堆積體底部基巖為輝綠巖及硅質巖。

圖3 鉆孔揭示的鈣華層

泉華是沉淀于泉水溢出點的疏松多孔的化學堆積物。按其成分可分為石灰華、硅華等。泉華堆積的地貌形態有錐狀、扇狀、臺階狀、幔狀等，故可分別稱之為泉華錐，泉華扇，泉華臺階，石幔等［4］。根據鈣華形成環境，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，主要的沉積形態有灘華，瀑華及壩華。涼水井鈣華屬于灘華，灘華常出現在斜坡和急灘上。其宏觀形態受地形、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。最為常見的是拱形沉積灘華，其形態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十余米，其沉積形成經歷了相當漫長和復雜地質過程。通過地質調查，發現涼水井巖溶堆積體主要經歷了兩個重要的地質階段。首先，涼水井斷層的活動產生大量的地震能量，形成灰巖陡崖，在地震及灰巖自重作用下，灰巖拉裂崩塌形成灰巖錯落體，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雜地質作用下，碳酸鈣析出結晶沉積形成鈣華。

3.1 灰巖錯落體成因

涼水井巖溶堆積體后緣發育涼水井斷層，涼水井斷層的活動為錯落體的形成提供了良好的地質條件以及外部動力能量。斷層錯動形成了斷層崖即灰巖陡壁，由于構造作用，斷層附近灰巖巖體節理裂隙發育、巖體破碎，在雨水自重以及地震力的長期作用下，灰巖陡壁后緣垂直節理轉化為拉裂縫，其次灰巖中巖溶較為發育，溶蝕裂隙主要沿陡崖下部裂隙帶發育，加之溝谷中溝水長期對灰巖的沖刷，溶蝕作用進一步加劇，使陡崖下部形成較大的溶蝕裂隙及空洞，從而導致巨厚層灰巖懸空，在地震作用及巖體自重作用下，促使拉裂縫進一步的發展，當發展到一定階段時，拉裂縫轉化為剪切裂縫，隨著剪切位移的積累，剪切裂縫貫通，易發生拉裂-滑移式滑塌，破碎的灰巖沿裂隙錯斷，整體錯落位移，形成灰巖錯落體天然石壩，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巖。形態不規則，內部常含小草，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構以及薄層殼狀、塊狀構造［4-5］。其成因是由于巖溶地區的飽和碳酸鈣的地下水或地表水在適宜的環境下(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”的一個方面，受當地氣候環境、地質背景、水化學特征、水動力條件、生物因素等方面物理和化學因素的影響，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環境剖面圖。

圖4 鈣華源泉形成的地質環境剖面

3.2.1 氣候環境

在氣候環境方面，由本文第二節中氣候條件的敘述可知，涼水井巖溶堆積體位于熱帶季風區碳酸鹽巖地區由于地處熱帶、高溫多雨，巖溶作用非常強烈，發展速度也快，且場區內石灰巖層厚度大，斷層發育，裂隙發育，有利于巖溶作用的進行，該堆積體屬熱帶季風型巖溶。

3.2.2 地質背景

根據工程地質水文地質條件分析，涼水井巖溶堆積體是多種地質因素綜合作用的結果，可分為以下幾個方面。

(1)可溶巖與非可溶巖的接觸帶是巖溶水動力現象最活躍的場所，巖溶作用強烈，特別是巖層產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灰巖與二疊系上統硅質巖以及二疊系上統硅質巖與第一期堿性基性侵入巖的接觸部位，而且該處受涼水井斷層影響較大，傾角40°～50°，斷層附近發育一泉點，說明碳酸鹽巖層透水性較強，而硅質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，發育于斷裂帶上的巖溶。是受構造形跡控制而發育的巖溶類型。涼水井斷層為逆斷裂，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，有利于巖溶水縱深方向活動，形成了較大規模的溶洞和廊道，由于斷層的影響，灰巖巖體節理裂隙發育，為地下巖溶水的流動提供了巖溶通道。

(3)涼水井斷層附近的斷層泉為巖溶鈣華堆積體的形成起了決定性的作用。灰巖巖層中斷層泉點中飽和碳酸鈣的泉水到達地表后碳酸鈣圍繞水草或在泉水出口天然石壩內析出、結晶、沉淀，最終形成鈣華，經過長年累月的沉積最終形成涼水井巖溶堆積體。

4 巖溶堆積體穩定性分析

在上述對涼水井巖溶堆積體特征及成因分析的基礎上，建立GEO-SLOPE數值計算模型進行應力應變分析。根據巖溶堆積體潛在滑動的方向，選取沿堆積體主方向264°剖面進行建模計算。為了預測高速公路的修建開挖是否對斜坡穩定造成影響，對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行穩定性計算，并對計算結果進行對比分析。開挖前、后堆積體計算模型如圖5、圖6所示。兩次計算巖土體物理力學參數一致。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°，當考慮暴雨工況時: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°。根據相關規范以及斜坡所處的地質環境條件，穩定性計算考慮以下三種計算工況。工況一(天然狀態):僅考慮邊坡巖土體的自重作用，計算時采用天然狀態下的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):在工況一的基礎上，考慮持續降雨的情況。工況三(天然+地震):在工況一的基礎上，考慮地震的影響。本場區地震基本烈度為Ⅵ度，設計設防地震烈度為Ⅶ度，水平地震系數為0.12，垂直地震系數為0.11;按照擬定的三種工況，指定基伏界面為潛在滑動面并計算其穩定性。計算結果見表1。

圖5 開挖前堆積體計算模型

圖6 開挖后堆積體計算模型

表1 巖溶堆積體穩定性計算結果

5 結語

通過地質測繪、地質鉆探等手段對涼水井巖溶堆積體進行了詳細的勘察，詳細的討論，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，規模較大，其形成主要經歷了兩個階段，首先是斷層活動過程中促使灰巖錯落體石壩的形成，其次在富含碳酸鹽的斷層泉水的長期浸泡及復雜地質作用下，碳酸鈣析出結晶沉積形成鈣華。在此基礎上利用數值計算軟件對堆積體開挖前后的穩定性進行計算分析，發現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定～基本穩定狀態，開挖后均處于基本穩定狀態，工程施工開挖對堆積體減載，使堆積體穩定性提高，但施工前緣開挖對其擾動較大，施工過程中建議對其進行清除。

［1］ 黃潤秋.中國西南巖石高邊坡的主要特征及其演化［J］.地球科學進展，2005，20(3):292-297.

［2］ 程星.喀斯特地區公路環境保護［M］.北京:地質出版社，2007.

［3］ Chafetz H S，Fo lk，R L.Travertines:depo sitional mo rpho logy and the bacterially constructed constituents［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1984，54:289-316.

［4］ 地質礦產部地質辭典辦公室.地質大辭典［M］.北京:地質出版社，2005.

［5］ 李華舉，廖長君，姜殿強，等.鈣華沉積機制的研究現狀及展望［J］.中國巖溶，2006，25(1).

［6］ 劉再華，袁道先，何師意，等.四川黃龍溝景區鈣華的起源和形成機理研究［J］.地球化學，2003，32(1):1210.

［7］ 李強，戴亞南，游省易，等.云南白水臺鈣華沉積成因及主要沉積類型研究［J］.中國巖溶，2002，21(3).

［8］ 游省易，李強，劉再華.云南白水臺鈣華景區水的物理化學動態變化研究［J］.中國巖溶，2003，22(2):110-117.

［9］ 劉再華，李紅春，游鎮烽，等.云南白水臺現代內生鈣華微層的特征及其古氣候重建意義［J］.地球學報，2006，27(5):479-486.

［10］ 劉再華.再論黃龍鈣華的成因［J］.中國巖溶，2008，27(4):388-390.