渡槽基礎(chǔ)不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷勘察與分析

張　濤　孫思施　嚴(yán)江華

(1.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局, 湖北 宜昌　433002；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司, 湖北 武漢　430010)

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渡槽基礎(chǔ)不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷勘察與分析

張濤1孫思施2嚴(yán)江華1

(1.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局, 湖北 宜昌433002；2.湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司, 湖北 武漢430010)

通過鉆孔、地質(zhì)雷達及電磁波CT等物探技術(shù)對東風(fēng)總干渠的蜘蛛洞渡槽施工中遇到的地質(zhì)缺陷進行勘察，對成果進行對比分析研究，對地質(zhì)構(gòu)造定性，理清地層形成不整合成因，分析不整合地層巖溶發(fā)育機理及影響范圍，著重研究缺陷分布范圍，以及地質(zhì)缺陷對渡槽結(jié)構(gòu)的不利影響。本文內(nèi)容體現(xiàn)了在地基缺陷分析方法上的創(chuàng)新，為同行今后對渡槽基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷分析提供新的思路。

渡槽; 地基; 缺陷; 勘察; 分析

1　項目概況

蜘蛛洞渡槽拆除重建工程位于宜昌市夷陵區(qū)，是宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠上的的咽喉建筑物，設(shè)計流量14.0m3/s，滿槽過流能力16.8m3/s。蜘蛛洞渡槽9號基礎(chǔ)在開挖至設(shè)計高程154.88m時，發(fā)現(xiàn)基坑以下又發(fā)育一條近南北向貫穿基坑的溶洞，寬0.6～2.1m，頂部高程154～155m，底部高程151～153m，坡度12°向南(河床下游)出基坑，洞壁光滑，溶洞順砂巖與礫巖界面發(fā)育。

因地質(zhì)情況發(fā)生變化，重新組織補充地勘。為弄清基坑的地質(zhì)情況，考慮到完整巖層里填充的巖溶洞穴、裂隙破碎帶、巖溶水與完整圍巖存在明顯的電性差異，對雷達發(fā)射的電磁波能形成強反射界面，采用探地雷達探測巖體前方的斷層、破碎帶、溶洞和含水層具備較充分的地球物理前提條件。先后在9號基坑四角與中心進行地質(zhì)鉆孔，再對鉆孔進行地質(zhì)雷達和電磁波穿透測試。具體孔位及測線布置見圖1。

圖1　9號基礎(chǔ)孔位及測線布置

2　地質(zhì)鉆孔勘察成果分析

2.1地質(zhì)鉆孔成果分析

此次按設(shè)計承臺基礎(chǔ)四個角點和中心點共在基礎(chǔ)布置5個補充地勘孔，并進行素描、編錄分析。

依據(jù)ZK9-1揭示，孔口154.7～148.8m高程段巖芯呈碎塊狀、短柱狀，風(fēng)化、溶蝕裂隙發(fā)育，泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填，斷面不平整，斷口鋸齒狀，鉆進不均勻，特別是有返水，但量小，說明該處無大的溶蝕空腔；在144.7～140.2m高程段發(fā)育1處4.5m高溶腔，充填為黏土夾塊石礫石；且地下水穩(wěn)定在142.0m高程。

依據(jù)ZK9-2揭示，孔口154.8～151.8m段為白堊系下統(tǒng)石門組礫巖，巖芯由泥紅色黏土礫質(zhì)膠結(jié)，呈碎塊狀、短柱狀，斷層15～30cm，斷面不平整，斷口鋸齒狀,鉆進不均勻，返水量小，151.8～150.5m高程段為空腔，無充填物，掉鉆、掉水, 地下水穩(wěn)定在145.3m高程。

依據(jù)ZK9-3揭示，孔口155.0～147.0m高程段巖芯由褐黃色黏土泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，呈碎塊狀、短柱狀，鉆進不均勻，返水量小，其中孔深：1.7～2.2m為空腔，2.2～3.7m為黏土、碎塊石填充，塌孔，掉鉆，返水泥紅色，進尺快；在145.6～141.2m高程段巖石較完整，裂隙不發(fā)育，偶見層面風(fēng)化，地下水穩(wěn)定在152.0m高程。

依據(jù)ZK9-4揭示，孔口154.9～150.1m高程段白堊系下統(tǒng)石門組礫巖巖芯呈碎塊狀、短柱狀，風(fēng)化、溶蝕裂隙發(fā)育，泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填，斷面不平整，斷口鋸齒狀，鉆進不均勻，返水量小；150.1～148.5m高程段為白堊系赤鐵礦，地下水穩(wěn)定在148.9m高程。

依據(jù)ZK9-5揭示，孔口153.4～146.4m高程段為白堊系下統(tǒng)石門組砂巖，152.6～151.6m高程段返水量偏小， 151.6～149.4m高程段為白堊系赤鐵礦，地下水穩(wěn)定在149.9m高程。

2.2地質(zhì)雷達掃描成果分析

此次利用Pulse Ekko PRO地質(zhì)雷達進行探測，資料分析整理結(jié)果如下：

a.測線1由南至北方向0～3.0m、底板以下深度1.76～12.0m處，存在強振幅雷達反射波組，波形凌亂，推測為溶腔或為溶蝕洞穴；由南至北方向6.0～9.0m、底板以下深度1.65～4.5m處，存在強振幅雷達反射波組，波形凌亂，推測為巖體裂隙發(fā)育。見圖2。

圖2　測線1測試結(jié)果

b.測線2由南至北方向1.3～5.0m、底板以下深度1.0～8.5m處，波形異常，推測可能發(fā)育溶洞或溶腔；由南至北方向6.8～10.3m、底板以下深度1.6～5.5m處，波形異常，推測可能發(fā)育局部小溶洞。見圖3。

圖3　測線2測試結(jié)果

c.測線3由南至北方向5.1～6.5m、底板以下深度1.3～2.1m處，波形異常，推測可能發(fā)育小溶洞或槽；由南至北方向5.1～7.23m、底板以下深度5.0～7.0m處，波形異常，推測可能發(fā)育局部小溶洞。見圖4。

圖4　測線3測試結(jié)果

d.測線4由南至北方向1.0～4.8m、底板以下深度5.0～8.7m處，波形異常，推測可能發(fā)育溶洞或溶腔；由南至北方向5.3～7.5m、底板以下深度1.6～5.0m處，波形異常，推測可能發(fā)育局部小溶洞。見圖5。

圖5　測線4測試結(jié)果

e.測線5由南至北方向1.4～3.6m、底板以下深度4.1～6.0m處，波形異常，推測可能發(fā)育溶蝕裂隙或溶腔，見圖6。

圖6　測線5測試結(jié)果

f.測線6由南至北方向1.5～2.5m、底板以下深度1.6～5.5m處，波形異常，推測可能發(fā)育小溶洞，見圖7。

圖7　測線6測試結(jié)果

2.3電磁波穿透成果分析

此次采用JW-5Q型大功率地下電磁波儀，將CT成像結(jié)果與地質(zhì)剖面合二為一，形成CT地質(zhì)剖面圖，成果圖及推測如下：

a.距離ZK9-4號孔0～2.5m、高程148～149.5m處有紅色的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為赤鐵礦；而整個剖面高程147～150m處有一條帶狀的黃色較高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙較發(fā)育區(qū)域；距離ZK9-4號孔0.5～1m、高程143～144.5m處有黃色的較高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙發(fā)育區(qū)域。見圖8。

圖8　ZK9-4-ZK9-1電磁波CT剖面

b.距離ZK9-1號孔0～1m、高程147～148m處有淺綠色的中等收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙發(fā)育區(qū)域；距離ZK9-1號孔0.5～3m、高程142～143.5m處有橙色的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙發(fā)育區(qū)域；距離ZK9-3號孔0.5～2.5m、高程147～148m處有淺綠色的中等吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙較發(fā)育區(qū)域；其余區(qū)域較為完整。見圖9。

圖9　ZK9-1～ZK9-3電磁波CT剖面

c.距離ZK9-5號孔1～8m、高程148m～149.5m處有紅色的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為赤鐵礦；距離ZK9-1號孔0～2m、高程147～148m處有黃色的較高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙發(fā)育區(qū)域。見圖10。

圖10　ZK9-5-ZK9-1電磁波CT剖面

d.整個剖面的頂端有較長的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測距離ZK9-5號孔2～4.3m處有巖溶發(fā)育；整個剖面的底部同樣有較長的高吸收系數(shù)發(fā)育區(qū)域，推測距離ZK9-5號孔4～5m處有裂隙發(fā)育。見圖11。

圖11　ZK9-5-ZK9-3電磁波CT剖面

e.距離ZK9-4號孔0.5～4m、高程148～149.5m處有紅色的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為赤鐵礦；距離ZK9-3號孔0～1m、高程141～142m處有黃色的較高吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙發(fā)育區(qū)域。見圖12。

圖12　ZK9-4～ZK9-3電磁波CT剖面

f.整個剖面的頂端高程148～151m有條帶狀較長的高吸收系數(shù)區(qū)域，推測赤鐵礦發(fā)育；距離ZK9-4號孔0～1m、高程144～146m處有淺綠的中等吸收系數(shù)區(qū)域，推測為裂隙較發(fā)育區(qū)域；其余區(qū)域較為完整。見圖13。

圖13　ZK9-4～ZK9-5電磁波CT剖面

根據(jù)電磁波穿透成果，除受赤鐵礦影響有較大異常外，其他部位未發(fā)現(xiàn)連續(xù)異常，說明基坑內(nèi)無大型巖溶。

3　地質(zhì)缺陷成因、影響范圍分析

3.1地質(zhì)缺陷成因分析

依據(jù)勘察資料分析，在二疊系下統(tǒng)棲霞組頁巖夾灰?guī)r與白堊系下統(tǒng)石門組礫巖夾砂巖間存在地層缺失，推測該處符合不整合接觸的上下兩套不同時代地層之間出現(xiàn)地層缺失關(guān)系的條件。結(jié)合僅在基礎(chǔ)下半側(cè)148～150m高程附近揭示有赤鐵礦，可以推測基坑位于二疊系下統(tǒng)棲霞組頁巖夾灰?guī)r與白堊系下統(tǒng)石門組礫巖夾砂巖不整合結(jié)觸面處，該結(jié)觸面應(yīng)屬二疊系晚期至三疊紀(jì)露出海面，長期受地表剝蝕，造成長時間的沉積間斷，在地形上形成走向南北向、北高南低深槽，然后再下降接受沉積，導(dǎo)致三疊紀(jì)沉積間斷，即在先后沉積的地層之間缺失了三疊紀(jì)時期的地層，造成上、下地層時代的不聯(lián)系性，在白堊紀(jì)早期深槽被砂礫巖填平，白堊紀(jì)以后該區(qū)受黃陵被斜影響，處于緩慢抬升過程中，再度在該區(qū)形成走向近南北、北高南低河流，即現(xiàn)狀位于基坑邊緣的河流。

3.2地質(zhì)缺陷影響范圍分析

結(jié)合各鉆孔穩(wěn)定地下水位及綜合分析的溶洞、溶腔分布，根據(jù)各組鉆孔芯樣棲霞組瘤狀灰?guī)r、棲霞組頁巖等不同巖層分布高程，可知巖層產(chǎn)狀為傾向河床下游(南東)，推測發(fā)育溶腔的二疊系下統(tǒng)棲霞組瘤狀灰?guī)r產(chǎn)狀亦如此；鉆孔揭示地下水位穩(wěn)定高程最低為142.0m(ZK9-1)，均在二疊系下統(tǒng)棲霞組頁巖最高出露高程141.2m以上；當(dāng)前9號基礎(chǔ)開挖揭示溶槽走向與傾向均與上述分析能夠一一對應(yīng)，可判定9號基礎(chǔ)基底影響范圍均受下伏隔水的二疊系下統(tǒng)棲霞組頁巖影響，巖溶將沿著瘤狀灰?guī)r層向河床下游發(fā)育，而9號基礎(chǔ)142.0m高程以下已無溶蝕影響。

綜合分析可得出如下結(jié)論：

a.該區(qū)域均為沉積巖，巖層產(chǎn)狀傾角較小，不整合面屬陸相剝蝕，除溶蝕外，無其他褶皺、斷裂等不良地質(zhì)條件。

b.該渡槽地基下部南北向貫穿發(fā)育巖溶為受巖性控制的層間洞隙，規(guī)模不大，9號基坑開挖面高程138m以下再無大的溶洞空腔，穿過地基巖溶發(fā)育層位后，巖溶不發(fā)育，不存在深層巖溶問題。

依據(jù)地質(zhì)缺陷分布分析成果繪制的地質(zhì)缺陷分布情況見圖14。

4　結(jié)論與展望

4.1結(jié)論

鑒于目前鮮有綜合對比不同勘察、物探方法對不整合地層巖溶分析的研究成果，針對該工程不整合地層巖溶地質(zhì)缺陷進行的分析研究，采用不同勘察、物探方法進行對比、分析，排除特殊地層對數(shù)據(jù)分析的影響。由不同勘察、物探方法在特殊地質(zhì)缺陷上的應(yīng)用、分析，分析基礎(chǔ)下部構(gòu)造及缺陷影響范圍，體現(xiàn)了在地基缺陷勘察、分析方案上的創(chuàng)新。同時總結(jié)出如下結(jié)論：

a.由于地質(zhì)雷達波與電磁波CT探測波受赤鐵礦影響較大而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異常，導(dǎo)致部分分析成果存在偏差，特別是容易對電磁波掃描軟件成圖所示的呈紅色的高吸收遞減梯度分布區(qū)域，誤判為地質(zhì)缺陷。

b.綜合地質(zhì)雷達與各鉆孔數(shù)據(jù)對應(yīng), 對于構(gòu)造較復(fù)雜區(qū)域探測效果較好;但受地層巖性變化較大的影響, 該區(qū)域圖形分析難度較大,不能夠?qū)⒉涣嫉刭|(zhì)構(gòu)造與地層巖性突變較好地區(qū)分;下伏特殊礦石地層分布與厚度對地質(zhì)雷達波探測深度與精度影響較大,下伏對地質(zhì)雷達波有較大吸收作用的赤鐵礦地層如距離探測基面約2m，可將地質(zhì)雷達的有效探測深度降至1/2～1/3。

4.2展望

隨著施工技術(shù)、地質(zhì)勘查技術(shù)不斷創(chuàng)新和突破，渡槽基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷勘察、物探等技術(shù)在工程的應(yīng)用將得到進一步的普及和發(fā)展。今后如何針對特殊的地質(zhì)缺陷，選擇合適的勘察手段及分析方式，最終選擇合適的基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理方案，將成為一個新新的研究方向。

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Investigation and analysis on aqueduct foundation unconformity strata karst geological defect

ZHANG Tao1, SUN Sishi2, YAN Jianghua1

(1.YichangDongfengquIrrigationDistrictAdministration,Yichang433002,China;2.HubeiShuizongWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.,Ltd.,Wuhan430010,China)

In the paper, geological defects encountered in Zhizhudong aqueduct construction of Dongfeng main canal are surveyed through drilling, geological radar, electromagnetic wave CT and other geophysical prospecting technology. The results are comparatively analyzed and studied. The qualitative geological structure is analyzed, stratigraphic unconformity formation reasons are sorted out. Unconformity formation karst development mechanism and influence scope are analyzed. Defect distribution range and adverse influence of geological defect on aqueduct structure are mainly studied. The contents in the paper are reflected on innovation of foundation defect analysis method, and new concepts are provided for analyzing aqueduct foundation geology defects by peers in the future.

aqueduct; foundation; defects; analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.012

TV221.2

A

1005-4774(2016)09- 0046- 06