渡槽基础不整合地层岩溶地质缺陷勘察与分析

张　涛　孙思施　严江华

(1.宜昌市东风渠灌区管理局, 湖北 宜昌　433002；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司, 湖北 武汉　430010)



渡槽基础不整合地层岩溶地质缺陷勘察与分析

张涛1孙思施2严江华1

(1.宜昌市东风渠灌区管理局, 湖北 宜昌433002；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司, 湖北 武汉430010)

通过钻孔、地质雷达及电磁波CT等物探技术对东风总干渠的蜘蛛洞渡槽施工中遇到的地质缺陷进行勘察，对成果进行对比分析研究，对地质构造定性，理清地层形成不整合成因，分析不整合地层岩溶发育机理及影响范围，着重研究缺陷分布范围，以及地质缺陷对渡槽结构的不利影响。本文内容体现了在地基缺陷分析方法上的创新，为同行今后对渡槽基础地质缺陷分析提供新的思路。

渡槽; 地基; 缺陷; 勘察; 分析

1　项目概况

蜘蛛洞渡槽拆除重建工程位于宜昌市夷陵区，是宜昌市东风渠灌区总干渠上的的咽喉建筑物，设计流量14.0m3/s，满槽过流能力16.8m3/s。蜘蛛洞渡槽9号基础在开挖至设计高程154.88m时，发现基坑以下又发育一条近南北向贯穿基坑的溶洞，宽0.6～2.1m，顶部高程154～155m，底部高程151～153m，坡度12°向南(河床下游)出基坑，洞壁光滑，溶洞顺砂岩与砾岩界面发育。

因地质情况发生变化，重新组织补充地勘。为弄清基坑的地质情况，考虑到完整岩层里填充的岩溶洞穴、裂隙破碎带、岩溶水与完整围岩存在明显的电性差异，对雷达发射的电磁波能形成强反射界面，采用探地雷达探测岩体前方的断层、破碎带、溶洞和含水层具备较充分的地球物理前提条件。先后在9号基坑四角与中心进行地质钻孔，再对钻孔进行地质雷达和电磁波穿透测试。具体孔位及测线布置见图1。

图1　9号基础孔位及测线布置

2　地质钻孔勘察成果分析

2.1地质钻孔成果分析

此次按设计承台基础四个角点和中心点共在基础布置5个补充地勘孔，并进行素描、编录分析。

依据ZK9-1揭示，孔口154.7～148.8m高程段岩芯呈碎块状、短柱状，风化、溶蚀裂隙发育，泥质、钙质充填，断面不平整，断口锯齿状，钻进不均匀，特别是有返水，但量小，说明该处无大的溶蚀空腔；在144.7～140.2m高程段发育1处4.5m高溶腔，充填为黏土夹块石砾石；且地下水稳定在142.0m高程。

依据ZK9-2揭示，孔口154.8～151.8m段为白垩系下统石门组砾岩，岩芯由泥红色黏土砾质胶结，呈碎块状、短柱状，断层15～30cm，断面不平整，断口锯齿状,钻进不均匀，返水量小，151.8～150.5m高程段为空腔，无充填物，掉钻、掉水, 地下水稳定在145.3m高程。

依据ZK9-3揭示，孔口155.0～147.0m高程段岩芯由褐黄色黏土泥、钙质胶结，呈碎块状、短柱状，钻进不均匀，返水量小，其中孔深：1.7～2.2m为空腔，2.2～3.7m为黏土、碎块石填充，塌孔，掉钻，返水泥红色，进尺快；在145.6～141.2m高程段岩石较完整，裂隙不发育，偶见层面风化，地下水稳定在152.0m高程。

依据ZK9-4揭示，孔口154.9～150.1m高程段白垩系下统石门组砾岩岩芯呈碎块状、短柱状，风化、溶蚀裂隙发育，泥质、钙质充填，断面不平整，断口锯齿状，钻进不均匀，返水量小；150.1～148.5m高程段为白垩系赤铁矿，地下水稳定在148.9m高程。

依据ZK9-5揭示，孔口153.4～146.4m高程段为白垩系下统石门组砂岩，152.6～151.6m高程段返水量偏小， 151.6～149.4m高程段为白垩系赤铁矿，地下水稳定在149.9m高程。

2.2地质雷达扫描成果分析

此次利用Pulse Ekko PRO地质雷达进行探测，资料分析整理结果如下：

a.测线1由南至北方向0～3.0m、底板以下深度1.76～12.0m处，存在强振幅雷达反射波组，波形凌乱，推测为溶腔或为溶蚀洞穴；由南至北方向6.0～9.0m、底板以下深度1.65～4.5m处，存在强振幅雷达反射波组，波形凌乱，推测为岩体裂隙发育。见图2。

图2　测线1测试结果

b.测线2由南至北方向1.3～5.0m、底板以下深度1.0～8.5m处，波形异常，推测可能发育溶洞或溶腔；由南至北方向6.8～10.3m、底板以下深度1.6～5.5m处，波形异常，推测可能发育局部小溶洞。见图3。

图3　测线2测试结果

c.测线3由南至北方向5.1～6.5m、底板以下深度1.3～2.1m处，波形异常，推测可能发育小溶洞或槽；由南至北方向5.1～7.23m、底板以下深度5.0～7.0m处，波形异常，推测可能发育局部小溶洞。见图4。

图4　测线3测试结果

d.测线4由南至北方向1.0～4.8m、底板以下深度5.0～8.7m处，波形异常，推测可能发育溶洞或溶腔；由南至北方向5.3～7.5m、底板以下深度1.6～5.0m处，波形异常，推测可能发育局部小溶洞。见图5。

图5　测线4测试结果

e.测线5由南至北方向1.4～3.6m、底板以下深度4.1～6.0m处，波形异常，推测可能发育溶蚀裂隙或溶腔，见图6。

图6　测线5测试结果

f.测线6由南至北方向1.5～2.5m、底板以下深度1.6～5.5m处，波形异常，推测可能发育小溶洞，见图7。

图7　测线6测试结果

2.3电磁波穿透成果分析

此次采用JW-5Q型大功率地下电磁波仪，将CT成像结果与地质剖面合二为一，形成CT地质剖面图，成果图及推测如下：

a.距离ZK9-4号孔0～2.5m、高程148～149.5m处有红色的高吸收系数区域，推测为赤铁矿；而整个剖面高程147～150m处有一条带状的黄色较高吸收系数区域，推测为裂隙较发育区域；距离ZK9-4号孔0.5～1m、高程143～144.5m处有黄色的较高吸收系数区域，推测为裂隙发育区域。见图8。

图8　ZK9-4-ZK9-1电磁波CT剖面

b.距离ZK9-1号孔0～1m、高程147～148m处有浅绿色的中等收系数区域，推测为裂隙发育区域；距离ZK9-1号孔0.5～3m、高程142～143.5m处有橙色的高吸收系数区域，推测为裂隙发育区域；距离ZK9-3号孔0.5～2.5m、高程147～148m处有浅绿色的中等吸收系数区域，推测为裂隙较发育区域；其余区域较为完整。见图9。

图9　ZK9-1～ZK9-3电磁波CT剖面

c.距离ZK9-5号孔1～8m、高程148m～149.5m处有红色的高吸收系数区域，推测为赤铁矿；距离ZK9-1号孔0～2m、高程147～148m处有黄色的较高吸收系数区域，推测为裂隙发育区域。见图10。

图10　ZK9-5-ZK9-1电磁波CT剖面

d.整个剖面的顶端有较长的高吸收系数区域，推测距离ZK9-5号孔2～4.3m处有岩溶发育；整个剖面的底部同样有较长的高吸收系数发育区域，推测距离ZK9-5号孔4～5m处有裂隙发育。见图11。

图11　ZK9-5-ZK9-3电磁波CT剖面

e.距离ZK9-4号孔0.5～4m、高程148～149.5m处有红色的高吸收系数区域，推测为赤铁矿；距离ZK9-3号孔0～1m、高程141～142m处有黄色的较高吸收系数区域，推测为裂隙发育区域。见图12。

图12　ZK9-4～ZK9-3电磁波CT剖面

f.整个剖面的顶端高程148～151m有条带状较长的高吸收系数区域，推测赤铁矿发育；距离ZK9-4号孔0～1m、高程144～146m处有浅绿的中等吸收系数区域，推测为裂隙较发育区域；其余区域较为完整。见图13。

图13　ZK9-4～ZK9-5电磁波CT剖面

根据电磁波穿透成果，除受赤铁矿影响有较大异常外，其他部位未发现连续异常，说明基坑内无大型岩溶。

3　地质缺陷成因、影响范围分析

3.1地质缺陷成因分析

依据勘察资料分析，在二叠系下统栖霞组页岩夹灰岩与白垩系下统石门组砾岩夹砂岩间存在地层缺失，推测该处符合不整合接触的上下两套不同时代地层之间出现地层缺失关系的条件。结合仅在基础下半侧148～150m高程附近揭示有赤铁矿，可以推测基坑位于二叠系下统栖霞组页岩夹灰岩与白垩系下统石门组砾岩夹砂岩不整合结触面处，该结触面应属二叠系晚期至三叠纪露出海面，长期受地表剥蚀，造成长时间的沉积间断，在地形上形成走向南北向、北高南低深槽，然后再下降接受沉积，导致三叠纪沉积间断，即在先后沉积的地层之间缺失了三叠纪时期的地层，造成上、下地层时代的不联系性，在白垩纪早期深槽被砂砾岩填平，白垩纪以后该区受黄陵被斜影响，处于缓慢抬升过程中，再度在该区形成走向近南北、北高南低河流，即现状位于基坑边缘的河流。

3.2地质缺陷影响范围分析

结合各钻孔稳定地下水位及综合分析的溶洞、溶腔分布，根据各组钻孔芯样栖霞组瘤状灰岩、栖霞组页岩等不同岩层分布高程，可知岩层产状为倾向河床下游(南东)，推测发育溶腔的二叠系下统栖霞组瘤状灰岩产状亦如此；钻孔揭示地下水位稳定高程最低为142.0m(ZK9-1)，均在二叠系下统栖霞组页岩最高出露高程141.2m以上；当前9号基础开挖揭示溶槽走向与倾向均与上述分析能够一一对应，可判定9号基础基底影响范围均受下伏隔水的二叠系下统栖霞组页岩影响，岩溶将沿着瘤状灰岩层向河床下游发育，而9号基础142.0m高程以下已无溶蚀影响。

综合分析可得出如下结论：

a.该区域均为沉积岩，岩层产状倾角较小，不整合面属陆相剥蚀，除溶蚀外，无其他褶皱、断裂等不良地质条件。

b.该渡槽地基下部南北向贯穿发育岩溶为受岩性控制的层间洞隙，规模不大，9号基坑开挖面高程138m以下再无大的溶洞空腔，穿过地基岩溶发育层位后，岩溶不发育，不存在深层岩溶问题。

依据地质缺陷分布分析成果绘制的地质缺陷分布情况见图14。

4　结论与展望

4.1结论

鉴于目前鲜有综合对比不同勘察、物探方法对不整合地层岩溶分析的研究成果，针对该工程不整合地层岩溶地质缺陷进行的分析研究，采用不同勘察、物探方法进行对比、分析，排除特殊地层对数据分析的影响。由不同勘察、物探方法在特殊地质缺陷上的应用、分析，分析基础下部构造及缺陷影响范围，体现了在地基缺陷勘察、分析方案上的创新。同时总结出如下结论：

a.由于地质雷达波与电磁波CT探测波受赤铁矿影响较大而产生的数据异常，导致部分分析成果存在偏差，特别是容易对电磁波扫描软件成图所示的呈红色的高吸收递减梯度分布区域，误判为地质缺陷。

b.综合地质雷达与各钻孔数据对应, 对于构造较复杂区域探测效果较好;但受地层岩性变化较大的影响, 该区域图形分析难度较大,不能够将不良地质构造与地层岩性突变较好地区分;下伏特殊矿石地层分布与厚度对地质雷达波探测深度与精度影响较大,下伏对地质雷达波有较大吸收作用的赤铁矿地层如距离探测基面约2m，可将地质雷达的有效探测深度降至1/2～1/3。

4.2展望

随着施工技术、地质勘查技术不断创新和突破，渡槽基础地质缺陷勘察、物探等技术在工程的应用将得到进一步的普及和发展。今后如何针对特殊的地质缺陷，选择合适的勘察手段及分析方式，最终选择合适的基础地质缺陷处理方案，将成为一个新新的研究方向。

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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