湖南地区红层岩溶类地质层勘察与预防措施

樊明山

1 红层岩溶矿体类型

红层作为一种陆相沉积建造，其中所含的矿体种类繁多、岩性复杂，其颜色均以红色为基本色，其层厚多为中厚至厚层状，亦有薄层的页岩和巨厚层的砂砾岩和砾岩等。根据矿体与岩溶的联系，红层岩溶可划分为三种矿体类型。

1.1 粘土岩类岩溶

包括紫红色薄～中厚层状的粘土岩，粉砂质粘土岩、泥岩、粉砂质泥岩等，该类型岩石成分比较单一，大多以薄层的形式出现，亦可见厚达数米乃至数十米的情况。该类型矿体分为两种情况，一是矿体胶结物成份不含钙质或微含钙质，也没有石膏、芒硝等矿物，因此矿体中所产生的变异以分化或泥化为主，溶蚀现象鲜见，由于结构密实，孔隙率低，是较好的隔水层，也常成为岩溶发育控制层。二是矿体中的胶结物成份含钙质，有些含有石膏、芒硝等矿物，常伴随岩溶，溶蚀是由于胶结物或部份溶于水的矿物溶蚀，岩溶的规模往往不大，大多表现为溶蚀淋滤晶孔密集，不易引起人们的警惕，形成隐患。

1.2 红层砂岩类岩溶

包括紫红色、紫色的红层泥质粉砂岩，粉砂岩、细砂岩、砂岩等，该类矿体多为中厚～厚层状，该类矿体有的为泥质、铁质、硅质胶结，有的钙质胶结，矿体中含有碳酸盐（主要为方解石）、硫酸盐、石膏或其他卤化物晶体。当胶结前者时，基本上不发育，后者则产生溶蚀作用，在矿层内型成溶蚀晶洞或溶隙，成为地下水含水或透水带。

此类型岩溶与一般碳酸盐岩形成岩溶的情况主要有以下不一样：一是溶蚀是由于胶结物或部份溶于水的矿物溶蚀，岩溶的规模往往不大，以至不易引起人们的警惕，二是不像一般的灰岩，只要是裸露的矿岩层均可以见到溶蚀现象，而此类岩溶更受到环境，条件的严格限制，与矿山地下水的流经，矿层裸露时间的长短更加密切相关。当矿层裸露时间长，原矿层内己发育岩溶，已具有较多的微小的溶蚀裂隙时，往往极易造成滑坡等地质灾害。

1.3 砾岩类岩溶

该类岩溶多发生在以灰岩砾石为主要成份的底砾岩，砾石成份多为其下伏地层的矿体，矿体构造以厚层或巨厚层状的较多，砾石一般粒径1cm ～20cm，也有更大者，多为钙质胶结。岩溶的发育与胶结物成份密切相关，当为钙质胶结时，多沿砾石周围，断裂构造带、辟理线，岩层层面等出现溶蚀破坏；也可见砾石被部分溶蚀或全部溶蚀形成溶洞、溶沟等。

2 红层岩溶的表现形式

湖南白垩系、第三系红层下伏地层大部分为古生代矿层、矿带，古生代泥盆系多为碳酸盐岩石，如棋子桥组、佘田桥组均大部分是灰岩，不论是粘土岩类、砂岩类或砾岩类矿层，它们都与石灰岩不同，均只能是矿体的某部份可被溶蚀，因此红层的岩溶机理与碳酸盐岩类有很大的差异，且岩溶的形态也不尽相同。红层中常见的岩溶形态有以下几种。

2.1 溶蚀淋滤晶孔

在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩中有许多直径数毫米的钙质晶体，硫酸盐矿物或其它卤化物，当遇地下水以层面为径流通道时，使它们被溶蚀而形成晶孔，其成大小不均的孔洞，当这些小晶孔，晶洞沿层面形成时，往往使地下水顺层面溢出形成涓涓细流。当整个岩体均布满淋滤晶孔时，则在矿山斜坡形成非常危险的滑坡体。当砾岩中砾石周边的钙质胶结物被逐渐溶蚀成晶孔或晶洞时，使其砾石与原岩的结构被破坏松动，砾石在重力作用下，沿斜坡或陡壁撤落，留下诸多与烁石大小相近的孔洞，这些孔洞之间不相通，或只与裂隙相通，属于单个皱型洞。对这些新鲜的洞壁仔细观察，可发现密布溶蚀淋滤晶孔或晶洞。

2.2 渗蚀潜蚀裂隙

红层粘土岩类和红层砂岩类中，高倾角节理内的方解石脉或裂隙两侧的钙质胶结物被溶蚀后形成裂隙或溶隙。该种裂隙一般在地表沿裂隙走向延伸，向深部沿裂隙倾向发育，其裂隙的宽度差异大。由于裂隙与地表相连，当该裂缝位于水下时，常被粘土，粉细砂和小直径砾石紧密充填，在高水头作用下，仍能产生机械管涌。

当在厚层和巨厚层砾石层或砾石层夹砂岩互层中，由于层内胶结物含量的差异和砾石含量比例，砾石直径大小的不均一，使之层间的溶蚀速度有明显差异，特别是当溶蚀层上为非钙质胶结的泥质砂岩，砂质泥岩等时，层状溶蚀更容易产生，因而常在矿层中形成上部呈拱形，矿层覆盖单薄的矩形或长形洞穴相互连通。

3 红层岩溶发育特征

根据调查和统计，湖南白垩系、第三系红层发育具有以下几个方面的特征：

（1）红层岩溶的溶蚀形态的分布具有明显的分层性，溶蚀现象主要发生在表层和浅部，且多与地表裂隙直接连通，在河床和近河床的溶洞多为砂卵石、粉细砂、粘土或块砾石充填。由于中生代以后的红层堆积地质时代不长，同时仅石灰岩砾石易于溶蚀，是红层岩溶主要分布于地表及浅部，规模往往不大的主要原因。

通常的情况下，断面呈带状或楔形，主要沿层面延伸，垂直发育深度一般仅几米，宽仅为高度的几倍，平面上常尖灭再现或与溶蚀裂缝相通。向深部则以溶蚀裂缝为主，其溶蚀基准面常以达非钙质胶结的砂岩或泥质岩即中止等相对隔水层控制。

（2）矿体的种类控制着岩溶发育的强度。岩溶发育受岩性的控制，岩溶最发育为巨厚层状的灰岩砾为主的砾岩或钙质砂岩由于砾岩中灰岩砾石的含量、砂岩、泥岩夹层所占比例和胶结物含量的不同，岩溶的发育程度各异。一般来说灰岩砾石和钙质胶结物愈多者，则岩溶发育愈强烈，即岩溶率大，岩溶形态和规模也较大，因此各种矿层岩溶发育具有非均一性。

（3）矿层面，构造线和地下水流向严格控制着岩溶的发育方向，红层地区、表层溶洞多沿层面延伸，浅层溶洞主要沿矿层层面及节理交叉组合溶蚀发育，特别是那些强烈溶蚀集中带往往是层面和构造裂隙，风化裂隙的综合发育带。常见一些呈长条形的溶蚀洼地或一些洞穴的长轴方向与地下水的流向基本一致，由此看来，岩溶发育的方向主要受区域构造和地下水流向的控制。岩溶发育深度小，且具向深部逐渐减弱的特点。

4 红层岩溶机制

白垩系、第三系红层没有海相沉积，因此没有红层晶质石灰岩，故基本上没有大规模的溶洞或溶洞群，宏观上岩溶主要发育于灰岩砾石为主的砾岩之中，但其他岩性亦可能有岩溶，有些宏观上不易观察得到，更要引起重视。

（1）红层岩溶机制以化学溶解为主、机械侵蚀为辅的作用。在长期湿热气候与一定的成岩、结构和构造条件下，通常碳酸盐矿物如方解石、白云石（或可溶碳酸盐）含量超过50%时，岩溶开始明显发育，50%～70%时岩溶微发育，70%～90%时岩溶中等发育，超过90%时岩溶强发育。

以灰岩砾石为主的砾岩岩溶机制有两类：一类是胶结物的方解石、白云石含量少于砾石时，且该岩溶红层受构造运动影响小，节理裂隙不发育造成胶结物妨碍岩溶水运动和溶蚀进行，反映岩石露头的石灰岩烁石凹进、而胶结物突起的差异溶蚀，表现为砾岩中的方解石、白云石含量与非红层石灰岩相同而红层岩溶发育较差的情况。另一类是当胶结物的方解石、白云石含量高于砾石时，这类砾岩岩溶主要是胶结物的溶蚀潜蚀，造成岩石解体，砾石成为溶洞的充填物，这就是红层碎屑岩中的“假岩溶”—化学溶解与潜蚀同样重要的一种岩溶。红层成岩期短，粒间连结力相对薄弱，是发育假岩溶的地质基础。该红层属半坚硬岩石，其天然抗压强度常接近25MPa，但岩芯放置几天便崩解碎裂。

（2）含钙或钙质红层砂岩宏观岩溶发育多是胶结物的方解石、白云石含量高于其砂砾，其岩溶机制与上述第二类砾岩相同。可初步认定，岩石的方解石、白云石含量超过12%时，岩溶开始明显发育，12%～35%时岩溶微发育，35%～65%时岩溶中等发育，超过65%时岩溶强发育。这便是含钙或钙质红层砂岩假岩溶发育的区间值。

（3）泥质类红层岩溶宏观特征一般不明显，多为隐蔽性的岩溶，主要与含硫盐有关，如石膏、芒硝等。

5 可溶性红层地基的地质结构勘察要点

红层地区的岩性由于其岩石力学强度不高，且在钙泥胶结的红层砂岩、粉砂岩和灰砾岩中有岩溶发育，或有风化、水化溶蚀后形成的软弱夹层，因此对红层地基应根据其建筑物的类型、等级进行地质勘察，勘察工作要按不同勘察阶段的技术要求进行。对于重要的矿山地质工程，通过勘察要查明下述问题，并进行全面的收集水文资料，结合现场实际情况给与水文地质和工程地质评价。

5.1 可溶性红层地基勘察的基本要求

一般说来，可溶性红层地基勘察应满足以下六个方面的基本要求。

查明层的岩性成份与结构特征，包括颗粒成份与粒度，胶结类型（即充填胶结或固结胶结，胶结物成份等），必要时可进行适量的矿体鉴定工作。着重调查软弱层。即软弱结构面和软弱夹层的分布、产状、规模及岩性组成，孔隙性、渗透性及其他不良性状。

查明含盐包括碳酸盐及硫酸盐（如石膏、芒硝等）红层发育的层位、厚度、矿物组成与化学成份，含量和分布特点及工程地质性状。对可溶盐要了解其溶解速度，膨胀变形及对混凝土的侵蚀破坏性质。

查明钙质胶结碳酸盐质砾岩岩类和含盐砂质岩类的可溶性组成物的含量、厚度、分布、变化规律以及岩性结构、次胶结结构和颗粒成分等。重点调查溶蚀发育和分布特征，包括溶蚀形态的主要类型、组合方式，溶蚀发育层位和空间分布特征及其影响因素。

查明地下水的类型、形成条件和分布规律、补给、径流和排泄特征，了解地下水位埋深、变化幅度、岩层的透水性，并评价和判定其渗透性能。

要全面分析各项地质资料，对红层岩溶地基进行专题研究，结合研究成果，编制含盐岩类工程地质分区图，将含盐岩类的性质、类型、岩性、厚度、分布、埋藏条件以及工程地质性状等标注于图上。编制红层岩溶溶蚀分区图，其内容包括岩溶的类型、层位、发育程度分级和分布特征等。

5.2 可溶性红层地基勘察的工作方法

红层中的岩溶形态是极为丰富的，但它与碳酸盐类矿体中的岩溶相比却具有自身的特点，因此不能套用一般碳酸岩地质岩溶勘察的工作方法，而应做到有的放矢，深入研究此类岩溶的独特规律，为工程建设服务。

在红层区的野外地区调查中，要尤其细心观察。溶蚀现象不象碳酸盐类岩溶那样的直观，具有那样大的规模，有些要通过放大镜仔细观察才能发现有许多晶孔、晶洞等溶蚀现象，而正是因为这些溶蚀现象给工程造成重大的隐患。矿山工程地质钻探过程中亦不似碳酸盐岩地区，岩溶肯定会造成孔口不返水等，而红层岩溶由于其规模不大，微小的晶孔、晶洞有些将被冲洗液中的泥质充填，而不一定造成井口不返水，而只有少量渗透进岩层之中，因此以为不存在岩溶现象是不正确的。由于钻探机械的强制扰动，冲洗液中的水份通过溶蚀晶孔、晶洞进入钻探取样岩芯继续作用，造成矿体的结构构造发生一定的变化，因而取得的岩样试验结果均人为地降低了矿体地质结构的实际强度，这就是红层地基承载力被低估的主要原因之一。

实际工作中，为了准确确定红层地基的承载力，往往不仅采取矿样进行室内试验，同时可以进行孔内旁压实验，有条件的话可以做小平板荷载实验，如为中风化或强风化层，还可以通过点载荷试验、标准贯入试验，动力触探实验等现场试验方法。通过室内试验和现场原位测试，互相印证，确定红层的工程特性。当有渗透性要求时，可通过室内渗透性试验，现场注水、压水试验，甚至抽水试验，综合确定地质结构层的渗透性能。

6 红层岩溶防治措施

在红层岩溶区进行岩土工程设计时，应根据所设计的工程项目特征选用合适的防治措施。

由于红层岩石渗透造成边坡的不稳定性，给切方边坡的稳定提出了更难的要求，尤其是地质勘测中的边坡稳定至关重要。由于红层岩溶的作用，使原本属于软弱岩类的红层更加增加不稳定因素。红层上覆土层一般为较松散碎石土或粉质粘土，孔隙比较大、粘结力差、地表水容易下渗，下伏的红层基岩透水性相对较弱，地表水下渗至基岩表面后沿堆积层与基岩接触带附近密集、运动，在地下水作用下不仅增加土体自重、增加下滑力，降低了岩土体的力学强度及滑动面抗滑力。同时由于地下水顺岩面由晶孔、晶洞向里渗入、加速易溶盐类的溶蚀作用，从而使岩体的结构进一步破坏，进一步诱发浅表性大面积牵引式滑坍。

对于可能诱发浅层牵引式滑坍，可采取削坡减载，放缓边坡，加大碎落台， 清除松散土体，以减轻边坡上部荷载，在边坡下部采用抗滑挡墙支护，确保边坡坡脚稳定，并可结合现场实际，进行坡面防护。

对于整体性较好的岩质边坡可采用挂网喷锚及时封闭，以防岩体风化及表面水进入溶蚀易溶盐类而造成边坡坍塌。同时，处理好地表水及地下水的截流引排工作，主要是设置好截水沟，并在坡面根据实际情况设置渗沟，引水管，防止地表或地下水下渗。

对具红层岩渗的地段不宜采用高填深挖，同时支挡结构上要以轻型兼具抗滑的结构为好，如桩基或加筋土挡墙等。