广西平果铝厂一期工程厂区岩溶勘察研究与分析

　　摘要：通过对厂区构造稳定性和岩溶初勘研究，查明了岩溶发育地质背景条件及其发育分布特性和规律，得出了场地构造是稳定的和岩溶是可以治理的结论，回答了建厂的可行性和适宜性两大难题。通过岩溶详勘研究，对该厂区岩溶特性有了进一步的认识，对岩溶地基给予了评价，提出了处理建议，取得了明显的社会效益和经济效益，并获二○○○年国家金奖。
　　关键词：岩溶 勘察 地基处理
　　1、引言
　　广西平果铝厂一期工程是国家“八五”重点工程，已经建成投产，厂区面积达4km2.该一期工程厂区处在活动性断裂带形成的构造复杂、岩溶发育的右江南岸岩溶准平原上，因而在建厂的可行性和适宜性上都存在过疑问。因此一期工程一开始就面临两大岩土勘察技术难题：一是场地构造稳定性问题；二是场地岩溶地基能否处理。鉴于这两大问题在性质上各有不同，因而采取了分二个阶段进行勘察研究。前一阶段勘察结果表明：场地内的断层自晚更新世以来没有活动，且破碎带胶结情况较好（地震基本烈度为7度）。这个结论明确回答了建厂的可行性问题，于是将工作重点转入第二阶段，即厂区岩溶问题的研究与分析。
　　2、岩溶勘察研究的步骤及方法
　　2.1　研究步骤
　　广西平果铝厂一期工程厂区岩溶勘察研究工作主要分为初期、详勘二大步。首先是在选址勘察和稳定性初勘的已有资料基础上，进行“岩溶初勘”，着重查明岩溶发育的地质背景条件及其发育分布的特性和规律，确定原则性的工程对策，解决建厂适宜性评价和治理战略问题。第二步进行岩溶详勘，具体解决各建设项目地基岩溶的评价和治理方法问题。
　　2.2　研究方法
　　在各阶段的岩溶勘察工作中，依据有关规范和国内已有资料及经验的基础上，结合工程具体情况，实行了一套多种勘探测试技术相结合，宏观研究与微观研究相结合、生产与科研相结合，以及边实践边总结边充实边改进等求实的勘察工作方法，收到了良好效果。以岩溶初勘为例，进行了大、中、小比例尺配套的综合工程地质测绘（1：2.5万，1：5千，1：2千）；多种物探；多种勘探（钻探为主，辅以井槽探，钻探中还进行了孔内地下水位连续观测）；多种室内试验（如c14法测定溶洞充填物绝对年龄）等工作，从而对岩溶发育的特性和规律取得了较完整的认识。
　　3、岩溶初勘研究及其结论
　　3.1　区域岩溶发育的地质背景
　　平果铝厂位于广西山字型构造前弧西冀外的北西向右江构造带（右江系）中，发育有那豆复背斜、果化复向斜和大隆复背斜，两个复背斜主要是由三迭系、二迭系、石炭系和泥盆系的碳酸盐构成，形成低山～峰丛地貌。一期工程厂区所在的果化复向斜为三迭系下统的白云质灰岩、白云岩，又存在高椅山倾伏向斜和局祥倾伏背斜两个次一级构造单元。右江大断裂在果化复向斜中通过，形成长条形断陷槽地～岩溶准平原地貌（简称溶原），按岩溶的埋藏条件分类，属裸露型岩溶。
　　3.1.1 新构造运动与岩溶发育史
　　该区域从晚第三纪新构造运动以来，地壳一直处于间歇性的上升运动中，因此当地岩溶发育史又可分为高峰期、低峰期、准平原期、右江岩滩期和右江河床期等五个岩溶期。其中以右江岩滩期岩溶与一期工程建设关系密切。
　　3.1.2 区域水文地质条件
　　该区域地处湿热气候区，年平均降水量1374.2mm，年蒸发量1572.6mm，平均气温21.08c°，极适合于岩溶发育。其地下水由大气降水补给。低山～峰丛区是补给区，溶原区是径流——排泄区，右江是泄水道。在枯水季节，地下水通过岩滩期地下水通道穿越溶原区直接泄入右江。但在雨季，峰丛区的岩溶水可以大量地在边缘部沿着准平原期岩溶通道以暗河出口或上升泉形式涌出地面，再沿溶原中的“干沟”流动一段或长或短距离后又与溶原区本身接受的降水—道沿落水洞或溶蚀裂隙下渗，再次转化为地下径流，再沿岩滩期暗河通道泄入右江，形成地面——地下——地面——地下多次转化的径流景观。
　　溶原中的地下水主要是以管道流形式沿岩滩的岩溶通道存在和运动。地面以下至右江岩滩期岩溶顶面为垂直岩溶带，右江岩滩期岩溶以下为水平循环带。长期观测获得的水位年变化幅度达10米左右，丰水期高水位可接近地表。初勘期间有过遇到大雨后一天之内落水洞中水位从15米深度涌出地面的记录，但不会发生右江水沿地下通道倒灌厂区的现象。
　　岩溶初期查明，当地岩溶发育的基本特点是受岩性、构造、地下水、右江（区域岩溶水排泄基面）和新构造运动等因素的综合控制，由于这些因素存在多种多样的组合形态，才导致了复杂多样的岩溶现象。
　　3.2 厂区岩溶发育的特性和规律
　　3.2.1构造控制作用明显。受了强烈挤压构造作用的白云质灰岩构造裂隙极为发育，形成以溶蚀裂隙和溶槽为主的岩溶形态，落水洞和暗河通道也多呈不规则的裂隙状形态。岩溶的平面发育方向与构造线方向密切相关。
　　3.2.2总的发育深度较浅。由于溶原区的地下岩溶属右江岩滩期，而现代河床从右江岩滩期开始下切深度不大，因此岩溶埋深仅在地面以下15～25米之间，其发育深度较浅。
　　3.2.3发育有小型浅层的树枝状暗河网。它具有规模小而数量多，并且连接或交汇的特点。其延伸方向明显地受构造控制，由于主体构造大体平行右江，次要构造线方向大体垂直右江，因此暗河最终向右江排泄，但并非直线流向右江。作为暗河通道的洞体形态复杂多变，很不规则，多呈窄沟形，形态完整的水平溶洞不多，空间很大的“地下厅”或洞穴仅在高椅山4#暗河见到。
　　岩溶初勘认为，就总体而言厂区岩溶比较发育，形态复杂，又有小型暗河网分布等不利因素，但同时存在如下有利因素：
　　3.2.3.1岩溶形态一般规模较小，且埋藏较浅。在地基处理时不存在特殊困难，不会因此而大量增加处理投资或拖延工期。
　　3.2.3.2岩溶发育已处于相对稳定状态。在工程使用年限内的新发展可以忽略不计，即现有岩溶发育并不危及建筑物的稳定性。
　　3.2.3.3 场地岩溶基本上属裸露型，不存在覆盖岩溶区的塌陷问题和土洞问题。
　　3.2.3.4岩溶发育的规律已经基本掌握。暗河水流问题及局部岩溶复杂区可以通过调整设计来避免，实在不能避免的亦有办法解决。
　　3.3岩溶初勘结论和建议
　　岩溶初勘的基本结论是：厂区岩溶虽然发育，但都是可以处理的。就是说，对这种岩溶的处理不会带来难以解决的技术难题，也不会因此而导致大量增加工程造价或延长工期等问题。
　　根据岩溶初期结论，对设计的总图布置提出了以下建议：
　　3.3.1 总图平面布置上，应绕避将深基坑的建（构）筑物分布在主要暗河通道上，以免堵塞暗河通道。
　　3.3.2 总图竖向设计应尽量避免深挖方，以避免揭露暗河。
　　3.3.3 在可能条件下，主要建筑物宜避免布在强溶区中，以减少地基处理量。
　　4、岩溶详勘研究与地基处理建议
　　4.1厂区岩溶详勘研究及岩溶特性认识的深化
　　通过系统的详勘，进一步查明厂区岩溶发育形态，主要有溶沟，溶槽、石芽、溶蚀孤石、溶蚀裂隙及溶洞。以电解车间为例，对773个钻孔资料统计可以看到这些岩溶现象较普遍存在（见表1）。
　　电解车间钻孔揭露岩溶现象统计表                     表1

岩 溶 现 象　综合岩溶　溶蚀孤石　石 芽　溶 沟　溶蚀裂隙　溶 洞　见岩溶钻孔（个）　398　28　83　83　225　145　与钻孔进尺之比（%）　51.49　7.04　20.85　20.85　56.23　36.43　

　　这些岩溶现象，其分布与特征归纳起来有以下几点：

　　4.1.1  地表溶沟、溶槽、石芽丛生，基岩面凹凸不平。

　　场地基岩裸露，象大片“石海”，期间发育着大小形态各异的裸露溶沟、溶槽和石芽，构成地表相对凹凸不平的杂乱景观。在低凹处多填充有粘土或碎石，往往具有顺层面、沿裂隙延伸的特点。

　　4.1.2 地下岩溶多被充填，空间形态较为复杂。

　　大量钻探资料反映，在钻孔内遇到的各类岩溶现象大部分被粘性土充填，且充填物单一，局部夹极小量碎块石。同时经探井开挖基坑验证，充填粘性土的岩溶主要以溶蚀裂隙和张裂隙为主，也有不少溶蚀弧石被粘性土包裹着。以电解车间701个钻孔所遇岩溶充填情况列入表2：

　　电解车间岩溶充填情况                         表2

充 填 情 况　全 充 填　半 充 填　未 充 填　岩溶现象数量（个）　507　48　25　与总数量之比（%）　87.41　8.28　4.31　
　　从统计数值可分析，这些被充填的岩溶与地表有较好的联通，是由于地表水流和大气降水垂直下渗将基岩表面覆盖粘性土携带到岩溶中而形成的。
　　4.1.3 岩溶的垂直形态
　　岩溶在垂直方向上的表现，其发育程度与岩性、构造有关，形态以溶沟、溶槽、溶蚀裂隙为主，吻合于区域岩溶发育规律：即在可溶岩中发育强，沿断层发育，顺岩层层面发育。在可溶岩中发育强烈表现为在白云质灰岩、灰岩中的岩溶数量比在构造岩中多；沿断层发育表现出多在构造岩（主要为角砾岩）及受断层影响形成的碎裂岩与围岩的接触处，往往形成了溶蚀带；顺岩层层面发育则表现在岩溶沿不同岩性的交接带，沿层面走向延伸呈夹层状展布，还有形成条带状、水平状、拱状的形态各异岩溶分布。
　　综上所述，厂区范围内地下岩溶总的特点是以浅部发育为主，以垂直形态多见。大量勘察数据表明，地面以下0～6m深度内岩溶发育，向下岩溶发育程度明显减弱。如电解车间资料统计（见表3）：
　　电解车间岩溶发育情况                         表3
深 度（m）　见岩溶次数　与见岩溶总次数之比（%）　0.0～2.0　197　26.23　2.0～4.0　302　40.31　4.0～6.0　167　22.24　6.0～8.0　61　8.12　>8.0　24　3.21　
　　厂区内这些发育的岩溶虽然形态复杂，但从工程角度上说，这些岩溶较易治理。根据统计资料，这些岩溶现象中以溶蚀孤石、溶沟、溶槽和溶蚀裂隙形态为主，占70.92%.从而使复杂的岩溶治理简化到集中浅部处理，为地基基础设计及处理提供了可靠的依据和较为有利的条件。就岩石的地基而言，其力学性质指标及承载力是足够的，只是因为有了断层、岩溶的存在才破坏了岩体的完整，影响建筑物的安全。这些浅表岩溶，大多可直接处理。因其可见度高，只需使岩溶化岩体与完整基岩连成一个牢固的整体。所以从工程角度上讲，可以避免大规模处理的昂贵费用及难度，达到安全可靠的目的。
　　4.2厂区岩溶地基处理
　　根据岩溶详勘的深化认识，对设计的地基处理提出以下建议：
　　4.2.1 一般处理原则
　　4.2.1.1 基础下有岩溶发育的地基，当设计要求进行处理后，可按“地基为岩层”看待，并充分利用基岩的承载力。
　　4.2.1.2对岩溶的处理必须不影响场地地基的稳定，在场地范围及附近不得大量抽取地下水，以相对保持场地地下水的平衡，以免造成地表沉陷。
　　4.2.1.3 厂区的地层出露有白云岩，而强风化白云岩遇水软化，极易风化，故要求在地基开挖后应尽快地及时处理，以免基岩裸露或浸水时间过长而降低地基承载力。
　　4.2.2 对有溶洞存在的不良地基的处理
　　厂区溶洞处理方法是：当基底下溶顶板厚度1m以内者，原则上挖开处理，即剔除溶洞、溶槽裂隙中的充填土，用100#毛石混凝土灌满填实，作为基础的垫层；当基底下溶洞顶板厚度大于3m，可不予处理；当基底下溶洞顶板在1～3m之间者，经确认顶板厚度大于洞径的，可以不处理，小于洞径的，则处理。
　　4.2.3 对溶沟、溶槽不良地基的处理
　　勘察结果表明厂区岩溶为浅部发育，发育形态以溶沟、溶槽为主。因此，对溶沟、溶槽不良地基的处理工作量较大，基本处理方法是：在基坑中存在溶沟时，当沟宽<300mm者不必处理，沟宽300～600mm者可挖去沟宽深度的土，表面用木夯夯实，填100#砼即可，因为小于600mm宽溶沟内留下的充填土，在荷载作用下沟侧及底部岩石对土的限制，其压缩变形很小，不会对基础产生影响。
　　沟宽>600mm者，或者沟宽虽<600mm，但基坑底面积虽小而需要处理的面积>20%，应采用钢筋网跨越的方法处理。
　　4.2.4对断层泥地基的处理
　　厂区的断层经鉴定认为是不活动的，厂房可建于断层破碎带上。但是，落在断层上的基础在开挖过程中，有时会遇到断层泥，因断层泥类似碎裂岩石，所以对此类地基的处理可参照处理溶沟、溶槽的方法进行。
　　5、岩溶勘察研究几点认识
　　由于厂区岩溶地基的复杂性和隐蔽性，要对其进行清楚的认识和作出正确的评价，勘察研究工作是关键性环节。如何做好岩溶勘察，总结起来有下面几点认识：
　　5.1 应高度重视从宏观上进行岩溶发育规律和特性的研究，因此就需认真做好基础地质工作，在一个较大范围内查明岩溶发育的各种地质背景条件和发育历史。
　　5.2 合理运用多种勘察方法和探测技术进行综合勘察研究。在地质测绘、物探、钻探“三结合”的综合勘察方法中，地质是基础，据此指导物探，物探又可以指导钻探。在钻探布置时，勘探线垂直构造线（即岩溶发育带）布置，并沿地质测绘和物探所示异常分布带进行布孔。该疏则疏，该密则密，不作均布。
　　5.3 勘察工程既要满足设计要求，又要符合有关规程规范，但不能生搬硬套，而是根据实际情况，合理掌握。如钻孔布置与基础的重要性或荷载大小有关，一般重要的设备基础按设计要求需一孔或多孔，对荷重大于200吨或有特殊要求的柱基要求每柱一孔。对一般柱基或条形基础可按有关规范定：20～25m间距沿柱列线或条形基础中心线布孔。对无钻孔的部位，可采用探井或小钻控制土层厚度。孔深应按“以浅为主，深浅结合”的原则确定，一般孔在基础底面标高以下进入基岩3～5m或溶洞底板以下完整岩石3m，同时安排20%的孔深为15m左右的控制孔，重点布置在强岩溶带中和深部可能存在暗河通道的地段。
　　5.4“过程工作法”是岩溶勘察的良好工作方法。在厂区岩溶评价、初期和详勘过程中都及时整理资料，及时反馈信息，边实践，边研究，边总结，及时修正并指导下一步工作，做到了实践——认识—再实践—再认识的反复循环，因此收到了良好的效果。
　　5.5重视施工验槽以检验勘察成果的准确性。