湖南地區紅層巖溶類地質層勘察與預防措施

樊明山

1 紅層巖溶礦體類型

紅層作為一種陸相沉積建造，其中所含的礦體種類繁多、巖性復雜，其顏色均以紅色為基本色，其層厚多為中厚至厚層狀，亦有薄層的頁巖和巨厚層的砂礫巖和礫巖等。根據礦體與巖溶的聯系，紅層巖溶可劃分為三種礦體類型。

1.1 粘土巖類巖溶

包括紫紅色薄～中厚層狀的粘土巖，粉砂質粘土巖、泥巖、粉砂質泥巖等，該類型巖石成分比較單一，大多以薄層的形式出現，亦可見厚達數米乃至數十米的情況。該類型礦體分為兩種情況，一是礦體膠結物成份不含鈣質或微含鈣質，也沒有石膏、芒硝等礦物，因此礦體中所產生的變異以分化或泥化為主，溶蝕現象鮮見，由于結構密實，孔隙率低，是較好的隔水層，也常成為巖溶發育控制層。二是礦體中的膠結物成份含鈣質，有些含有石膏、芒硝等礦物，常伴隨巖溶，溶蝕是由于膠結物或部份溶于水的礦物溶蝕，巖溶的規模往往不大，大多表現為溶蝕淋濾晶孔密集，不易引起人們的警惕，形成隱患。

1.2 紅層砂巖類巖溶

包括紫紅色、紫色的紅層泥質粉砂巖，粉砂巖、細砂巖、砂巖等，該類礦體多為中厚～厚層狀，該類礦體有的為泥質、鐵質、硅質膠結，有的鈣質膠結，礦體中含有碳酸鹽（主要為方解石）、硫酸鹽、石膏或其他鹵化物晶體。當膠結前者時，基本上不發育，后者則產生溶蝕作用，在礦層內型成溶蝕晶洞或溶隙，成為地下水含水或透水帶。

此類型巖溶與一般碳酸鹽巖形成巖溶的情況主要有以下不一樣：一是溶蝕是由于膠結物或部份溶于水的礦物溶蝕，巖溶的規模往往不大，以至不易引起人們的警惕，二是不像一般的灰巖，只要是裸露的礦巖層均可以見到溶蝕現象，而此類巖溶更受到環境，條件的嚴格限制，與礦山地下水的流經，礦層裸露時間的長短更加密切相關。當礦層裸露時間長，原礦層內己發育巖溶，已具有較多的微小的溶蝕裂隙時，往往極易造成滑坡等地質災害。

1.3 礫巖類巖溶

該類巖溶多發生在以灰巖礫石為主要成份的底礫巖，礫石成份多為其下伏地層的礦體，礦體構造以厚層或巨厚層狀的較多，礫石一般粒徑1cm ～20cm，也有更大者，多為鈣質膠結。巖溶的發育與膠結物成份密切相關，當為鈣質膠結時，多沿礫石周圍，斷裂構造帶、辟理線，巖層層面等出現溶蝕破壞；也可見礫石被部分溶蝕或全部溶蝕形成溶洞、溶溝等。

2 紅層巖溶的表現形式

湖南白堊系、第三系紅層下伏地層大部分為古生代礦層、礦帶，古生代泥盆系多為碳酸鹽巖石，如棋子橋組、佘田橋組均大部分是灰巖，不論是粘土巖類、砂巖類或礫巖類礦層，它們都與石灰巖不同，均只能是礦體的某部份可被溶蝕，因此紅層的巖溶機理與碳酸鹽巖類有很大的差異，且巖溶的形態也不盡相同。紅層中常見的巖溶形態有以下幾種。

2.1 溶蝕淋濾晶孔

在泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粉砂巖及細砂巖中有許多直徑數毫米的鈣質晶體，硫酸鹽礦物或其它鹵化物，當遇地下水以層面為徑流通道時，使它們被溶蝕而形成晶孔，其成大小不均的孔洞，當這些小晶孔，晶洞沿層面形成時，往往使地下水順層面溢出形成涓涓細流。當整個巖體均布滿淋濾晶孔時，則在礦山斜坡形成非常危險的滑坡體。當礫巖中礫石周邊的鈣質膠結物被逐漸溶蝕成晶孔或晶洞時，使其礫石與原巖的結構被破壞松動，礫石在重力作用下，沿斜坡或陡壁撤落，留下諸多與爍石大小相近的孔洞，這些孔洞之間不相通，或只與裂隙相通，屬于單個皺型洞。對這些新鮮的洞壁仔細觀察，可發現密布溶蝕淋濾晶孔或晶洞。

2.2 滲蝕潛蝕裂隙

紅層粘土巖類和紅層砂巖類中，高傾角節理內的方解石脈或裂隙兩側的鈣質膠結物被溶蝕后形成裂隙或溶隙。該種裂隙一般在地表沿裂隙走向延伸，向深部沿裂隙傾向發育，其裂隙的寬度差異大。由于裂隙與地表相連，當該裂縫位于水下時，常被粘土，粉細砂和小直徑礫石緊密充填，在高水頭作用下，仍能產生機械管涌。

當在厚層和巨厚層礫石層或礫石層夾砂巖互層中，由于層內膠結物含量的差異和礫石含量比例，礫石直徑大小的不均一，使之層間的溶蝕速度有明顯差異，特別是當溶蝕層上為非鈣質膠結的泥質砂巖，砂質泥巖等時，層狀溶蝕更容易產生，因而常在礦層中形成上部呈拱形，礦層覆蓋單薄的矩形或長形洞穴相互連通。

3 紅層巖溶發育特征

根據調查和統計，湖南白堊系、第三系紅層發育具有以下幾個方面的特征：

（1）紅層巖溶的溶蝕形態的分布具有明顯的分層性，溶蝕現象主要發生在表層和淺部，且多與地表裂隙直接連通，在河床和近河床的溶洞多為砂卵石、粉細砂、粘土或塊礫石充填。由于中生代以后的紅層堆積地質時代不長，同時僅石灰巖礫石易于溶蝕，是紅層巖溶主要分布于地表及淺部，規模往往不大的主要原因。

通常的情況下，斷面呈帶狀或楔形，主要沿層面延伸，垂直發育深度一般僅幾米，寬僅為高度的幾倍，平面上常尖滅再現或與溶蝕裂縫相通。向深部則以溶蝕裂縫為主，其溶蝕基準面常以達非鈣質膠結的砂巖或泥質巖即中止等相對隔水層控制。

（2）礦體的種類控制著巖溶發育的強度。巖溶發育受巖性的控制，巖溶最發育為巨厚層狀的灰巖礫為主的礫巖或鈣質砂巖由于礫巖中灰巖礫石的含量、砂巖、泥巖夾層所占比例和膠結物含量的不同，巖溶的發育程度各異。一般來說灰巖礫石和鈣質膠結物愈多者，則巖溶發育愈強烈，即巖溶率大，巖溶形態和規模也較大，因此各種礦層巖溶發育具有非均一性。

（3）礦層面，構造線和地下水流向嚴格控制著巖溶的發育方向，紅層地區、表層溶洞多沿層面延伸，淺層溶洞主要沿礦層層面及節理交叉組合溶蝕發育，特別是那些強烈溶蝕集中帶往往是層面和構造裂隙，風化裂隙的綜合發育帶。常見一些呈長條形的溶蝕洼地或一些洞穴的長軸方向與地下水的流向基本一致，由此看來，巖溶發育的方向主要受區域構造和地下水流向的控制。巖溶發育深度小，且具向深部逐漸減弱的特點。

4 紅層巖溶機制

白堊系、第三系紅層沒有海相沉積，因此沒有紅層晶質石灰巖，故基本上沒有大規模的溶洞或溶洞群，宏觀上巖溶主要發育于灰巖礫石為主的礫巖之中，但其他巖性亦可能有巖溶，有些宏觀上不易觀察得到，更要引起重視。

（1）紅層巖溶機制以化學溶解為主、機械侵蝕為輔的作用。在長期濕熱氣候與一定的成巖、結構和構造條件下，通常碳酸鹽礦物如方解石、白云石（或可溶碳酸鹽）含量超過50%時，巖溶開始明顯發育，50%～70%時巖溶微發育，70%～90%時巖溶中等發育，超過90%時巖溶強發育。

以灰巖礫石為主的礫巖巖溶機制有兩類：一類是膠結物的方解石、白云石含量少于礫石時，且該巖溶紅層受構造運動影響小，節理裂隙不發育造成膠結物妨礙巖溶水運動和溶蝕進行，反映巖石露頭的石灰巖爍石凹進、而膠結物突起的差異溶蝕，表現為礫巖中的方解石、白云石含量與非紅層石灰巖相同而紅層巖溶發育較差的情況。另一類是當膠結物的方解石、白云石含量高于礫石時，這類礫巖巖溶主要是膠結物的溶蝕潛蝕，造成巖石解體，礫石成為溶洞的充填物，這就是紅層碎屑巖中的“假巖溶”—化學溶解與潛蝕同樣重要的一種巖溶。紅層成巖期短，粒間連結力相對薄弱，是發育假巖溶的地質基礎。該紅層屬半堅硬巖石，其天然抗壓強度常接近25MPa，但巖芯放置幾天便崩解碎裂。

（2）含鈣或鈣質紅層砂巖宏觀巖溶發育多是膠結物的方解石、白云石含量高于其砂礫，其巖溶機制與上述第二類礫巖相同?？沙醪秸J定，巖石的方解石、白云石含量超過12%時，巖溶開始明顯發育，12%～35%時巖溶微發育，35%～65%時巖溶中等發育，超過65%時巖溶強發育。這便是含鈣或鈣質紅層砂巖假巖溶發育的區間值。

（3）泥質類紅層巖溶宏觀特征一般不明顯，多為隱蔽性的巖溶，主要與含硫鹽有關，如石膏、芒硝等。

5 可溶性紅層地基的地質結構勘察要點

紅層地區的巖性由于其巖石力學強度不高，且在鈣泥膠結的紅層砂巖、粉砂巖和灰礫巖中有巖溶發育，或有風化、水化溶蝕后形成的軟弱夾層，因此對紅層地基應根據其建筑物的類型、等級進行地質勘察，勘察工作要按不同勘察階段的技術要求進行。對于重要的礦山地質工程，通過勘察要查明下述問題，并進行全面的收集水文資料，結合現場實際情況給與水文地質和工程地質評價。

5.1 可溶性紅層地基勘察的基本要求

一般說來，可溶性紅層地基勘察應滿足以下六個方面的基本要求。

查明層的巖性成份與結構特征，包括顆粒成份與粒度，膠結類型（即充填膠結或固結膠結，膠結物成份等），必要時可進行適量的礦體鑒定工作。著重調查軟弱層。即軟弱結構面和軟弱夾層的分布、產狀、規模及巖性組成，孔隙性、滲透性及其他不良性狀。

查明含鹽包括碳酸鹽及硫酸鹽（如石膏、芒硝等）紅層發育的層位、厚度、礦物組成與化學成份，含量和分布特點及工程地質性狀。對可溶鹽要了解其溶解速度，膨脹變形及對混凝土的侵蝕破壞性質。

查明鈣質膠結碳酸鹽質礫巖巖類和含鹽砂質巖類的可溶性組成物的含量、厚度、分布、變化規律以及巖性結構、次膠結結構和顆粒成分等。重點調查溶蝕發育和分布特征，包括溶蝕形態的主要類型、組合方式，溶蝕發育層位和空間分布特征及其影響因素。

查明地下水的類型、形成條件和分布規律、補給、徑流和排泄特征，了解地下水位埋深、變化幅度、巖層的透水性，并評價和判定其滲透性能。

要全面分析各項地質資料，對紅層巖溶地基進行專題研究，結合研究成果，編制含鹽巖類工程地質分區圖，將含鹽巖類的性質、類型、巖性、厚度、分布、埋藏條件以及工程地質性狀等標注于圖上。編制紅層巖溶溶蝕分區圖，其內容包括巖溶的類型、層位、發育程度分級和分布特征等。

5.2 可溶性紅層地基勘察的工作方法

紅層中的巖溶形態是極為豐富的，但它與碳酸鹽類礦體中的巖溶相比卻具有自身的特點，因此不能套用一般碳酸巖地質巖溶勘察的工作方法，而應做到有的放矢，深入研究此類巖溶的獨特規律，為工程建設服務。

在紅層區的野外地區調查中，要尤其細心觀察。溶蝕現象不象碳酸鹽類巖溶那樣的直觀，具有那樣大的規模，有些要通過放大鏡仔細觀察才能發現有許多晶孔、晶洞等溶蝕現象，而正是因為這些溶蝕現象給工程造成重大的隱患。礦山工程地質鉆探過程中亦不似碳酸鹽巖地區，巖溶肯定會造成孔口不返水等，而紅層巖溶由于其規模不大，微小的晶孔、晶洞有些將被沖洗液中的泥質充填，而不一定造成井口不返水，而只有少量滲透進巖層之中，因此以為不存在巖溶現象是不正確的。由于鉆探機械的強制擾動，沖洗液中的水份通過溶蝕晶孔、晶洞進入鉆探取樣巖芯繼續作用，造成礦體的結構構造發生一定的變化，因而取得的巖樣試驗結果均人為地降低了礦體地質結構的實際強度，這就是紅層地基承載力被低估的主要原因之一。

實際工作中，為了準確確定紅層地基的承載力，往往不僅采取礦樣進行室內試驗，同時可以進行孔內旁壓實驗，有條件的話可以做小平板荷載實驗，如為中風化或強風化層，還可以通過點載荷試驗、標準貫入試驗，動力觸探實驗等現場試驗方法。通過室內試驗和現場原位測試，互相印證，確定紅層的工程特性。當有滲透性要求時，可通過室內滲透性試驗，現場注水、壓水試驗，甚至抽水試驗，綜合確定地質結構層的滲透性能。

6 紅層巖溶防治措施

在紅層巖溶區進行巖土工程設計時，應根據所設計的工程項目特征選用合適的防治措施。

由于紅層巖石滲透造成邊坡的不穩定性，給切方邊坡的穩定提出了更難的要求，尤其是地質勘測中的邊坡穩定至關重要。由于紅層巖溶的作用，使原本屬于軟弱巖類的紅層更加增加不穩定因素。紅層上覆土層一般為較松散碎石土或粉質粘土，孔隙比較大、粘結力差、地表水容易下滲，下伏的紅層基巖透水性相對較弱，地表水下滲至基巖表面后沿堆積層與基巖接觸帶附近密集、運動，在地下水作用下不僅增加土體自重、增加下滑力，降低了巖土體的力學強度及滑動面抗滑力。同時由于地下水順巖面由晶孔、晶洞向里滲入、加速易溶鹽類的溶蝕作用，從而使巖體的結構進一步破壞，進一步誘發淺表性大面積牽引式滑坍。

對于可能誘發淺層牽引式滑坍，可采取削坡減載，放緩邊坡，加大碎落臺， 清除松散土體，以減輕邊坡上部荷載，在邊坡下部采用抗滑擋墻支護，確保邊坡坡腳穩定，并可結合現場實際，進行坡面防護。

對于整體性較好的巖質邊坡可采用掛網噴錨及時封閉，以防巖體風化及表面水進入溶蝕易溶鹽類而造成邊坡坍塌。同時，處理好地表水及地下水的截流引排工作，主要是設置好截水溝，并在坡面根據實際情況設置滲溝，引水管，防止地表或地下水下滲。

對具紅層巖滲的地段不宜采用高填深挖，同時支擋結構上要以輕型兼具抗滑的結構為好，如樁基或加筋土擋墻等。