综合勘察手段在东黄山国际小镇岩溶探查中的应用

李飞飞，牛真茹，李 智

(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.天津华北地质勘查总院，天津 300181)

0 引言

我国可溶岩面积分布广泛，据统计裸露于地表的碳酸盐岩面积约有90.7万 km2，加上覆盖与埋藏于地下的碳酸盐岩，可溶岩分布面积达346.3万 km2，约占全国国土面积的三分之一[1]。随着我国基础设施建设步伐越来越快，规模越来越大，工程规划或选址时往往难以避开岩溶区，岩溶区地质条件通常比较复杂，尤其处于覆盖型岩溶地区的隐伏溶洞，埋深较大，隐蔽性较强，分布规律难以查明，造成潜伏易发隐患，对工程建设危害较大[2-3]。

由于影响岩溶发育的诱因众多，影响因素复杂，国内外学者对岩溶发育机理和岩溶地质问题开展了大量的研究。在岩溶塌陷的勘察方法上，主要以地球物理探测及钻探相结合的方法进行。地球物理探测常用高密度电法、高密度浅层地震法、井间CT、瞬变电磁法以及瑞雷面波、井中电视等方法[4-10]。随着科技发展不断进步，新研究方法(如GIS技术[11-12]、神经网络理论、模糊数学理论[13-15]等)的实践应用更趋于多元化和科学性，也为岩溶区工程建设提供了宝贵经验。

东黄山国际小镇位于黄山市黄山区谭家桥镇，被称为黄山的东大门。根据前期东黄山国际小镇地质灾害危险性评估书，建设区地表岩溶局部发育，存在岩溶塌陷地质灾害的可能性。东黄山国际小镇在后期建设过程中出现了一些岩溶工程地质问题。例如：某跨河桥梁工程，采用钻孔灌注桩基础，施工过程中发现地下溶洞洞体较大，进而采用抛填片石+注浆工艺对溶洞进行处理，既给施工增加了困难又增加了工程处理费用；某桥梁工程施工过程中，因一侧桥台下2.5 m揭露溶洞，不得不调整原来设计方案，基础形式由原来的扩大基础改为桩基础。因此，岩溶已成为东黄山国际小镇建设过程中不可忽略的工程地质问题，对该区域岩溶工程地质问题需要进行专门研究。

本次研究依托“东黄山国际小镇基础设施项目”，在查阅、收集区域地质资料的基础上，采用现场地质调查、工程钻探、高密度电法物探及后期施工验槽等多种勘察手段和方式，综合探查了东黄山国际小镇岩溶发育的特征和规模，研究了岩溶在水平和垂直方向的发育规律。研究成果对东黄山国际小镇基础设施建设和岩溶区防灾减灾进行指导，也为后期岩溶的治理方案提供基础支持。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区地处皖南山区黄山东部山地，山脉呈北西走向，地形切割较深。丘顶标高一般200～350 m，东部北瓜山最高，海拔548 m，西部坳谷平缓开阔，一般标高200 m，相对高差180～300 m。研究区地貌单元属皖南山地，微地貌类型有低山、坳谷，整体地形为南高北低(见图1)。

图1 研究区三维地貌示意图

图2 研究区地质构造图

1.2 地质条件

本区地层分区属扬子地层区下扬子地层分区皖南地层小区。区域地层主要有寒武系荷塘组(∈1h)、寒武系西阳山组、华严寺组、第四系(Q)。其中，第四系黏性土和砂卵石层，分布于山间谷地、河谷两侧低洼地带，呈条带状。下伏基岩主要有寒武系荷塘组碳质板岩，寒武系西阳山组、华严寺组灰岩，奥陶系印渚埠组泥岩、页岩。

1.3 地质构造

本区大地构造单元位于扬子准地台，下扬子台坳，皖南陷褶断带黄山凹褶断束太平复向斜南翼。自古生代以来，经历了多期次的构造运动，形成了比较复杂的褶皱、断裂等地质构造形迹，地质构造较复杂，区内大的地质构造主要有谭家桥向斜和谭家桥断裂(见图2)。

2 综合勘察手段的应用

2.1 地质调查

对研究区地表岩溶开展地质调查，对区内地表溶蚀裂隙、溶沟、溶洞发育情况进行记录和整理(见图3)。

图3 地表溶蚀裂隙(宽3～5 cm)

研究区地表溶蚀现象主要表现为溶蚀裂隙、溶洞。区内节理裂隙发育，北东向和北西向发育最多，倾角近乎直立，节理面较平直，节理密度约4～10条/m。地表岩溶发育与地质构造关系密切，根据绘制的节理产状玫瑰花图可以看出，区内岩溶发育方向与区内优势节理面方向基本一致(见图4)。

图4 节理产状玫瑰花图

图5 测线视电阻率剖面图

2.2 高密度电法物探

由于岩溶发育后一般为有充填物、半充填或无充填，故会出现电阻率与围岩不同，表现为或高阻或低阻的响应特征。本次研究共布设测线长度3 240 m，共布设电极648个，其中南北向测线20条，测线长度约200 m，东北-西南向测线21条，测线长度约160 m。选取代表性的测线物探成果进行分析(见图5～图7)。

图6 测线视电阻率剖面图

图7 测线视电阻率剖面图

从图5测线视电阻率剖面图可以看出，整体上剖面为相对较连续的低阻异常，在地表附近表现为高阻，在距离测线起点82～87 m处、105～110 m处均表现为低阻异常，埋深8～11 m和10～13 m处，推测可能为充水或充泥溶蚀形成的溶洞。从图6测线视电阻率剖面图可以看出，整体上剖面为相对较连续的低阻，在距离测线起点46～48 m处和73～78 m处，表现为异常高阻，埋深约5～7 m，推测可能为无充填的干洞。从图7测线视电阻率剖面图可以看出，视电阻率整体上剖面为相对较连续的低阻，其中距测线起点108～116 m处表现为低阻异常，埋深约11～14 m，推测可能为充水或充泥溶蚀形成的溶洞；而距起点126～128 m处表现为高阻异常，埋深约5～7 m，推测可能为无充填的干溶洞；此外距起点125～160 m处，近地表也表现为高阻异常，推测是由于近地表的砂、砾石及卵石等引起的。

根据物探探查结果，研究区岩溶发育多为充填型溶洞，埋深相对较浅，多在埋深5～15 m范围内发育，结合钻孔揭露岩溶情况，充填物大多为粉质黏土，少部分为砂砾石，占比约81%。

图8 钻孔揭露岩溶发育情况

图9 溶蚀裂隙发育

2.3 工程地质钻探

鉴于高密度电法物探勘察地下岩溶发育的精度有限，采用地质钻探的手段对地下岩溶进行进一步探查。现场主要根据钻探过程中出现的掉钻、漏水、漏浆等情况以及岩芯中溶隙的充填情况来判断场地岩土层分界线、溶洞顶板岩土层厚度和洞体充填情况(钻孔揭露岩溶发育见图8～图9)。

根据钻孔揭露溶洞发育情况，地下岩溶在垂直方向上具有多层性，一般为2～3层，最多达5层，呈串珠状分布(见图10)。

图10 典型溶洞发育地质剖面图

以高密度电法L3测线剖面为例，距离测线起点25～28 m处、42～45 m处、80～83 m处均表现为高阻异常，推测可能为无充填的干溶洞，对应埋深分别约为6 m、7 m、11 m，现对推测为溶洞的异常区选取3个点进行钻孔验证，对比图见图11。

图11 钻孔验证结果

对比L3测线视电阻率剖面图和地质剖面图可以看出，验证孔WSCCK14孔揭露的溶洞埋深为6.4～6.8 m，WSCCK10孔揭露的溶洞埋深为7.5～8.1 m，WSCCK7孔揭露的溶洞埋深为11.4～12.4 m，即钻孔揭露的溶洞埋深与高密度电法物探测得的高阻异常区基本吻合。

2.4 现场验槽

在东黄山国际小镇基础设施项目陆续进入施工阶段，对开挖的基槽进行现场验槽，从而可以更加直观的看出现场地层分布、溶洞发育大小及展布方向(见图12)，结合前期物探、钻探等勘察手段能够进一步对岩溶的发育形态、分布特征进行综合分析。

图12 基槽揭露岩溶发育情况

3 岩溶发育的发育特征与规律

3.1 地下岩溶垂直方向发育特征

综合物探、钻探及后期验槽分析可知，研究区地下溶洞为垂向多层串珠状溶洞，一般为2～3层，最多达5层，同时溶洞充填物具有一定的差异性，河流附近的溶洞充填物主要为砂砾石，且钻孔揭露时洞内水量相对较大，而远离河流区域揭露的溶洞多为无充填空洞或为半充填软塑状粉质黏土；此外，可溶岩与非可溶岩交接带揭露的溶洞充填物多为灰黑色风化岩岩屑或第四系软塑状粉质黏土。

对溶洞发育高度进行统计，钻孔揭露的溶洞洞高多为0.1～3.0 m，个别洞高达4.0 m以上(详见图13)，溶洞顶部基岩较为破碎，溶蚀裂隙发育，溶蚀裂隙为地下水的渗流通道，在地下水的流动侵蚀作用下，裂隙不断扩大，诱使溶洞进一步发育。

图13 溶洞发育高度范围统计

图14 溶洞发育高程分布图

图15 岩溶发育水平方向分布图

对溶洞底高程进行统计分析，溶洞底高程主要在180～189 m和190～199 m两个高程段(见图14)，与平面上分布的2个走向NEE且相互独立的岩溶强发育条带相对应。通过与麻川河各断面河床实测高程对比，研究区中部河床高程为199.6 m左右，下游河床高程为187.4 m左右，即研究区2个岩溶强发育条带与麻川河侵蚀基准面相对应。

3.2 地下岩溶水平方向发育特征

根据综合勘察成果，岩溶强发育区主要集中在研究区中部和北部，南部发育规模较小，水平方向上表现为2条走向NEE沿河流分布的强发育条带，与区内谭家桥断裂(F1)走向基本一致。麻川河河床为区内最低侵蚀基准面，亦是地下水与地表水交替最频繁地区，岩溶较为发育(见图15)。

4 结语

(1)采用地质调查、工程钻探、高密度电法物探及后期施工验槽等多种勘察手段相互验证对研究区范围内的岩溶发育情况进行了综合探查，查明了研究区岩溶发育形态、充填情况、分布规律，为后期优化施工图设计及岩溶的专项治理方案提供基础支持。

(2)根据综合勘察结果分析，研究区岩溶发育以覆盖型为主，主要集中在研究区中部和北部。溶洞垂向上具有分层性，以多层串珠状溶洞为主，埋深6～10 m为岩溶强发育区，垂向上表现为随着埋深的增加，岩溶发育强度逐渐减弱的趋势。水平方向上表现为2条走向NEE沿河流分布的强发育条带，岩溶强发育条带与区内谭家桥断裂走向基本一致。

(3)工程物探具有效率高、成本低等特点，能够较大范围探测地质异常区，但由于物探结果的多解性，需要配合钻探及后期开挖验槽进行验证。工程钻探和开挖验槽能够直观的反映各种地层信息和地质异常，但由于钻探无法查明钻孔之间的地质信息，开挖验槽揭露范围有限，具有一定的局限性。因此采用物探、钻探及后期验槽相结合的方法能够相互验证、优势互补，提高岩溶勘察的精度。