閱江特大橋近東西向斷裂活動性研究及其對工程影響的評價

武漢固地鼎興工程技術(shù)有限公司 汪旭濤

閱江特大橋位于肇慶市端州區(qū)與高要市之間，起點位于北岸端州區(qū)星湖大道與古塔路交叉路口，主橋沿古塔路跨越西江，在南岸高要烏榕村與世紀(jì)大道連接。主線橋梁全長2355m，主跨320m。

閱江特大橋工可勘察報告認為，在橋址區(qū)跨西江河道的南側(cè)主墩附近發(fā)育近東西向斷裂構(gòu)造[1]，依據(jù)是斷層兩側(cè)巖性及時代截然不同，附近巖層破碎，風(fēng)化強烈，推測為先壓后張的正斷層，是高要大斷裂帶的次一級構(gòu)造形跡。初設(shè)勘察報告認為，該斷裂帶北部為石炭系灰?guī)r，南部為震旦系變質(zhì)鈣質(zhì)砂巖[2]，推斷屬逆壓性斷層，巖石裂隙發(fā)育，巖芯較破碎。如果該斷裂在晚第四紀(jì)尤其是全新世仍有活動，則對該橋設(shè)計有較大影響。因此，查明該斷裂的形態(tài)、鑒定其活動性、評價其對大橋的影響，就顯得十分必要。

1.斷裂研究

此次研究主要先從宏觀的地形地貌調(diào)查、地質(zhì)構(gòu)造分析開始，再結(jié)合橋位附近的物理探測、斷層氣探測和前期勘探成果，有針對性地布設(shè)鉆孔取芯，對前期報告中揭露的斷層進行全面分析。

1.1 地形地貌調(diào)查

橋位北岸為沖積平原，地勢低平開闊，總體上屬于現(xiàn)代河流侵蝕堆積地貌，南岸以近東西走向的低山丘陵為主。從區(qū)域上看，西江自北而南過三榕峽流入肇慶盆地，呈“U”字型彎折后，從東北方向穿越羚羊峽進入三水盆地，閱江特大橋即位于“U”字型的凸出部位。從總體上來看，肇慶盆地是侵蝕堆積而成的拗陷盆地，屬非斷陷盆地，地殼較為穩(wěn)定。

在西江兩岸可以觀察到保留下來的三級河流階地：第一級河流階地多呈現(xiàn)半埋藏狀態(tài)，市區(qū)位于其上；第二、第三級階地都屬于基座階地，位于西江大橋南橋頭東側(cè)沿江地帶，根據(jù)現(xiàn)場踏勘數(shù)據(jù)，地表未見由斷層活動產(chǎn)生的陡坎、溝槽等，也未發(fā)現(xiàn)階地高程不對稱或被錯移的現(xiàn)象。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

閱江特大橋位于肇慶復(fù)向斜核部偏南翼的位置，主要為石炭系地層，由北岸向南岸，巖性從石磴子組（C1ds）灰?guī)r變?yōu)闇y水組（C1c）變質(zhì)鈣質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)千枚巖。

肇慶地區(qū)的主要斷裂構(gòu)造包括：北東-北北東向吳川-四會斷裂帶（F1）、北西-北北西向西江斷裂帶（F2）及近東西向高要斷裂帶（F3），如圖1所示。橋位附近的斷裂構(gòu)造主要為高要斷裂帶，高要斷裂帶始發(fā)于加里東期，是早古生代地槽褶皺回返時同構(gòu)造產(chǎn)物。斷層最新復(fù)活的下限為燕山第三期花崗巖侵入之后，其上限應(yīng)在晚第三紀(jì)紅色盆地沉積以前，但西江羚羊峽的形成，推測與此斷層在新構(gòu)造時期復(fù)活有關(guān)。在肇慶市南北兩側(cè)，多條斷裂組成東西向斷裂組，單條延伸不長，約幾公里至十多公里。

圖1 肇慶地區(qū)地震構(gòu)造圖（小震資料自1970年-2010年）

根據(jù)廣東省地震局資料，橋位區(qū)半徑25km 內(nèi)歷史上曾發(fā)生過3次破壞性地震，1584年發(fā)生過2次5級地震，1909年發(fā)生過一次4級地震。自1970年以來，現(xiàn)代地震臺網(wǎng)觀測40多年，共記錄到15次ML1.5以上的地震，最大的一次地震是1972年7月26日發(fā)生在高要的ML3.4級有感地震。總的來看，近場區(qū)現(xiàn)今小震不多，地震活動水平較低。

1.3 物理勘探

由于斷裂引起基巖錯動或明顯破碎時，將出現(xiàn)基巖反射波組的錯動或缺失以及信號減弱現(xiàn)象，基巖內(nèi)部反射特征亦會出現(xiàn)變化[3]。利用物理勘探該特性，結(jié)合已有勘探成果，選擇淺層地震反射波法。此次共完成測線5條，總長6.03km，如圖2所示。

采用美國產(chǎn)NZXP 數(shù)字地震儀，高壓空氣槍及與其配套的空壓機激發(fā)，采用專用的漂浮電纜接收，檢波器主頻80Hz，道間距2m，接收道數(shù)為24道。

圖2 勘察布置平面圖

圖3 L1 測線地震時間剖面圖（部分）

圖4 L2 測線地震時間剖面圖（部分）

圖5 L3 測線地震時間剖面圖（部分）

圖6 L4 測線地震時間剖面圖（部分）

圖7 L5 測線地震時間剖面圖（部分）

表1 各測線段汞、氡氣的背景值與異常下限值

圖3 -圖7顯示，從所測5條水域淺層地震剖面分析來看，一般存在3組有效反射波組。8ms-25ms 左右發(fā)育T0波組，反射波組能量高、起伏較大、連續(xù)性好，為水底反映；T1波組在距測線起點500m 左右處開始出現(xiàn)，反射波組振幅較小，起伏較大，連續(xù)性較好，為礫石層頂反射界面；基巖反射波組Tg 連續(xù)性較好、信噪比高、振幅較強、起伏較大，發(fā)育在20ms-60ms 范圍內(nèi)，在T1波組不發(fā)育的區(qū)域，Tg 波組振幅較高，而T1波組發(fā)育的測線段，Tg 波組振幅較低，這主要是因為礫石層的存在對地震波傳播起阻礙作用，在基巖巖性變化的部位，基巖波組反射特征出現(xiàn)差異或者微弱錯動；基巖內(nèi)部未出現(xiàn)有效反射波組。表明各測線剖面顯示第四系覆蓋層厚度普遍較薄，基巖埋深較淺，基巖波組反射特征出現(xiàn)的局部異常是由基巖巖性差異所引起，未發(fā)現(xiàn)明顯斷點異常及不良地質(zhì)體。

1.4 斷層氣探測

活動斷層是連接深部環(huán)境和氣體釋放的一條重要天然通道，通過分析汞氣、氡氣的濃度變化和分布規(guī)律，確定場地斷裂位置、研究場地斷裂活動性成為可能[4]?；瘜W(xué)探測在上述調(diào)查和物探的基礎(chǔ)上進行，布設(shè)3條測線，如圖2所示，野外數(shù)據(jù)采集使用的俄羅斯產(chǎn)RA-915+汞分析儀和美國產(chǎn)RAD7型測氡儀。3條測線段土壤汞、氡氣的背景值與異常下限值見表1所示。

各測線的氣體濃度含量曲線圖，如圖8 -圖10 所示。

對照表1中各測線氡氣、汞氣異常下限取值，結(jié)合含量曲線圖，統(tǒng)計得到測線3中1808m 處汞值為88ng/m3，高于異常下限值；測線3中1704m 處Rn 值為78.34pci/L，高于異常下限值。它們的值明顯高于平均值，分別在1808m 處、1704m 處近似垂直測線、跨測線方向兩側(cè)，點距8m，進行了補充測試。測試結(jié)果如下表2所示。

表2 異常點切測線處補測數(shù)據(jù)

從表2中補測的結(jié)果可知，異常點跨測線兩側(cè)方向值均低于異常值，甚至部分低于平均值，這些點很孤立，不能夠成異常帶，不可能是因為斷層活動引起。探測場地沒有探測到斷層氣氡氣或汞氣異常，未發(fā)現(xiàn)斷裂活動跡象。

圖8 測線1 氡、汞氣濃度含量曲線圖

圖9 測線2 的氡、汞氣濃度含量曲線圖

圖10 測線3 的氡、汞氣濃度含量曲線圖

1.5 鉆探取芯

結(jié)合以上成果，在初勘ZK16號鉆孔附近布設(shè)4個鉆孔，揭露地質(zhì)剖面如圖11所示。石炭系下統(tǒng)測水組（C1c）砂巖與石炭系下統(tǒng)石磴子組（C1sh）灰?guī)r巖性迥異，分屬兩個地層單位，二者產(chǎn)狀一致，變質(zhì)變形特征相似。

圖11 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面圖

圖12 西-4 孔37.5m：成功鉆遇砂巖與灰?guī)r界面，揭示了二者間 的整合接觸關(guān)系（下圖為上圖的局部放大）

石炭系下統(tǒng)測水組（C1c）變質(zhì)鈣質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)泥巖。砂巖中發(fā)育順層間隔劈理，劈面見綠泥石化蝕變。放大鏡下可見砂粒被壓扁拉長，是伴隨熱變質(zhì)作用產(chǎn)生的透入性變形。局部見小規(guī)模順層破碎現(xiàn)象，碎塊呈角礫狀或透鏡狀，已完全固結(jié)。值得注意的是，砂巖中所夾炭質(zhì)泥巖發(fā)生過強烈的滑動變形作用，由于此軟弱層的整體卷曲、揉流，使夾于內(nèi)部的堅硬薄層砂巖被剪斷、撕裂、錯碎、壓扁、磨圓，形成角礫，最終被描述為炭泥質(zhì)膠結(jié)的構(gòu)造角礫巖。這是順層滑動過程中，由于砂巖與炭質(zhì)泥巖的力學(xué)性質(zhì)不同，其變形行為也是完全不同的結(jié)果。實際上，描述為順層破碎帶更為合適，雖然它具備斷層的一切要素，但此類“斷層”的產(chǎn)出受控于地層，切割深度和延伸不會超越其地層載體的分布范圍。

早石炭世石磴子組（C1sh）灰?guī)r含有機質(zhì)，普遍發(fā)生重結(jié)晶，可稱為灰黑色微晶灰?guī)r。巖層變形較強，層內(nèi)發(fā)生粘滯型石香腸化，單個布丁呈透鏡狀、角礫狀。粘滯型石香腸是一種空間上連續(xù)的無間斷熱變形，其有別于我們所關(guān)注的脆性切層斷層構(gòu)造。因此，把此類構(gòu)造歸結(jié)為受斷層的影響，是不夠合理的。

綜上可知，砂巖與灰?guī)r緊貼，無斷層，無破碎；砂巖與灰?guī)r層面產(chǎn)狀一致，均為南傾65°；砂巖與灰?guī)r變形與變質(zhì)特征一致；砂巖與灰?guī)r構(gòu)造樣式一致。所以，砂巖與灰?guī)r間的整合接觸關(guān)系（圖12）是可以肯定的，原來推測的以砂巖為上盤、灰?guī)r為下盤的逆沖斷層被證實不存在，但砂巖中發(fā)育多層小規(guī)模層間破碎帶是客觀存在的地質(zhì)事實。

2.影響評價

上述研究表明，工可和初勘階段判定的砂巖與灰?guī)r接觸處斷層并不存在，閱江特大橋只需按照相關(guān)規(guī)范[5]進行抗震設(shè)計，不需要進行專門工程場地地震安全性評價。但是，由于碳質(zhì)泥巖破碎帶的存在，降低了基巖整體強度的穩(wěn)定性和均一性，墩位最好避開破碎帶或考慮采取其他有效防護措施，以確保安全為宜。

3.結(jié)論

肇慶盆地是侵蝕堆積而成的拗陷盆地，非斷陷盆地，地殼穩(wěn)定。地表未見由斷層活動產(chǎn)生的陡坎、溝槽等，也未發(fā)現(xiàn)階地高程不對稱或被錯移的現(xiàn)象。水域淺層地震剖面未發(fā)現(xiàn)明顯斷點異常及不良地質(zhì)體，基巖波組反射特征出現(xiàn)的局部異常由基巖巖性差異所引起。氣體地球化學(xué)探測測線上無氡氣或汞氣異常，未發(fā)現(xiàn)斷裂活動跡象。鉆探取芯揭露跨橋位分屬不同地質(zhì)單元的灰?guī)r和砂巖界線為整合接觸，非斷層接觸。鉆孔揭示的碎裂巖為砂巖內(nèi)部的層間破碎帶，破碎帶沿軟弱碳質(zhì)泥巖夾層發(fā)育，完全固結(jié)，上覆第四紀(jì)土層未被切割或擾動，是前第四紀(jì)的老構(gòu)造，非活動斷層。