下面文章在充分研究浙江省巖溶空間分布及發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，開展了省內(nèi)現(xiàn)有巖溶區(qū)高速公路勘察資料的統(tǒng)計(jì)分析，提取出橋址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律特征，并以此為核心進(jìn)行橋梁樁長設(shè)計(jì)輔助軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了橋址區(qū)巖溶三維地質(zhì)建模以及樁長自主計(jì)算。

　　關(guān)鍵詞:巖溶,發(fā)育規(guī)律,三維,地質(zhì)模型,樁長設(shè)計(jì),輔助軟件,浙江

　　我國巖溶分布廣泛，類型眾多，是世界上巖溶面積最大的國家之一，以發(fā)育在碳酸鹽巖地區(qū)的巖溶計(jì)算，含裸露、覆蓋、埋藏三個(gè)類型在內(nèi)，其總面積為344.3萬km2，占國土面積的1/3以上，主要分布在南方的云南、貴州、廣西、四川、湖南、湖北和廣東一帶以及北方的山西、山東、河南、河北一帶。浙江省的碳酸鹽巖主要分布于浙西北的錢塘江流域和太湖流域，即江山一紹興斷裂帶北西側(cè)，揚(yáng)子陸塊東南緣錢塘復(fù)向斜之中。

　　浙江省巖溶雖不及貴州、廣西等地區(qū)發(fā)育，但有其獨(dú)特的自身特點(diǎn)，主要是以覆蓋型巖溶為主，巖溶地質(zhì)災(zāi)害具有很強(qiáng)的隱蔽性、突發(fā)性。浙江省作為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，快速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)促使了對公路交通的巨大需求，其高速公路建設(shè)投入大、發(fā)展快。近年來，隨著山區(qū)高速公路建設(shè)步伐的加快，大批高速公路穿越浙西北巖溶地區(qū)，工程中也遇到了一系列的巖溶工程地質(zhì)問題。

　　當(dāng)橋梁基樁不可避免地要跨越巖溶地區(qū)時(shí)，其涉及的關(guān)鍵問題就是如何確定合理的樁長。樁長過長將極大增加施工難度，并直接影響工程進(jìn)度及工程造價(jià);而由于下伏溶洞的存在，樁長過短是否滿足承載力要求及基樁安全要求，亦是工程設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題。本文收集了浙江省地區(qū)已建成和在建大部分巖溶區(qū)高速公路勘察資料，總結(jié)分析其巖溶發(fā)育規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了橋梁樁長輔助軟件的開發(fā)，用于擬建橋梁區(qū)域的物探、鉆探、調(diào)查、設(shè)計(jì)等信息的綜合分析，輔助進(jìn)行橋梁樁長設(shè)計(jì)。

　　1區(qū)域地質(zhì)背景

　　1.1碳酸鹽巖分布區(qū)

　　浙江省的碳酸鹽巖主要分布于浙西北的錢塘江流域和太湖流域，碳酸鹽巖的空間分布地區(qū)北起長興，南至江山，東以江山-紹興深大斷裂為界，西至浙皖省界，總面積約3.95萬km2，為浙江總面積的35.3%。包括湖州、紹興、金華、衢州、杭州、紹興在內(nèi)的6個(gè)省轄市，與安徽和江西兩省相鄰。其中碳酸鹽巖出露面積為2610km2，約占浙西北面積的6.6%。

　　區(qū)內(nèi)地層從元古界到第四紀(jì)地層均有出露，主要包括中生界的白堊系、侏羅系地層，古生界的二疊系、石炭系、志留系、奧陶系、寒武系地層，以及元古界震旦系和前震旦系地層等，巖性以沉積巖為主，巖體結(jié)構(gòu)多呈層狀，少量塊狀火成巖;第四紀(jì)地層主要包括殘坡積、上更新統(tǒng)坡沖積、沖洪積和全新統(tǒng)沖積層。

　　其中碳酸鹽巖出露的地層有震旦系西峰寺組，寒武系大陳嶺組、楊柳崗組、華嚴(yán)寺組、西陽山組，奧陶系硯瓦山組，石炭系黃龍組、船山組，二疊系棲霞組、茅口組，三疊系青龍組。受構(gòu)造控制，研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖呈條帶狀沿北東方向展布，由于構(gòu)造破碎，碳酸鹽巖的分布連續(xù)性較差。研究區(qū)內(nèi)寒武-奧陶系碳酸鹽巖，在安吉-昌化-馬金一帶連續(xù)分布，分布面積較廣;石炭-二疊系灰?guī)r主要沿杭州、桐廬、建德一帶斷續(xù)分布，零散出露于長興、吳興、江山、金華一帶。

　　1.2巖溶發(fā)育情況

　　巖溶的發(fā)育程度多為地形地貌、水動(dòng)力作用、巖性、構(gòu)造等多種巖溶發(fā)育控制因素多樣化耦合的結(jié)果，因此，浙西北地區(qū)巖溶發(fā)育也表現(xiàn)出不均一性和差異性。其中，起決定性的控制因素為巖性條件，其次為構(gòu)造發(fā)育條件。巖性條件即碳酸鹽巖純度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、沉積歷史及其非灰?guī)r夾層等，是直接控制巖溶發(fā)育強(qiáng)度的內(nèi)在因素。

　　浙西北地區(qū)主要碳酸鹽巖地層有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系五套地層，其中震旦系、寒武系、奧陶系地層中灰?guī)r純度不高，且多有炭質(zhì)、硅質(zhì)頁巖、石英砂巖等夾層;石炭、二疊系均為純度較高的灰?guī)r，但灰?guī)r中抗蝕物質(zhì)含量、燧石結(jié)核及非灰?guī)r夾層石炭系地層較二疊系低。在巖溶發(fā)育規(guī)律上體現(xiàn)為:石炭系>二疊系>寒武系>奧陶系>震旦系，大型溶洞大部分都分布于石炭二疊系灰?guī)r出露的區(qū)域，如金華雙龍洞、桐廬瑤琳仙境等。

　　區(qū)域上褶皺、斷層的走向往往控制了巖溶空間上的分布格局。向斜盆地巖溶發(fā)育，尤以向斜核部昀強(qiáng)烈，巖溶水較豐富;向斜倒置成嶺地區(qū)巖溶十分微弱，巖溶水水量貧乏，泉呈懸掛狀;向斜槽谷地區(qū)巖溶發(fā)育程度與巖溶水水量等僅次于前者，而優(yōu)于后者;北東向斷層、灰?guī)r與非灰?guī)r接觸帶巖溶發(fā)育，往往是巖溶帶，控制巖溶方向及巖溶水流向;北西、北北西向斷層帶巖溶現(xiàn)象也較普遍，一般控制短淺地下暗河的分布。

　　2已建和在建高速巖溶發(fā)育規(guī)律分析總結(jié)

　　目前浙江省巖溶區(qū)內(nèi)建成通車的高速有杭長、杭長北延、杭金衢、杭新景、黃衢南、紹諸、申蘇浙皖等多條高速，在建的有千黃高速、杭州繞城西復(fù)線，設(shè)計(jì)階段的有臨建高速、杭金衢拓寬等工程。這些工程在勘察施工中積累了大量的地質(zhì)資料，為本文展開巖溶規(guī)律的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中，杭長高速、杭長北延、申蘇浙皖高速均位于浙江北部湖州境內(nèi)，巖溶發(fā)育路段范圍較少，零星分布，巖性以石炭-二疊系純度較高的灰?guī)r為主。

　　杭金衢、杭新景、黃衢南高速主要位于浙西金華、衢州境內(nèi)，巖溶發(fā)育路段范圍大，揭示地層多樣，各時(shí)代灰?guī)r均有分布;杭金衢高速巖溶地層為寒武、奧陶系灰?guī)r、白云巖，杭新景高速、黃衢南高速震旦、寒武、奧陶以及石炭、二疊系地層均有分布。千黃高速巖溶路段分布于杭州淳安境內(nèi)，為寒武系灰?guī)r。紹諸高速巖溶路段分布于紹興城南路段，為震旦系灰?guī)r。發(fā)達(dá)的高速路網(wǎng)基本覆蓋了浙西北地區(qū)所有區(qū)市，沿線所揭示的巖溶發(fā)育類型齊全，其巖溶發(fā)育特征具有較好的代表性。

　　公路工程中，對于橋梁的勘察，有大量的鉆探、物探工作，施工階段更要進(jìn)行逐樁鉆探，因此橋梁的勘察資料非常豐富，有條件進(jìn)行細(xì)化研究。橋址區(qū)多位于河谷、平原或山間盆地，單個(gè)結(jié)構(gòu)物一般同屬一個(gè)地貌單元，其地質(zhì)、水文條件一致，在研究巖溶發(fā)育規(guī)律時(shí)可作為一個(gè)單元。在實(shí)際工程中也往往以每個(gè)橋梁為單位來評價(jià)其巖溶發(fā)育程度。

　　本文以單個(gè)橋梁為單位，對高速公路橋梁勘察資料進(jìn)行大量分析，并對27座中橋、大橋的逐樁鉆探成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。研究區(qū)橋位場地巖溶類型均為覆蓋型巖溶，巖溶的發(fā)育形態(tài)有以下特點(diǎn):

　　(1)溶洞發(fā)育一般呈串珠狀，垂直發(fā)育為主，多與地表溶隙、溶蝕溝槽連通，充填或半充填狀，充填物較為單一，與上部覆蓋層基本一致，水平向連通較少。許多鉆孔表部揭示的溶洞實(shí)際為溶蝕溝槽的延伸。

　　(2)巖溶發(fā)育程度與深度密切相關(guān)，淺層巖溶發(fā)育，一定標(biāo)高以下巖溶不發(fā)育，深度一般20～50m。

　　(3)溶洞規(guī)模整體較小，目前鉆孔揭示的最大單洞一般小于20m，最大33.1m，尚未發(fā)現(xiàn)有廳堂式大型巖溶洞穴。鉆孔揭示巖溶率均在40%以下，大部分集中在20%以下，總巖溶率與最大單洞呈正相關(guān)。巖溶發(fā)育程度與地層年代相關(guān)性不強(qiáng)，寒武系地層樣本最多，離散性也最大;石炭-二疊系地層揭示單洞洞徑在8.5～30.3m，而且總巖溶率不高的情況下單洞規(guī)模更大，但較寒武系地層來說并無明顯的規(guī)模差異。

　　3橋梁樁長設(shè)計(jì)輔助軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本文在總結(jié)現(xiàn)有巖溶發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款用于巖溶樁長輔助設(shè)計(jì)的軟件，用于實(shí)現(xiàn)對巖溶區(qū)擬建橋梁區(qū)域的勘察資料綜合分析，幫助確定橋梁建設(shè)時(shí)的樁長。

　　3.1軟件功能設(shè)計(jì)

　　樁長設(shè)計(jì)輔助軟件共設(shè)置文件編輯、樁長計(jì)算、二維仿真、三維仿真四大功能模塊。其中文件編輯模塊用于鉆探、物探等資料的輸入，其中鉆探數(shù)據(jù)的為方便數(shù)據(jù)錄入匹配了理正勘察軟件數(shù)據(jù)庫文件，可直接調(diào)取理正數(shù)據(jù)庫文件。

　　樁長計(jì)算軟件參照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)結(jié)合數(shù)據(jù)庫讀取的鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行樁力計(jì)算。二維仿真模塊結(jié)合了CAD的二次開發(fā)技術(shù)，可輔助進(jìn)行物探成果的人機(jī)交互解譯，并將解譯成果以虛擬鉆孔的形式返回?cái)?shù)據(jù)庫。

　　三維仿真模塊為該軟件的核心功能模塊，用于將鉆探以及物探解譯的成果通過插值計(jì)算，獲得巖溶體的三維形態(tài)，在輸入樁基坐標(biāo)及直徑后，可根據(jù)巖溶形態(tài)與樁基的空間關(guān)系，獲得建議樁長值。軟件采用C/S架構(gòu)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，部分功能基于CAD平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)主要分為交互層、功能邏輯層、模型算法層、數(shù)據(jù)管理層四部分。

　　(1)交互層:主要實(shí)現(xiàn)前臺(tái)UI界面的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)、圖表的頁面展示與人機(jī)的交互部分。包括數(shù)據(jù)的輸入輸出、三維地質(zhì)模型的可視化展示等。

　　(2)功能邏輯層:主要包括各模塊功能的具體實(shí)現(xiàn)。

　　(3)模型算法層:主要包括地質(zhì)體三維建模的模型庫以及樁長計(jì)算、建模等算法的庫。

　　(4)數(shù)據(jù)管理層:主要利用數(shù)據(jù)庫對所有涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分類的集中管理。

　　3.2巖溶區(qū)三維地質(zhì)模型

　　巖溶區(qū)三維地質(zhì)模型的刻畫是軟件的核心功能，包括地表形態(tài)、基巖面以及溶洞的三維形態(tài)。地表、基巖面的數(shù)據(jù)插值采用距離冪次反比法(IDW)，該方法是建立在區(qū)域化變量理論的基本原理基礎(chǔ)上的，即假設(shè)待插值的空間點(diǎn)屬性值在一定的研究范圍內(nèi)具有相關(guān)性。IDW對于未采樣點(diǎn)的估計(jì)值是未采樣點(diǎn)屬性真值的無偏估計(jì)。

　　對于溶洞三維形態(tài)刻畫，基于鉆探及物探解譯的虛擬鉆孔資料，邊界以錐形尖滅，根據(jù)巖溶形態(tài)分布規(guī)律，進(jìn)行以下條件的約束，使其更符合實(shí)際形態(tài):

　　(1)鉆孔揭示高度小于20m的溶洞，相鄰鉆孔孔距小于20m，若標(biāo)高相近可視為同一溶洞，孔距大于20m則視為不同溶洞。(基于統(tǒng)計(jì)溶洞規(guī)模80%小于20m，以水平向?yàn)樾∫?guī)模巖溶發(fā)育主要方向的最不利因素考慮)

　　(2)鉆孔揭示高度大于20m的溶洞，相鄰鉆孔孔距不小于垂直洞高，標(biāo)高在同一范圍內(nèi)，則視為相同溶洞，孔距大于垂直洞高，則視為不同溶洞。(基于巖溶發(fā)育呈串珠狀，垂直方向?yàn)殚L軸方向的規(guī)律下，水平垂直長度一致的最不利因素考慮)

　　(3)基于巖溶發(fā)育呈串珠狀，垂直方向?yàn)殚L軸方向的規(guī)律下，水平垂直長度一致的最不利因素考慮，縱向揭示大于40m溶洞，橫向若無約束邊界，其延伸寬度最大等于縱向長度。

　　(4)基于實(shí)際巖溶形態(tài)在樁基設(shè)計(jì)條件下的概化，對于連續(xù)溶洞間殘留的夾層灰?guī)r，由于其厚度薄，穩(wěn)定性不足，無法作為樁基持力層，在溶洞刻畫時(shí)將夾層上下溶洞歸并為一層。經(jīng)運(yùn)算后繪制的地層通過DirectX接口顯示地層。DirectX，(DirecteXtension，簡稱DX)是由微軟公司創(chuàng)建的多媒體編程接口。由C++編程語言實(shí)現(xiàn)，遵循COM。

　　4結(jié)語

　　(1)浙江地區(qū)巖溶主要呈條帶狀分布于浙西北地區(qū)，按時(shí)代有三疊、二疊、石炭、奧陶、寒武、震旦系，巖溶發(fā)育程度受地形地貌、水文條件、地層巖性、構(gòu)造等條件影響，從橋址區(qū)巖溶分析來看，整體巖溶發(fā)育規(guī)模均較小，最大可見溶洞僅33.1m，總體巖溶率大部分在20%以下，成因時(shí)代造成的差異性不明顯。

　　(2)在橋梁樁長設(shè)計(jì)輔助軟件的設(shè)計(jì)中，將浙江地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律量化為具體參數(shù)，作為刻畫巖溶三維地質(zhì)建模的原則，在實(shí)際運(yùn)行中，取得了較好的效果。對浙江地區(qū)巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)的配跨長度選取、樁基類型選擇、樁長確定有非常好的指導(dǎo)輔助作用，對于其它相似地區(qū)也具有指導(dǎo)意義。

　　但該軟件也有很多不足之處，比如由于鉆孔數(shù)據(jù)密度有限，刻畫的巖溶三維形態(tài)邊角尖銳，與實(shí)際形態(tài)有差異;僅對浙江等巖溶發(fā)育規(guī)模較小的地區(qū)適用性較好，可通過更多地區(qū)的樣本資料分析，拓展軟件適用范圍。

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　　推薦期刊：山西建筑創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。