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1、利用综合勘查技术手段确定涵洞淤塞原因蒋传琳 蒋传志（河南省煤田地质局物探测量队，郑州 450009）摘要：本文通过介绍淤塞涵洞现场被破坏后所进行的勘查工作，说明采用综合技术手段和相关知识可以充分证明原始现场状况和造成涵洞淤塞的原因，同时也告诉地质工作者面对复杂的地质问题，要学会使用综合勘查技术手段，也许能获得较满意的答案。关键词：综合勘查技术 确定 淤塞原因1 前言 建于 1902 年的某铁路 K633+538m（以下简称 538）与 K633+413m（以下简称 413）等涵洞是排泄路基两侧积水，保障铁路通行安全的设施，其中 538 涵洞宽 3m、高 3.4m、长67.4m，兼有铁路两侧居民
2、跨越铁路的交通功能。2002 年 10 月下旬，维护该段的铁路分局以某电厂自 1998 年来在 538 附近倾倒废弃工业煤碴，破坏了涵渠上游防护林木和护坡草坪，导致水土流失，2001 年以后，经雨水冲刷煤碴大量向铁路线南侧淤积，将 538 与 413 淤塞，造成涵渠排泄不畅，危害铁路行车安全为由，将电厂告上铁路运输中级法院。铁路运输中级法院判电厂向铁路分局赔偿涵洞报废及消除危害费用 330 余万元。电厂对铁路运输中级法院判决不服，认为涵洞自然淤塞在前，粉煤灰覆盖在后，涵洞排泄功能丧失责任在于铁路管理部门未尽到职责。遂于 2003 年初向省高级人民法院提出上诉。省高级人民法院受理此案，多次到现场
3、调查、调解无效后，于 2004 年 3 月委托我单位对 538 与 413 洞淤塞的原因进行司法鉴定。1.1 勘查前现场概况2004 年 3 月在踏勘中看到，位于 538 南口南 200m 以远粉煤灰堆，在雨水冲刷、搬运作用下，不仅覆盖了 538 南口，且已向东迁移至 413 南口附近。铁路部门以为保证线路安全名义，于 2003 年清挖了 538 涵洞，并在 538 东侧修建了 518 涵洞。538 涵洞南、北口洞顶高程为 117.905m 和117.082m，高差 0.823m，计算坡降为 1.2/100。踏勘时因涵洞内的原始沉积物被清挖，南口与周围环境形成深达3m 余凹坑；坑南侧受水流冲刷
4、粉煤灰坍塌并流入坑内；北侧涵洞口上方和坑的西侧壁仍保持着开挖时的陡立状，粉煤灰与黄土沉积分界线清晰；东侧为一行车通道。涵洞的北口开挖出的空间高度约 2m。涵洞内地面平坦，洞壁从下到上都有清挖时残图 1 538 涵洞内洞壁上残留的沉积黄土及雨水回灌痕迹余的沉积黄土，黄土表面附着有薄薄的灰色粉煤灰（图 1） 。413 涵洞长 62.6m，高 1.5m，宽 1.0m；南、北口洞顶高程分别为 117.833m 和124.506m，高差 6.673m，坡降 10.6/100。踏勘时南口被粉煤灰覆盖，仅有约 10cm 的空间，两侧有黄土堆积；北口洞底砌石暴露，没有泥土和粉煤灰沉积痕迹。勘查区地表为第四系黄
5、色粉土和棕红色粉质粘土，大孔结构，含较多的白色菌丝状钙质条纹、小颗粒钙质结核及蜗牛壳碎片，稍密，软塑，具湿陷性，干强度低。岗坡顶部多为农田或荒地，植被稀少，在风力作用下，裸露的浮土纷纷被刮入沟内，风力搬运地质作用十分明显。而勘查区属北温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温 14.6，极端气温 4217.9，温差达近 60；年均降水量 535.2mm，主要集中在 79 月，使得固结性差的粉土在气温和降水作用下易造成陡坎粉化、崩塌和浮土随雨水流向低洼处。 1.2 工作手段及目的由于两涵洞均被人开挖，涵洞内的原始沉积状态已被破坏，采用揭示沉积层序方法来说明涵洞淤塞原因已不可能。为此，我们采用了测绘
6、、探地雷达、井探、化验等综合勘察技术手段，期望通过揭示粉煤灰覆盖下地形起伏形态及涵洞内残留物质，说明造成涵洞淤塞的真正原因。1.2.1 测绘在从附近 GPS（D 级）网控制点向勘查区引导覆盖全区的图根点基础上，使用全站仪测定各碎步点三维坐标值，用南方 CASS5.0 软件编辑成地形图。目的是了解地形起伏现态及粉煤灰分布范围，与老地形图比较以分析地形及水动力状况。1.2.2 地质雷达在粉煤灰覆盖范围“卅”字状布置雷达测线，以粉煤灰的覆盖厚度， “恢复”粉煤灰覆盖下地形及标高状况。1.2.3 井探沿雷达测线按一定间距开挖探井（槽） ，丈量粉煤灰厚度为雷达反射信号进行标定的同时，了解粉煤灰结构及与原
7、地面的关系。1.2.4 化验在探井和 2 个涵洞内及洞壁不同高度采取粉煤灰、残留土等化验样，目的是通过比较 538涵洞壁上残留物与粉煤灰的微观差异，确定涵洞内原沉积物主要成分。2 工作成果分析2.1 各技术手段成果2.1.1 测绘通过测绘了解到，铁路南侧粉煤灰覆盖了 538 涵洞口，粉煤灰顶面高程大于 120.7m，高出 538 涵洞顶（高程 117.905m）近 3m。因 538m 涵洞不能排泄，致使雨水携带的粉煤灰向东流动到 413 涵洞附近形成新的 117.7m 最小高程点，这个高度仅低于 538 涵洞南口 0.2m，较413 涵洞顶高程 117.8m 低 0.1m。铁路北侧，538 涵
8、洞口外排泄渠地面高程 116.9m，低于涵洞北口顶（高程 117.082m）约0.2m。向北百米外地面高程为 115.2m，计算坡降为 1.3。2.1.2 地质雷达使用美国地球物理测量系统公司（GSSI）生产的 SIR20 多通道地质雷达，在预估粉煤灰厚度大于 1m 的地段采用 100M 雷达天线，在厚度小于 1m 的地段采用 400M 天线。雷达探测过程中每 1m 通过手动向仪器打出间隔记号。由于粉煤灰与黄土在物质成分和密度上有着较大差异，电磁波在介电常数分界面上形成了反射和透射，雷达剖面上表现出色泽和波形差异。通过探井对剖面上差异点的深度标定，便可计算出粉煤灰沿的厚度变化情况。以贯穿 41
9、3 涵洞的 LD060 测线为例，虽因涵洞口被淤塞雷达天线无法通过，将测线分成中间空缺约 5m 的两段。经雷达测线上探井揭示粉煤灰厚度，求得该处粉煤灰电磁波速度 0.0455m/ns，粉煤灰底反射波时间 0ns53ns 之间，算得粉煤灰厚度 0.0m1.2m，从测线北端无粉煤灰覆盖、向南逐渐出现粉煤灰，南口附近突然增至1.2m，与洞内所见和 CT06 探槽揭示情况吻合（见图 2） 。综合各雷达测线探测成果（见表 1）看出，在雷达测线控制范围内，粉煤灰覆盖厚度由西向东变化为 0.81.9m0.2m，呈西陡东缓的西倾斜坡。在南北向，粉煤灰厚度总体是靠近粉煤灰堆方向的厚度大于下游，在靠近 538 涵
10、洞口附近局部粉煤灰厚度略有增大；两涵洞之间南北向粉煤灰受原地形影响呈两侧薄中间厚，总体是以 LD070 线为轴线的向西倾斜的凹槽。1.30m0.30m图 2 LD060 线探测与解释剖面表 1 探地雷达成果一览表线号 LD010 LD020 LD030 LD040 LD050 LD060-1 LD070长度 50m 10m 48m 11m 8m 7m16m 148m时间范围 12102ns 2862ns 20138ns 1161ns 0ns42ns 053ns 1085ns深度范围 0.22.4m 0.61.5m 0.53.2m 0.21.4m 00.95m 01.2m 0.21.9m将雷达测
11、线计算的粉煤灰厚度展布在平面图上，运用内插法勾绘出粉煤灰等厚线，便可用于制作地形复原图。2.1.3 探井勘查中共开挖探槽（井）点 21 个，每个探槽的点位都用全站仪测出三维坐标值。538 涵洞南口探槽揭示粉煤灰厚 2.42.5m ，与黄土层的沉积界线清晰，无渐变过渡带。粉煤灰的颗粒结构自下而上呈由粗变细的沉积序列，说明了水动力作用逐步减弱过程。而洞口处黄土层颜色为灰黄色，含水性、粘性较高，有较大的腥臭味，水分蒸发后，形成大量垂直裂缝，说明该处曾处于积水腐沤的环境（图3） 。在 538 涵洞内开挖的 2 个探井 1.11.4m 深度内均为黄褐色粉土，土层固结坚硬，挖掘十分困难。而洞顶壁上附着的残
12、余黄土，无论是色泽还是成分都与洞底相近，没有深色沉积层理痕迹。洞壁残留土的表面附着的灰色粉末状物质，呈现出色泽不均的水平带状特征，说明是随雨水回灌所致。413 涵洞南口开挖的探槽揭示，距洞口 2m左右突然出现一向北的台阶，使粉煤灰厚度由0.3m 突然增加到 1.2m（见图 2） ，证明 413 南口被人开挖后又被雨水携带的粉煤灰重新填埋。洞内约 15m 长未清挖的黄土沉积段也说明造成 413 涵洞功能基本丧失的主要原因是黄土淤积，而粉煤灰的进入只是加重了功能丧失程度。从所有开挖的探井（槽）情况看，黄土层与粉煤灰的界线清晰，土层以下均没有粉煤灰或其它物质掺杂迹象，表明土层沉积过程连续，粉煤灰是在
13、短时间内覆盖其上的。2.1.4 化验化验样是从开挖的探井（槽）及 538 涵洞壁不同高度采集。化验鉴定包括物理描述，X光衍射，油浸简易薄片显微镜偏光观察。黄土层图 3 538 涵洞南口土层与粉煤灰的分界粉煤灰：随含水性多寡呈现出深灰浅灰色，比重 2.4，干重度11.2kN/m 3，粒径0.075mm 占 43，0.075mm 的占 57，手捻有砂感，无光泽，干强度低。X 光衍射测试曲线基本呈单峰状，D 值 3.348。油浸简易薄片在偏光显微镜下观察呈全黑状。纯土：浅黄褐色，比重 2.71，干重度12.7kN/m 3。粒径0.075mm ，稍密，具孔隙，无光泽，干强度高。X 光衍射测试曲线呈多峰
14、值状。偏光显微镜下油浸简易薄片可看到矿物颗粒形态和矿物的偏光特性。洞壁混合土：灰黄色，无光泽，干强度略高，粒径0.075mm 。X 光衍射曲线呈多峰状。显微镜下油浸薄片据粉煤灰的含量多寡呈现出不同黑色或透光范围（见图 4 和表 2） 。化验结果表明：从洞壁上采取的土样粉煤灰含量都小于 40，靠近涵洞底部的土样粉煤灰含量都大于 60，呈随采样点位置距洞底越高粉煤灰含量越低规律。结合采样时观察到灰色物质都是附着在洞壁或覆盖在地表黄土表面的情况，可知粉煤灰是后期附着上去的，而不是与黄土同时沉积的产物。表 2 358 涵洞土样 X 光衍射、偏光测试成果一览表化验样编号 北1 6号 4 号 2 号 3
15、号 西 墙 1号 5 号 10 号 纯 粉 煤 灰 纯土土样状态 混合物 混合物 混合物 混合物 混合物 混合物 混合物 混合物 粉煤灰 粉土粉煤灰含量 70 20 30 60 20 40 30 60 100 0造岩矿物含量 30 80 70 40 80 60 70 40 0 1002.2 勘察综合结论以上工作与分析表明，粉煤灰覆盖前铁路南侧的黄土沉积已在 413 涵洞附近形成 117.4m的最小高程，它低于 538 南口洞顶标高 117.905m 仅 0.5m，而南口附近的地面高程已达118.3m，高出 538 涵洞南口洞顶高程（ 117.905m）约 0.2m，说明 538 涵洞南口已被淤
16、塞彻底丧失了排泄功能，导致雨水向 413 涵洞方向流动。涵洞北口排水渠底高程为 116.9m，较洞顶标高（117.082m）仅低 0.2m。由地质学沉积理论可知，上、下游两测点间的沉积高度应是两点间连线标高，而 538 涵洞南北两侧地面标高高于或接近其洞顶标高，说明涵洞曾几乎被黄土淤塞填满。虽然 538 涵洞在本次勘察前已被开挖破坏，不能直接看到原沉积物结构状况，但洞底及洞壁上的沉积痕迹与未残留的黄土，显示出上述的推论是正确的。岩性化验结果也充分说明涵洞内原始沉积物是黄土，粉煤灰是涵洞清挖后随雨水灌入的产物。538 涵洞下游地形上几乎辨认不出排水渠的痕迹，从涵洞北口到 T7 图根点约 125m，高程差为 1.64m，计算坡降 1.3/100，这种坡降对流水下泄能力较弱，但沉积作用则是十分明显，这不仅说明排水渠道的功能丧失由
