名甲山特大橋巖溶土洞塌陷危險性評價研究

武 濤

1 工程概況

名甲山特大橋位于遼寧省海城市境內(nèi)。橋址區(qū)局部溶洞、土洞發(fā)育，鉆孔見洞率達 20%～30%，屬深覆蓋型巖溶區(qū)，原計劃采用摩擦樁。

2 地質(zhì)條件

1)巖溶、土洞發(fā)育特征。名甲山特大橋下伏寒武系灰?guī)r，巖溶發(fā)育較差，在 68個巖溶鉆孔中，有8個孔遇溶洞，而且只有 1個有流塑狀粉質(zhì)粘土充填。此外，名甲山特大橋土洞比較發(fā)育，共有 6個鉆孔揭示土洞。2)第四系覆蓋層特性及不均勻性分析。名甲山特大橋處于楊柳河沖積扇范圍內(nèi)，第四系為沖、洪積成因的松散堆積物，厚度由南東向北西逐漸增大，土層厚度大于 40m。鉆孔資料顯示，該區(qū)土層結(jié)構(gòu)主要為一元結(jié)構(gòu)與多元結(jié)構(gòu)，后者較前者更易產(chǎn)生塌陷(見圖 1)。研究表明，土層不均勻系數(shù)(Cu)越大，土體越容易發(fā)生滲透變形破壞，進而形成土洞，通常將 10作為滲透變形敏感性界限[5]，當不均勻系數(shù)大于 10時，該類土層屬于易發(fā)生滲透變形(潛蝕)的土層。該橋址 156組顆分實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:本區(qū)土層存在發(fā)生潛蝕的可能性(見圖 2)。3)水文地質(zhì)特征。該橋址區(qū)存在雙層地下水:第四系孔隙含水層、巖溶含水層，二者之間局部缺乏隔水層，具有相同的地下水位，此種地下水的存在狀況對塌陷的產(chǎn)生有重要影響。根據(jù)經(jīng)驗顯示，地下水位的波動對巖溶塌陷發(fā)育的影響很大。目前該橋址區(qū)存在鐵西等多個水源地，并且在黃縣屯段穿越鐵西水源地地下水降落漏斗影響區(qū)。

3 巖溶、土洞塌陷發(fā)展模式

1)“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運”循環(huán)發(fā)展模式。在地下水滲流作用比較強的地區(qū)，地下水的作用會使土洞逐漸垮塌，垮塌土體被地下水帶走，洞頂向上擴展，當其影響區(qū)波及地表，或在外荷作用下土洞失穩(wěn)下陷形成地面塌陷。2)“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”發(fā)展模式。在地下水滲流作用比較弱的地區(qū):土洞在地下水長期浸泡下發(fā)生垮塌，由于地下水作用相對較弱，無法將垮塌土體帶走，因此，整個土洞會被填滿，土洞進入相對穩(wěn)定階段，這種情況下，一般不會在地面產(chǎn)生塌陷坑。

4 巖溶土洞(塌陷)危險性現(xiàn)狀評估及預(yù)測評價

為了更好的評價名甲山巖溶土洞(塌陷)危險性，在黃縣屯、將軍屯、名甲屯設(shè)置三個檢測點，檢測設(shè)備為采用美國 GEOKON公司生產(chǎn)的 4500型振弦式孔隙水壓力傳感器和 LC8001數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。

1)測試結(jié)果分析。測試結(jié)果表明:將軍屯監(jiān)測點的花崗巖全風化土臨界水力坡度和臨界水位下降速度分別為0.79 cm/min和6.6 cm/m in。粉砂巖強風化土的臨界水力坡度和臨界水位下降速度分別為 2.38 cm/min和 8.58 cm/min。名甲屯監(jiān)測點底部細角礫土、灰?guī)r全風化土臨界坡度較高，為 2.38～3.97，臨界水位下降速度 8.28 cm/min～8.58 cm/min。黃縣屯監(jiān)測點底部圓礫土、灰?guī)r全風化土臨界坡度也較小，為 1.59～2.38，臨界水位下降速度為 9 cm/min～9.6 cm/min。

2)巖溶土洞(塌陷)危險性現(xiàn)狀評估。由于黃縣屯處于鐵西水源地降落漏斗區(qū)，地下水位變化頻繁，第四系水位高出巖溶水位達 13.3m，水力坡度及滲透坡度均達到或超過臨界值(見表1)，因此，該區(qū)多元結(jié)構(gòu)土層區(qū)形成土洞、塌陷的危險性較高;而名甲屯附近的二元結(jié)構(gòu)土層地區(qū)和將軍屯發(fā)生塌陷的較小。由于地下水的滲透力較大，已有土洞的演化將以“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運”的循環(huán)為特點，最后有可能造成地面塌陷。

表1 名甲山特大橋土層滲透變形條件分析

3)目前變化趨勢下土洞塌陷危險性評價。根據(jù)《遼寧省地下水保護行動計劃》，鐵西水源地地下水抽取將受到嚴格限制，這將使名甲屯附近和將軍屯形成土洞塌陷的可能性降低，現(xiàn)有土洞的演化將遵循“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”模式，塌落的高度取決于原土洞的規(guī)模。

4)巖溶土洞穩(wěn)定性分析。a.“洞頂垮塌→堆積→潛蝕搬運”循環(huán)發(fā)展模式。該模式的發(fā)展速度主要取決于地下水的變化特點，根據(jù)經(jīng)驗，當土洞位于地下水變動帶時，土洞向上擴展速度可達每年 1.3m。b.“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”模式。由于地下水作用較弱，洞體空間被土洞頂板坍塌物充填而不再向上擴展。土洞發(fā)展的上限可以采用“洞體頂坍塌自行填塞估算法”進行計算(見圖 3)。計算結(jié)果見表 2。

表2 現(xiàn)有土洞發(fā)展上限估算 m

假設(shè)土洞為半球形，半徑為h0，土洞垮塌穩(wěn)定時的頂板半徑也為h0，經(jīng)推算可得塌落高度H的計算方法如下:

其中，V0為原土洞體積;V為新垮塌體積;K為垮塌體松脹系數(shù)。

代入式(1)，得:

一般土體松脹系數(shù) K=1.05～1.15，這里取 1.10，可得塌落高度H為:

由式(3)可得:土洞最大塌落高度為土洞高度的 6.7倍。

5 結(jié)論和建議

1)主要結(jié)論。a.名甲山特大橋黃縣屯一帶受鐵西水源地影響明顯，發(fā)生土洞塌陷的危險性較大，但《遼寧省地下水保護行動計劃》將嚴格限制鐵西水源地過量開采地下水，此舉將降低黃縣屯一帶土洞塌陷的可能性，已有土洞也將以“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”模式演化。b.名甲山特大橋其余區(qū)段發(fā)生土洞塌陷的危險性較小，已有土洞將以“洞頂垮塌→空腔填塞→相對穩(wěn)定”方式發(fā)展，針對該模式估算已有土洞將不會引起地面沉降。c.任何急劇加大開采量，使區(qū)內(nèi)地下水快速、大幅度下降的行為，都可能誘發(fā)塌陷。

2)建議。a.名甲山特大橋黃縣屯附近屬于塌陷危險區(qū)段，建議采用嵌巖樁。b.已有土洞的充填物大多處于軟塑、流塑狀態(tài)，承載力很低，因此，建議采取水泥注漿充填處理。c.建議在名甲山特大橋?qū)④娡投巍⒚淄投卧O(shè)置監(jiān)測鉆孔，采用現(xiàn)代化的自動監(jiān)測技術(shù)，實時監(jiān)測巖溶塌陷觸發(fā)因素的變化。d.確保《遼寧省地下水保護行動計劃》落到實處。

[1] 劉忠民.應(yīng)用數(shù)學模型分析預(yù)測首山水源地開采保證[J].吉林水利，2006(sup):37-38.

[2] 李仁鋒.鞍山市環(huán)境地質(zhì)問題及礦山環(huán)境治理初探[J].地質(zhì)找礦論叢，2003(sup):10-11.

[3] 李仁鋒.鞍山市區(qū)地面沉降的機理分析[J].地質(zhì)找礦論叢，2003(sup):54-56.

[4] 胡國軍.遼陽市地下水超采區(qū)水資源狀況及治理保護[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技，2005(2):21-22.

[5] 巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.