地下水升降分析的灰巖地區生態環境問題

曹海濤，姚 軍

（1.湖南省湘咨招標咨詢有限責任公司，長沙 410016；2.湖南省交通規劃勘察設計院，長沙 410008）

地下水升降分析的灰巖地區生態環境問題

曹海濤1，姚 軍2

（1.湖南省湘咨招標咨詢有限責任公司，長沙 410016；2.湖南省交通規劃勘察設計院，長沙 410008）

土洞、天坑等巖溶塌陷的發生越來越頻繁，嚴重威脅人民群眾的生命財產安全。文中從灰巖地區發生巖溶塌陷的主要誘因 地下水水位升降的角度入手，分析導致巖溶塌陷進而破壞生態環境的原理，并針對基于這種誘因的巖溶塌陷的發生原理提出相應建議。

生態環境；巖溶塌陷；地下水水位升降

在不久前召開的黨的十八大會議上，首次提出了“美麗中國”的概念和愿景，而生態環境作為“美麗中國”的外在載體，其美麗與否關乎“美麗中國”愿景的能否實現。然而，隨著人類生產生活的不斷進步，人們對于大自然的索取也與日俱增，而這種無度的索取給大自然帶來的往往是難以恢復的破壞，慢慢地人們開始受到大自然的懲罰。比如，最近，許多南方灰巖地區相繼發生了不同規模的巖溶塌陷（見圖1），給人們的生命財產安全帶來了直接或間接的威脅，同時帶來一系列的生態環境問題。于是，分析巖溶塌陷的誘因并加以應對就顯得尤為重要了，文中將從巖溶塌陷的主要誘因——地下水水位升降的角度著手進行分析并提出相應應對建議。

1 地下水水位升降對生態環境（巖溶塌陷）的影響

灰巖地層在中國南方地區分布廣泛，且埋深相對較淺，而南方地區雨水較多，由于灰巖巖溶大多較發育，溶蝕裂隙，溶溝，溶槽、溶洞多具有良好是過水及儲水條件。而灰巖上覆的黏性土多為紅黏土或次生紅黏土，且薄厚不均，其物理力學性質難免受到地表水和地下水的水位升降作用的影響。針對地下水水位升降在巖溶塌陷的形成中的作用。

1.1 地下水位變化引起溶洞或空腔的壓力及周圍土體受力作用

圖1 灰巖地區生態環境破壞（巖溶塌陷）實景

當地下水水位上升時，將巖溶洞隙或空腔空間的氣體進行壓縮，形成正高壓氣團，在該密閉的空間內，氣體對其空腔周圍的巖土體產生正壓，當空腔頂部（覆蓋層）較薄時，氣壓可沖破頂部覆蓋層土體，造成塌陷。當地下水位下降時，巖溶空腔內原有的氣體變得稀薄，氣體對其空腔周圍的巖土體產生負壓，對周圍巖土體產生吸力，使周圍巖土體表層遭到吸蝕，進而剝落。對于覆蓋層土體中的地下水（主要為土體中的潛水），隨著空腔空間所承受的負壓不斷增加覆蓋層土體中賦存的地下水（主要為土體中的潛水）向下滲透的附加水頭，加劇了對土體的潛蝕，加速土體的破壞和土洞的形成及擴展（見圖2）［2］。

圖2 巖溶空腔空氣受地下水升降形成正負壓力示意圖

綜上可以看出，在巖溶洞隙或空腔空間中的地下水，無論是上升對周圍巖土體形成正壓還是下降形成負壓，都破壞了原有的力的平衡，對周圍巖土體的穩定不利，會在一定程度上加劇塌陷的產生。

1.2 運用數學模型對地下水水位下降使溶洞周圍巖土體產生塑性破壞進行分析判斷

筆者運用地質模型分析了當地下水水位升降對巖溶空腔周圍巖土體受力狀態的影響，并進一步建立力學模型分析地下水水位下降對溶洞周圍巖土體產生的塑性破壞。巖溶區一般位于降水量豐富即地下水豐富地區，由于地下水的作用，起初形成較小的類似球體的溶洞［1－3］，下面從彈塑性力學角度對當地下水位降至溶洞底部時周圍土體的應力變化情況。設一半徑為a的近球狀溶洞，所受內壓力為Pa；同時假設同球心半徑為b的球面上受一均布外在壓力Pb，如圖3所示。

根據圣維南原理，在外壓力Pb作用下，將對模型容器內半徑邊界產生應力集中，離內邊界越遠，應力集中影響越弱，當應力半徑r＝3a時，σθ＝1.02Pb，σr＝0.96Pb，與Pb誤差不超過4%，其應力接近原始應力Pb。

圖3 球形容器內外壓力受力示意圖

將溶洞假定為一個厚壁容器，則其在內、外壓力作用下的軸對稱彈性力學問題進行分析［3］，可得

式中：σθ、σr分別為半徑為r時，球形容器球面上的切向應力、徑向應力，kPa；a、b分別為球形容器的內、外半徑，m；Pa、Pb分別為球形容器所受內、外初始壓力，kPa。

同樣，由于內壓Pa的作用，隨著r的增大，其應力影響會越來越小，當r＝3a時，σθ＝－0.02Pa，σr＝0.04Pa，Pa對球面上的應力貢獻小于5%Pa，均滿足工程要求。

通過對容器模型的應力分析可知：對于位于地面以下深度為h，半徑為a的球形溶洞，有地下水作用時，可以視為為產生內壓Pa，而上覆土層自重壓力視為Pb，其影響半徑定為3a，分析外壓力Pb在b＝3a時球面上的外壓力對溶洞產生的應力集中。當經地下水侵蝕作用產生的溶洞內半徑較小時，即h?a，此時當溶洞內充滿地下水時可以認為Pb＝γh，Pa＝γwhw（γ為介質重度，h為高度）；當溶洞內無地下水時，Pa＝γwhw＝0，Pb＝γh。將其代入式（2）中可以得到球形溶洞內邊界周邊的應力狀態。

而根據上式求得的溶洞周圍土體任一點的應力狀態后，可將起代入莫爾—庫侖極限準則進行判別，判斷該點是否產生塑性破壞，也即為是否會產生巖溶塌陷（φ為內摩擦角）。

2 舉例證明

設在灰巖分布區黏土地面以下h處有一經地下水侵蝕作用形成的溶洞，溶洞半徑為a，地下水位埋深為d，黏土的抗剪強度指標黏聚力為c＝26 kPa，內摩擦角為φ＝20°，重度為γ＝19 k N／m3，飽和重度為γsat＝20 k N／m3，在此我們設定兩組地下水位高度極限情況進行如下計算［3］：當地水位在溶洞洞頂以上時，將數據代入Pb＝γh，Pa＝γwhw，再代入式（2），得到σθ，σr，令σθ＝σ1，代入莫爾－庫侖極限平衡方程，得到臨界狀態時的σ3，而σr＞σ3，即溶洞內壁土體不會發生塑性破壞；當地下水下降到溶洞底部以下時，Pa＝γwhw＝0，將數據代入Pb＝γh，再代入式（2），得到σθ，σr，令σθ＝σ1，代入莫爾 庫侖極限平衡方程，得到臨界狀態時的σ3，而σr＜σ3，即此時溶洞內壁土體會發生不可逆的塑性破壞。由此可見：由于地下水的下降，改變了溶洞周圍土體的應力狀態，導致溶洞土體周圍土體發生不可逆的塑性破壞，進而引起巖溶塌陷的發生。

3 結 論

經過以上建模分析以及舉例驗證，發現地下水的水位頻繁變化引起的灰巖上覆黏性土層的塑性破壞是巖溶塌陷發生的主要誘因［4］，同時，巖溶塌陷是灰巖地區生態環境破壞的主要表現形式。據此，防治或修復灰巖地區生態環境破壞的首要措施是控制地下水的頻繁升降，具體到人類的活動方面，就是控制人們包括工業、農業及生產生活方面對地下水的過量開采和使用。根據筆者對湖南西部區域多個灰巖分布區的調查和走訪來看，為避免巖溶塌陷的發生，很多地區的居民生活用水采用自來水，或在居民聚集區附近的山間搜集下降泉進行凈化后作為生活用水，農田灌溉方面利用水庫搜集儲存地表水，盡量少采取地下水；只有這樣，才能保持一定區域的地下水在一個相對穩定是水位，避免其快速升降，從而避免破壞生態環境的巖溶塌陷的發生，保證居民的生命財產安全，以期達到人與生態環境的和諧相處，讓“美麗中國”的愿景早日變成現實。

［1］劉之葵，梁金城.巖溶區溶洞及土洞對建筑地基的影響［M］.北京：地質出版社，2006.

［2］姚軍，陳學軍，曾憲斌，等.廢棄礦區巖溶塌陷發生中地下水作用研究［J］.中國水運：學術版，2007，7（4）：112-113.

［3］劉之葵，梁金城，周健紅.巖溶區土洞發育機制的分析［J］.工程地質學報，2004，12（1）：45-49.

［4］宮昆峰.淺談巖溶地區地面塌陷及處理［J］.巖土工程界，2004，7（12）：56-58.

（編輯 詹燕平）

Study on the Limestone Area Ecological Environment Problems Based on the Analysis of Groundwater Elevation

Cao Haitao1，Yao jun2
（1.Hunan Xiangzi Bidding Consulting Co.，Ltd，Changsha 410016；2.Transportation Planning Survey and Design Institute of Hunan Province，Changsha 410008）

Soil cave，karst collapse doline，occur more and more frequently，a serious threat to people＇s life and property safety.This paper starts from limestone areas of karst collapse causes-groundwater level elevation angle，analysis of its causes and the destruction of the ecological environment of karst collapse，and based on the principle of karst collapse such incentives put forward the corresponding proposal.

ecological environment Karst collapse Groundwater level fluctuation

TU46

A

1674-4764（2013）S2-0134-02

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.034

2013-09-30

曹海濤（1984-），女，工程師，主要從事環境保護研究，（E-mail）34130236＠qq.com。