白沙洲大道張家灣段巖溶塌陷機理分析

廖明政, 韓德村, 霍　芳

(湖北省地質環境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

隨著武漢市城市飛速發展,人類工程活動進一步加劇,如地下水的抽取、勘察孔的施工、深基坑的開挖等等都改變了原有的水文地質條件,故人類工程活動可能是巖溶塌陷形成的重要影響因素。本文就白沙洲大道張家灣段巖溶塌陷,研究其產生的地質環境、形成條件、發育規律和影響因素,分析出其成因機制,總結該區域巖溶發育規律,為巖溶塌陷防治工作提出對策。

1　巖溶塌陷機理研究現狀

按巖溶塌陷成因機制分析,其產生的根本原因是蓋層的部分土體受力失穩破壞,塌陷體受到的致塌力超過抗塌力。各種致塌力可以形成各種力學效應,構成不同的塌陷模式,因此,巖溶塌陷的形成應該是多機制的。一般條件下,致塌力包括蓋層巖土體自重力、地下水的垂向滲透力、側向滲透力、巖土體空隙中氣體的正壓力或負壓力、振動力、大氣壓力;抗塌力包括巖土體的內聚力、塌陷體周邊的摩阻力、地下水的浮托力等。由于所處的地質環境和引起塌陷的作用不同,對一個巖溶塌陷來說,不可能同時受到上述所有力的作用,但因受力狀態不同,產生的力學效應不一樣,卻有不同的成因機制,形成不同的致塌模式,所以巖溶塌陷的形成是多機制的,單一成因論只能解釋某些特定條件下所形成的巖溶塌陷。

巖溶塌陷的成因機制可分為以下八種(康彥仁,1992):①重力致塌模式;②潛蝕致塌模式;③真空吸蝕致塌模式;④沖爆致塌模式;⑤振動致塌模式;⑥荷載致塌模式;⑦溶蝕致塌模式;⑧滲壓致塌模式[1-3]。

2　巖溶塌陷發育特征

白沙洲大道張家灣段位于武漢市洪山區青菱鄉及其臨近地區,該地區來往行人、車輛頻繁,為武漢南大門、交通要道。研究區地勢平坦開闊,地面標高17～25 m,在地貌結構上表現為河流湖泊漫灘和一級階地。

巖溶塌陷發生于2009年11月24日,發生時該處正在進行白沙洲大道高架橋樁基施工。塌陷坑平面上呈橢圓形,長24 m,寬20 m,深度為0.5～2 m,長軸方向為NE135°,與白沙洲大道垂直,面積約500 m2,影響范圍約1 000 m2(圖1)。

塌陷造成路面損壞,樁基施工設備毀損,并導致該處樁基不得不進行移位變更。塌陷致使供水管道破裂,坑內大量積水,未造成人員傷亡。塌陷發生后,道路施工方采取了壓力注漿和回填工程處理,現今地面平整,塌陷已趨穩定,未見新的變形跡象。

3　巖溶塌陷形成地質條件

3.1　二元結構覆蓋層特點

研究區土層結構為長江一級階雙層結構,主要為第四系全新統走馬嶺組,總厚度25～30 m。其上部為粘性土層,巖性主要為粉質粘土,局部夾淤泥質粉質粘土,厚度變化較大,一般5～22 m。下部為砂性土層,巖性主要為粉砂、細砂和礫砂,厚度1～21 m;礫砂層層位不穩定,在區內呈間斷分布,層厚在1.4～9 m之間。

在第四系全新統砂性土層與下部灰巖之間有一層間斷分布的第四系更新統王家店組殘坡積層,層厚0.2～2 m不等。殘坡積層起到了相對隔水的作用,但在局部地段缺失,形成天窗,加大第四系孔隙水與巖溶水的聯系。

圖1　白沙洲大道張家灣段巖溶塌陷平面示意圖Fig.1　Schematic plan of karst collapse of Zhangjiawan Section1.塌陷坑及編號；2.第四系全新統走馬嶺組沖積層(隱伏三疊系下統大冶組灰巖)；3.地面高程；4.剖面線及編號。

3.2　下伏可溶巖發育特征

研究區內賦存的碳酸鹽巖,主要分為石炭系上統黃龍—大埔組(C2h+d)、二疊系中統棲霞組(P2q)、三疊系下統大冶組(T1d)三種地層,呈條帶狀分布。巖性多為灰巖及白云質灰巖,部分屬泥質灰巖、泥質條帶灰巖及角礫狀灰巖。巖石中方解石脈發育,縱橫交錯,脈寬0.01～3.9 mm,溶蝕孔洞中有方解石晶簇產出(表1)。

3.3　巖溶塌陷地質結構

該塌陷構造部位屬于新隆—豹澥倒轉向斜核部,據收集鉆探資料,該地段屬覆蓋型巖溶區,地層巖性自上而下依次為填土、粉質粘土、粉砂、細砂、灰巖,上覆第四系松散堆積層厚度為29.4～30.2 m,下伏碳酸鹽巖巖溶發育,主要為溶洞、溶蝕裂隙,溶洞高0.4～4.5 m,由上至下發育2層,分別位于埋深30 m、40 m處。區域地質資料顯示,在其下部還可能存在溶洞層(圖2)。

3.4　塌陷區水文地質特征

塌陷地段上部為孔隙承壓水,下部為巖溶裂隙水。 孔隙承壓水含水層厚度23.6 m,含水層頂板埋深6.5 m,平水期地下水位埋深3 m。下部的裂隙巖溶水含水層頂板埋深29 m,地下水位埋深17 m。從圖2可看出第四系孔隙承壓水與下伏巖溶裂隙水之間并無明顯的隔水層,具有一定的水力聯系。

表1　研究區碳酸鹽巖特征表Table 1　Schedule of characteristics of carbonate rocks in study area

4　塌陷成因機制分析

4.1　發育地質模式

根據研究區發生的巖溶塌陷分析,巖溶塌陷形成的基本條件主要有三個方面,即:上覆蓋層具“上粘下砂”二元結構;下伏基巖可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發育;孔隙水與巖溶水水力聯系密切。

4.1.1上覆蓋層具“上粘下砂”二元結構

在研究區巖溶發育的地段,其上覆蓋層均為第四系全新統走馬嶺組松散沖積物,鉆孔資料顯示巖性上部為粘性土層,主要為粉質粘土,局部有粉質粘土與砂互層,下部為砂性土,主要為粉砂、細砂和礫砂,具河流相二元結構,總厚度25～35 m,局部可達40 m,顆粒級配中粒徑0.05～0.25 mm粒級的細砂,占全重的70%～80%,分選性較好,含少量中粗砂粒及粉粒、粘粒。

圖2　白沙洲大道張家灣段巖溶塌陷剖面圖Fig.2　Profile of karst collapse of Zhangjiawan Section1.粉質粘土;2.粉質粘土夾粉砂;3.粉砂;4.細砂;5.塌積物;6.灰巖;7.第四系全新統走馬嶺組沖積層;8.三疊系下統大冶組;9.地下水位線;10.巖層產狀傾向/傾角。

4.1.2下伏可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發育

白沙洲大道一帶覆蓋型碳酸鹽巖分布區下伏基巖均為二疊系中統棲霞組(P2q)、三疊系下統大冶組(T1d)可溶性碳酸鹽巖,隱伏于第四系全新統走馬嶺組粉細砂層之下,巖性為中厚層狀灰巖、生物碎屑灰巖,隱晶質結構、微晶結構、微粒結構、生物碎屑結構,塊狀構造,晶粒較粗,且方解石含量達93%以上,質純,巖溶發育。尤其是基巖頂面附近淺部巖溶極為發育,多沿地層不整合面、巖石層面、裂隙面及破碎帶分布。溶洞是區內巖溶的主要形態,洞高一般為0.1～5.0 m,個別達10.0 m,大多呈全充填或半充填狀態,少數為空洞,溶洞充填物為粉砂和巖石碎屑混粉質粘土,結構多呈松散狀。揭露了碳酸鹽巖的鉆孔中,均發現有不同程度的巖溶現象。

白沙洲大道巖溶塌陷碳酸鹽巖淺部巖溶較發育,實際調查中表現為該處鉆孔巖芯破碎且具溶蝕痕跡,節理裂隙發育,取芯率極低,鉆孔漏水現象嚴重。

下伏可溶性碳酸鹽巖頂板附近淺部巖溶發育,為上覆粉細砂層的側向潛蝕流失和垂向潛蝕流失提供了運移通道和儲存空間,是工作區巖溶塌陷形成的基本條件之一。

4.1.3孔隙水、巖溶水水力聯系密切

研究區白沙洲一帶的長江一級階地,全新統孔隙承壓含水巖組直接覆蓋于碳酸巖鹽裂隙巖溶含水巖組之上,上覆松散蓋層中粉細砂層中賦存松散巖類孔隙承壓水,下伏基巖可溶性碳酸鹽巖中賦存裂隙巖溶水。部分區域全新統孔隙承壓含水巖組與裂隙巖溶含水巖組之間存在紅砂巖和含碎石粘土,為相對隔水層,使得兩含水層地下水存在一定水頭差。但局部無相對隔水層或存在天窗,全新統孔隙承壓水可沿這些通道下滲補給下伏碳酸鹽巖裂隙巖溶水,因而這些地段巖溶塌陷也尤為發育。碳酸鹽巖裂隙巖溶水枯水期也向第四系松散巖類孔隙承壓水及碎屑巖類裂隙水越流補給。在埋藏型巖溶區,碳酸鹽巖裂隙巖溶水與上部碎屑巖類裂隙水相通,可接受碎屑巖類裂隙水補給。

白沙洲大道巖溶塌陷地段上覆松散蓋層中粉細砂層賦存松散巖類孔隙承壓水,下伏碳酸鹽巖賦存裂隙巖溶水,兩者之間無隔水層存在,水力聯系密切。上部孔隙承壓水水位長年高出下部巖溶水水位10余米,這一水頭差形成了較大的水頭壓力,為上覆粉砂層中地下水潛蝕作用提供了條件。

4.2　形成機理演化

4.2.1巖溶塌陷致塌因素的動力作用機制

在詳細調查分析研究基礎上,導致巖溶塌陷產生的動力作用及其作用機制主要有:

(1) 地下水滲流潛蝕效應。塌陷地段上覆松散蓋層中粉細砂層賦存松散巖類孔隙承壓水,下伏碳酸鹽巖賦存裂隙巖溶水,兩者之間無相對隔水層存在,部分地段存在相對隔水層但局部有天窗或人為鉆孔揭露,水力聯系密切。上部孔隙承壓水水位長年高出下部巖溶水水位10余米,這一水頭差形成了較大的水頭壓力。

(2) 巖土體自身重力效應。巖土體自重力一方面表現在土洞形成過程中巖土體向下方巖溶空隙的運移,一方面表現在土洞坍塌時洞頂巖土體重力大于抗塌力。

地表水、降雨可使上覆巖土體飽水,自重力增大,此外,還使土質軟化,抗剪強度降低。在降雨等誘因下,洞頂巖土體重力大于抗塌力,土洞坍塌,在地面表現為巖溶塌陷。

4.2.2巖溶塌陷致塌模式

塌陷可歸為潛蝕—重力致塌模式。它的形成機制主要是在地下水的潛蝕作用下,在上覆蓋層中形成土洞,隨著潛蝕作用的不斷進行,土洞逐漸發展擴大,當有其它因素誘發時,土洞頂部逐漸失穩產生變形,同時該路段發生塌陷前正在進行樁基施工,工程施工增強了第四系孔隙水與巖溶水的水力聯系,使潛蝕、流沙加速,進而加速了土洞的形成。如人類工程活動的重力加載;連續較大強度降雨時,降雨入滲不但給土體顆粒施加垂向滲透壓力,加速土洞發展,而且加大了導致塌陷的致塌力。同時,降雨入滲后,上覆土體飽水,土體容重增加,自重加大。此外,土體飽水后,物理力學性質強度降低,抗塌力減小,當致塌力大于土拱的抗塌力時,即產生巖溶塌陷。因此,在由溶洞→土洞→塌陷的形成過程中其形成機制主要是潛蝕作用的結果,而促使巖溶塌陷的發生則是滲壓和重力起主要作用,所以其致塌模式屬潛蝕—重力致塌式。

圖3　巖溶塌陷形成示意圖Fig.3　Schematic diagram of formation of karst collapse

塌陷力學關系式為:

式中:G為蓋層土的重量;F為土的摩擦阻力;C為土的內聚力;Gw為塌陷產生時土體孔隙中水的重量;Fs為降雨入滲垂直滲透力;Fw為地下水的浮托力。

巖溶塌陷的形成是多因素共同作用下多機制的變形破壞,具有不同地質環境背景和自然地理條件的塌陷,受力狀態不同,即致塌力及誘發因素等存在一定的差異,產生的力學效應也不一樣,形成塌陷的機制就有差異,因而有不同的致塌模式存在。

巖溶塌陷是自然因素誘發塌陷,主要是由于降雨使得上部土體飽水,自重壓力增大,加大致塌力,土質軟化,物理力學性質降低,減小抗塌力,誘發產生地面變形直至塌陷。塌陷形成發展較快,形成過程如圖3所示。

5　結論與建議

5.1　結論

(1) 巖溶塌陷形成的基本條件主要有三個方面,即:上覆蓋層具“上粘下砂”二元結構;下伏基巖可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發育;孔隙水與巖溶水水力聯系密切。

(2) 研究區巖溶塌陷影響因素主要有構造、巖性、地下水等地質因素及地表水入滲、人類工程活動、附加荷載等外部因素。

(3) 研究區巖溶塌陷模式可歸結為潛蝕—生力致塌模式。導致巖溶塌陷產生的動力作用及其作用機制主要有：地下水滲流潛蝕效應，巖土體自身重力效應。

(4) 該路段發生塌陷前正在進行樁基施工,采用沖擊成孔灌注樁施工,當鉆孔揭穿灰巖頂板時,遇下部溶洞,造成孔內泥漿迅速漏失,孔壁失去支撐垮塌,形成塌陷。同時,第四系孔隙水與巖溶水的水力聯系增強,使潛蝕、流沙加速,加劇了塌陷的形成。

(5) 隨著城區范圍不斷擴展,城市重大工程建設的增多,人類工程活動的加劇,武漢市巖溶塌陷的發生與發展、誘發因數等呈現出新的變化趨勢,表現為人類工程活動引發的災害所占比例比較大的特點。巖溶塌陷越來越體現為人為因素導致。

5.2　建議

(1) 嚴格控制地下水的開采。

(2) 鉆探施工時做好護壁,施工后及時封孔,防治增加第四系水與巖溶水之間的水力聯系。

(3) 在巖溶發育地段樁基施工時,減少沖擊鉆的使用。

(4) 在巖溶發育區,實時監測地下水位變化、地面變形。

參考文獻：

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