喀斯特發育機理與發展工程建設效應研究方向

盧耀如

中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061

喀斯特發育機理與發展工程建設效應研究方向

盧耀如

中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061

喀斯特在中國分布廣泛, 更主要與經濟發展、工程建設及人民日常生活具有密切關系, 所以研究喀斯特發育規律, 進而探索其對發展與工程產生的效應是非常重要的研究方向。本文在幾十年開展這方面研究的成果上, 綜合探討了: (1)區域性綜合建設方面地質環境效應研究, 包括巖溶區域性發育規律及長江、黃河大型工程的效應評判研究; (2)地下空間開拓方面, 涉及城市地鐵、高鐵、地下大型建筑、礦山開采常發生的不良效應, 及運用喀斯特水文地質等綜合研究以評判危害性和開拓中的六個超前措施; (3)城鎮群的發展與生態內涵的幾個層次問題。通過這實例研究, 強調水文地質、工程地質與環境地質在今后對實現中華強國夢的重要作用。

喀斯特; 規律; 工程發展; 效應評判

第二次世界大戰后, 隨著許多國家著手建設家園, 更好發展經濟, 相應地也出現了水文地質、工程地質學科的新發展。我新中國建立后, 也為水文地質工程地質學的發展, 創造了基本的前提。

在紀念中國地質科學院及其水文地質環境地質研究所成立60周年的文章中, 我闡述了水文地質、工程地質及環境地質的發展概況。這篇文章, 就重點對有關喀斯特研究方向, 及為工程建設與發展服務, 而開展有關工程建設效應, 包括工程建設與地質環境的相互影響效應問題, 進行些探討。

1 區域性綜合建設方面地質環境的工程效應研究

1.1 區域性水文地質、工程地質與環境地質的需求

國家建設與發展, 一方面對地質學的要求是,應用這學科的知識理論, 更好尋找各種礦產資源,特別是發現新的資源以滿足國家發展的需求。解放前留下的200多位地質人員, 顯然不能滿足國家發展的需求, 于是通過院校調整, 更好、更多、更快地培養這方面人才。這方面的追求, 促進了區域的地層、構造、古生物和成礦理論的發展, 也編制出反映區域地質綜合概況的各種比例尺圖件。

另一方面, 隨著國家建設的發展, 也對區域性水文地質、工程地質和環境地質, 提出了迫切需求,也編制了全國性、區域性的水文地質圖、工程地質圖與環境地質圖, 以作為國家與地方制定發展規劃的依據。

至于對水、工、環地質人才的需求, 在建立新中國的初期, 首先是少數搞礦產地質的人員轉入擔負這方面工作, 但主要是解放后通過院系調整, 專門培養年輕人才, 壯大了這方面的隊伍。但是, 水、工、環地質調查與研究所取得成果、人才的數質量,與國家需求相比, 還是有較大的差距。目前, 國家對這方面需求, 主要涉及這些方面: (1)大江河流域水利水電規劃上包括對環境產生利弊效應綜合評判需求; (2)大中城鎮發展規劃與環境效應的評判上的需求; (3)區域性鐵路、公路建設的選線(網)以及施工與運行的安全, 以及地質環境工程效應評判上需求; (4)農村小城鎮發展對水-土資源及地質環境的需求; (5)大型工礦企業選地建設與防治三態(氣、液、固)污染對地質條件與環境的需求; (6)海岸港口發展對地質環境相互效應的需求; (7)航空港網絡建設對地質環境的需求; (8)公路等交通網絡發展對地質環境的效應問題; (9)人民體質健康對地質環境上的需求; (10)防治各種自然成因及工程建設誘發與加劇災害對地質條件與地質環境上的需求; (11)人民日常生活與相互效應對地質上的需求; (12)國防建設對地質環境的需求。

就是說, 國家各方面的建設發展, 以及人民的衣、食、住、行等生活的方方面面和生存環境的安全保障, 人民的身體健康保障, 以及常期的可持續發展的保障等等方面, 都需要有區域性及專門性的水文地質、工程地質與環境地質方面的調查研究及客觀的成果, 予以作為基礎依據(盧耀如等, 1973;盧耀如, 2010)。

所以, 首先從全流域出發, 在地質條件上, 特別是水、工、環地質上全流域考慮水利水電規劃中,如何避免及防治不良工程環境效應問題, 并如何保障其真正有益效應, 是非常重要的。

為了上述這么多方面的發展與工程建設的需求, 在喀斯特地區, 當然應當相關地深入研究喀斯特發育的區域性規律, 及其相關的水、工、環地質條件。區域性喀斯特發育基本規律與特征, 主要涉及到: (1)區域地層、地質構造; (2)喀斯特現象的類別及分布規律; (3)喀斯特現象中有關地質環境演化的信息采集與研究; (4)喀斯特水動力條件類型及其演化; (5)喀斯特發育的年代測定與分析; (6)喀斯特作用過程, 包括三相物質與三相流的形成, 以及有關溶蝕與沉積機理; (7)各種生物, 特別是微生物及植物生長和動物的活動, 產生的喀斯特作用機理; (8)喀斯特作用對水、工、環地質的控制作用; (9)喀斯特因素對各種建設的利弊兩重性的認識評判; (10)各項建設綜合對喀斯特地質環境長期產生的相關影響效應; (11)人工建設疊加復合影響下, 喀斯特地區的生態環境安全與可持續發展的評判認識; (12)喀斯特環境的保護措施; (13)人類對喀斯特資源的保護與合理綜合利用的途徑。

在喀斯特地區, 特別要研究(Lu, 1986a, b)喀斯特水的復雜性, 以及對工程建設的復雜影響, 在開發喀斯特水資源中, 要更加深入研究資源的形成與合理開發(Lu, 1988, 1990, 1993a, b, c; 盧耀如等, 2006)。

1.2 具體大型工程建設的效應問題概述

水利水電建設方面, 例如解放初期修建官廳水庫, 為北京供水、防洪, 1955年建成后就發生滲漏與壩體塌陷, 危及京津安全, 后經喀斯特與水文、工程地質上探明原因, 進行了正確處理(盧耀如, 1959)。

再以三峽工程為例, 首先當然必須考慮壩址選擇評價地質基礎穩定性、壩基及水庫蓄水條件與可能滲漏問題。以及基坑及隧洞排水問題, 建筑材料(特別是混凝土骨料性質等)。對水庫誘發地震的滑坡等地質災害問題, 就選重點研究的關鍵問題。

早期三峽工程有兩個比較壩區, 一是在碳酸 鹽巖壩區, 另一個是火成巖壩區。以三峽碳酸鹽巖壩區南津關壩段壩線基坑排水的研究為例, 通過三維模擬以及水力學方法計算(盧耀如和王兆馨, 1966):

ΣQK—喀斯特通道漏水量(m3/s); Hi—i管道水實蓋(m); wi—巖溶通道截面, 對近于矩形斷面wi=ai·bi為高和寬(m), 對近于圓形斷面wi=Tdi2/4(di為直徑m); μi—i通道漏水量系數; Ci—含集系數; Li—巖溶通道長度(m); Ri—水力半徑, 近矩形斷面R=bi/2, 對園形斷面Ri=di/4; g—重力加速度9.8 m/s2。

研究取得的效果作為評價壩址比較的依據, 表明基坑涌水, 通過措施是可控可排的。

其他很多壩址與庫區工程環境問題的研究, 就不多論述。

1.3 區域性地質環境效應方面

對三峽工程主要考慮三個方面問題。

1.3.1 誘發地質災害問題

地質災害包括地質地震、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等。

關于地震方面, 主要考慮三種誘發地震問題: (1)荷載斷裂類型, 由水庫水-沙荷載, 破壞原有巖體穩定性而誘發地震; (2)氣化爆裂類型, 由于滲流庫水在深處汽化、成壓縮氣團而爆炸產生地震; (3)洞穴塌陷地震類型, 由于洞水浸泡, 使洞穴產生塌陷, 而有地震波發生。

例如: 當庫水作用于某深處d產生的會應力為бRd, 而產生高壓氣團層的全壓力бa時, 如果:

就可產生巖體的破裂, 而產生誘發地震。

壓縮氣團壓力Pa為:

式中, (Rc·θa)dA—氣團體積變化函數; ρo—原始密度; ρa—高壓氣團密度; ρ=ρo時, 所得Po為原始壓強; ρ=ρa時, 所得Pa為高壓氣團壓強。

相應于水庫蓄水后的自然狀態下, 全應力бRd,相應的壓強為P0; 有了氣化作用形成高壓氣團的全應力為бa, 相應壓強為Pa。而бRd與庫水及上面覆蓋的巖體有效重量密切相關, 產生氣體條件下, 孔隙(及小裂隙)中的水壓力相應減少而可不計, 則:

式中: GE—上面覆蓋的可能破壞的巖土體重力; GK—庫水作用下可增加荷載重加, 所以:

產生氣爆地震時, 震要使產生氣爆剪切的破壞力為:

式中, Fa—產生誘發地震破裂巖體的斷面面積; CK—破環巖體的凝聚力。

喀斯特地帶水庫誘發地震時巖體破壞與能量產生對照于表1。

表1 巖溶地區水庫誘發地震巖體破壞與能量對照表Table 1 The rock failure and energy comparison during reservoir induced earthquake in karst area

水庫誘發洞穴塌陷產生地震, 也可有多種因素。筆者也曾對比云貴地區和三峽地區誘發地震問題。一般而言, 水庫誘發地震震級多II—III級, 個別達IV—Ⅵ級。

至于誘發滑坡、泥石流, 需特別注意庫水變動情況下, 庫水消落快, 而高地下水位消落慢時, 產生動水壓力而增加產生滑坡、泥石流災害; 在大暴雨的高強滲透水流作用下, 也易于誘發滑坡泥石流,以及喀斯特塌陷。

由于動水壓力, 可降低巖體穩定系數0.3～0.5,使原先穩定的巖體, 安全系數大于1, 在動水壓力作用下, 就使原來穩定的巖體而成不穩定巖體。

1.3.2 水環境變化—庫水變異

大水庫, 應當考慮庫水常期蓄水后, 產生庫水的分層變異問題, 如表2所示(黃永堅, 1986; 盧耀如, 1999)。

表2 水庫庫水分層與其特性表Table 2 Stratified water of reservoir and its characteristics

庫水變異, 與庫水的流態及陽光的作用密切相關。根據庫水和太陽輻射熱交換的關系(Ridjanovic, 1976):

式中, H—庫水接受的太陽輻射熱(J); Ф0— 一般太陽輻射熱為x×106J/(m2·d); μ—隨深度衰減系數0.05 m-1; z—庫水深(mb); β—太陽輻射熱變化系數0.4。

太陽輻射熱影響最大深度可達20 m, 加上水位變幅達30 m, 則三峽水庫中于最高庫水位以下有55 m深范圍, 將受到太陽熱輻射的影響, 而加速熱擴散作用。

對于水庫主干長達690 km的長江三峽工程,庫區沿岸有一系列城鎮分布, 加之較大支流烏江和一系列小支流的匯入, 全年接納的未達標總廢水量,按目前情況計可達30×108m3。宜昌水文斷面通過的多年平均年徑流量達4 390×108m3, 則廢水量占年徑流量的0.683％。雖然這比例不大, 但廢水量為水庫庫容393×108m3的7.63％。沒有進行大量污水處理情況下, 長江支流及沿岸城鎮將會構成多個污染水集中源。所以污染對三峽工程水環境的影響還是非常重要的, 庫水中污染物的聚集, 主要有下列幾種途徑:

(1)各集中污染源的污染成分, 通過熱擴散以及濃度擴散向庫水的變溫層和平溫層運移, 使在流動交替緩慢的平溫層中聚集, 而成多個污染水團; 相鄰的污染水團, 又可相互緩慢擴散, 而連成污染水帶層。

(2)污染物通過對泥沙的吸著依附而沉積于庫底, 并隨著底流的緩慢推移; 可于適宜地帶富集, 加上物理、化學、生物的作用, 可變成二次污染源。

這兩種的污染物的聚集都很重要。因此, 應當控制庫水的水質, 特別是庫水平溫層以下, 不能發生庫水的富營養化, 使庫水變異惡化, 對可吸附污染物的泥沙的堆積與運移, 也是應當設法予以控制。

長江三峽工程存在著多個由支河入口、城鎮直接排入的污染源流。每個污染源流有其影響的河段,設n個污染源流, 則可劃分n個污染河段, 對于n河段的污染源流而言, 則有:

污染物質離子是多項的, 重點為: pH、總硬度、Fe2+、Fe3+、酚、氰、汞、鉻、砷、等, 重要地點, 可增加重金屬、有機質等項目的測定。主要考慮超過國家規定的水質標準的超標項目。沒有考慮污染物擴散過程中的化學反應及二次污染問題的情況下, 兩庫段間在I時段內匯聚的污染溶質(離子)量為:

多個污染團的污染物質(離子)T時段的匯聚總量為:

圖1 水庫污染狀況理論分析圖Fig. 1 Theoretical analysis of reservoir pollution conditioni, i+1, …, n-水庫庫段號; A-庫水表層(吸溫層); B-庫水中層(變溫層); C-庫水深層(平溫層); D-庫水底層(混溫層)i, i+1, …, n-segment number of reservoir; A-surface layer of reservoir water (absorbing layer); B-middle layer of reservoir water (thermocline); C-deep layer of reservoir water (flat layer); D-bottom layer of reservoir water (mixed layer)

只要入庫的污水量不能全部排向下游, 而且蓄集的污水量不能在庫內完全自凈衰減以至消失, 就有可能形成污染水團, 較多年份的蓄積結果, 就會連成嚴重的污染水帶, 當有大量吸附著污染離子的庫底淤積物時, 又會提供二次污染源。水庫污染的理論分析如圖1所示。

水庫地表水體污染, 也容易引起庫邊地帶地下水由于污染的庫水的灌入, 而造成污染帶。圖2表示喀斯特庫段庫水對地下水造成污染的情況。

庫水變化范圍內的庫岸, 易于沿著早期高處巖溶通道產生污染水體的壓力擴散、溫度擴散及濃度擴散, 如圖2所示。水庫及庫岸的水環境污染, 就會影響到地區生態狀況, 造成地質環境變化, 首先影響到飲用水資源, 以及生物的質量。

圖2 庫水對巖溶地下水產生污染分析示意圖Fig. 2 Sketch map of karstic ground water polluted by reservoir water

1.3.3 水庫沉積與下游沖刷問題

三峽最低庫水位145 m, 最高蓄水175 m, 有30 m水位差, 涉及221×108m3防洪庫容, 建壩前每年沉積2.75×108m3, 泥沙庫區沉積只需30多年就可達80×108m3, 這樣不到100年就使三峽水庫失效。因為泥沙淤積庫容不能超過蓄洪庫容的一半容積。所以, 當時提出興建上游全沙江等水利植紐與發展防護林, 減少泥沙沖刷不泄。

水庫蓄水后, 下泄的清水會對下游庫岸產生沖刷, 葛洲壩徑流電站的修建, 就使下游出現這現象。所以, 相應加固下游河道邊坡保護, 也是需要的。

1.3.4 綜合地質-生態環境評判

重點考慮: ①旱澇災害頻率; ②荒漠化(及石漠化)危險程度; ③庫水變異率; ④地震誘發強度; ⑤巖土保穩定性(包括滑坡泥石流等地質災害); ⑥喀斯特塌陷規模。

喀斯特地區地質-生態環境演化趨勢, 分4級類型。長江三峽工程涉及的不僅僅是一個水庫的自身影響問題, 也涉及到一系列有關生物礦產等資源開發問題, 影響的面也是較廣泛的, 產生地質-生態環境效應也是多方面的。上述的有關內容, 基本上都會涉及到。上述6個要素都可劃分出不同的演化狀況, 列于表3, 以作劃分地質生態環境4個演化類型的依據。

表3 巖溶地區地質-生態環境演化趨勢類型Table 3 The evolution trend type of geological-ecological environment in karst area

長江三峽水利樞紐: 生態環境效應可概括于表4。當然, 表中所列的是主要的地質-生態環境效應及所導致的有關重要問題, 這些效應可以向優化方向發展, 也可以向惡化方向演化。人工興建的大型水利水電樞紐, 在收取最大效益的前提下, 也更應當進行多方面的努力, 以控制地質-生態環境的工程效應。最低限度應當不致產生嚴重的不良環境效應。所以, 大型水利水電工程或其他大型工程, 對環境產生好或壞的效應, 是應當很好研究其兩重性,在此基礎上, 就得有決心正確面對, 而采納正確的人工防治的措施。

1.4 黃河晉峽谷水庫環境效益問題

在黃河晉峽谷上喀斯特地段首先修建了天橋水庫, 而后在其上段興建了大型萬家寨水利樞紐,對于工程而言需考慮問題主要如下。

1.4.1 壩基水壓問題

黃河晉峽谷建壩前水動力條件分析如圖3所示(盧耀如, 1999), 河床有承壓水存在, 對樞紐會產生大的揚壓力, 影響基礎的穩定性。建壩前天橋壩址地下水(碳酸鹽巖基巖與河床第四紀)等水位線如圖3所示。奧陶系碳酸鹽巖頂部有揚壓力時, 黃河天橋壩址基礎揚壓力等值線, 如圖4所示。

表4 長江三峽樞紐主要地質-生態環境效應簡表Table 4 Main geological-ecological environment effect of Three Gorges Dam

圖3 黃河天橋壩址建壩前水動力條件(橫切河床下斷面)分析圖Fig. 3 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam site before building the dam (crosscutting the lower profile of riverbed)

圖4 黃河天橋壩基奧陶系(O2)頂部承壓水等值線圖(水頭高程為m)Fig. 4 Confined groundwater contour map on the top Ordovician of Tianqiao section of Yellow River dam foundation (waterhead height: m)

圖5 黃河天橋壩基水動力條件分析圖Fig. 5 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam foundation

應當著重考慮水和泥沙推力P為:

式中, P—水和泥沙總壓力(Pa); h—庫水深(m); γ0—水的容重(kg/m3); hH—泥砂沉積厚度(m); γH—hH表示沉積泥砂及孔隙中水綜合容重(kg/m3)。

式中, δ—沉積泥砂的實際容重(kg/m3); n—沉積泥砂的孔隙率(％), 揚壓力(浮托力)數值為:

式中, B—揚壓力(N); H—庫水位(m); H2—下游水位(m); b—壩底單寬面積(m2); a—滲透壓力減少系數。

水工設計上, 常以作圖法求浮托力。對喀斯特化地區, 揚壓力的計算以壩基動水壓力為基數, 或者就以壩下滲透水頭值對壩基建筑物底部產生的動水壓力為基數而計算, 如圖5。

天橋樞紐的下游水位以817 m高程計, 從滲流網上可分析, 壩基下不同i部分承受的滲流水頭值將是826～817 m, 相應揚壓力也可表達為:

式中, Hi—i部位的滲流水頭值, 居于826～817 m。

揚壓力也是一個對穩定性有重要影響的因素。據之, 才可進一步計量其壩基與壩體的穩定性。所以, 掌握蓄水前自然狀態下水動力條件, 再研究庫水后的水動力條件變化, 才能正確采取防治措施,以保障大壩穩定性。

1.4.2 喀斯特庫區修漏問題

黃河晉峽谷上段修建萬家寨水庫, 這一河段黃河水與當喀斯特地下水的水動力關系是非常復雜的,如圖6。

在天然狀態下, 頭道拐至河曲間枯水期時最大漏失量達14％; 在頭道拐至萬家寨間, 枯水期差異大的可達10.2％。而在汛期, 頭道拐至河曲間的漏失量也可達11.7％。

兩岸支溝地表水向地下滲漏情況也是很嚴重的。例如水利部門對黑岱溝進行測流, 漏失量達0.369～4.387 L/s(不是雨季洪水時流量), 占上游徑流量的8.48％～93.37％。

通過計算, 并對比國內建立水庫發生滲漏情況和不存在滲情況的貴州和廣西水庫江座, 進行綜合對對比, 強調認為: 如萬家寨水庫的石岸不進行防滲處理, 其滲漏量可達20 m3/s以上。這科學論斷, 已在出版的專著中進行論述(盧耀如, 1999)。后來, 水庫急著上馬開工, 沒有進行防滲處理。容水后, 在20世紀末21世紀初, 卻是發生大量滲漏, 與我預測相近, 而且是由滲漏沖刷管涌, 而不斷加大滲漏量。

當然, 在我論著中也提了, 滲漏少量水流, 可補給右岸陜西的地下水, 從興建萬家寨水庫日的而言(盧耀如, 1999), 主要為引水入晉, 甚至有人強烈要求引貴入京, 成“天運河”。這工程例子和許多巖溶地區修建水庫例子一樣, 重視地質科學, 特別是做好水、工、環地質工作, 就會為工程提出科學的保障條件。

圖6 黃河晉峽谷北段地表水與地下水補排關系圖Fig. 6 The recharge-discharge relationship between surface water and groundwater in northern section of Shanxi-Shaanxi Canyon reach of Yellow River

圖7 通過硫酸鹽巖基礎的橋梁示意圖Fig. 7 Sketch of the bridge to pass the gypsum foundationA-橋墩基礎放在非硫酸鹽巖巖體內; B-橋墩基礎樁基落在下部巖溶不發育的硫酸鹽巖內A-pier foundation put at non-sulfate rock body; B-pier foundation put at sulfate rock with karst undeveloped at the bottom

表5 脫氮硫桿菌生化作用簡表Table 5 Abridged table of thiobacillus denitrificans biochemical action

表6 硫酸鹽巖脫氮硫桿菌作用強度Table 6 Intensity related to the processes of Th. Denitrificans in sulfate rocks

1.5 硫酸鹽喀斯特地區工程效應

硫酸鹽巖石膏、芒硝等, 是水可直接溶解的可溶巖, 其喀斯特作用過程有其特殊性, 不需要供給CO2溶劑作用(Cooper, 1989, 1995, 1996, 2002; 張鳳娥和盧耀如, 2001; 盧耀如和張鳳娥, 2007)。重點從兩方面考慮:

(1)微生物作用機理

草木植物、喬木以及各種蕨類生物, 都對碳酸鹽巖及硫酸鹽巖的巖溶發育有密切影響, 而對易溶巖硫酸鹽巖而言, 微生物巖溶作用不可忽視, 我們探索了硫酸鹽還原菌(Desulfovibrio)、排硫桿菌(Th.thioparus)和脫氮硫桿菌(Th. denitrificans)的生物巖溶作用, 下面只列脫氮硫桿菌生化反應試驗簡要成果。

在喀斯特發育區也發現有還原硝酸鹽的脫氮硫桿菌。評價其作用強度采用由該菌活動還原硝酸鹽而生成(亞硝酸鹽)的數量, 生成的量越大, 說明該菌活動愈強, 如表5所示; 硫酸鹽巖脫氮硫桿菌作用, 見表6。在研究的11組試樣中, 有6組存在脫氮硫桿菌的活動, 但強度較弱,所生成的為0.48 mg/L、2.0 mg/L, 而無菌對照樣小于0.4 mg/L(張鳳娥等, 2003; 盧耀如和張鳳娥, 2007)。

研究了3種微生物在不同研究區的水-巖-微生物系統中的作用強度的變化狀況, 說明在硫酸鹽巖分布的水-巖系統中, 所構成的環境多數適于上列3種微生物的繁殖與發育。這些微生物在水-硫酸鹽巖中進行著積極的代謝活動, 參與了硫、硫酸鹽及硝酸鹽的轉化過程, 從而加速了石膏的溶蝕及次生碳酸鈣的形成。這樣, 構成了硫酸鹽巖-水-微生物作用的巖溶系統。

據研究, 硫化物及硫酸鹽的化學氧化與還原作用相當緩慢, 而微生物的轉化作用十分迅速, 可高出數倍至數十倍(閻葆瑞, 1994, 2001)。化學作用與微生物的轉化作用相比是不重要的。我們一些實驗研究證實了這一結論, 微生物對硫酸鹽的轉化起著破壞及消耗其組織結構的重要作用, 其結果也促使水-硫酸鹽巖的喀斯特作用加強。

在硫酸鹽巖喀斯特發育中, 受溫度的影響, 及溫差效應更為明顯。

(2)硫酸鹽地區工程效應

這方面更為突出, 修建水庫會發生大量滲漏,及基礎塌陷, 引起大壩等建筑破壞。硫酸鹽巖基礎處理, 可有充填法、架橋法、鋪設道路高強度塑料板、可調節的鐵路供電桿等。其中, 我們提出, 架設平橋梁法, 即建設中可廣泛采用此法, 以保證硫酸鹽巖基礎穩定性, 主要是多用鋼鐵, 平橋樁基要進入深處好地層(圖7)上。對凍土層地區, 以及軟土分布地帶, 也可采用該方法。

圖8 隧道碳酸鹽巖對當地總補排條件適宜性判別參考框圖Fig. 8 Reference block diagram of the suitability of the tunnel carbonate rocks to the local total supplementary drainage condition

2 地下空間開拓方面工程效應

目前, 我國許多城市在發展地鐵交通網絡, 而中、長途高鐵建設已達1.9萬km, 其中不少長度在10 km以上的已建隧道, 還有大型地下電站、地下倉庫等等已成功修建。更多以縱橫交錯礦山坑道系統, 也都是屬于地下空間開拓之類。而相應出現問題, 如: 地下空間開拓后, 誘發突水、突泥以及有害氣體侵入、爆炸, 和高地應力產生巖爆等災害, 洞壁洞頂塌落也常見, 也涉及誘發地面沉降、塌陷、地裂縫、滑坡、泥石流災害。地下空間開拓中, 通道本身和誘發地表建筑物的破壞以及造成人身傷亡等災害, 是不可忽視的嚴重地質環境為背景的問題。

2.1 地下空間開拓突水突泥災害判斷

地下空間開拓中, 首先應當研究當地及區域性喀斯特發育規律, 進而探索有關水文地質結構、條件。首先應當在地層、構造的基礎上, 掌握當地喀斯特水補排條件, 進而研究判斷當地喀斯特水的運動特性, 以及有關喀斯特道發育適宜性與可能性,進而作出區域性喀斯特水動力條件適宜判別, 以及有關喀斯特水運動循環系統適宜性判別, 以作判定突水突泥的重要依據。

作出隧道(洞)通過地帶喀斯特水活躍度的評判是很重要的, 但是這必須在評判補排條件后, 再進行有關喀斯特運動適宜性評判。然后再轉入隧道第n段碳酸鹽巖對當地總補排條件的適宣性判斷, 參考圖8。有關喀斯特水適宜性評判, 可參考表7。

表7 隧道碳酸鹽巖對有關喀斯特水運動的適宜性判別參考表Table 7 Reference table for the suitability of the tunnel carbonate rocks to the karst water movement

表8 碳酸鹽巖中隧道通過地帶喀斯特水活躍度判別參考表Table 8 Reference table for the water activity of the tunnel in the carbonate rock through the karst zone

以多項從屬而判定。

隧道中第n段碳酸鹽巖對區域喀斯特水運動力條件適宜性評判也可參考表7。

隧道碳酸鹽巖有關地帶喀斯特水活躍度與危害性, 可根據表8進行隧道中喀斯特水活躍度的評判。

根據多項所屬而判定其類別, 是屬于強巖溶水活躍度, 還是屬于弱巖溶水活躍度, 或無巖溶水活躍度。此外, 也可應用模糊數學進行評判, 即: ·

根據當地情況, 可加大某些項的權值, 其評價集為VKWA=(強喀斯特水活躍度, 弱喀斯特水活躍度)。判定后, 轉入區域性巖溶水動力條件活躍危害性情況如何, 可據上列評判結果, 結合區域性喀斯特水動力條件的評判情況, 可進一步作出區域性巖溶水動力條件活躍危害性的判斷。

參看圖9, 可判斷: (1)由積極活躍循環的喀斯特水引起對隧道災害的喀斯特水動力條件; (2)不活躍循環或封閉停滯喀斯特水引起對隧道災害的喀斯特水的動力條件; (3)無活躍與封閉喀斯特水對隧道產生災害的裂隙性喀斯特水動力條件。

圖9 區域性喀斯特水動力條件活躍危害性判別參考框圖Fig. 9 Reference block diagram of regional karst water power condition activity hazard identification

隧道中碳酸鹽巖內喀斯特水危害性系數組的確定。

分別計算各段碳酸鹽巖的長度LCRi, 及具二種危害性和基本無危害性的長度, 即LAWD,

危害性質系數:

DWD＞2, 全隧道中以活躍性巖溶水危害為主;

DWD＜0.5, 全隧中以封閉性巖溶水危害為主;

DWD=0.5～2, 全隧道中活躍性與封閉性巖溶水危害并重。

危害程度系數:

RND＞2, 全隧道喀斯特水輕度危害;

RND=10～50, 全隧道喀斯特水中度危害;

RND=0.5～2, 全隧道喀斯特水重度危害;

RND＜1, 全隧道喀斯特水極度危害。

判定后轉入喀斯特水危害性與喀斯特類型間關連系數:

RAWD表示與活躍性喀斯特水危害有關系數(％);

RCWD表示與封閉性喀斯特水危害有關系數(％);

一定喀斯特類型地區, 全隧中應當RAWD+RCWD=100％, 但不同喀斯特類型地區, 按不同的水動力情況, 相應的RAWD和RCWD值都是不同的。在表9中提供參考值。

表9 喀斯特類型與巖溶水危害性(對隧道)關連系數參考表Table 9 Reference table of correlation coefficient of karst type and karst water hazard (to tunnel)

這方面的關連系數只是一個參考值, 采取后轉入。

喀斯特水流態與喀斯特水危害方式相關性, 可用以分析隧道中喀斯特水初始危害狀態可分為三種:

(1)大通道大流量突水危害狀態(DGK);

(2)小通道多股流量匯聚危害狀態(DCK);

(3)小通道小流量滲流危害狀態(DLK)。

根據, 前面分析, 喀斯特水流態有: 分流狀(WS), 散流狀(DS), 異流狀(D1), 差流狀(DR), 匯流狀(CT), 聚流狀(Cl), 深流狀(DF), 滯流狀(SF)。有關喀斯特水流態(水動力條件)類型(盧耀如, 1962, 1999), 隧道地帶喀斯特水活躍度及喀斯特水初始危害狀態三者關系, 參看圖10。

圖10 隧道中碳酸鹽巖中喀斯特水初始危害狀態判別參考圖Fig. 10 Reference map of initial hazard state of karst water in carbonate rock in tunnel

圖11 喀斯特水動力條件活躍-危害性分類關系參考圖Fig. 11 Reference map of karst hydrodynamic condition active hazard classification relationship

當然, 初始小通道滲流危害, 也可逐漸發展與誘發大股水流危害, 判定后轉入下面。

隧道中喀斯特水危害定性類型。

隧道喀斯特水動力條件活躍-危害性分類: 可參考圖11進行喀斯特水動力條件活躍-危害性分類。

表10 隧道喀斯特水危害定性類型判斷參考表Table 10 Reference table of qualitative analysis of water hazards in tunnels karst

對隧道中各段碳酸鹽巖可分別判斷, 以判定上述四種類型中的一種。

在進行水動力條件活躍-危害性分類評判后,就可用作隧道水危害的定性類型的評判。

以上著重從多方面因素評斷有關隧道喀斯特突水、潰水的定性危害(表10)。真實資料愈多時, 這種定性評判會愈接近實際。反之, 無更多資料為依據, 而提供的人機對話時回答的情況與參數, 就會降低評判價值。

喀斯特發育機理能有較詳盡的調查, 這方面的定性評判, 就會得到相應分析判斷, 而作出相應的定量、半定量評判。

2.2 六個超前探測則的重要性

長的隧道, 多數是埋藏在數百米至千米以上的地下, 通過進行勘測的鉆探、洞探與物探工作量有限。因此, 雖然做出了上列評判, 但在實施工程中,仍需有六個超前工作。這六個超前做好了, 就能夠更好對隧道中可能產生突水突泥災害予以超前治理,而大大地減少損失。進行六個超前工作, 能有上述的系列評判, 會為六個超前提供重要的依據。六個超前是:

(1)超前研究地質條件, 在施工前就要很好分析研究有關地質條件;

(2)超前分析主要地質效應問題(如上面論述的評判, 更密切地與掘進部位相耦合), 包括對施工可能產生的危害, 開鑿后會發生重要災害問題, 并有初步預案;

(3)超前準備需采用措施及準備有關器材; 分析有問題地段, 就要準備好, 可能采取的處理控制措施, 一切所需要的設備材料;

(4)超前探測, 利用長鉆(小角度)鉆進、物探電法、地震法、地質雷達等、測試掌子門附近水氣性質, 以證實在將要爆破、據進的撐子面前幾十米的地質概況, 有無嚴重水、氣(危害存在);

(5)超前進行不良現象的處理措施; 判斷如果爆破后, 會大量突水突泥、氣爆, 會造成嚴重的后果, 就應當采取預先處理, 如高壓灌漿、支洞排水、孔群排水排氣減壓、加大隧道內通風、排水氣、加強隧道壁的支撐保護等手段;

(6)超前建立避難所: 預測可能產生不良效果,在隧道掘進中, 就要在離撐子面一定距離建安全避難所, 內有水食物, 這避難所隨著隧道掘進而向前移動, 危險地段, 施工人員可先進避難所, 以遙控爆破, 避免高壓水氣對人員危害。

3 生態城鎮群建設的發展工程效應

我國城市化率已達54％以上, 但真正按城市永久居住人口而言, 只有35％多, 新型的生態城鎮群建設正迅速發展。

城鎮群建設, 應當有五級(盧耀如, 2003, 2015), V級是首都及大都市如北京、上海、廣州、天津、深圳, 起重要引領支撐作用, IV級是各省(自治區)省會及少數相應城市, III級是州市級在地區性區域上為骨干, II級城鎮是縣市級, 主要應是當地農業、地方工業的中心, I級城鎮, 是新發展5～20萬人, 可以是尖端工農業及有特色當地產業以及旅游業中心(盧耀如, 2003)。I、II級城鎮應是建設生態城鎮群的重要基礎與前提。

各級城鎮不是單獨存在, 可以有不同級城鎮相結合, 而成城鎮群。

3.1 城鎮群共同體的兩個主要內涵

城鎮群結合成一共同體, 首先應當在資源開發上, 能高效、節約地開發利用各種資源, 這些資源主要是土地資源、水資源、能源、礦產資源、生物資源。其二是有效防治與減輕自然災害(盧耀如等, 2010), 這些自然災害主要包括: 地質災害、氣象災害及生物災害。這五級城鎮不是都一樣的高樓、一樣的人口擁擠、交通堵塞和共同加劇污染。相反地,通過I、II級新型生態城鎮群發展, 減少農村剩余勞動力都涌向大城市打工。I、II級城鎮發展其新興產業, 定是實現中華振興夢想的關鍵措施。

例如: 北京市, 不能只是大市區單獨考慮, 而且應當和所轄縣市、鄉鎮, 統一考慮規劃有關資源綜合開發與災害共同防治的問題, 以及產業調整,發展與再布局的問題。

3.2 開發及防災中的和諧配合方面

這需要由地質環境與條件上, 重點研究考慮這幾個問題: (1)水-土資源的合理配置, 而不能孤立只考慮一種需求; (2)應當很好研究六水共同開發利用,這六水是雨水、地表河水、湖水、地下水、人工大水體(水庫等)、海水(不是沿海地區, 也應考慮地質歷史上海陸變遷的古海水留存與影響)。六災共治是:洪災、澇災、旱災、地質災害、污染、風暴潮, 特別是風暴潮-暴雨-地質災害鏈的防治, 這五級城鎮群是命運相關, 難以分割的。

這是第二層次問題。

3.3 發展與工程建設的綜合環境效應

各種開發與發展都需要進行工程建設, 也必然會對地質環境產生效應, 例如, 高層建筑、抽取地下水、地下空間開拓, 三者都會綜合影響到地面沉降、地面塌陷。大型水利措施, 包括蓄水對生物的生活的環境與生存條件的影響, 例如水庫使地下水的壅高, 就會使植物根系常為地下水浸泡而腐爛,使植物大樹、果樹死亡, 以及增大水動力作用, 加劇與誘發地質災害的發生與發展(包括工業污染與農業面源污染)。

這是綜合效應的第三層問題。

3.4 建設城鎮生態-農業、生態-工業、生態-園林與生態-交通

這方面主要體現在大氣、水體與土壤污染得到治理, 并控制在極低無害水平, 生態工業, 不污染大氣; 主要是綠色低碳、無碳能源的使用, 排放的不良CO2、SO2等得到治理控制, 生態農業表現在主要是使用綠色肥料、有機肥、少用或不用化肥、農藥, 而生產的是綠色與有機食品, 保證食品的安全。綠色交通, 體現在多級別的鐵路、公路以及輪船、飛機等交通網的密切配合, 減少及不用燃煤能源, 這方面還要客流和物流都能有完善無污染的運輸系統, 節能減排以至不排放有害物質, 應當是首位的, 勝過對速度的要求。

城市有生態園林, 增加城市的肺呼吸, 對城市的生態性也是有重要的保障, 相應地, 也應開展有關生態旅游業, 這方面是第四層次問題。

3.5 城鎮群發展應當保障生態環境安全與可持續發展

這是城鎮群發展的最高五層內涵, 不從地質環境上保障城鎮群的地質-生態環境安全, 那城市仍隱存著危期和大災難危險, 對人民的生態財產也是沒有保障的。能夠保障城鎮群整體地質-生態-環境的安全, 這樣的城鎮群, 才是可持續發展的, 也是人們所喜歡居住的。城鎮群的目前地質-生態環境,還需要認真探索未來的演化以及其今后發展的效應(Lu and Duan, 1997; Lu et al., 1997)。

所謂宜居城市, 所謂幸福城市, 不能保障地質-生態環境安全, 不能可持續發展, 那就是不合基本的要求。

圖12 生態城鎮群發展的理念圖Fig. 12 The concept of ecological city cluster development

因此, 水文地質、工程地質與環境地質的工作,要更多直接面對國家的發展、建設, 對各種不同級別的城鎮群的發展, 提出上列幾個層次方面的有關決策的依據。

目前, 我國城鎮群發展的一個通病是:

(1)輕視地質工作是各種規劃建設的前期直到后期運用中的重要前提與依據;

(2)各種城鎮群, 都在不斷求發展擴大, II級大城市還多是夢系在多有大項目列上, GDP更往上冒,而當前最主要的還是要注意瘦身、調整落后產業,以創新發展高尖端新產業。

(3)求洋求大, 損失地區特點, 沒有考慮地質地理環境與當地傳統的風格, 濱海城市和大江旁城市,平原城市與山區城市, 北方干旱草原城市與南方多雨城市, 基本上都漸趨一樣, 一樣的高樓、一樣的灰色混凝土、一樣的寬馬路、一樣的大商廈、一樣的飲食業、一樣的污染源, 有關生態城鎮群的發展的基本概念, 表示于圖12。

在紀念中國地質科學院及其水文地質環境研究所成立六十周年之際, 關于水文、工程與環境地質的六十年的發展情況及有關建議, 已另寫一文,這篇文章特別對水工環地質工作在巖溶地區, 今后應更好地為國家及地方發展與工程建設服務, 積極從地質基礎、巖溶發展規律, 以及有關地質環境上,探索研究有關工程建設與綜合發展的效應問題, 以為保障當地與國家的地質-生態環境安全與可持續發展, 起到積極的作用。

Acknowledgements:

This study was supported by National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No. 2013CB036001) and National Natural Science Foundation of China (No. 41302220).

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Karst Development Mechanism and Research Directions of Developing Engineering Construction Effect

LU Yao-ru
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Karst is widely distributed in China and has a close relation with economic development, engineering construction and people′s daily lives. The study of karst development law and the investigation of its effect on developing engineering construction are very important research directions. Based on several decades of research, the author discussed the research directions in the following aspects: (1) Geological environmental effect research on regional comprehensive construction, including regional development pattern of karst and assessment of the Yangtze River, Yellow River; (2) Underground spatial development, including undesirable effects of urban subway, high-speed rail underground big-space building, mining, judging perniciousness using comprehensive research, such as karst hydrogeology, and six measures in advance during the tunnel construction. (3) Problems of several levels in the development of town groups and ecological connotation. With practical examples, the author emphasized the important role of hydrogeology, engineering geology and environmental geology in realizing China’s power dream.

karst; law; engineering development; effect assessment

P93.5; P694

A

10.3975/cagsb.2016.04.04

本文由國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(編號: 2013CB036001)和國家自然科學基金項目(編號: 41302220)聯合資助。

2016-06-08; 改回日期: 2016-07-15。責任編輯: 閆立娟。

盧耀如, 男, 1931年生。中國工程院院士, 研究員。主要從事水文地質、工程地質、環境地質方面研究工作。E-mail: yrlu@tongji.edu.cn。