武漢地區(qū)巖溶空間分布特征及坍塌風(fēng)險(xiǎn)研究

張宏彪

(周山無(wú)界工程設(shè)計(jì)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430061)

0 引 言

巖溶是可溶性巖石在水的溶(侵)蝕作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱。可溶巖包括碳酸鹽類巖石以及石膏、巖鹽、芒硝等其他可溶性巖石。巖溶塌陷是指在有覆蓋層的巖溶發(fā)育區(qū)，在特定的水文地質(zhì)條件下，巖面以上的土體遭到流失遷移而形成的土中的洞穴和洞內(nèi)塌落堆積物以及引發(fā)地面變形破壞的總稱[1，2]。土洞是巖溶的一種特殊形態(tài)，屬于不良地質(zhì)現(xiàn)象，由于發(fā)育速度快、分布密，對(duì)工程的影響有時(shí)甚至大于溶洞[3]。碳酸鹽類巖石在武漢地區(qū)呈東西向多條帶分布，分布范圍廣，因此應(yīng)掌握碳酸鹽類巖石中的巖溶問(wèn)題是城市地下空間開(kāi)發(fā)及地表基礎(chǔ)建設(shè)的重要內(nèi)容[4]。近年來(lái)，隨著武漢城區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，受人類活動(dòng)影響后巖溶的穩(wěn)定性問(wèn)題變得十分突出，日益影響著工程的安全和建造成本，甚至使得建(構(gòu))筑物失去使用功能或破壞、自然地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)遭受破壞。因此，研究武漢地區(qū)巖溶的空間分布特征和坍塌風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于城市的規(guī)劃和建設(shè)來(lái)說(shuō)有著重要意義[5]。

在武漢地區(qū)巖溶的空間分布上，羅小杰[6]采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，綜合分析武漢地區(qū)的巖溶結(jié)構(gòu)特征后指出，武漢的巖溶主要為淺覆蓋巖溶，50%的溶洞頂板在基巖面以下4.5 m內(nèi)，90%的溶洞高度不超過(guò)3.0 m；涂婧等[7]指出武漢市的巖溶坍塌基本上分布在長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地上，對(duì)于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)階地上較為少見(jiàn)；李慎奎等[8]結(jié)合地鐵建設(shè)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了武漢巖溶的發(fā)育特征，并采取相應(yīng)的工程措施解決巖溶塌陷問(wèn)題。

本文在分析武漢市巖溶平面分布特征和垂直分布特征的基礎(chǔ)上，以時(shí)間視角總結(jié)歷史上發(fā)生的巖溶塌陷事件，分析其塌陷形態(tài)特征及其發(fā)生的水文地質(zhì)條件，并選取典型巖溶發(fā)育區(qū)域(湯遜湖區(qū)域)進(jìn)行坍塌風(fēng)險(xiǎn)研究，為武漢市城區(qū)規(guī)劃和建設(shè)提供參考和借鑒。

1 武漢市巖溶空間分布特征

1.1 武漢市巖溶平面分布特征

武漢市位于江漢平原東部，長(zhǎng)江中游，長(zhǎng)江與漢江在此交匯，地貌形體從剝蝕堆積壟崗區(qū)向沖洪積區(qū)過(guò)渡，獨(dú)特的水文地質(zhì)條件為巖溶發(fā)育提供了水動(dòng)力條件。同時(shí)，廣泛分布的碳酸鹽類巖石使得武漢地區(qū)的溶洞發(fā)育，在多種因素的綜合作用下形成巖溶塌陷。如圖1所示，武漢地區(qū)的巖溶具有分布范圍廣、巖石地質(zhì)成因多種多樣、呈東西向多條帶分布的特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，其可溶巖按成因分類大致可以分為二疊系上統(tǒng)黃龍-船山組(C2)、二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、三疊系下統(tǒng)觀音山組(T1g)、三疊系中統(tǒng)陸水河組(T2l)，二疊系泥灰?guī)r主要分布于向斜及背斜的兩翼，以較深溶溝、溶槽及窄長(zhǎng)形溶洞為主，在斷層帶附近尤為發(fā)育，三疊系泥灰?guī)r、灰?guī)r主要分布于向斜的核部，多以小型溶洞為主；其分布面積約1 100 km2，約占武漢市面積的14%；其分布規(guī)律從北向南，大致分為北部、中部、南部3個(gè)大區(qū)、8個(gè)條帶，即①北部天興洲條帶(諶家磯-青山復(fù)向斜巖溶帶)、②中部大橋條帶(大橋倒轉(zhuǎn)向斜巖溶帶)、③中部白沙洲條帶(湯家山-新安村扇形向斜及蔡甸-太子湖、豹子獬倒轉(zhuǎn)向斜巖溶帶)、④南部沌口條帶(流芳嶺復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜巖溶帶)、⑤南部湯遜湖條帶(湯遜湖-鴨兒湖扇形向斜巖溶帶)、⑥南部五里界向斜巖溶帶、⑦南部軍山條帶(鳶龍山-官家畈向斜巖溶帶)、⑧南部漢南條帶(漢南-烏龍泉向斜巖溶條帶)。

圖1 武漢市巖溶平面分布圖

1.2 武漢市巖溶垂直分布特征

近年來(lái)，武漢城區(qū)開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)建設(shè)，特別是地鐵工程這類線性工程，對(duì)武漢巖溶進(jìn)行了大量的專項(xiàng)勘察，但是目前的研究主要集中在巖溶的平面分布上，對(duì)其垂直分布特征研究較少，而且現(xiàn)有研究涉及較多的是巖溶的線溶率、見(jiàn)洞率、溶洞頂?shù)装鍢?biāo)高等，并沒(méi)有真正揭示巖溶洞垂直發(fā)育的規(guī)律，使得勘察成果對(duì)工程建設(shè)的指導(dǎo)性較差[9]。

巖溶是水營(yíng)力長(zhǎng)期不斷侵蝕、溶蝕作用下的產(chǎn)物，巖溶的垂直分布特征與巖溶水循環(huán)密切相關(guān)，巖溶水的交替強(qiáng)度以及水的溶蝕強(qiáng)度是巖溶發(fā)育程度強(qiáng)弱的前提條件。因此，研究武漢巖溶水循環(huán)的分帶對(duì)認(rèn)識(shí)巖溶的垂直分布特征具有十分明顯的作用。近年來(lái)武漢地區(qū)大量的地質(zhì)鉆探成果及相關(guān)研究成果表明[10]，武漢地區(qū)的長(zhǎng)江古河道的河床最大侵蝕高程為-80 m，侵蝕槽底部主要為第四系下更新統(tǒng)Q1砂礫層，因此可以推測(cè)此侵蝕高程為最古老的侵蝕基準(zhǔn)面。將武漢地區(qū)Q1～Q4地層中的巖溶水循環(huán)進(jìn)行分帶，大致可以分為4個(gè)帶，如圖2所示。

圖2 武漢市巖溶水動(dòng)力垂直分帶

從圖2可以看出，Ⅰ帶中主要為垂直循環(huán)帶，該范圍內(nèi)巖溶水以自上而下的垂直運(yùn)動(dòng)為主，水平運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)，水的交替強(qiáng)度最高，侵蝕性也最強(qiáng)，在該范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，主要發(fā)育有漏斗、落水洞、豎井等垂直巖溶形態(tài)；Ⅱ帶中主要為季節(jié)變化帶，巖溶水同時(shí)存在垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，水的交替強(qiáng)度較高，呈現(xiàn)出自上而下逐漸減弱的規(guī)律，且受季節(jié)性豐水程度影響，至于水的溶蝕性也是隨著深度的加大、滲透途徑的加長(zhǎng)而逐漸減少，垂直循環(huán)帶中溶蝕性的水在流向季節(jié)循環(huán)帶的途中開(kāi)始降低本身的溶蝕能力，因此，巖溶既有垂直巖溶形態(tài)，也有水平巖溶形態(tài)；Ⅲ帶中主要為水平循環(huán)帶，水的交替強(qiáng)度已明顯減弱，水具有減壓性質(zhì)，巖溶形態(tài)常呈現(xiàn)為放射狀；Ⅳ帶中主要為深循環(huán)帶，通常水的交替數(shù)值是極小的，地下水流動(dòng)緩慢，巖溶形態(tài)的形成過(guò)程也非常緩慢，長(zhǎng)期作用的過(guò)程中，形成規(guī)模不大的小溶洞和溶孔。

2 武漢市巖溶塌陷形態(tài)特征及其發(fā)生的水文地質(zhì)條件

近年來(lái)，武漢地區(qū)隱伏巖溶分布區(qū)，巖溶地面塌陷時(shí)有發(fā)生。由隱伏巖溶造成的覆蓋層地面塌陷曾導(dǎo)致居民財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重受損，或建筑工程停頓，或堤防受損加固，其經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。其中有記錄的巖溶塌陷見(jiàn)表1。

表1 武漢市巖溶塌陷歷史事件

從表1可知：①巖溶塌陷主要發(fā)生在長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，其地層特征為典型的“灰?guī)r+覆蓋層”二元結(jié)構(gòu)，在Ⅱ級(jí)階地剝蝕丘陵區(qū)、壟崗地帶偶有發(fā)生，其地層特征為一般黏性土、老黏土+局部坡殘積層+灰?guī)r；②在巖性上，巖溶塌陷多發(fā)生在三疊系大冶組灰?guī)r和二疊系棲霞組灰?guī)r，中厚層狀，強(qiáng)度較高；③水動(dòng)力條件是巖溶塌陷的重要因數(shù)，長(zhǎng)江水與巖溶水、地表水與巖溶水、人工抽采水之間的變動(dòng)關(guān)系，加劇了巖溶的塌陷。

3 巖溶坍塌風(fēng)險(xiǎn)研究

選取圖1中⑤南部湯遜湖條帶(湯遜湖-鴨兒湖扇形向斜巖溶帶)作為研究對(duì)象，選定研究區(qū)域如圖3所示。研究區(qū)面積約472 km2，大致的范圍為北至武昌區(qū)經(jīng)濟(jì)管理大學(xué)，南至江夏區(qū)五里界，東到江夏區(qū)龍泉山，西邊抵達(dá)黃家湖和何家湖，為了囊括長(zhǎng)江一級(jí)階地，對(duì)西北角長(zhǎng)江兩岸也選取40 km2范圍。

圖3 研究區(qū)范圍及評(píng)價(jià)結(jié)果

研究采取層次分析法進(jìn)行坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，具體的方法原理和評(píng)價(jià)計(jì)算可參考文獻(xiàn)[11]、[12]，層次F分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為巖溶發(fā)育程度M1(線溶率N1)、覆蓋層條件M2(土層結(jié)構(gòu)N2、土層厚度N3)、水位地質(zhì)條件M3(水位波動(dòng)幅度N4、涌水量N5)、塌陷點(diǎn)M4(塌陷影響范圍N6)、斷層M5(影響半徑N7)，綜合這兩個(gè)文獻(xiàn)提出坍塌風(fēng)險(xiǎn)易發(fā)性區(qū)間，見(jiàn)表2。

表2 巖溶坍塌風(fēng)險(xiǎn)易發(fā)性分級(jí)

研究區(qū)的坍塌風(fēng)險(xiǎn)易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖4可以看出，巖溶坍塌高易發(fā)區(qū)主要集中在長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地(圖3中白沙洲光霞村附近)，面積約31.4 km2，占研究區(qū)總面積比例為3.11%；中易發(fā)區(qū)主要集中在白沙洲光霞村-南湖-陽(yáng)邏山條帶上和何家湖村附近，面積為65.6 km2，占研究區(qū)總面積比例為13.8%；低易發(fā)區(qū)面積為171 km2，占研究區(qū)總面積比例為36.0%，無(wú)巖溶區(qū)面積為224 km2，占研究區(qū)總面積比例為47.1%。結(jié)果表明，長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約占研究區(qū)面積的26.9%，在進(jìn)行武漢城區(qū)規(guī)劃與建設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)該區(qū)域加以重視和提前防范。

4 結(jié) 論

(1) 在平面分布上武漢巖溶大致可以分為南部、中部、北部3個(gè)大區(qū)，又可細(xì)分為8個(gè)條帶；在垂直分布上，巖溶按水動(dòng)力循環(huán)劃分為Ⅰ區(qū)垂直循環(huán)帶、Ⅱ區(qū)季節(jié)循環(huán)帶、Ⅲ區(qū)水平循環(huán)帶和Ⅳ區(qū)深循環(huán)帶。

(2) 對(duì)歷史上巖溶塌陷事件統(tǒng)計(jì)表明，武漢地區(qū)巖溶塌陷主要發(fā)生在長(zhǎng)江I級(jí)階地，其地層特征為典型的“灰?guī)r+覆蓋層”二元結(jié)構(gòu)；巖溶塌陷多發(fā)生在三疊系大冶組灰?guī)r和二疊系棲霞組灰?guī)r；水動(dòng)力條件是巖溶塌陷的重要因數(shù)，長(zhǎng)江水與巖溶水、地表水與巖溶水、人工抽采水之間的變動(dòng)關(guān)系，加劇了巖溶的塌陷。

(3) 選取典型巖溶發(fā)育區(qū)域(湯遜湖區(qū)域)作為研究區(qū)，采用層次分析法對(duì)研究區(qū)坍塌風(fēng)險(xiǎn)研究，結(jié)果表明長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約占研究區(qū)面積的26.9%，在進(jìn)行武漢城區(qū)規(guī)劃與建設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)該區(qū)域加以重視和提前防范。