曹海濤，姚 軍

（1.湖南省湘咨招標(biāo)咨詢有限責(zé)任公司，長沙 410016；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，長沙 410008）

地下水升降分析的灰?guī)r地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題

曹海濤1，姚 軍2

（1.湖南省湘咨招標(biāo)咨詢有限責(zé)任公司，長沙 410016；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，長沙 410008）

土洞、天坑等巖溶塌陷的發(fā)生越來越頻繁，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。文中從灰?guī)r地區(qū)發(fā)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(dǎo)致巖溶塌陷進(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境的原理，并針對(duì)基于這種誘因的巖溶塌陷的發(fā)生原理提出相應(yīng)建議。

生態(tài)環(huán)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(huì)議上，首次提出了“美麗中國”的概念和愿景，而生態(tài)環(huán)境作為“美麗中國”的外在載體，其美麗與否關(guān)乎“美麗中國”愿景的能否實(shí)現(xiàn)。然而，隨著人類生產(chǎn)生活的不斷進(jìn)步，人們對(duì)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(fù)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?guī)r地區(qū)相繼發(fā)生了不同規(guī)模的巖溶塌陷（見圖1），給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了直接或間接的威脅，同時(shí)帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題。于是，分析巖溶塌陷的誘因并加以應(yīng)對(duì)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(jìn)行分析并提出相應(yīng)應(yīng)對(duì)建議。

1 地下水水位升降對(duì)生態(tài)環(huán)境（巖溶塌陷）的影響

灰?guī)r地層在中國南方地區(qū)分布廣泛，且埋深相對(duì)較淺，而南方地區(qū)雨水較多，由于灰?guī)r巖溶大多較發(fā)育，溶蝕裂隙，溶溝，溶槽、溶洞多具有良好是過水及儲(chǔ)水條件。而灰?guī)r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(xué)性質(zhì)難免受到地表水和地下水的水位升降作用的影響。針對(duì)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?guī)r地區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞（巖溶塌陷）實(shí)景

當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，將巖溶洞隙或空腔空間的氣體進(jìn)行壓縮，形成正高壓氣團(tuán)，在該密閉的空間內(nèi)，氣體對(duì)其空腔周圍的巖土體產(chǎn)生正壓，當(dāng)空腔頂部（覆蓋層）較薄時(shí)，氣壓可沖破頂部覆蓋層土體，造成塌陷。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，巖溶空腔內(nèi)原有的氣體變得稀薄，氣體對(duì)其空腔周圍的巖土體產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生吸力，使周圍巖土體表層遭到吸蝕，進(jìn)而剝落。對(duì)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(fù)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(duì)土體的潛蝕，加速土體的破壞和土洞的形成及擴(kuò)展（見圖2）［2］。

圖2 巖溶空腔空氣受地下水升降形成正負(fù)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(duì)周圍巖土體形成正壓還是下降形成負(fù)壓，都破壞了原有的力的平衡，對(duì)周圍巖土體的穩(wěn)定不利，會(huì)在一定程度上加劇塌陷的產(chǎn)生。

1.2 運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)地下水水位下降使溶洞周圍巖土體產(chǎn)生塑性破壞進(jìn)行分析判斷

筆者運(yùn)用地質(zhì)模型分析了當(dāng)?shù)叵滤簧祵?duì)巖溶空腔周圍巖土體受力狀態(tài)的影響，并進(jìn)一步建立力學(xué)模型分析地下水水位下降對(duì)溶洞周圍巖土體產(chǎn)生的塑性破壞。巖溶區(qū)一般位于降水量豐富即地下水豐富地區(qū)，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(xué)角度對(duì)當(dāng)?shù)叵滤唤抵寥芏吹撞繒r(shí)周圍土體的應(yīng)力變化情況。設(shè)一半徑為a的近球狀溶洞，所受內(nèi)壓力為Pa；同時(shí)假設(shè)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(jù)圣維南原理，在外壓力Pb作用下，將對(duì)模型容器內(nèi)半徑邊界產(chǎn)生應(yīng)力集中，離內(nèi)邊界越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中影響越弱，當(dāng)應(yīng)力半徑r＝3a時(shí)，σθ＝1.02Pb，σr＝0.96Pb，與Pb誤差不超過4%，其應(yīng)力接近原始應(yīng)力Pb。

圖3 球形容器內(nèi)外壓力受力示意圖

將溶洞假定為一個(gè)厚壁容器，則其在內(nèi)、外壓力作用下的軸對(duì)稱彈性力學(xué)問題進(jìn)行分析［3］，可得

式中：σθ、σr分別為半徑為r時(shí)，球形容器球面上的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力，kPa；a、b分別為球形容器的內(nèi)、外半徑，m；Pa、Pb分別為球形容器所受內(nèi)、外初始?jí)毫?，kPa。

同樣，由于內(nèi)壓Pa的作用，隨著r的增大，其應(yīng)力影響會(huì)越來越小，當(dāng)r＝3a時(shí)，σθ＝－0.02Pa，σr＝0.04Pa，Pa對(duì)球面上的應(yīng)力貢獻(xiàn)小于5%Pa，均滿足工程要求。

通過對(duì)容器模型的應(yīng)力分析可知：對(duì)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(shí)，可以視為為產(chǎn)生內(nèi)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(shí)球面上的外壓力對(duì)溶洞產(chǎn)生的應(yīng)力集中。當(dāng)經(jīng)地下水侵蝕作用產(chǎn)生的溶洞內(nèi)半徑較小時(shí)，即h?a，此時(shí)當(dāng)溶洞內(nèi)充滿地下水時(shí)可以認(rèn)為Pb＝γh，Pa＝γwhw（γ為介質(zhì)重度，h為高度）；當(dāng)溶洞內(nèi)無地下水時(shí)，Pa＝γwhw＝0，Pb＝γh。將其代入式（2）中可以得到球形溶洞內(nèi)邊界周邊的應(yīng)力狀態(tài)。

而根據(jù)上式求得的溶洞周圍土體任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)后，可將起代入莫爾—庫侖極限準(zhǔn)則進(jìn)行判別，判斷該點(diǎn)是否產(chǎn)生塑性破壞，也即為是否會(huì)產(chǎn)生巖溶塌陷（φ為內(nèi)摩擦角）。

2 舉例證明

設(shè)在灰?guī)r分布區(qū)黏土地面以下h處有一經(jīng)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(qiáng)度指標(biāo)黏聚力為c＝26 kPa，內(nèi)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?cè)O(shè)定兩組地下水位高度極限情況進(jìn)行如下計(jì)算［3］：當(dāng)?shù)厮辉谌芏炊错斠陨蠒r(shí)，將數(shù)據(jù)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(tài)時(shí)的σ3，而σr＞σ3，即溶洞內(nèi)壁土體不會(huì)發(fā)生塑性破壞；當(dāng)?shù)叵滤陆档饺芏吹撞恳韵聲r(shí)，Pa＝γwhw＝0，將數(shù)據(jù)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(tài)時(shí)的σ3，而σr＜σ3，即此時(shí)溶洞內(nèi)壁土體會(huì)發(fā)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(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致溶洞土體周圍土體發(fā)生不可逆的塑性破壞，進(jìn)而引起巖溶塌陷的發(fā)生。

3 結(jié) 論

經(jīng)過以上建模分析以及舉例驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)地下水的水位頻繁變化引起的灰?guī)r上覆黏性土層的塑性破壞是巖溶塌陷發(fā)生的主要誘因［4］，同時(shí)，巖溶塌陷是灰?guī)r地區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞的主要表現(xiàn)形式。據(jù)此，防治或修復(fù)灰?guī)r地區(qū)生態(tài)環(huán)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(dòng)方面，就是控制人們包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生產(chǎn)生活方面對(duì)地下水的過量開采和使用。根據(jù)筆者對(duì)湖南西部區(qū)域多個(gè)灰?guī)r分布區(qū)的調(diào)查和走訪來看，為避免巖溶塌陷的發(fā)生，很多地區(qū)的居民生活用水采用自來水，或在居民聚集區(qū)附近的山間搜集下降泉進(jìn)行凈化后作為生活用水，農(nóng)田灌溉方面利用水庫搜集儲(chǔ)存地表水，盡量少采取地下水；只有這樣，才能保持一定區(qū)域的地下水在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定是水位，避免其快速升降，從而避免破壞生態(tài)環(huán)境的巖溶塌陷的發(fā)生，保證居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，以期達(dá)到人與生態(tài)環(huán)境的和諧相處，讓“美麗中國”的愿景早日變成現(xiàn)實(shí)。

［1］劉之葵，梁金城.巖溶區(qū)溶洞及土洞對(duì)建筑地基的影響［M］.北京：地質(zhì)出版社，2006.

［2］姚軍，陳學(xué)軍，曾憲斌，等.廢棄礦區(qū)巖溶塌陷發(fā)生中地下水作用研究［J］.中國水運(yùn)：學(xué)術(shù)版，2007，7（4）：112-113.

［3］劉之葵，梁金城，周健紅.巖溶區(qū)土洞發(fā)育機(jī)制的分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12（1）：45-49.

［4］宮昆峰.淺談巖溶地區(qū)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(huán)境保護(hù)研究，（E-mail）34130236＠qq.com。