廖明政, 韓德村, 霍　芳

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

隨著武漢市城市飛速發(fā)展,人類工程活動進(jìn)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(zhì)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(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境、形成條件、發(fā)育規(guī)律和影響因素,分析出其成因機制,總結(jié)該區(qū)域巖溶發(fā)育規(guī)律,為巖溶塌陷防治工作提出對策。

1　巖溶塌陷機理研究現(xiàn)狀

按巖溶塌陷成因機制分析,其產(chǎn)生的根本原因是蓋層的部分土體受力失穩(wěn)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(xué)效應(yīng),構(gòu)成不同的塌陷模式,因此,巖溶塌陷的形成應(yīng)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(cè)向滲透力、巖土體空隙中氣體的正壓力或負(fù)壓力、振動力、大氣壓力;抗塌力包括巖土體的內(nèi)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(zhì)環(huán)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(tài)不同,產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)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(fā)育特征

白沙洲大道張家灣段位于武漢市洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)及其臨近地區(qū),該地區(qū)來往行人、車輛頻繁,為武漢南大門、交通要道。研究區(qū)地勢平坦開闊,地面標(biāo)高17～25 m,在地貌結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為河流湖泊漫灘和一級階地。

巖溶塌陷發(fā)生于2009年11月24日,發(fā)生時該處正在進(jìn)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(shè)備毀損,并導(dǎo)致該處樁基不得不進(jìn)行移位變更。塌陷致使供水管道破裂,坑內(nèi)大量積水,未造成人員傷亡。塌陷發(fā)生后,道路施工方采取了壓力注漿和回填工程處理,現(xiàn)今地面平整,塌陷已趨穩(wěn)定,未見新的變形跡象。

3　巖溶塌陷形成地質(zhì)條件

3.1　二元結(jié)構(gòu)覆蓋層特點

研究區(qū)土層結(jié)構(gòu)為長江一級階雙層結(jié)構(gòu),主要為第四系全新統(tǒng)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(zhì)粘土,局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(xì)砂和礫砂,厚度1～21 m;礫砂層層位不穩(wěn)定,在區(qū)內(nèi)呈間斷分布,層厚在1.4～9 m之間。

在第四系全新統(tǒng)砂性土層與下部灰?guī)r之間有一層間斷分布的第四系更新統(tǒng)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(lián)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(tǒng)走馬嶺組沖積層(隱伏三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r)；3.地面高程；4.剖面線及編號。

3.2　下伏可溶巖發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)賦存的碳酸鹽巖,主要分為石炭系上統(tǒng)黃龍—大埔組(C2h+d)、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)三種地層,呈條帶狀分布。巖性多為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,部分屬泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r及角礫狀灰?guī)r。巖石中方解石脈發(fā)育,縱橫交錯,脈寬0.01～3.9 mm,溶蝕孔洞中有方解石晶簇產(chǎn)出(表1)。

3.3　巖溶塌陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)

該塌陷構(gòu)造部位屬于新隆—豹澥倒轉(zhuǎn)向斜核部,據(jù)收集鉆探資料,該地段屬覆蓋型巖溶區(qū),地層巖性自上而下依次為填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、灰?guī)r,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(fā)育,主要為溶洞、溶蝕裂隙,溶洞高0.4～4.5 m,由上至下發(fā)育2層,分別位于埋深30 m、40 m處。區(qū)域地質(zhì)資料顯示,在其下部還可能存在溶洞層(圖2)。

3.4　塌陷區(qū)水文地質(zhì)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(lián)系。

表1　研究區(qū)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(fā)育地質(zhì)模式

根據(jù)研究區(qū)發(fā)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(jié)構(gòu);下伏基巖可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發(fā)育;孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系密切。

4.1.1上覆蓋層具“上粘下砂”二元結(jié)構(gòu)

在研究區(qū)巖溶發(fā)育的地段,其上覆蓋層均為第四系全新統(tǒng)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(zhì)粘土,局部有粉質(zhì)粘土與砂互層,下部為砂性土,主要為粉砂、細(xì)砂和礫砂,具河流相二元結(jié)構(gòu),總厚度25～35 m,局部可達(dá)40 m,顆粒級配中粒徑0.05～0.25 mm粒級的細(xì)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(zhì)粘土;2.粉質(zhì)粘土夾粉砂;3.粉砂;4.細(xì)砂;5.塌積物;6.灰?guī)r;7.第四系全新統(tǒng)走馬嶺組沖積層;8.三疊系下統(tǒng)大冶組;9.地下水位線;10.巖層產(chǎn)狀傾向/傾角。

4.1.2下伏可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發(fā)育

白沙洲大道一帶覆蓋型碳酸鹽巖分布區(qū)下伏基巖均為二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)可溶性碳酸鹽巖,隱伏于第四系全新統(tǒng)走馬嶺組粉細(xì)砂層之下,巖性為中厚層狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)、微粒結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,晶粒較粗,且方解石含量達(dá)93%以上,質(zhì)純,巖溶發(fā)育。尤其是基巖頂面附近淺部巖溶極為發(fā)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(qū)內(nèi)巖溶的主要形態(tài),洞高一般為0.1～5.0 m,個別達(dá)10.0 m,大多呈全充填或半充填狀態(tài),少數(shù)為空洞,溶洞充填物為粉砂和巖石碎屑混粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)多呈松散狀。揭露了碳酸鹽巖的鉆孔中,均發(fā)現(xiàn)有不同程度的巖溶現(xiàn)象。

白沙洲大道巖溶塌陷碳酸鹽巖淺部巖溶較發(fā)育,實際調(diào)查中表現(xiàn)為該處鉆孔巖芯破碎且具溶蝕痕跡,節(jié)理裂隙發(fā)育,取芯率極低,鉆孔漏水現(xiàn)象嚴(yán)重。

下伏可溶性碳酸鹽巖頂板附近淺部巖溶發(fā)育,為上覆粉細(xì)砂層的側(cè)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(qū)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(lián)系密切

研究區(qū)白沙洲一帶的長江一級階地,全新統(tǒng)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(xì)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(qū)域全新統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(qū),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(xì)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(lián)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(xì)調(diào)查分析研究基礎(chǔ)上,導(dǎo)致巖溶塌陷產(chǎn)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(yīng)。塌陷地段上覆松散蓋層中粉細(xì)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(lián)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(yīng)。巖土體自重力一方面表現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(jìn)行,土洞逐漸發(fā)展擴(kuò)大,當(dāng)有其它因素誘發(fā)時,土洞頂部逐漸失穩(wěn)產(chǎn)生變形,同時該路段發(fā)生塌陷前正在進(jìn)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(lián)系,使?jié)撐g、流沙加速,進(jìn)而加速了土洞的形成。如人類工程活動的重力加載;連續(xù)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(fā)展,而且加大了導(dǎo)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(xué)性質(zhì)強度降低,抗塌力減小,當(dāng)致塌力大于土拱的抗塌力時,即產(chǎn)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(jié)果,而促使巖溶塌陷的發(fā)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(xué)關(guān)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(nèi)聚力;Gw為塌陷產(chǎn)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(zhì)環(huán)境背景和自然地理條件的塌陷,受力狀態(tài)不同,即致塌力及誘發(fā)因素等存在一定的差異,產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)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(fā)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(zhì)軟化,物理力學(xué)性質(zhì)降低,減小抗塌力,誘發(fā)產(chǎn)生地面變形直至塌陷。塌陷形成發(fā)展較快,形成過程如圖3所示。

5　結(jié)論與建議

5.1　結(jié)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(jié)構(gòu);下伏基巖可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發(fā)育;孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系密切。

(2) 研究區(qū)巖溶塌陷影響因素主要有構(gòu)造、巖性、地下水等地質(zhì)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(qū)巖溶塌陷模式可歸結(jié)為潛蝕—生力致塌模式。導(dǎo)致巖溶塌陷產(chǎn)生的動力作用及其作用機制主要有：地下水滲流潛蝕效應(yīng)，巖土體自身重力效應(yīng)。

(4) 該路段發(fā)生塌陷前正在進(jìn)行樁基施工,采用沖擊成孔灌注樁施工,當(dāng)鉆孔揭穿灰?guī)r頂板時,遇下部溶洞,造成孔內(nèi)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(lián)系增強,使?jié)撐g、流沙加速,加劇了塌陷的形成。

(5) 隨著城區(qū)范圍不斷擴(kuò)展,城市重大工程建設(shè)的增多,人類工程活動的加劇,武漢市巖溶塌陷的發(fā)生與發(fā)展、誘發(fā)因數(shù)等呈現(xiàn)出新的變化趨勢,表現(xiàn)為人類工程活動引發(fā)的災(zāi)害所占比例比較大的特點。巖溶塌陷越來越體現(xiàn)為人為因素導(dǎo)致。

5.2　建議

(1) 嚴(yán)格控制地下水的開采。

(2) 鉆探施工時做好護(hù)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(lián)系。

(3) 在巖溶發(fā)育地段樁基施工時,減少沖擊鉆的使用。

(4) 在巖溶發(fā)育區(qū),實時監(jiān)測地下水位變化、地面變形。

參考文獻(xiàn)：

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