余泰敏，喻理傳

(湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北武漢 430051)

武漢地區(qū)近東西向分布4條可溶碳酸鹽巖條帶，除局部有少量出露外，多隱伏于覆蓋土層之下，屬覆蓋型巖溶。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類工程建設(shè)活動(dòng)的加強(qiáng)并向遠(yuǎn)城區(qū)擴(kuò)展，環(huán)境問題日益突出;尤其是巖溶地面塌陷的頻發(fā)，極大地影響了居民的正常生產(chǎn)和生活秩序，也引起了政府部門的高度重視。

本文在分析武漢地區(qū)歷年來塌陷事件的基礎(chǔ)上，根據(jù)收集的資料及數(shù)據(jù)，為武漢地區(qū)砂土滲流—漏失型巖溶地面塌陷建立數(shù)學(xué)模型，分析其致塌模式，為今后的防治工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 巖溶地面塌陷概況

1．1 主城區(qū)

以前武漢市致災(zāi)的巖溶地面塌陷主要集中在主城區(qū)的鸚鵡洲長江大橋與白沙洲長江大橋之間的長江兩岸，統(tǒng)稱陸家街地區(qū)“第3巖溶條帶”(見表1)，其余地段則以潛在不穩(wěn)定塌陷為主。

表1 主城區(qū)主要塌陷事件一覽表［1］Table 1 Schedule of main subsidence event in main city zone

1．2 遠(yuǎn)城區(qū)

隨著工程經(jīng)濟(jì)向遠(yuǎn)城區(qū)的發(fā)展，分布在漢南—江夏一線的“第4巖溶條帶”亦逐漸引起人們的重視，其可溶巖隱伏分布面積遠(yuǎn)較陸家街地區(qū)大;發(fā)生的塌陷事件均具突發(fā)性，且塌陷規(guī)模較主城區(qū)大(表2)。陸家街地區(qū)歷年塌陷事件一般每次產(chǎn)生1～3個(gè)塌陷坑，塌陷總方量最大約1．8萬m3;而江夏法泗塌陷則一次性產(chǎn)生多達(dá)19個(gè)塌陷坑，塌陷總方量約21．0萬m3。

江夏文化大道塌陷為另一種土洞潛蝕致塌模式，其機(jī)理不在本文探討范圍。

1．3 巖溶地面塌陷形成條件

巖溶地面塌陷的形成條件［2］主要有:

表2 遠(yuǎn)城區(qū)主要塌陷事件一覽表［3］Table 2 Schedule of main subsidence event in far city area

(1)發(fā)育有淺層開口巖溶洞、隙的可溶巖;

(2)一定厚度的松散覆蓋層，局部或總體易受擾動(dòng);

(3)易于改變的地下水動(dòng)力條件;

(4)地震和振動(dòng)的外力作用。

其中(1)、(2)條為塌陷的自然地質(zhì)條件因素，而(3)、(4)條則易受人為因素改變，當(dāng)幾種條件疊加時(shí)就會產(chǎn)生巖溶地面塌陷。文中的可溶巖隱伏條件為上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型碳酸鹽巖，本文探討可溶巖發(fā)育有淺層開口巖溶洞、隙時(shí)，在地下水動(dòng)力條件改變及外力作用的疊加下巖溶塌陷的產(chǎn)生與自然地質(zhì)條件的關(guān)系，即:①可溶巖埋深及淺層開口巖溶洞、隙的大小，與塌陷坑面積及方量的關(guān)系;②上覆粘性土、砂土厚度大小、分布比例及力學(xué)性質(zhì)，與致塌條件及規(guī)模的關(guān)系。

1．4 巖溶地面塌陷形成機(jī)理

上覆蓋層為典型二元結(jié)構(gòu)型巖溶塌陷，下部為松散飽水的砂層，上部為一定厚度的粘土層，砂層物質(zhì)成分以砂粒為主，含粉粘粒很少，其內(nèi)聚力C值很小，難以自立成拱，地下水水位波動(dòng)造成的砂層流失和擾動(dòng)破壞會直接傳遞到砂層頂部，并在砂層頂部形成漏斗狀砂洞，隨著砂洞規(guī)模的不斷擴(kuò)大，上覆粘土層在自重和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生地面塌陷。

2 塌陷的形態(tài)特征

塌陷的形態(tài)特征主要取決于蓋層的巖性結(jié)構(gòu)、厚度及巖溶洞隙、裂隙開口的形態(tài)與規(guī)模大小。上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶塌陷不具可溶巖頂板整體垮塌的形態(tài)，以地下巖土界面處水土漏失為主要特征，故在平面、剖面上有一定的規(guī)律。

2．1 平面形態(tài)

根據(jù)分析主城區(qū)、遠(yuǎn)城區(qū)塌陷坑及地表沉陷(未致塌，但地表下陷)的平面形態(tài)，其特征主要是在平面上成圓形或似圓形，大型塌陷坑則大致由2～3個(gè)圓形連通而成，僅個(gè)別為橢圓形;塌陷坑地表圓形直徑10～40 m不等，圓形中點(diǎn)即為塌陷鍋底，對應(yīng)于地下巖土結(jié)合處的水土漏失點(diǎn)。

2．2 剖面形態(tài)

根據(jù)多種勘查手段探測的地下擾動(dòng)土范圍，可判定塌陷坑的剖面形態(tài)以井狀+漏斗狀為主，與覆蓋層上土下砂的二元結(jié)構(gòu)有關(guān)。

井狀:塌陷坑壁陡立呈直筒狀，主要產(chǎn)生于粘性土層中。

漏斗狀:口大底小，塌陷坑壁呈斜坡狀，狀如漏斗，主要產(chǎn)生于砂性土層中。

地下巖土界面處水土漏失于溶蝕裂隙中，首先在砂性土層中按一定的塌落擴(kuò)散角向上發(fā)展呈漏斗狀至粘性土蓋層的底板，粘性土蓋層底部失去支撐引發(fā)地表陷落及塌陷，在粘性土段剖面形態(tài)呈井狀。第四系一般粘性土、淤泥質(zhì)土蓋層為柔性體，失去下部支撐后其拱頂中心首先下陷，當(dāng)周邊的摩阻力及承壓水浮力不足以支撐蓋層重量時(shí)即近于垂直地塌陷至地表(圖1)。

圖1 上土下砂二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶塌陷形成過程剖面示意圖Fig．1 Generalized section of formation process of covered type of karst collapse

2．3 巖溶地面塌陷事件特征數(shù)據(jù)采集

通過對大量塌陷坑的地質(zhì)條件、塌陷規(guī)模的分析，獲得了較多的數(shù)據(jù)(表3)，為武漢地區(qū)砂土滲流—漏失型巖溶地面塌陷數(shù)學(xué)模型的建立創(chuàng)造了條件。

可溶巖淺層發(fā)育開口巖溶洞、隙的大小為塌陷坑形成規(guī)模的重要數(shù)據(jù)，但限于勘察手段、條件的制約，該參數(shù)均無實(shí)測數(shù)據(jù)，為巖溶地面塌陷數(shù)學(xué)模型需解決的問題。

江夏法泗街塌陷為施工誘發(fā)，部分塌陷坑在塌陷前就有鉆孔資料(圖2)，數(shù)據(jù)可靠，對于下一步塌陷模型力學(xué)分析較為有利。

表3 主要致塌事件數(shù)據(jù)表Table 3 Data table of main collapse-causing events

圖2 法泗街主塌陷坑周邊地質(zhì)斷面圖Fig．2 Geological section of main peripheral collapse crater

3 塌陷模型力學(xué)分析

上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶的塌陷有其自身特點(diǎn)，根據(jù)塌陷區(qū)多個(gè)塌陷坑、地表陷落的觀測及分析，塌陷過程可拆分為二階段。

(1)砂性土漏失塌落階段。因地下水動(dòng)力條件改變等因素，砂性土由巖土界面處產(chǎn)生垂直滲流—漏失，向上形成“漏斗狀疏松體”，疏松體以一定的塌落擴(kuò)散角向上發(fā)展，砂性土塌落擴(kuò)散角θ值的大小取決于土體的密實(shí)度、顆粒組分及埋藏條件、水動(dòng)力條件等，可取經(jīng)驗(yàn)值或通過公式:θ=45°-φ/2(φ為砂土段的內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值)計(jì)算，該公式對應(yīng)郎肯破裂面90°- θ。

(2)粘性土蓋層失穩(wěn)階段。①當(dāng)砂性土的漏斗狀疏松體擴(kuò)散至粘性土蓋層底板時(shí)，粘性土蓋層底部失去支撐，第四系一般粘性土、淤泥質(zhì)土蓋層為柔性體，失去下部支撐后其拱頂中心首先下陷形成地表陷落;②當(dāng)周邊的摩阻力、粘聚力及承壓水浮力不足以支撐蓋層重量時(shí)即近于垂直地塌陷至地表，而形成塌陷坑，其上部剖面形態(tài)呈井狀。

粘性土蓋層的塌陷力學(xué)關(guān)系式:

式中:G為蓋層土的重量;G2為地面荷載重量;F為土的摩擦阻力;C為土的內(nèi)聚力;Fw為孔隙承壓水的浮托力。

4 巖溶塌陷與土層厚度及力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系

上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶的塌陷過程可拆分為:①砂性土漏失塌落;②粘性土蓋層失穩(wěn)二個(gè)階段(圖3)。

圖3 典型塌陷計(jì)算剖面圖Fig．3 Profile of typical collapse calculation

4．1 砂性土漏失塌落階段

根據(jù)法泗街大量塌陷坑實(shí)例的地質(zhì)剖面分析，推測砂性土段塌陷擴(kuò)散角θ在25°～32°之間，在理想狀態(tài)下地表塌陷坑的大小規(guī)模主要取決于砂性土段塌陷擴(kuò)散角θ與砂性土層的厚度H1。

式中:R為塌陷坑半徑;r為地下水土流失處溶洞、溶隙開口半徑;H1為砂性土層厚度;θ為砂性土塌落擴(kuò)散角(H2為粘性土蓋層厚度;β為粘性土蓋層的塌落擴(kuò)散角，取 0°～10°)。

以法泗街1、3號塌陷坑已知的R、H1、θ參數(shù)代入公式(2)試算，結(jié)果如下:

1 號塌陷坑:已知 R=8．0 m、H1=16．6 m、θ=25°，β=0得出 r=0．26 m;

3 號塌陷坑:已知 R=9．5 m、H1=14．0 m、θ=32°，β=0得出 r=0．75 m。

在粘性土蓋層呈坑壁陡立、直筒狀塌陷(β=0)的理想狀態(tài)下，砂土塌落擴(kuò)散角θ值，可大致由已知塌陷剖面確定(θ=25°～32°)，或通過公式:θ=45°-φ/2估算;地下水土流失處溶洞、溶隙開口半徑r值不確定，其前提條件一般是r為較小的開口溶隙，特殊情況下為可溶巖頂板整體塌陷，地下水土沿此通道流失;法泗街3號塌陷坑因沿武嘉高速施工的鉆孔樁樁孔漏失，故r=0．75 m為樁孔半徑，與塌陷狀況較吻合。

4．2 粘性土蓋層失穩(wěn)階段

以公式(1)計(jì)算粘性土蓋層在底部失去依托后失穩(wěn)的條件，計(jì)算模式是第四系粘性土蓋層為一柔性體，失穩(wěn)的主控因素為土的重量G、內(nèi)聚力C、孔隙承壓水的浮力Fw，次要因素為土的內(nèi)摩擦角φ、地面載荷重量G2。

根據(jù)公式(1)粘性土蓋層的塌陷力學(xué)關(guān)系式，當(dāng)致塌力G+G2大于阻塌力F+C+Fw時(shí)，塌陷發(fā)生，反之則相對穩(wěn)定。

4．2．1 致塌力 G+G2

G為蓋層土的重量:

式中:γ為土的容重，地下水位以上取干容重，以下取濕容重，多層土取加權(quán)平均值;H2為粘性土蓋層厚度;β為粘性土蓋層的塌落擴(kuò)散角，取0°～10°;G2為地面荷載重量，無地表建筑及活荷載可取G2=0。

4．2．2 阻塌力 F+C+Fw

F為土的摩擦阻力:

式中:φk為蓋層土體的內(nèi)摩擦角，取加權(quán)平均值。

C為土的內(nèi)聚力:

式中:ck為蓋層土體的粘聚力，取加權(quán)平均值。

Fw為孔隙承壓水的浮力:

式中:γw為水的比重;Hw為承壓水頭高度，水位變動(dòng)時(shí)隨水位升降而變。

4．3 綜合試算結(jié)果分析

綜合公式(3)-公式(6)，根據(jù)法泗街1、3號塌陷坑的塌陷現(xiàn)狀，確定力學(xué)參數(shù)的合理性，及在改變土、砂層厚度比、力學(xué)參數(shù)后的穩(wěn)定情況，以作分析，為類似的潛在塌陷區(qū)建立計(jì)算模式，試算結(jié)果見表4。

通過表4試算結(jié)果表明:下部砂土漏失后粘性土蓋層是否塌陷，主要取決于上部粘性土層的強(qiáng)度和厚度，上部土層強(qiáng)度越高或厚度越大越不易塌陷，反之容易塌陷。

一般可溶巖上覆上土下砂二元結(jié)構(gòu)覆蓋層的總厚度在20～30 m時(shí)，塌陷的可能性:

(1)土、砂層厚度比在3∶1以上，不易塌陷;

(2)土、砂層厚度比在1∶1 ～3∶1之間，若土層 ck值＞20 kPa，不易塌陷;

(3)土、砂層厚度比＜1∶1，砂土漏失后較易致塌。

根據(jù)表3武漢地區(qū)主要致塌事件數(shù)據(jù)分析，塌陷坑的土、砂層厚度比為1∶1．3 ～1∶8．1，均 ＜1∶1，故下部砂性土在自然及人為因素誘發(fā)下漏失后粘性土蓋層易產(chǎn)生塌陷。

表4 覆蓋層性質(zhì)與塌陷規(guī)模、塌陷判別試算表Table 4 Trial balance of overburden property collapse scale and collapse discrimant

［1］ 劉廣潤．武漢市中南軋鋼廠地面塌陷及與此有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問題［R］．武漢:湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1982．

［2］ 葉俊林．武漢市巖溶地面塌陷災(zāi)害分析預(yù)測［R］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)災(zāi)害研究組，1991．

［3］ 余泰敏，劉紅衛(wèi)，喻理傳，等．武漢主城區(qū)巖溶危害應(yīng)對方法技術(shù)研究［R］．武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院，2013．