廖劍霖

廣西某地區(qū)巖溶地面塌陷成災(zāi)機(jī)制研究

廖劍霖

廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì), 廣西 南寧 530033

本文以廣西某地區(qū)巖溶地面塌陷災(zāi)害為研究對象，從造成研究區(qū)巖溶地面塌陷的內(nèi)外因素入手，分析了區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷的形成過程及形成機(jī)制，提出了巖溶地面塌陷的致塌模式和塌陷力學(xué)模型。結(jié)果表明，研究區(qū)的巖溶地面塌陷主要誘因是暴雨和地下水位變動(dòng)；巖溶塌陷模式可歸納為潛蝕—吸蝕—重力致塌模式和軟化—失托增荷—真空吸蝕致塌模式。研究結(jié)果可為該地區(qū)的巖溶地面塌陷預(yù)測與防治，地下水開采提供依據(jù)。

廣西; 巖溶; 地面塌陷; 形成機(jī)制

我國可溶巖分布面積達(dá)363萬km2，是世界上巖溶塌陷發(fā)育最廣泛的國家之一[1]。廣西是我國西南主要巖溶分布區(qū)，可溶巖分布區(qū)12.25萬km2，占全區(qū)面積的51.8%。巖溶塌陷己成為我國及廣西頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害之一，對社會發(fā)展和工程建設(shè)具有嚴(yán)重的危害；且在這一領(lǐng)域還有諸多有待進(jìn)一步深入研究和探討的科學(xué)問題[2]。因此，加強(qiáng)對這類災(zāi)害的研究不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對充實(shí)和完善這一領(lǐng)域的科學(xué)理論具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。廣西作為我國巖溶分布的主要地區(qū)，對巖溶地質(zhì)災(zāi)害的研究更體現(xiàn)出其研究的重要性[3]。

1 研究區(qū)巖溶地面塌陷影響因素分析

研究區(qū)巖溶地面塌陷影響因素包括內(nèi)因和外因。內(nèi)因是巖溶地面塌陷災(zāi)害形成的基礎(chǔ)條件，包括各類地質(zhì)因素。外因則是巖溶地面塌陷發(fā)生的誘發(fā)因素，作為外動(dòng)力，誘發(fā)巖溶地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生。

1.1 巖溶地面塌陷地質(zhì)因素

研究區(qū)巖溶塌陷地段下伏基巖主要為泥盆系上統(tǒng)融縣組（D3r）可溶性碳酸鹽巖，巖性為厚層狀亮晶灰?guī)r夾少量白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、扁豆?fàn)罨規(guī)r等，厚度大于300 m。研究區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地段主要位于褶皺軸部及斷層發(fā)育地段，斷裂帶及其次生裂隙是地下水流運(yùn)動(dòng)的良好媒介，也為巖溶地面塌陷災(zāi)害的產(chǎn)生提供了良好的水動(dòng)力條件。所在區(qū)域地貌為峰叢谷地，位于河流一級階地上，地形較平緩，屬巖溶谷地地貌區(qū)，海拔高程184.7 m~186.5 m。

研究區(qū)內(nèi)巖溶形態(tài)主要包含溶洞、溶隙、溶孔、溶隙等開口的巖溶形態(tài)，少部分為溶槽。覆蓋土層厚度一般2.8~8.8 m。巖性為粉質(zhì)粘土，上部呈硬~可塑狀，下部呈軟塑狀。其下部粉質(zhì)粘土的土洞(軟塑粉質(zhì)粘土)發(fā)育至一定規(guī)模時(shí)，在土體重力作用下易產(chǎn)生塌陷。研究區(qū)在覆蓋型碳酸鹽巖分布區(qū)，地下水位埋深為0.3~0.8 m，地下水位年變化幅度一般為3~5 m，枯水季節(jié)地下水補(bǔ)給地表河流，洪水期河水補(bǔ)給地下水。

1.2 巖溶地面塌陷誘發(fā)因素

研究區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷的產(chǎn)生，除具備上述的地質(zhì)因素外，還包括下列主要自然因素：地下溶洞的發(fā)育、降雨等；人為因素主要為開采地下水、基坑排水、人為加載等。上述各類因素的綜合作用導(dǎo)致了區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的發(fā)生，平水期發(fā)生的塌陷主要誘發(fā)因素為抽取地下水，汛期發(fā)生的巖溶塌陷主要誘發(fā)因素為地表河流水位變動(dòng)、降雨以及抽取地下水。

本文以研究區(qū)TK2號巖溶地面塌陷為例進(jìn)行模擬分析，現(xiàn)概化出如下的二維地質(zhì)模型（圖1）。該模型長50 m，寬30 m，場區(qū)上覆14 m粘性土，下伏16 m灰?guī)r。塌陷坑直徑為8 m，拱高為7 m，洞頂距地表的距離為4 m，土洞頂位于粘性土層中，上覆層厚度為4 m。塌陷點(diǎn)臨近地表河流，地下水與河水水力聯(lián)系密切，地下水位一直處于升降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，現(xiàn)假定該處水力坡度為2%（模型左邊界為高水頭，埋深4 m，模型右邊界為低水頭，埋深5 m），假設(shè)該土洞的初始水位埋深為4.5 m。崩塌堆積體按4.5 m/d考慮。

圖1 地質(zhì)概化模型示意圖

短期大雨對土洞上方土體的穩(wěn)定性影響不會太大，但是短期大暴雨對其影響明顯，而長期降雨時(shí)間較長并達(dá)到一定程度時(shí)，其影響程度可與暴雨相當(dāng)。本方結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，按大暴雨模式（降雨強(qiáng)度150 mm/d，降雨歷時(shí)24 h，降雨量150 mm）進(jìn)行降雨模式下的巖溶塌陷模擬，其模擬結(jié)果詳見圖2~4。

研究區(qū)巖溶地面塌陷地段分布有孔隙潛水和裂隙巖溶水兩地下水，兩含水層間無相對隔水層或只存在0.3~0.5 m的風(fēng)化殘積弱透水層，地下水位變化基本趨于一致，具承壓性。兩者水力聯(lián)系密切，且與地表河流有明顯的水力聯(lián)系，枯、豐水期河流水位波動(dòng)達(dá)4.34 m，而地下水位波動(dòng)幅度達(dá)1.5 m左右。區(qū)內(nèi)地下水位變化主要由人工開采地下水、河水回落、基坑抽排水等因素引起。

圖2 初始狀態(tài)Y方向應(yīng)力分布

圖3 暴雨?duì)顟B(tài)Y方向應(yīng)力分布

圖4 暴雨?duì)顟B(tài)Y方向位移

人類工程活動(dòng)主要包括地下水開采、鉆孔擾動(dòng)、爆破和工程震動(dòng)等。人類工程活動(dòng)對研究區(qū)工程影響范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生影響，引起土體、值的變化，形成擾動(dòng)帶土層甚至土洞。同時(shí)會在某些條件下對土洞頂板添加一定的荷載作用，造成洞頂板的變形破壞而引發(fā)巖溶地面塌陷。

2 研究區(qū)巖溶地面塌陷成災(zāi)機(jī)制

2.1 巖溶地面塌陷形成過程

從研究區(qū)內(nèi)地面塌陷的發(fā)生發(fā)展過程以及物理模型實(shí)驗(yàn)中土體的破壞過程分析，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的發(fā)育可大致分為四個(gè)階段（圖5）。A是原始穩(wěn)定階段：孔隙水和巖溶水兩者之間存在一定的水頭差，其滲透坡降較小，土層處于相對穩(wěn)定階段，土洞未形成。B是自然因素作用階段：此階段處于土洞發(fā)展階段，孔隙水和巖溶水的水頭差增大，在降雨作用下，造成蓋層土顆粒流失，土體含水量的增加，土體軟化，在灰?guī)r頂面形成土洞并不斷向上發(fā)展。C是人工和自然因素共同作用階段：抽取地下水及基坑排水，造成地下水位降深加大，土顆粒被運(yùn)出，土洞不斷擴(kuò)大，且在真空吸蝕、失托增荷、降雨的共同作用下，土洞不斷向兩側(cè)及向上擴(kuò)展，逐步逼近土洞臨界拱高。D是塌陷階段：土洞上覆蓋層已接近臨界拱高，頂板土層變薄，在重力、真空吸蝕等誘發(fā)因素作用下，土拱的致塌力大于抗塌力，土拱破壞，產(chǎn)生塌陷。

1：粘土；2：灰?guī)r；3：溶洞充填物；4：塌落體；5：土洞壓力拱發(fā)展軌跡；6：h1為抽水、基坑排水前地下水位；h2為抽水、基坑排水時(shí)地下水位。

2.2 巖溶地面塌陷形成機(jī)制

巖溶地面塌陷的產(chǎn)生，實(shí)際上是土洞的致塌力大于抗塌力的結(jié)果。研究區(qū)的地表水位變化、降雨等外動(dòng)力因子對地面塌陷的形成主要是通過潛蝕、真空吸蝕、垂直滲壓、失托增荷、軟化以及重力等動(dòng)力作用來體現(xiàn)。

2.2.1 潛蝕效應(yīng)[4-6]研究區(qū)內(nèi)地表水、上部孔隙潛水和下部巖溶水之間水力聯(lián)系密切，且灰?guī)r上部巖溶發(fā)育，溶孔、溶洞分布較廣。當(dāng)?shù)叵滤乃簧底兓^大，地下水的流動(dòng)速率及水力坡度也會增大，地下水的流動(dòng)和滲透會將土體顆粒逐步帶走，特別是地下水位在灰?guī)r與粉質(zhì)粘土接觸帶附近變動(dòng)時(shí)，地下水對溶洞充填物及上覆土層的吸附速度加快，導(dǎo)致土洞的形成加快。原始應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)由于土體內(nèi)空洞的形成而改變，土洞將會持續(xù)向洞側(cè)、洞頂發(fā)展，當(dāng)土洞頂部厚度的極限抗壓、抗剪強(qiáng)度小于洞頂覆蓋層自重壓力時(shí)，就會發(fā)生巖溶地面崩塌。其形成地面塌陷的模擬情況（圖6~8）。

圖6 抽水前應(yīng)力分布圖

圖7 抽水后應(yīng)力分布圖

圖8 抽水引起的垂直位移圖

2.2.2 真空吸蝕效應(yīng)[7,8]在研究區(qū)的部分地段，存在著隔水能較好的粘土，粘土將溶洞、管道等密封，可使溶洞形成真空，當(dāng)?shù)叵滤蓾撍兂沙袎核?，其承壓力主要分布于巖溶洞隙內(nèi)，同時(shí)還施加于周圍的粘土中，當(dāng)?shù)叵滤幌陆担陀谌芏错敯鍟r(shí)，巖溶洞隙中的地下水由承壓水變?yōu)闈撍乃查g，巖溶管道形成真空狀態(tài)，因而產(chǎn)生真空負(fù)壓的腔體，對上覆蓋層土體的底面產(chǎn)生真空嘬吸、空穴水擊、掏蝕等破壞作用，促使土洞的形成，且負(fù)壓使上覆蓋層土體中所含的孔隙水增加了向下滲透的附加應(yīng)力，加速了洞頂土體的破壞和土洞的形成和擴(kuò)展。在土體自重應(yīng)力及上部荷載的共同作用下，洞頂土層應(yīng)力失去平衡而形成巖溶地面塌陷。

2.2.3 軟化作用 巖土體中含水量隨著大氣降雨、地下水的升降而變化，使蓋層土體長期受水浸泡，粘土礦物的水化作用導(dǎo)致粘聚力降低，改變了土層的力學(xué)性質(zhì)，降低了粘土層的抗剪強(qiáng)度，造成粘性土塑性狀態(tài)發(fā)生變化，致使溶洞頂板的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變而引發(fā)巖溶地面塌陷。

2.2.4 重力（自重和荷載）效應(yīng)大氣降水達(dá)到一定量之后，雨水便會沿著土顆粒之間的縫隙向下滲透到土體內(nèi)部，導(dǎo)致上覆土層的飽和容重發(fā)生一定的變化，當(dāng)其變化幅度相對于干容重還大30~40％時(shí)，上覆土體的重量大于土體的內(nèi)聚力與顆粒間摩擦力時(shí)即導(dǎo)致巖溶塌陷發(fā)生。其塌陷的范圍與覆蓋層的厚度成正比。

2.3 巖溶地面塌陷致塌模式

式中：為蓋層土的重量；2為地面荷載重量；F為真空吸蝕力；為土的摩擦阻力；為土的內(nèi)聚力。

2.3.2 軟化—失托增荷—真空吸蝕致塌模式該巖溶塌陷致塌模式致塌模式為：軟化—失托增荷—真空吸蝕致塌式。形成機(jī)制是：由于周邊基礎(chǔ)施工，造成周邊地下水徑流條件變化，造成土體軟化，力學(xué)強(qiáng)度降低，土洞不斷擴(kuò)大。當(dāng)土體位于地下水的浸泡中時(shí)，具有一定的浮力，當(dāng)水位下降時(shí)，土體所受到的浮力減小，使上部土體的平衡穩(wěn)定狀態(tài)被打破，加大了土體的自重，加劇了土洞發(fā)展，當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵粮羲敯逡韵?，產(chǎn)生負(fù)壓差，使水面和隔水層之間形成真空狀態(tài)，溶洞產(chǎn)生真空吸蝕作用，加速了土體的破壞，從而導(dǎo)致地面塌陷。該巖溶塌陷的力學(xué)關(guān)系式為：

式中：為蓋層土的重量；2為地面荷載重量；3失托附加荷載力；F為真空吸蝕力；為土的摩擦阻力；為土的內(nèi)聚力。

3 結(jié)論

本文認(rèn)為廣西某地區(qū)巖溶地面塌陷災(zāi)害的主要誘發(fā)因素是暴雨、長期降雨和地下水位變動(dòng)。研究區(qū)巖溶塌陷模式可歸納為潛蝕—吸蝕—重力致塌模式和軟化—失托增荷—真空吸蝕致塌模式等兩種模式。巖溶地面塌陷成災(zāi)機(jī)制是一個(gè)較為復(fù)雜的破壞過程，本文結(jié)果是通過數(shù)值模擬、力學(xué)建模以及總結(jié)歸納來獲得，今后還需進(jìn)行大量的巖溶地面塌陷模型試驗(yàn)來進(jìn)一步研究該地區(qū)巖溶地面塌陷的成災(zāi)機(jī)制。

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Study on the Mechanism Forming Karst Ground Collapse Disaster in a Region of Guangxi

LIAO Jian-lin

530033,

In this paper, the Karst ground collapse disaster in a certain area of Guangxi was taken as an object. Based on the internal and external factors affecting the Karst ground collapse in the study area, the formation process and mechanism of Karst ground collapse were analyzed. The collapse model and collapse mechanics model of Karst ground collapse were put forward. The results showed that rainstorm and groundwater level fluctuation induced into Karst ground collapse and the Karst collapse models were divided into the submerged erosion-erosion-gravity collapse model and the softening-loss-loading-vacuum erosion collapse model. The results can provide a guidance for the prediction and prevention of Karst ground collapse and groundwater exploitation in this area.

Guangxi; Karst; ground collapse; formation mechanism

P694

A

1000-2324(2018)06-0924-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.004

2018-02-05

2018-04-16

廖劍霖(1968-),男,工程碩士,高級工程師,主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專業(yè)工作. E-mail:dzsdxmb@163.com