彭華中

(武漢市勘察設計有限公司,湖北 武漢 430022)

武漢市位于江漢平原東部,全境面積約8 494 km2,石灰?guī)r分布面積約1 100 km2,約占該市面積的12.9%[1]。武漢市歷史上出現了20多次巖溶塌陷,給人民的生命及財產造成了較大的損失。巖溶地質災害為危害城區(qū)主要的地質災害之一,引起許多專家、學者及工程技術人員的重視及研究。羅小杰對淺層巖溶發(fā)育規(guī)律及巖溶地質結構進行了一定的研究與探討,范士凱[2]對巖溶塌陷分布及成因機制進行總結。本文依托前人研究成果及所搜集巖溶區(qū)鉆孔資料進行了綜合統(tǒng)計,分析了巖溶的基本特征,并對區(qū)內典型的巖溶地質結構及巖溶塌陷易發(fā)程度進行了劃分。

1 碳酸鹽巖分布規(guī)律

結合前期研究[3-5]并綜合收集鉆孔資料,將武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖的分布劃分為六個條帶：天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶及漢南條帶。碳酸鹽巖條帶分布見圖1,各條帶規(guī)模見表1。

這些碳酸鹽巖條帶一般具有以下特征：

(1) 碳酸鹽巖的分布明顯受線狀褶皺構造控制,一般呈北西—南東向展布的條帶狀。

(2) 在每個條帶上基本均存在三種不同時代的碳酸鹽巖,三疊系大冶組發(fā)育在向斜的核部,一般也較寬,二疊系棲霞組和石炭系黃龍組分布在向斜的翼部,一般寬度不超過0.5 km。

圖1 武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖條帶分布圖

(3) 相鄰的碳酸鹽巖條帶之間被以志留系墳頭組碎屑巖核部背斜分隔,使得每個條帶之間相互獨立。

(4) 在同一碳酸鹽巖條帶上,大冶組與棲霞組之間一般被三疊系龍?zhí)督M和大隆組碎屑巖隔斷,而棲霞霞組與黃龍組之間則一般由于船山組、梁山組地層的缺失而呈現直接接觸的關系。

表1 武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖條帶分布規(guī)模

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

(1) 巖溶發(fā)育程度。巖溶發(fā)育程度是指碳酸鹽巖遭受巖溶作用的程度,工程實際中用鉆孔遇洞率和線巖溶率描述巖溶發(fā)育程度。

根據對各年代碳酸鹽巖鉆孔遇洞率和線巖溶率統(tǒng)計。鉆孔遇洞率黃龍組(C2h)最大,棲霞組(P2q)居中,大冶組(T1d)最小,依次為36.1%、34.2%、18.5%;鉆孔線巖溶率棲霞組最大,黃龍組居中,大冶組最小,依次為7.62%、7.25%、3.61%。上述統(tǒng)計結果表明黃龍組及棲霞組較大冶組碳酸鹽巖巖溶發(fā)育。

(2) 溶洞形態(tài)特征。武漢地區(qū)巖溶由地下水垂直滲流產生,主要形態(tài)類型表現為溶洞、溶溝和溶槽洞等。根據不同時代碳酸鹽巖溶洞高度統(tǒng)計,洞高在2 m以內的小型溶洞,達到1 562個,占到總數的68.24%;洞高>6 m的溶洞個數僅為160個,占總數的7.82%,表明武漢地區(qū)碳酸鹽巖中溶洞發(fā)育規(guī)模的特征以小型為主,大型較為少見。

(3) 溶洞充填類型。溶洞充填類型分為全充填、半充填和無充填3種,根據溶洞充填類型統(tǒng)計(表2),全充填溶洞占總溶洞數的57.72%;其次為無充填溶洞,占比33%,半充填溶洞數量相對較少。溶洞充填物主要為粘性土、粘性土夾灰?guī)r碎塊、粘性土夾砂三種類型。

表2 溶洞充填類型統(tǒng)計表

(4) 巖溶平面發(fā)育規(guī)律。根據前期研究成果[5],對碳酸鹽巖鉆孔的遇洞率和線巖溶率進行統(tǒng)計(表3),鉆孔遇洞率和線巖溶率北部條帶最小,分別為2.8%、0.36%;軍山條帶最大,分別為45.2%、7.05%。鉆孔遇洞率和平均線巖溶率呈現由北向南逐漸增大的特點,根據上述統(tǒng)計結果判定不同時代碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強弱順序為：黃龍組>棲霞組>大冶組。

表3 不同條帶上碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計表(單位：%)

(5) 巖溶豎向發(fā)育規(guī)律。根據溶洞頂板距離基巖面埋深統(tǒng)計,溶洞頂板在基巖面以下1 m以內的溶洞有610個,占總溶洞數的28.52%,在基巖面以下2.5 m以內溶洞有1 205個,占總數的54.32%,在基巖面以下埋深10 m以上的溶洞僅有212個,占總數的8.51%。說明在武漢地區(qū)碳酸鹽巖中所發(fā)育的溶洞大部分為淺層溶洞,尤其在基巖面以下2.5 m范圍內的居多。

3 巖溶地質結構類型及地面塌陷易發(fā)程度

3.1 巖溶地質結構類型

根據碳酸鹽巖分布、巖溶發(fā)育規(guī)律、地層組合、地下水動力條件等因素對典型的巖溶地質結構進行了劃分,見表4。

Ⅰ類：主要分布于長江、漢江Ⅰ級階地。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)地層,具典型二元結構,上部為一般粘性土,中部為厚層狀砂性土及卵礫石,下伏可溶巖?？紫冻袎核x存于砂性土及卵礫石層中,與賦存于可溶巖中巖溶裂隙水有直接水力聯系。

Ⅱ類：主要分布于長江、漢江Ⅱ級階地。覆蓋層為第四系更新統(tǒng)地層,上部一般為老粘性土,中部為粘質砂土或粘性土,下伏可溶巖;孔隙承壓水賦存于粘質砂土中,巖溶裂隙水賦存于可溶巖中;孔隙承壓水與巖溶裂隙水有直接水力聯系。

Ⅲ類：主要分布于剝蝕堆積壟崗區(qū),覆蓋層為第四系更新統(tǒng)地層,上部主要為老粘性土或粘土夾碎石,中部為紅粘土或紅粘土夾碎石,下伏碳酸鹽巖。巖溶裂隙水賦存于碳酸鹽巖中,上部老粘性土或粘土夾碎石為隔水層。

表4 武漢典型巖溶地質結構類型

Ⅳ類：主要分布于長江、漢江Ⅰ、Ⅱ級階地,覆蓋層為第四系全新統(tǒng)地層,上部為一般粘性土,中部為砂性土及礫卵石,可溶巖上覆碎屑巖?？紫冻袎核x存于砂性土及卵礫石層中,巖溶裂隙水賦存于碳酸鹽巖中,碎屑巖中賦存少量基巖裂隙水。

3.2 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)

根據武漢碳酸鹽巖條帶分布、巖溶地質結構類型和巖溶發(fā)育特征,并結合塌陷歷史,將巖溶地面塌陷區(qū)域分為高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)及低易發(fā)區(qū)。

(1) 地面塌陷高易發(fā)區(qū)。第Ⅰ類巖溶地質結構類型為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。經統(tǒng)計軍山條帶及白沙洲條帶上鉆孔遇洞率分別為45.52%、20.02%,其線溶洞率分別為7.05%、5.89%,可以判定上述地段巖溶屬中—強發(fā)育。由于砂土層直接覆蓋于可溶巖之上,在自然、人類活動等因素作用下,可溶巖上覆砂土及卵礫石可直接通過可溶性巖中的溶隙、孔洞流失,從而導致巖溶地面塌陷。武漢歷史塌陷大多為此類,如武昌區(qū)阮家巷、陸家街中學、毛坦港小學、長江紫都、烽火村、光霞村、白沙洲高架、漢陽軋鋼廠及漢南斗埠巖溶地面塌陷等。第Ⅲ類巖溶地質結構類型的中局部地段,碳酸鹽巖頂板標高變化大或存在深、大溶溝、溶槽且軟塑—流塑狀紅粘土與基巖直接接觸,在外因作用下流塑—軟塑狀紅粘土或紅粘土夾碎石可通過碳酸鹽巖中的溶隙、孔洞漏失,此類地段也屬巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。該區(qū)段分布于白沙洲條帶和漢南條帶與長江相交處。該類區(qū)域巖溶大多強發(fā)育,基巖面0～3 m范圍內巖溶發(fā)育尤為強烈,此類塌陷近年來也呈多發(fā)趨勢,如江夏區(qū)龍泉京廣鐵路、江夏區(qū)澎湖灣小區(qū)等都位于該區(qū)域內。

(2) 地面塌陷中等易發(fā)區(qū)。第Ⅳ類巖溶地質結構類型為巖溶地面塌陷中等易發(fā)區(qū)。根據所搜集到的鉆孔資料,可溶巖碎屑巖厚度一般>2.0 m,粘質砂土中粘粒大多含量>10%,且呈厚層狀,該類地段一般不易發(fā)生地面塌陷,當受人類活動影響時,巖溶中等及以上發(fā)育時,可能會發(fā)生巖溶地面塌陷。該區(qū)分布于長江、漢江等Ⅰ級階地,在漢南條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、天興洲條帶局部分布。歷史上曾發(fā)生過世茂錦繡長江小區(qū)因樁基施工擊穿上覆非可溶巖而導致地面塌陷事故。

(3) 地面塌陷低易發(fā)區(qū)。第Ⅱ、Ⅲ類巖溶地質結構類型總體屬于地面塌陷低易發(fā)區(qū)。碳酸鹽巖上覆老粘性土及砂質粘性土厚度一般較大且砂質粘性土的粘粒含量>10%,地下水貧瘠;該區(qū)段一般巖溶微—中等發(fā)育,且大多被可塑—硬塑狀粘土充填,覆蓋層的土洞亦不發(fā)育,此類地段發(fā)生巖溶地面塌陷的可能性較小,本區(qū)分布廣,面積約占整個可溶巖面積的88%。

4 結論

(1) 碳酸鹽巖的分布明顯受線狀褶皺構造控制,一般呈北西—南東向展布的條帶狀,武漢都市區(qū)內可溶巖條帶可分為天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶、漢南條帶六個。

(2) 武漢都市區(qū)內巖溶以覆蓋型為主,巖溶整體中等發(fā)育,溶洞發(fā)育規(guī)模的特征以小型為主,大型較為少見;溶洞充填以全充填為主,無充填及半充填數量相對較少。

(3) 碳酸鹽巖條帶巖溶發(fā)育程度表現為由北向南逐漸增大的特點;不同時代碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強弱順序為：黃龍組>棲霞組>大冶組。

(4) 根據碳酸鹽巖分布、巖溶發(fā)育規(guī)律、地層組合、地下水動力條件等因素將武漢典型的巖溶地質結構了劃分為四個類型。

(5) 第Ⅰ類巖溶地質結構類型及第Ⅲ類巖溶地質結構類型的中局部地段為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū);第Ⅳ類巖溶地質結構類型為巖溶地面塌陷中等易發(fā)區(qū);第Ⅱ、Ⅲ類巖溶地質結構類型總體屬于地面塌陷低易發(fā)區(qū)。