孫頎

(平邑縣自然資源和規(guī)劃局,山東 平邑 273300)

0 引言

巖溶塌陷主要受地下水變動的影響,其形成形態(tài)受其上覆第四系地層厚薄變化的影響而有所不同。且?guī)r溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生,將呈點狀分布,并具一地多發(fā)性,雖然規(guī)模一般不大,但破壞強度及社會影響較大。而巖溶塌陷的發(fā)生多在水位下降期及較大降雨后,巖溶周邊區(qū)域水動力發(fā)生改變[1],而水動力條件的改變將對巖土體產(chǎn)生滲透潛蝕、真空吸蝕等作用[2],最終形成地面塌陷。巖溶塌陷受可溶巖及巖溶發(fā)育程度、覆蓋層厚度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、地下水運動等因素綜合影響。

巖溶塌陷作為我國主要的地質(zhì)災(zāi)害之一,其形成主要受到自然條件與人類活動的影響,隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,不少居民生活區(qū)域與礦產(chǎn)開采區(qū)域相重疊,或受礦產(chǎn)開采降水的影響。本文以平邑縣巖溶塌陷治理為研究對象,分析其形成塌陷的地質(zhì)成因,運用地球物理探測手段,結(jié)合現(xiàn)場變形監(jiān)控評估治理方案的有效性,提出塌陷區(qū)域治理方案。

1 治理區(qū)概況

平邑縣位于山東省中南部,區(qū)內(nèi)巖溶較為發(fā)育,巖溶塌陷區(qū)主要分布在平邑-溫水巖溶地下水主徑流帶及銅石鎮(zhèn)北部等區(qū)域,銅石鎮(zhèn)泰和村巖溶塌陷點是其中的典型代表之一,該塌陷點的設(shè)計治理工程被列為第一批山水林田湖草沙一體化保護和修復(fù)工程項目。該區(qū)域位于華北板塊魯西隆起區(qū)魯中隆起尼山-平邑斷隆尼山凸起北東部[3-4]。治理區(qū)地貌類型為山前平原地貌,總體地勢為西高東低、北高南低,地面海拔高度為129.52～133.36m,相對高差較小。

該區(qū)域為第四紀(jì)地層所覆蓋,可溶巖上覆土層性質(zhì)和厚度是巖溶塌陷形成的重要條件[5]。區(qū)內(nèi)地層主要為臨沂組、白堊紀(jì)萊陽群曲格莊組、奧陶紀(jì)馬家溝群北庵莊組、東黃山組等。區(qū)內(nèi)巖性為中生代燕山期-印支期歸來莊超單元西封山單元細粒閃長巖侵入體。奧陶紀(jì)馬家溝群巖層是治理區(qū)的主要可溶巖,以灰色—淺灰色中—厚層微晶灰?guī)r,豹皮灰?guī)r和燧石結(jié)核灰?guī)r為主,夾生物碎屑、砂屑灰?guī)r[6]。

2 塌陷情況及勘查

2.1 巖溶塌陷歷史

研究對象在2009年秋初次發(fā)生塌陷,并于2014年在該塌陷點南側(cè)民宅內(nèi)再次發(fā)生塌陷(圖1、圖2)。通過現(xiàn)場調(diào)查、巖土工程勘察、鉆孔等方式進行調(diào)查[7],塌陷導(dǎo)致民宅墻體有裂縫,最大寬度達20cm,造成民房受損,無法居住,且該塌陷點位于聚居區(qū),巖溶塌陷已經(jīng)嚴(yán)重威脅到周邊人們的生命財產(chǎn)安全。塌陷坑附近歷史最高水位36.27m,最低水位32.33m,多年來水位變幅小于4m,位于第四系與基巖接觸帶上,近年來,水位呈持續(xù)下降趨勢。塌陷區(qū)正處在東側(cè)孔隙水與西側(cè)巖溶水相互交換更替的部位,水面波動導(dǎo)致第四系底部砂層的流失。

圖1 兩次塌陷區(qū)位置圖

圖2 塌陷區(qū)示意圖

距塌陷點東南8km處有一個正在開采的金礦,在其深部進行疏干開采,增加地下水位降深,地下水降落漏斗向周圍不斷擴展,地下水位不斷下降,周圍村民原飲用水井漸進干涸,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟?對地下水環(huán)境影響嚴(yán)重。由于金礦開采排水,形成了較大的地下水降落漏斗,改變了地下水徑流排泄路徑。由于降落漏斗的不斷擴展,以露天采坑為中心,周邊地下水與地表水入滲,由于東南部奧陶系灰?guī)r發(fā)育,導(dǎo)致發(fā)生巖溶塌陷。

2.2 塌陷區(qū)勘查

高密度電法能夠較好地確定土層的厚度,區(qū)分土層和巖石的分界面,通過電阻率的分布及變化趨勢,結(jié)合地質(zhì)資料,可以較好地圈定斷裂破碎帶或地下巖溶裂隙帶的發(fā)育位置[8]。塌陷區(qū)各地層巖性在電阻率物理特性存在一定差異,且充水后電阻率均大幅降低,因此可以利用高密度電法來了解巖溶塌陷特征,并進行鉆探驗證,共布置了7條剖面。

據(jù)圖3、圖4顯示,整條斷面視電阻率值均較低,平均值約為16Ω·m,最大值約為120Ω·m,等值線彎曲扭動較大。電性特征區(qū)分較明顯,自上而下的變化特征大致可分為2個電性特征層。局部等值線疏密變化不均,在剖面16～24m,深部約8～16m位置,有低阻等值線圈閉,電阻率為12～16Ω·m,在該處施工鉆孔ZK01,13～16m處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象,為一溶洞,編號為2號溶洞;在剖面30～38m,深部大于-8m位置,等值線明顯向深部伸展,電阻率小于15Ω·m,在該處附近施工鉆孔ZK03和ZK04,ZK03在16～17.5m、18.2～20.2m、26～26.9m處見3處溶洞,ZK04分別在20～20.5m、22～22.5m處見2處溶洞,編號為1號溶洞。

圖3 1號測線視電阻率等值線圖

圖4 1號測線物探解譯圖

3 治理工程設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 治理設(shè)計總體思路

結(jié)合塌陷區(qū)的現(xiàn)場鉆探資料與周邊水文環(huán)境調(diào)查,分析塌陷區(qū)的高密度電法物探推測出的巖溶發(fā)育范圍,可以基本了解塌陷區(qū)的塌陷的成因與分布范圍,從而選擇塌陷治理設(shè)計方案。采取合理的現(xiàn)場監(jiān)測手段驗證治理效果的有效性,以達到最大限度減小治理區(qū)內(nèi)巖溶塌陷隱患。實現(xiàn)巖溶塌陷治理與社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益的密切結(jié)合。

3.2 治理方法的選擇

巖溶塌陷地區(qū)治理以安全性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟合理性、注重實效性、與可持續(xù)發(fā)展為設(shè)計原則,選取治理設(shè)計方案。結(jié)合巖溶塌陷區(qū)域的地質(zhì)條件對治理工程方案的優(yōu)選分析,而目前巖溶塌陷工程治理方法主要為加固法、崩落法、充填法。

(1)加固法。適用于規(guī)模較大的溶洞。主要處理手段是采用橫梁或護網(wǎng)對溶洞進行局部加固,但該方法是一種臨時性措施,通常與其他方法聯(lián)合使用。且該加固方法需要溶洞具有可進入性,因此該方法不適用于本治理區(qū)。

(2)崩落法。將上部頂板巖石以充填洞區(qū),以消除和緩解溶洞頂板應(yīng)力集中,使災(zāi)害降低到較低限度,適用于地表允許冒落或巖移的洞區(qū),具有處理費用低的優(yōu)點。結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件與圍巖強度等級,發(fā)現(xiàn)該方法同樣不適宜用于本治理區(qū)。

(3)充填法。主要處理措施是從開挖的坑穴或鉆孔中將充填材料充入洞區(qū)及溶蝕裂隙發(fā)育區(qū),使得充填體與圍巖共同作用,從而達到有效封堵砂層漏失和防止巖溶塌陷的目的,對塌陷周邊區(qū)域影響較小(圖5)。

圖5 充填法施工工藝流程圖

為達到以最簡單的工程措施和最小的防治費用獲得最大的防治效果目標(biāo),使巖溶塌陷治理與社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益密切結(jié)合,綜合巖溶塌陷漁區(qū)的周邊環(huán)境分析,選取充填法作為本區(qū)域巖溶塌陷治理方案。

3.3 治理工程的實現(xiàn)

3.3.1 注漿孔的施工

本次塌陷治理按照3m×3m梅花狀均勻布置注漿孔,先用Φ130mm鉆頭開鉆,采用回轉(zhuǎn)方式鉆進,根據(jù)鉆探結(jié)果,下入18m套管護壁,規(guī)格為Φ127mm套管,壁厚6mm。然后用直徑為Φ91mm的鉆頭鉆至塌陷冒落帶或巖溶區(qū)底板1m處終孔,整個鉆孔過程清水鉆進[9]。

鉆孔施工至溶洞后,首先下入帶環(huán)形托盤的孔口管(管徑Φ50mm),變徑處導(dǎo)正,然后在孔口管周邊灌入稠水泥漿,水泥漿液中加入水泥重量2%的速凝劑,使注漿管與孔壁固結(jié)快速結(jié)合。最后從托盤開始向上止?jié){,澆至孔口2m左右,改用黏土搗實,填至地面管口,注漿管采用Φ50mm,壁厚3mm鋼管,等待凝固2～3天后進行注漿。

3.3.2 高壓注漿

鉆孔壓力注漿是治理巖溶塌陷的重要手段[10]。為了確保漿液質(zhì)量,必須配備波美度計和比重秤,在制漿過程中經(jīng)常測試漿液濃度,如發(fā)現(xiàn)比重異常,應(yīng)及時調(diào)整[11-17]。注漿工藝流程如下:

(1)根據(jù)鉆孔施工資料,確定溶洞深度、數(shù)量,冒落帶高度等,為注漿工作做好初步準(zhǔn)備。

(2)進行簡易壓水試驗,連接孔口管,檢查泥漿泵與管路系統(tǒng)的完好狀態(tài),并記錄孔口壓力變化情況,判斷孔內(nèi)巖溶、空隙的發(fā)育程度及可灌程度。

(3)根據(jù)鉆探資料、壓水試驗結(jié)果、孔深測量結(jié)果進行單孔注漿量設(shè)計,確定初始漿液濃度和注漿方法。

(4)注漿開始后,根據(jù)泵壓等數(shù)值變化情況調(diào)整注漿量和漿液濃度。

(5)測量注漿泵實際泵量,根據(jù)泵量、漿液比重計算供水量、水泥量和添加劑量,并選定調(diào)速螺旋推進器轉(zhuǎn)速[18]。

(6)當(dāng)泵壓達到1.0MPa以上穩(wěn)定10～15min,或注漿孔周圍有冒漿等現(xiàn)象出現(xiàn)時,結(jié)束注漿[19]。

3.3.3 注漿對周邊環(huán)境的影響

由于采用高壓注漿方法處理,高壓注漿將導(dǎo)致巖體裂隙的進一步發(fā)育,在注漿進行時,需要密切注意注漿壓力大小的變化,避免因高壓注漿導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)育,從而導(dǎo)致巖溶塌陷的進一步發(fā)育。同時需要嚴(yán)格注意注漿量,如實際注漿量遠遠大于實際注漿量,表明注漿出現(xiàn)流溢,需要嚴(yán)格注意周邊水質(zhì)酸堿度的變化,因漿液將污染地下水質(zhì)。

注漿隔斷了土體中水的運動渠道,導(dǎo)致土體表面儲水能力降低,將導(dǎo)致土體孔隙水壓力的減小,需要密切注意土體的沉降變化趨勢。

3.3.4 治理監(jiān)測

巖溶塌陷監(jiān)測是巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治中重要內(nèi)容之一[20]。為有效掌握塌陷區(qū)域周邊的變形趨勢,指導(dǎo)災(zāi)害預(yù)防工作和治理工作,在巖溶塌陷易發(fā)區(qū)周邊開展地面變形監(jiān)測預(yù)警工作。由于巖溶塌陷主要發(fā)生于地下,全方位的變形監(jiān)測難以實現(xiàn),針對災(zāi)害區(qū)域主要采取地表變形監(jiān)測的手段,設(shè)計采用自動全站儀和電子水準(zhǔn)儀相結(jié)合方法,設(shè)置監(jiān)測點,定期測量數(shù)據(jù),跟蹤監(jiān)測周邊地面沉降、房屋傾斜、裂縫變化等(圖6)。

圖6 監(jiān)測點平面

傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測依靠監(jiān)測人員進行,具有時效性的不足,經(jīng)濟成本高,認為因素影響較大的特性,難以實時掌握災(zāi)害區(qū)域的變形信息。為有效預(yù)警塌陷地質(zhì)災(zāi)害,自動化監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測過程中具有很大的應(yīng)用空間。

由于本次巖溶塌陷位于居民區(qū),周邊建筑物眾多,通視情況不良,自動化監(jiān)測系統(tǒng)能有效適用于該區(qū)域的變形監(jiān)測工作中。根據(jù)塌陷區(qū)域的實際情況,沿塌陷區(qū)域周邊布置19個沉降監(jiān)測點,其監(jiān)測點呈方形圍繞塌陷區(qū)域展開。由于塌陷位于居民區(qū),周邊道路系統(tǒng)交錯復(fù)雜,為保障居民的出行安全,在塌陷區(qū)域周邊道路布置道路沉降監(jiān)測點。由于民房距離塌陷區(qū)域較近,為保證居民的財產(chǎn)安全,針對靠近塌陷周邊的民房進行水平位移監(jiān)測,監(jiān)測點位于民房頂部,能有效了解民房的傾斜變化趨勢,建立塌陷災(zāi)害的發(fā)展建立預(yù)警平臺,同時為塌陷的發(fā)育變化趨勢的分析提供指導(dǎo)(圖7)。

圖7 自動化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)框圖

4 結(jié)論

(1)通過工程設(shè)計治理,最大限度消除治理區(qū)巖溶塌陷對村民住房的威脅,改善治理區(qū)生態(tài)景觀,提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展,維護社會穩(wěn)定。

(2)設(shè)計采用充填法,以簡單的工程措施和較少的防治費用獲得較好的防治效果,使巖溶塌陷治理與社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益密切結(jié)合。因此,充填法是巖溶塌陷治理設(shè)計中的一種快速高效的方法。

(3)工程的設(shè)計治理實施,能夠達到預(yù)期效果,在施工過程中做到理論與實踐相結(jié)合,不斷積累經(jīng)驗,為巖溶塌陷治理提供一定的技術(shù)支持,可為同類項目應(yīng)用提供借鑒。