武汉地区砂土渗流—漏失型岩溶地面塌陷致塌模式分析

2015-01-30余泰敏喻理传

资源环境与工程 2015年6期

余泰敏，喻理传

(湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北武汉 430051)

武汉地区近东西向分布4条可溶碳酸盐岩条带，除局部有少量出露外，多隐伏于覆盖土层之下，属覆盖型岩溶。近年来随着经济的发展，人类工程建设活动的加强并向远城区扩展，环境问题日益突出;尤其是岩溶地面塌陷的频发，极大地影响了居民的正常生产和生活秩序，也引起了政府部门的高度重视。

本文在分析武汉地区历年来塌陷事件的基础上，根据收集的资料及数据，为武汉地区砂土渗流—漏失型岩溶地面塌陷建立数学模型，分析其致塌模式，为今后的防治工作提供数据支持。

1 岩溶地面塌陷概况

1．1 主城区

以前武汉市致灾的岩溶地面塌陷主要集中在主城区的鹦鹉洲长江大桥与白沙洲长江大桥之间的长江两岸，统称陆家街地区“第3岩溶条带”(见表1)，其余地段则以潜在不稳定塌陷为主。

表1 主城区主要塌陷事件一览表［1］Table 1 Schedule of main subsidence event in main city zone

1．2 远城区

随着工程经济向远城区的发展，分布在汉南—江夏一线的“第4岩溶条带”亦逐渐引起人们的重视，其可溶岩隐伏分布面积远较陆家街地区大;发生的塌陷事件均具突发性，且塌陷规模较主城区大(表2)。陆家街地区历年塌陷事件一般每次产生1～3个塌陷坑，塌陷总方量最大约1．8万m3;而江夏法泗塌陷则一次性产生多达19个塌陷坑，塌陷总方量约21．0万m3。

江夏文化大道塌陷为另一种土洞潜蚀致塌模式，其机理不在本文探讨范围。

1．3 岩溶地面塌陷形成条件

岩溶地面塌陷的形成条件［2］主要有:

表2 远城区主要塌陷事件一览表［3］Table 2 Schedule of main subsidence event in far city area

(1)发育有浅层开口岩溶洞、隙的可溶岩;

(2)一定厚度的松散覆盖层，局部或总体易受扰动;

(3)易于改变的地下水动力条件;

(4)地震和振动的外力作用。

其中(1)、(2)条为塌陷的自然地质条件因素，而(3)、(4)条则易受人为因素改变，当几种条件叠加时就会产生岩溶地面塌陷。文中的可溶岩隐伏条件为上土下砂的二元结构覆盖型碳酸盐岩，本文探讨可溶岩发育有浅层开口岩溶洞、隙时，在地下水动力条件改变及外力作用的叠加下岩溶塌陷的产生与自然地质条件的关系，即:①可溶岩埋深及浅层开口岩溶洞、隙的大小，与塌陷坑面积及方量的关系;②上覆粘性土、砂土厚度大小、分布比例及力学性质，与致塌条件及规模的关系。

1．4 岩溶地面塌陷形成机理

上覆盖层为典型二元结构型岩溶塌陷，下部为松散饱水的砂层，上部为一定厚度的粘土层，砂层物质成分以砂粒为主，含粉粘粒很少，其内聚力C值很小，难以自立成拱，地下水水位波动造成的砂层流失和扰动破坏会直接传递到砂层顶部，并在砂层顶部形成漏斗状砂洞，随着砂洞规模的不断扩大，上覆粘土层在自重和各种触发因素作用下发生地面塌陷。

2 塌陷的形态特征

塌陷的形态特征主要取决于盖层的岩性结构、厚度及岩溶洞隙、裂隙开口的形态与规模大小。上土下砂的二元结构覆盖型岩溶塌陷不具可溶岩顶板整体垮塌的形态，以地下岩土界面处水土漏失为主要特征，故在平面、剖面上有一定的规律。

2．1 平面形态

根据分析主城区、远城区塌陷坑及地表沉陷(未致塌，但地表下陷)的平面形态，其特征主要是在平面上成圆形或似圆形，大型塌陷坑则大致由2～3个圆形连通而成，仅个别为椭圆形;塌陷坑地表圆形直径10～40 m不等，圆形中点即为塌陷锅底，对应于地下岩土结合处的水土漏失点。

2．2 剖面形态

根据多种勘查手段探测的地下扰动土范围，可判定塌陷坑的剖面形态以井状+漏斗状为主，与覆盖层上土下砂的二元结构有关。

井状:塌陷坑壁陡立呈直筒状，主要产生于粘性土层中。

漏斗状:口大底小，塌陷坑壁呈斜坡状，状如漏斗，主要产生于砂性土层中。

地下岩土界面处水土漏失于溶蚀裂隙中，首先在砂性土层中按一定的塌落扩散角向上发展呈漏斗状至粘性土盖层的底板，粘性土盖层底部失去支撑引发地表陷落及塌陷，在粘性土段剖面形态呈井状。第四系一般粘性土、淤泥质土盖层为柔性体，失去下部支撑后其拱顶中心首先下陷，当周边的摩阻力及承压水浮力不足以支撑盖层重量时即近于垂直地塌陷至地表(图1)。

图1 上土下砂二元结构覆盖型岩溶塌陷形成过程剖面示意图Fig．1 Generalized section of formation process of covered type of karst collapse

2．3 岩溶地面塌陷事件特征数据采集

通过对大量塌陷坑的地质条件、塌陷规模的分析，获得了较多的数据(表3)，为武汉地区砂土渗流—漏失型岩溶地面塌陷数学模型的建立创造了条件。

可溶岩浅层发育开口岩溶洞、隙的大小为塌陷坑形成规模的重要数据，但限于勘察手段、条件的制约，该参数均无实测数据，为岩溶地面塌陷数学模型需解决的问题。

江夏法泗街塌陷为施工诱发，部分塌陷坑在塌陷前就有钻孔资料(图2)，数据可靠，对于下一步塌陷模型力学分析较为有利。

表3 主要致塌事件数据表Table 3 Data table of main collapse-causing events

图2 法泗街主塌陷坑周边地质断面图Fig．2 Geological section of main peripheral collapse crater

3 塌陷模型力学分析

上土下砂的二元结构覆盖型岩溶的塌陷有其自身特点，根据塌陷区多个塌陷坑、地表陷落的观测及分析，塌陷过程可拆分为二阶段。

(1)砂性土漏失塌落阶段。因地下水动力条件改变等因素，砂性土由岩土界面处产生垂直渗流—漏失，向上形成“漏斗状疏松体”，疏松体以一定的塌落扩散角向上发展，砂性土塌落扩散角θ值的大小取决于土体的密实度、颗粒组分及埋藏条件、水动力条件等，可取经验值或通过公式:θ=45°-φ/2(φ为砂土段的内摩擦角加权平均值)计算，该公式对应郎肯破裂面90°- θ。

(2)粘性土盖层失稳阶段。①当砂性土的漏斗状疏松体扩散至粘性土盖层底板时，粘性土盖层底部失去支撑，第四系一般粘性土、淤泥质土盖层为柔性体，失去下部支撑后其拱顶中心首先下陷形成地表陷落;②当周边的摩阻力、粘聚力及承压水浮力不足以支撑盖层重量时即近于垂直地塌陷至地表，而形成塌陷坑，其上部剖面形态呈井状。

粘性土盖层的塌陷力学关系式:

式中:G为盖层土的重量;G2为地面荷载重量;F为土的摩擦阻力;C为土的内聚力;Fw为孔隙承压水的浮托力。

4 岩溶塌陷与土层厚度及力学性质之间的关系

上土下砂的二元结构覆盖型岩溶的塌陷过程可拆分为:①砂性土漏失塌落;②粘性土盖层失稳二个阶段(图3)。

图3 典型塌陷计算剖面图Fig．3 Profile of typical collapse calculation

4．1 砂性土漏失塌落阶段

根据法泗街大量塌陷坑实例的地质剖面分析，推测砂性土段塌陷扩散角θ在25°～32°之间，在理想状态下地表塌陷坑的大小规模主要取决于砂性土段塌陷扩散角θ与砂性土层的厚度H1。

式中:R为塌陷坑半径;r为地下水土流失处溶洞、溶隙开口半径;H1为砂性土层厚度;θ为砂性土塌落扩散角(H2为粘性土盖层厚度;β为粘性土盖层的塌落扩散角，取 0°～10°)。

以法泗街1、3号塌陷坑已知的R、H1、θ参数代入公式(2)试算，结果如下:

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

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

在粘性土盖层呈坑壁陡立、直筒状塌陷(β=0)的理想状态下，砂土塌落扩散角θ值，可大致由已知塌陷剖面确定(θ=25°～32°)，或通过公式:θ=45°-φ/2估算;地下水土流失处溶洞、溶隙开口半径r值不确定，其前提条件一般是r为较小的开口溶隙，特殊情况下为可溶岩顶板整体塌陷，地下水土沿此通道流失;法泗街3号塌陷坑因沿武嘉高速施工的钻孔桩桩孔漏失，故r=0．75 m为桩孔半径，与塌陷状况较吻合。