喀斯特发育机理与发展工程建设效应研究方向

卢耀如

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

喀斯特发育机理与发展工程建设效应研究方向

卢耀如

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

喀斯特在中国分布广泛, 更主要与经济发展、工程建设及人民日常生活具有密切关系, 所以研究喀斯特发育规律, 进而探索其对发展与工程产生的效应是非常重要的研究方向。本文在几十年开展这方面研究的成果上, 综合探讨了: (1)区域性综合建设方面地质环境效应研究, 包括岩溶区域性发育规律及长江、黄河大型工程的效应评判研究; (2)地下空间开拓方面, 涉及城市地铁、高铁、地下大型建筑、矿山开采常发生的不良效应, 及运用喀斯特水文地质等综合研究以评判危害性和开拓中的六个超前措施; (3)城镇群的发展与生态内涵的几个层次问题。通过这实例研究, 强调水文地质、工程地质与环境地质在今后对实现中华强国梦的重要作用。

喀斯特; 规律; 工程发展; 效应评判

第二次世界大战后, 随着许多国家着手建设家园, 更好发展经济, 相应地也出现了水文地质、工程地质学科的新发展。我新中国建立后, 也为水文地质工程地质学的发展, 创造了基本的前提。

在纪念中国地质科学院及其水文地质环境地质研究所成立60周年的文章中, 我阐述了水文地质、工程地质及环境地质的发展概况。这篇文章, 就重点对有关喀斯特研究方向, 及为工程建设与发展服务, 而开展有关工程建设效应, 包括工程建设与地质环境的相互影响效应问题, 进行些探讨。

1 区域性综合建设方面地质环境的工程效应研究

1.1 区域性水文地质、工程地质与环境地质的需求

国家建设与发展, 一方面对地质学的要求是,应用这学科的知识理论, 更好寻找各种矿产资源,特别是发现新的资源以满足国家发展的需求。解放前留下的200多位地质人员, 显然不能满足国家发展的需求, 于是通过院校调整, 更好、更多、更快地培养这方面人才。这方面的追求, 促进了区域的地层、构造、古生物和成矿理论的发展, 也编制出反映区域地质综合概况的各种比例尺图件。

另一方面, 随着国家建设的发展, 也对区域性水文地质、工程地质和环境地质, 提出了迫切需求,也编制了全国性、区域性的水文地质图、工程地质图与环境地质图, 以作为国家与地方制定发展规划的依据。

至于对水、工、环地质人才的需求, 在建立新中国的初期, 首先是少数搞矿产地质的人员转入担负这方面工作, 但主要是解放后通过院系调整, 专门培养年轻人才, 壮大了这方面的队伍。但是, 水、工、环地质调查与研究所取得成果、人才的数质量,与国家需求相比, 还是有较大的差距。目前, 国家对这方面需求, 主要涉及这些方面: (1)大江河流域水利水电规划上包括对环境产生利弊效应综合评判需求; (2)大中城镇发展规划与环境效应的评判上的需求; (3)区域性铁路、公路建设的选线(网)以及施工与运行的安全, 以及地质环境工程效应评判上需求; (4)农村小城镇发展对水-土资源及地质环境的需求; (5)大型工矿企业选地建设与防治三态(气、液、固)污染对地质条件与环境的需求; (6)海岸港口发展对地质环境相互效应的需求; (7)航空港网络建设对地质环境的需求; (8)公路等交通网络发展对地质环境的效应问题; (9)人民体质健康对地质环境上的需求; (10)防治各种自然成因及工程建设诱发与加剧灾害对地质条件与地质环境上的需求; (11)人民日常生活与相互效应对地质上的需求; (12)国防建设对地质环境的需求。

就是说, 国家各方面的建设发展, 以及人民的衣、食、住、行等生活的方方面面和生存环境的安全保障, 人民的身体健康保障, 以及常期的可持续发展的保障等等方面, 都需要有区域性及专门性的水文地质、工程地质与环境地质方面的调查研究及客观的成果, 予以作为基础依据(卢耀如等, 1973;卢耀如, 2010)。

所以, 首先从全流域出发, 在地质条件上, 特别是水、工、环地质上全流域考虑水利水电规划中,如何避免及防治不良工程环境效应问题, 并如何保障其真正有益效应, 是非常重要的。

为了上述这么多方面的发展与工程建设的需求, 在喀斯特地区, 当然应当相关地深入研究喀斯特发育的区域性规律, 及其相关的水、工、环地质条件。区域性喀斯特发育基本规律与特征, 主要涉及到: (1)区域地层、地质构造; (2)喀斯特现象的类别及分布规律; (3)喀斯特现象中有关地质环境演化的信息采集与研究; (4)喀斯特水动力条件类型及其演化; (5)喀斯特发育的年代测定与分析; (6)喀斯特作用过程, 包括三相物质与三相流的形成, 以及有关溶蚀与沉积机理; (7)各种生物, 特别是微生物及植物生长和动物的活动, 产生的喀斯特作用机理; (8)喀斯特作用对水、工、环地质的控制作用; (9)喀斯特因素对各种建设的利弊两重性的认识评判; (10)各项建设综合对喀斯特地质环境长期产生的相关影响效应; (11)人工建设叠加复合影响下, 喀斯特地区的生态环境安全与可持续发展的评判认识; (12)喀斯特环境的保护措施; (13)人类对喀斯特资源的保护与合理综合利用的途径。

在喀斯特地区, 特别要研究(Lu, 1986a, b)喀斯特水的复杂性, 以及对工程建设的复杂影响, 在开发喀斯特水资源中, 要更加深入研究资源的形成与合理开发(Lu, 1988, 1990, 1993a, b, c; 卢耀如等, 2006)。

1.2 具体大型工程建设的效应问题概述

水利水电建设方面, 例如解放初期修建官厅水库, 为北京供水、防洪, 1955年建成后就发生渗漏与坝体塌陷, 危及京津安全, 后经喀斯特与水文、工程地质上探明原因, 进行了正确处理(卢耀如, 1959)。

再以三峡工程为例, 首先当然必须考虑坝址选择评价地质基础稳定性、坝基及水库蓄水条件与可能渗漏问题。以及基坑及隧洞排水问题, 建筑材料(特别是混凝土骨料性质等)。对水库诱发地震的滑坡等地质灾害问题, 就选重点研究的关键问题。

早期三峡工程有两个比较坝区, 一是在碳酸 盐岩坝区, 另一个是火成岩坝区。以三峡碳酸盐岩坝区南津关坝段坝线基坑排水的研究为例, 通过三维模拟以及水力学方法计算(卢耀如和王兆馨, 1966):

ΣQK—喀斯特通道漏水量(m3/s); Hi—i管道水实盖(m); wi—岩溶通道截面, 对近于矩形断面wi=ai·bi为高和宽(m), 对近于圆形断面wi=Tdi2/4(di为直径m); μi—i通道漏水量系数; Ci—含集系数; Li—岩溶通道长度(m); Ri—水力半径, 近矩形断面R=bi/2, 对园形断面Ri=di/4; g—重力加速度9.8 m/s2。

研究取得的效果作为评价坝址比较的依据, 表明基坑涌水, 通过措施是可控可排的。

其他很多坝址与库区工程环境问题的研究, 就不多论述。

1.3 区域性地质环境效应方面

对三峡工程主要考虑三个方面问题。

1.3.1 诱发地质灾害问题

地质灾害包括地质地震、滑坡、泥石流、岩溶塌陷等。

关于地震方面, 主要考虑三种诱发地震问题: (1)荷载断裂类型, 由水库水-沙荷载, 破坏原有岩体稳定性而诱发地震; (2)气化爆裂类型, 由于渗流库水在深处汽化、成压缩气团而爆炸产生地震; (3)洞穴塌陷地震类型, 由于洞水浸泡, 使洞穴产生塌陷, 而有地震波发生。

例如: 当库水作用于某深处d产生的会应力为бRd, 而产生高压气团层的全压力бa时, 如果:

就可产生岩体的破裂, 而产生诱发地震。

压缩气团压力Pa为:

式中, (Rc·θa)dA—气团体积变化函数; ρo—原始密度; ρa—高压气团密度; ρ=ρo时, 所得Po为原始压强; ρ=ρa时, 所得Pa为高压气团压强。

相应于水库蓄水后的自然状态下, 全应力бRd,相应的压强为P0; 有了气化作用形成高压气团的全应力为бa, 相应压强为Pa。而бRd与库水及上面覆盖的岩体有效重量密切相关, 产生气体条件下, 孔隙(及小裂隙)中的水压力相应减少而可不计, 则:

式中: GE—上面覆盖的可能破坏的岩土体重力; GK—库水作用下可增加荷载重加, 所以:

产生气爆地震时, 震要使产生气爆剪切的破坏力为:

式中, Fa—产生诱发地震破裂岩体的断面面积; CK—破环岩体的凝聚力。

喀斯特地带水库诱发地震时岩体破坏与能量产生对照于表1。

表1 岩溶地区水库诱发地震岩体破坏与能量对照表Table 1 The rock failure and energy comparison during reservoir induced earthquake in karst area

水库诱发洞穴塌陷产生地震, 也可有多种因素。笔者也曾对比云贵地区和三峡地区诱发地震问题。一般而言, 水库诱发地震震级多II—III级, 个别达IV—Ⅵ级。

至于诱发滑坡、泥石流, 需特别注意库水变动情况下, 库水消落快, 而高地下水位消落慢时, 产生动水压力而增加产生滑坡、泥石流灾害; 在大暴雨的高强渗透水流作用下, 也易于诱发滑坡泥石流,以及喀斯特塌陷。

由于动水压力, 可降低岩体稳定系数0.3～0.5,使原先稳定的岩体, 安全系数大于1, 在动水压力作用下, 就使原来稳定的岩体而成不稳定岩体。

1.3.2 水环境变化—库水变异

大水库, 应当考虑库水常期蓄水后, 产生库水的分层变异问题, 如表2所示(黄永坚, 1986; 卢耀如, 1999)。

表2 水库库水分层与其特性表Table 2 Stratified water of reservoir and its characteristics

库水变异, 与库水的流态及阳光的作用密切相关。根据库水和太阳辐射热交换的关系(Ridjanovic, 1976):

式中, H—库水接受的太阳辐射热(J); Ф0— 一般太阳辐射热为x×106J/(m2·d); μ—随深度衰减系数0.05 m-1; z—库水深(mb); β—太阳辐射热变化系数0.4。

太阳辐射热影响最大深度可达20 m, 加上水位变幅达30 m, 则三峡水库中于最高库水位以下有55 m深范围, 将受到太阳热辐射的影响, 而加速热扩散作用。

对于水库主干长达690 km的长江三峡工程,库区沿岸有一系列城镇分布, 加之较大支流乌江和一系列小支流的汇入, 全年接纳的未达标总废水量,按目前情况计可达30×108m3。宜昌水文断面通过的多年平均年径流量达4 390×108m3, 则废水量占年径流量的0.683％。虽然这比例不大, 但废水量为水库库容393×108m3的7.63％。没有进行大量污水处理情况下, 长江支流及沿岸城镇将会构成多个污染水集中源。所以污染对三峡工程水环境的影响还是非常重要的, 库水中污染物的聚集, 主要有下列几种途径:

(1)各集中污染源的污染成分, 通过热扩散以及浓度扩散向库水的变温层和平温层运移, 使在流动交替缓慢的平温层中聚集, 而成多个污染水团; 相邻的污染水团, 又可相互缓慢扩散, 而连成污染水带层。

(2)污染物通过对泥沙的吸着依附而沉积于库底, 并随着底流的缓慢推移; 可于适宜地带富集, 加上物理、化学、生物的作用, 可变成二次污染源。

这两种的污染物的聚集都很重要。因此, 应当控制库水的水质, 特别是库水平温层以下, 不能发生库水的富营养化, 使库水变异恶化, 对可吸附污染物的泥沙的堆积与运移, 也是应当设法予以控制。

长江三峡工程存在着多个由支河入口、城镇直接排入的污染源流。每个污染源流有其影响的河段,设n个污染源流, 则可划分n个污染河段, 对于n河段的污染源流而言, 则有:

污染物质离子是多项的, 重点为: pH、总硬度、Fe2+、Fe3+、酚、氰、汞、铬、砷、等, 重要地点, 可增加重金属、有机质等项目的测定。主要考虑超过国家规定的水质标准的超标项目。没有考虑污染物扩散过程中的化学反应及二次污染问题的情况下, 两库段间在I时段内汇聚的污染溶质(离子)量为:

多个污染团的污染物质(离子)T时段的汇聚总量为:

图1 水库污染状况理论分析图Fig. 1 Theoretical analysis of reservoir pollution conditioni, i+1, …, n-水库库段号; A-库水表层(吸温层); B-库水中层(变温层); C-库水深层(平温层); D-库水底层(混温层)i, i+1, …, n-segment number of reservoir; A-surface layer of reservoir water (absorbing layer); B-middle layer of reservoir water (thermocline); C-deep layer of reservoir water (flat layer); D-bottom layer of reservoir water (mixed layer)

只要入库的污水量不能全部排向下游, 而且蓄集的污水量不能在库内完全自净衰减以至消失, 就有可能形成污染水团, 较多年份的蓄积结果, 就会连成严重的污染水带, 当有大量吸附着污染离子的库底淤积物时, 又会提供二次污染源。水库污染的理论分析如图1所示。

水库地表水体污染, 也容易引起库边地带地下水由于污染的库水的灌入, 而造成污染带。图2表示喀斯特库段库水对地下水造成污染的情况。

库水变化范围内的库岸, 易于沿着早期高处岩溶通道产生污染水体的压力扩散、温度扩散及浓度扩散, 如图2所示。水库及库岸的水环境污染, 就会影响到地区生态状况, 造成地质环境变化, 首先影响到饮用水资源, 以及生物的质量。

图2 库水对岩溶地下水产生污染分析示意图Fig. 2 Sketch map of karstic ground water polluted by reservoir water

1.3.3 水库沉积与下游冲刷问题

三峡最低库水位145 m, 最高蓄水175 m, 有30 m水位差, 涉及221×108m3防洪库容, 建坝前每年沉积2.75×108m3, 泥沙库区沉积只需30多年就可达80×108m3, 这样不到100年就使三峡水库失效。因为泥沙淤积库容不能超过蓄洪库容的一半容积。所以, 当时提出兴建上游全沙江等水利植纽与发展防护林, 减少泥沙冲刷不泄。

水库蓄水后, 下泄的清水会对下游库岸产生冲刷, 葛洲坝径流电站的修建, 就使下游出现这现象。所以, 相应加固下游河道边坡保护, 也是需要的。

1.3.4 综合地质-生态环境评判

重点考虑: ①旱涝灾害频率; ②荒漠化(及石漠化)危险程度; ③库水变异率; ④地震诱发强度; ⑤岩土保稳定性(包括滑坡泥石流等地质灾害); ⑥喀斯特塌陷规模。

喀斯特地区地质-生态环境演化趋势, 分4级类型。长江三峡工程涉及的不仅仅是一个水库的自身影响问题, 也涉及到一系列有关生物矿产等资源开发问题, 影响的面也是较广泛的, 产生地质-生态环境效应也是多方面的。上述的有关内容, 基本上都会涉及到。上述6个要素都可划分出不同的演化状况, 列于表3, 以作划分地质生态环境4个演化类型的依据。

表3 岩溶地区地质-生态环境演化趋势类型Table 3 The evolution trend type of geological-ecological environment in karst area

长江三峡水利枢纽: 生态环境效应可概括于表4。当然, 表中所列的是主要的地质-生态环境效应及所导致的有关重要问题, 这些效应可以向优化方向发展, 也可以向恶化方向演化。人工兴建的大型水利水电枢纽, 在收取最大效益的前提下, 也更应当进行多方面的努力, 以控制地质-生态环境的工程效应。最低限度应当不致产生严重的不良环境效应。所以, 大型水利水电工程或其他大型工程, 对环境产生好或坏的效应, 是应当很好研究其两重性,在此基础上, 就得有决心正确面对, 而采纳正确的人工防治的措施。

1.4 黄河晋峡谷水库环境效益问题

在黄河晋峡谷上喀斯特地段首先修建了天桥水库, 而后在其上段兴建了大型万家寨水利枢纽,对于工程而言需考虑问题主要如下。

1.4.1 坝基水压问题

黄河晋峡谷建坝前水动力条件分析如图3所示(卢耀如, 1999), 河床有承压水存在, 对枢纽会产生大的扬压力, 影响基础的稳定性。建坝前天桥坝址地下水(碳酸盐岩基岩与河床第四纪)等水位线如图3所示。奥陶系碳酸盐岩顶部有扬压力时, 黄河天桥坝址基础扬压力等值线, 如图4所示。

表4 长江三峡枢纽主要地质-生态环境效应简表Table 4 Main geological-ecological environment effect of Three Gorges Dam

图3 黄河天桥坝址建坝前水动力条件(横切河床下断面)分析图Fig. 3 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam site before building the dam (crosscutting the lower profile of riverbed)

图4 黄河天桥坝基奥陶系(O2)顶部承压水等值线图(水头高程为m)Fig. 4 Confined groundwater contour map on the top Ordovician of Tianqiao section of Yellow River dam foundation (waterhead height: m)

图5 黄河天桥坝基水动力条件分析图Fig. 5 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam foundation

应当着重考虑水和泥沙推力P为:

式中, P—水和泥沙总压力(Pa); h—库水深(m); γ0—水的容重(kg/m3); hH—泥砂沉积厚度(m); γH—hH表示沉积泥砂及孔隙中水综合容重(kg/m3)。

式中, δ—沉积泥砂的实际容重(kg/m3); n—沉积泥砂的孔隙率(％), 扬压力(浮托力)数值为:

式中, B—扬压力(N); H—库水位(m); H2—下游水位(m); b—坝底单宽面积(m2); a—渗透压力减少系数。

水工设计上, 常以作图法求浮托力。对喀斯特化地区, 扬压力的计算以坝基动水压力为基数, 或者就以坝下渗透水头值对坝基建筑物底部产生的动水压力为基数而计算, 如图5。

天桥枢纽的下游水位以817 m高程计, 从渗流网上可分析, 坝基下不同i部分承受的渗流水头值将是826～817 m, 相应扬压力也可表达为:

式中, Hi—i部位的渗流水头值, 居于826～817 m。

扬压力也是一个对稳定性有重要影响的因素。据之, 才可进一步计量其坝基与坝体的稳定性。所以, 掌握蓄水前自然状态下水动力条件, 再研究库水后的水动力条件变化, 才能正确采取防治措施,以保障大坝稳定性。

1.4.2 喀斯特库区修漏问题

黄河晋峡谷上段修建万家寨水库, 这一河段黄河水与当喀斯特地下水的水动力关系是非常复杂的,如图6。

在天然状态下, 头道拐至河曲间枯水期时最大漏失量达14％; 在头道拐至万家寨间, 枯水期差异大的可达10.2％。而在汛期, 头道拐至河曲间的漏失量也可达11.7％。

两岸支沟地表水向地下渗漏情况也是很严重的。例如水利部门对黑岱沟进行测流, 漏失量达0.369～4.387 L/s(不是雨季洪水时流量), 占上游径流量的8.48％～93.37％。

通过计算, 并对比国内建立水库发生渗漏情况和不存在渗情况的贵州和广西水库江座, 进行综合对对比, 强调认为: 如万家寨水库的石岸不进行防渗处理, 其渗漏量可达20 m3/s以上。这科学论断, 已在出版的专著中进行论述(卢耀如, 1999)。后来, 水库急着上马开工, 没有进行防渗处理。容水后, 在20世纪末21世纪初, 却是发生大量渗漏, 与我预测相近, 而且是由渗漏冲刷管涌, 而不断加大渗漏量。

当然, 在我论著中也提了, 渗漏少量水流, 可补给右岸陕西的地下水, 从兴建万家寨水库日的而言(卢耀如, 1999), 主要为引水入晋, 甚至有人强烈要求引贵入京, 成“天运河”。这工程例子和许多岩溶地区修建水库例子一样, 重视地质科学, 特别是做好水、工、环地质工作, 就会为工程提出科学的保障条件。

图6 黄河晋峡谷北段地表水与地下水补排关系图Fig. 6 The recharge-discharge relationship between surface water and groundwater in northern section of Shanxi-Shaanxi Canyon reach of Yellow River

图7 通过硫酸盐岩基础的桥梁示意图Fig. 7 Sketch of the bridge to pass the gypsum foundationA-桥墩基础放在非硫酸盐岩岩体内; B-桥墩基础桩基落在下部岩溶不发育的硫酸盐岩内A-pier foundation put at non-sulfate rock body; B-pier foundation put at sulfate rock with karst undeveloped at the bottom

表5 脱氮硫杆菌生化作用简表Table 5 Abridged table of thiobacillus denitrificans biochemical action

表6 硫酸盐岩脱氮硫杆菌作用强度Table 6 Intensity related to the processes of Th. Denitrificans in sulfate rocks

1.5 硫酸盐喀斯特地区工程效应

硫酸盐岩石膏、芒硝等, 是水可直接溶解的可溶岩, 其喀斯特作用过程有其特殊性, 不需要供给CO2溶剂作用(Cooper, 1989, 1995, 1996, 2002; 张凤娥和卢耀如, 2001; 卢耀如和张凤娥, 2007)。重点从两方面考虑:

(1)微生物作用机理

草木植物、乔木以及各种蕨类生物, 都对碳酸盐岩及硫酸盐岩的岩溶发育有密切影响, 而对易溶岩硫酸盐岩而言, 微生物岩溶作用不可忽视, 我们探索了硫酸盐还原菌(Desulfovibrio)、排硫杆菌(Th.thioparus)和脱氮硫杆菌(Th. denitrificans)的生物岩溶作用, 下面只列脱氮硫杆菌生化反应试验简要成果。

在喀斯特发育区也发现有还原硝酸盐的脱氮硫杆菌。评价其作用强度采用由该菌活动还原硝酸盐而生成(亚硝酸盐)的数量, 生成的量越大, 说明该菌活动愈强, 如表5所示; 硫酸盐岩脱氮硫杆菌作用, 见表6。在研究的11组试样中, 有6组存在脱氮硫杆菌的活动, 但强度较弱,所生成的为0.48 mg/L、2.0 mg/L, 而无菌对照样小于0.4 mg/L(张凤娥等, 2003; 卢耀如和张凤娥, 2007)。

研究了3种微生物在不同研究区的水-岩-微生物系统中的作用强度的变化状况, 说明在硫酸盐岩分布的水-岩系统中, 所构成的环境多数适于上列3种微生物的繁殖与发育。这些微生物在水-硫酸盐岩中进行着积极的代谢活动, 参与了硫、硫酸盐及硝酸盐的转化过程, 从而加速了石膏的溶蚀及次生碳酸钙的形成。这样, 构成了硫酸盐岩-水-微生物作用的岩溶系统。

据研究, 硫化物及硫酸盐的化学氧化与还原作用相当缓慢, 而微生物的转化作用十分迅速, 可高出数倍至数十倍(阎葆瑞, 1994, 2001)。化学作用与微生物的转化作用相比是不重要的。我们一些实验研究证实了这一结论, 微生物对硫酸盐的转化起着破坏及消耗其组织结构的重要作用, 其结果也促使水-硫酸盐岩的喀斯特作用加强。

在硫酸盐岩喀斯特发育中, 受温度的影响, 及温差效应更为明显。

(2)硫酸盐地区工程效应

这方面更为突出, 修建水库会发生大量渗漏,及基础塌陷, 引起大坝等建筑破坏。硫酸盐岩基础处理, 可有充填法、架桥法、铺设道路高强度塑料板、可调节的铁路供电杆等。其中, 我们提出, 架设平桥梁法, 即建设中可广泛采用此法, 以保证硫酸盐岩基础稳定性, 主要是多用钢铁, 平桥桩基要进入深处好地层(图7)上。对冻土层地区, 以及软土分布地带, 也可采用该方法。

图8 隧道碳酸盐岩对当地总补排条件适宜性判别参考框图Fig. 8 Reference block diagram of the suitability of the tunnel carbonate rocks to the local total supplementary drainage condition

2 地下空间开拓方面工程效应

目前, 我国许多城市在发展地铁交通网络, 而中、长途高铁建设已达1.9万km, 其中不少长度在10 km以上的已建隧道, 还有大型地下电站、地下仓库等等已成功修建。更多以纵横交错矿山坑道系统, 也都是属于地下空间开拓之类。而相应出现问题, 如: 地下空间开拓后, 诱发突水、突泥以及有害气体侵入、爆炸, 和高地应力产生岩爆等灾害, 洞壁洞顶塌落也常见, 也涉及诱发地面沉降、塌陷、地裂缝、滑坡、泥石流灾害。地下空间开拓中, 通道本身和诱发地表建筑物的破坏以及造成人身伤亡等灾害, 是不可忽视的严重地质环境为背景的问题。

2.1 地下空间开拓突水突泥灾害判断

地下空间开拓中, 首先应当研究当地及区域性喀斯特发育规律, 进而探索有关水文地质结构、条件。首先应当在地层、构造的基础上, 掌握当地喀斯特水补排条件, 进而研究判断当地喀斯特水的运动特性, 以及有关喀斯特道发育适宜性与可能性,进而作出区域性喀斯特水动力条件适宜判别, 以及有关喀斯特水运动循环系统适宜性判别, 以作判定突水突泥的重要依据。

作出隧道(洞)通过地带喀斯特水活跃度的评判是很重要的, 但是这必须在评判补排条件后, 再进行有关喀斯特运动适宜性评判。然后再转入隧道第n段碳酸盐岩对当地总补排条件的适宣性判断, 参考图8。有关喀斯特水适宜性评判, 可参考表7。

表7 隧道碳酸盐岩对有关喀斯特水运动的适宜性判别参考表Table 7 Reference table for the suitability of the tunnel carbonate rocks to the karst water movement

表8 碳酸盐岩中隧道通过地带喀斯特水活跃度判别参考表Table 8 Reference table for the water activity of the tunnel in the carbonate rock through the karst zone

以多项从属而判定。

隧道中第n段碳酸盐岩对区域喀斯特水运动力条件适宜性评判也可参考表7。

隧道碳酸盐岩有关地带喀斯特水活跃度与危害性, 可根据表8进行隧道中喀斯特水活跃度的评判。

根据多项所属而判定其类别, 是属于强岩溶水活跃度, 还是属于弱岩溶水活跃度, 或无岩溶水活跃度。此外, 也可应用模糊数学进行评判, 即: ·

根据当地情况, 可加大某些项的权值, 其评价集为VKWA=(强喀斯特水活跃度, 弱喀斯特水活跃度)。判定后, 转入区域性岩溶水动力条件活跃危害性情况如何, 可据上列评判结果, 结合区域性喀斯特水动力条件的评判情况, 可进一步作出区域性岩溶水动力条件活跃危害性的判断。

参看图9, 可判断: (1)由积极活跃循环的喀斯特水引起对隧道灾害的喀斯特水动力条件; (2)不活跃循环或封闭停滞喀斯特水引起对隧道灾害的喀斯特水的动力条件; (3)无活跃与封闭喀斯特水对隧道产生灾害的裂隙性喀斯特水动力条件。

图9 区域性喀斯特水动力条件活跃危害性判别参考框图Fig. 9 Reference block diagram of regional karst water power condition activity hazard identification

隧道中碳酸盐岩内喀斯特水危害性系数组的确定。

分别计算各段碳酸盐岩的长度LCRi, 及具二种危害性和基本无危害性的长度, 即LAWD,

危害性质系数:

DWD＞2, 全隧道中以活跃性岩溶水危害为主;

DWD＜0.5, 全隧中以封闭性岩溶水危害为主;

DWD=0.5～2, 全隧道中活跃性与封闭性岩溶水危害并重。

危害程度系数:

RND＞2, 全隧道喀斯特水轻度危害;

RND=10～50, 全隧道喀斯特水中度危害;

RND=0.5～2, 全隧道喀斯特水重度危害;

RND＜1, 全隧道喀斯特水极度危害。

判定后转入喀斯特水危害性与喀斯特类型间关连系数:

RAWD表示与活跃性喀斯特水危害有关系数(％);

RCWD表示与封闭性喀斯特水危害有关系数(％);

一定喀斯特类型地区, 全隧中应当RAWD+RCWD=100％, 但不同喀斯特类型地区, 按不同的水动力情况, 相应的RAWD和RCWD值都是不同的。在表9中提供参考值。

表9 喀斯特类型与岩溶水危害性(对隧道)关连系数参考表Table 9 Reference table of correlation coefficient of karst type and karst water hazard (to tunnel)

这方面的关连系数只是一个参考值, 采取后转入。

喀斯特水流态与喀斯特水危害方式相关性, 可用以分析隧道中喀斯特水初始危害状态可分为三种:

(1)大通道大流量突水危害状态(DGK);

(2)小通道多股流量汇聚危害状态(DCK);

(3)小通道小流量渗流危害状态(DLK)。

根据, 前面分析, 喀斯特水流态有: 分流状(WS), 散流状(DS), 异流状(D1), 差流状(DR), 汇流状(CT), 聚流状(Cl), 深流状(DF), 滞流状(SF)。有关喀斯特水流态(水动力条件)类型(卢耀如, 1962, 1999), 隧道地带喀斯特水活跃度及喀斯特水初始危害状态三者关系, 参看图10。

图10 隧道中碳酸盐岩中喀斯特水初始危害状态判别参考图Fig. 10 Reference map of initial hazard state of karst water in carbonate rock in tunnel

图11 喀斯特水动力条件活跃-危害性分类关系参考图Fig. 11 Reference map of karst hydrodynamic condition active hazard classification relationship

当然, 初始小通道渗流危害, 也可逐渐发展与诱发大股水流危害, 判定后转入下面。

隧道中喀斯特水危害定性类型。

隧道喀斯特水动力条件活跃-危害性分类: 可参考图11进行喀斯特水动力条件活跃-危害性分类。

表10 隧道喀斯特水危害定性类型判断参考表Table 10 Reference table of qualitative analysis of water hazards in tunnels karst

对隧道中各段碳酸盐岩可分别判断, 以判定上述四种类型中的一种。

在进行水动力条件活跃-危害性分类评判后,就可用作隧道水危害的定性类型的评判。

以上着重从多方面因素评断有关隧道喀斯特突水、溃水的定性危害(表10)。真实资料愈多时, 这种定性评判会愈接近实际。反之, 无更多资料为依据, 而提供的人机对话时回答的情况与参数, 就会降低评判价值。

喀斯特发育机理能有较详尽的调查, 这方面的定性评判, 就会得到相应分析判断, 而作出相应的定量、半定量评判。

2.2 六个超前探测则的重要性

长的隧道, 多数是埋藏在数百米至千米以上的地下, 通过进行勘测的钻探、洞探与物探工作量有限。因此, 虽然做出了上列评判, 但在实施工程中,仍需有六个超前工作。这六个超前做好了, 就能够更好对隧道中可能产生突水突泥灾害予以超前治理,而大大地减少损失。进行六个超前工作, 能有上述的系列评判, 会为六个超前提供重要的依据。六个超前是:

(1)超前研究地质条件, 在施工前就要很好分析研究有关地质条件;

(2)超前分析主要地质效应问题(如上面论述的评判, 更密切地与掘进部位相耦合), 包括对施工可能产生的危害, 开凿后会发生重要灾害问题, 并有初步预案;

(3)超前准备需采用措施及准备有关器材; 分析有问题地段, 就要准备好, 可能采取的处理控制措施, 一切所需要的设备材料;

(4)超前探测, 利用长钻(小角度)钻进、物探电法、地震法、地质雷达等、测试掌子门附近水气性质, 以证实在将要爆破、据进的撑子面前几十米的地质概况, 有无严重水、气(危害存在);

(5)超前进行不良现象的处理措施; 判断如果爆破后, 会大量突水突泥、气爆, 会造成严重的后果, 就应当采取预先处理, 如高压灌浆、支洞排水、孔群排水排气减压、加大隧道内通风、排水气、加强隧道壁的支撑保护等手段;

(6)超前建立避难所: 预测可能产生不良效果,在隧道掘进中, 就要在离撑子面一定距离建安全避难所, 内有水食物, 这避难所随着隧道掘进而向前移动, 危险地段, 施工人员可先进避难所, 以遥控爆破, 避免高压水气对人员危害。

3 生态城镇群建设的发展工程效应

我国城市化率已达54％以上, 但真正按城市永久居住人口而言, 只有35％多, 新型的生态城镇群建设正迅速发展。

城镇群建设, 应当有五级(卢耀如, 2003, 2015), V级是首都及大都市如北京、上海、广州、天津、深圳, 起重要引领支撑作用, IV级是各省(自治区)省会及少数相应城市, III级是州市级在地区性区域上为骨干, II级城镇是县市级, 主要应是当地农业、地方工业的中心, I级城镇, 是新发展5～20万人, 可以是尖端工农业及有特色当地产业以及旅游业中心(卢耀如, 2003)。I、II级城镇应是建设生态城镇群的重要基础与前提。

各级城镇不是单独存在, 可以有不同级城镇相结合, 而成城镇群。

3.1 城镇群共同体的两个主要内涵

城镇群结合成一共同体, 首先应当在资源开发上, 能高效、节约地开发利用各种资源, 这些资源主要是土地资源、水资源、能源、矿产资源、生物资源。其二是有效防治与减轻自然灾害(卢耀如等, 2010), 这些自然灾害主要包括: 地质灾害、气象灾害及生物灾害。这五级城镇不是都一样的高楼、一样的人口拥挤、交通堵塞和共同加剧污染。相反地,通过I、II级新型生态城镇群发展, 减少农村剩余劳动力都涌向大城市打工。I、II级城镇发展其新兴产业, 定是实现中华振兴梦想的关键措施。

例如: 北京市, 不能只是大市区单独考虑, 而且应当和所辖县市、乡镇, 统一考虑规划有关资源综合开发与灾害共同防治的问题, 以及产业调整,发展与再布局的问题。

3.2 开发及防灾中的和谐配合方面

这需要由地质环境与条件上, 重点研究考虑这几个问题: (1)水-土资源的合理配置, 而不能孤立只考虑一种需求; (2)应当很好研究六水共同开发利用,这六水是雨水、地表河水、湖水、地下水、人工大水体(水库等)、海水(不是沿海地区, 也应考虑地质历史上海陆变迁的古海水留存与影响)。六灾共治是:洪灾、涝灾、旱灾、地质灾害、污染、风暴潮, 特别是风暴潮-暴雨-地质灾害链的防治, 这五级城镇群是命运相关, 难以分割的。

这是第二层次问题。

3.3 发展与工程建设的综合环境效应

各种开发与发展都需要进行工程建设, 也必然会对地质环境产生效应, 例如, 高层建筑、抽取地下水、地下空间开拓, 三者都会综合影响到地面沉降、地面塌陷。大型水利措施, 包括蓄水对生物的生活的环境与生存条件的影响, 例如水库使地下水的壅高, 就会使植物根系常为地下水浸泡而腐烂,使植物大树、果树死亡, 以及增大水动力作用, 加剧与诱发地质灾害的发生与发展(包括工业污染与农业面源污染)。

这是综合效应的第三层问题。

3.4 建设城镇生态-农业、生态-工业、生态-园林与生态-交通

这方面主要体现在大气、水体与土壤污染得到治理, 并控制在极低无害水平, 生态工业, 不污染大气; 主要是绿色低碳、无碳能源的使用, 排放的不良CO2、SO2等得到治理控制, 生态农业表现在主要是使用绿色肥料、有机肥、少用或不用化肥、农药, 而生产的是绿色与有机食品, 保证食品的安全。绿色交通, 体现在多级别的铁路、公路以及轮船、飞机等交通网的密切配合, 减少及不用燃煤能源, 这方面还要客流和物流都能有完善无污染的运输系统, 节能减排以至不排放有害物质, 应当是首位的, 胜过对速度的要求。

城市有生态园林, 增加城市的肺呼吸, 对城市的生态性也是有重要的保障, 相应地, 也应开展有关生态旅游业, 这方面是第四层次问题。

3.5 城镇群发展应当保障生态环境安全与可持续发展

这是城镇群发展的最高五层内涵, 不从地质环境上保障城镇群的地质-生态环境安全, 那城市仍隐存着危期和大灾难危险, 对人民的生态财产也是没有保障的。能够保障城镇群整体地质-生态-环境的安全, 这样的城镇群, 才是可持续发展的, 也是人们所喜欢居住的。城镇群的目前地质-生态环境,还需要认真探索未来的演化以及其今后发展的效应(Lu and Duan, 1997; Lu et al., 1997)。

所谓宜居城市, 所谓幸福城市, 不能保障地质-生态环境安全, 不能可持续发展, 那就是不合基本的要求。

图12 生态城镇群发展的理念图Fig. 12 The concept of ecological city cluster development

因此, 水文地质、工程地质与环境地质的工作,要更多直接面对国家的发展、建设, 对各种不同级别的城镇群的发展, 提出上列几个层次方面的有关决策的依据。

目前, 我国城镇群发展的一个通病是:

(1)轻视地质工作是各种规划建设的前期直到后期运用中的重要前提与依据;

(2)各种城镇群, 都在不断求发展扩大, II级大城市还多是梦系在多有大项目列上, GDP更往上冒,而当前最主要的还是要注意瘦身、调整落后产业,以创新发展高尖端新产业。

(3)求洋求大, 损失地区特点, 没有考虑地质地理环境与当地传统的风格, 滨海城市和大江旁城市,平原城市与山区城市, 北方干旱草原城市与南方多雨城市, 基本上都渐趋一样, 一样的高楼、一样的灰色混凝土、一样的宽马路、一样的大商厦、一样的饮食业、一样的污染源, 有关生态城镇群的发展的基本概念, 表示于图12。

在纪念中国地质科学院及其水文地质环境研究所成立六十周年之际, 关于水文、工程与环境地质的六十年的发展情况及有关建议, 已另写一文,这篇文章特别对水工环地质工作在岩溶地区, 今后应更好地为国家及地方发展与工程建设服务, 积极从地质基础、岩溶发展规律, 以及有关地质环境上,探索研究有关工程建设与综合发展的效应问题, 以为保障当地与国家的地质-生态环境安全与可持续发展, 起到积极的作用。

Acknowledgements:

This study was supported by National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No. 2013CB036001) and National Natural Science Foundation of China (No. 41302220).

黄永坚. 1986. 水库分层取水[M]. 北京: 水利电力出版社.

卢耀如, 贺可强, 李相然, 杜汇霖. 2010. 山东半岛城市群地区地质—生态环境与可持续发展研究[M]. 北京: 地质出版社.

卢耀如, 杰显义, 张上林, 赵成樑, 刘福灿. 1973. 中国岩溶(喀斯特)发展规律及其若干水文地质工程地质条件[J]. 地质学报, (1): 121-136.

卢耀如, 王兆馨. 1966. 华南某坝区的喀斯特及其水文地质工程地质条件[C]//中华人民共和国地质部地质科学研究院论文集. 北京: 中国工业出版社.

卢耀如, 张凤娥, 刘琦, 顾展飞. 2015. 建设生态文明 保障新型城镇群环境安全与可持续发展[J]. 地球学报, 36(4): 403-412.

卢耀如, 张凤娥, 刘长礼, 童国榜, 张云. 2006. 中国典型地区岩溶水资源及其生态水文特性[J]. 地球学报, 27(5): 393-402.

卢耀如, 张凤娥. 2007. 硫酸盐岩岩溶及硫酸盐岩与碳酸盐岩复合岩溶——发育机理与工程效应研究[M]. 北京: 高等教育出版社.

卢耀如. 1959. 官厅水库矽质石灰岩内喀斯特发育的规律性及其工程地质特征[C]//中华人民共和国地质部水文地质工程地质研究所: 水文地质工程地质论文集(I). 北京: 地质出版社: 132-153.

卢耀如. 1962. 喀斯特水动力条件的初步研究[C]//中国科学院学部编: 全国喀斯特研究会议论文选集. 北京: 科学出版社.

卢耀如. 1999. 岩溶水文地质环境演化与工程效应研究[M]. 北京: 科学出版社.

卢耀如. 2003. 地区—生态环境与可持续发展——中国西南及邻近, 岩溶地区发展途径[M]. 南京: 河海大学出版社.

卢耀如. 2010. 中国喀斯特——奇峰异洞的世界[M]. 北京: 高等教育出版社.

闫葆瑞. 1994. 太平洋中部水—岩系统中微生物活动及其成矿作 用[M]. 北京: 地质出版社.

闫葆瑞. 2000. 微生物成矿学[M]. 北京: 科学出版社.

张凤娥, 卢耀如, 郭秀红, 刘广联. 2003. 复合岩溶形成机理研究[J]. 地学前缘, 10(2): 495-500.

张凤娥, 卢耀如. 2001. 硫酸盐岩溶蚀机理实验研究[J]. 水文地质工程地质, 28(5): 12-16.

References:

COOPER A H. 1989. Airborne multispectral scanning of subsidence caused by Permian gypsum dissolution at Ripon, North Yorkshire[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology, 22: 219-229.

COOPER A H. 1995. Subsidence hazards due to the dissolution of Permian gypsum engineering and environmental problems in karst terrane[C]//Proceedings of the Fifth Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst Gatlinburg Rotterdam: A. A. Balkema: 23-29.

COOPER A H. 1996. Gypsum karst of Great Britain[J]. International Journal of Speleology, 25(3/4): 195-202.

COOPER A H. 2002. Environmental problems caused by grpsum karst and salt karst in Great Britain[J]. Carbonates and Evaporites, 17(2): 116-120.

HUANG Yong-jian. 1986. Selective withdrawal from reservoirs[M]. Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press(in Chinese).

LI Bao-rui. 2000. Microbial metallogeny[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

LU Yao-ru, DUAN Guang-jie. 1997. Artificially induced hydrogeological effects and their impact of environments on karst of North and South China[C]//FEI Jin and KROTHE N C (eds): Hydrogeology. Proceedings of the 30thInternational Geological Congress, 22: 113-120.

LU Yao-ru, HE Ke-qiang, LI Xiang-ran, DU Hui-lin. 2010. A studyon the geology and ecology environment and sustainable development of the urban agglomeration area in Shandong Peninsula[M]. Beijing: Geological Publishing House(in Chinese).

LU Yao-ru, LI Xian-yi, ZHANG Shang-lin, ZHAO Cheng-liang, LIU Fu-can. 1973. Development law of karst in China and its hydrogeological conditions[J]. Acta Geologica Sinica, (1): 121-136(in Chinese).

LU Yao-ru, TONG Guo-bang, ZHANG Feng-e. 1997. Geological environmental types and qualitites and predict on their evolutions in 21stCentury in China[C]//ZHANG ZONGFU, MULDER E F J, LIU DONGSHENG, et al. Geosciences and human survival, environment, natural hazards: proceedings of the 30thinternational geological congress, Volume 2&3, VSP. Utrecht, the Netherlands[S.1]: 117-133.

LU Yao-ru, WANG Zhao-xin. 1966. Karst and the conditions of hydrogeology and engineering geology of a dam in Southern China[C]// Proceedings of the Ministry of geology of the people′s Republic of China. Beijing: China Industry Press(in Chinese).

LU Yao-ru, ZHANG Feng-e, LIU Chang-li, TONG Guo-bang, ZHANG Yun. 2006. Karst Water Resources in Typical Areas of China and Their Eco-hydrological Characteristics[J]. Acta Geoscientic Sinica, 27(5): 393-402(in Chinese with English abstract).

LU Yao-ru, ZHANG Feng-e, LIU Qi, GU Zhan-fei. 2015. The Construction of Ecological Civilization for the Environmental Security and Sustainable Development of New Urbanization[J]. Acta Geoscientic Sinica, 36(4):403-412(in Chinese with English abstract).

LU Yao-ru, ZHANG Feng-e. 2007. Study on the development mechanism and engineering effect of sulfate and sulfate and carbonate rocks[M]. Beijing: Higher Education Press(in Chinese).

LU Yao-ru. 1959. The regularity and engineering geological characteristics of Karst in siliceous limestone of Guanting Reservoir[C]// Institute of Geology and engineering geology, Ministry of Geology of the people′s Republic of China: Collection of hydrogeological engineering geology (I). Beijing: Geological Publishing House: 132-153(in Chinese).

LU Yao-ru. 1962. Preliminary study on hydrodynamic conditions in Karst[C]// Chinese Academy of Sciences: The national Karst Research Conference Papers. Beijing: Science Press(in Chinese).

LU Yao-ru. 1986a. The distribution and basic features of caves in China[C]//Preceedings of the 9thInternational Congress of Spelogy, I: 214-217.

LU Yao-ru. 1986b. Process of karst cavern’s development and three phrases’ flow[C]//Proceedings of the 9thIntermational Congress of Speleogy, I: 273-276.

LU Yao-ru. 1988. Hydrogeological environments and water resources patterns in China. Proceedings of the IAH 21th Congress[C]//Karst hydrogeology and Karst Environment Protection, Part II. Beijing: Geological Publishing House: 64-75.

LU Yao-ru. 1990. Assessment of the exploitation of water resources in karstified mountain regions of China[C]//International conference jointly convened with IAHS on water resources in mountainous regions, Lausanne, Switzerland, 22(Part 1-2): 1068-1075.

LU Yao-ru. 1993a. Evaluation of cave activity for use in karst forecasting[C]//Proceedings of XI International Congress of Speleology: 169-171.

LU Yao-ru. 1993b. Effects of hydrogeological development in selective karst regions of China[C]//IAHS Publication No.207. Hydrogeological Processes in Karst Terranes: 15-24.

LU Yao-ru. 1993c. Comparative researches on evolutions of karst environment in main constructing regions in China(abstract) [C]//Third International Geomorphology Conference, Programme with Abstracts. Hamilton, Ontario, Canada: 189.

LU Yao-ru. 1999. Study on the evolution of karst hydro-geological environment and its engineering effect[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

LU Yao-ru. 2003. Regional ecological environment and sustainable development: The way of the development of karst area in Southwest China and its adjacent regions[M]. Nanjing: Hohai University Press(in Chinese).

LU Yao-ru. 2010. Karst of China: Exotic peak and holes[M]. Beijing: Higher Education Press(in Chinese).

RIDJANOVIC M. 1976. Capacity of karst reservoirs for absorption of heat flux of solar radiation[J]. Karst Hydrology and Water Resources, 2: 545-558.

YAN Bao-rui. 1994. Microbial activity and mineralization in the water rock system of the central Pacific Ocean[M]. Beijing: Geological Publishing House(in Chinese).

ZHANG Feng-e, LU Yao-ru, GUO Xiu-hong, LIU Guang-lian. 2003. The mechanism related to the formation of compound karst ification[J]. Earth Science Frontiers, 10(2): 495-500(in Chinese with English abstract).

ZHANG Feng-e, LU Yao-ru. 2001. Experimental study on dissolution mechanism of sulfate rock[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 28(5): 12-16(in Chinese with English abstract).

Karst Development Mechanism and Research Directions of Developing Engineering Construction Effect

LU Yao-ru
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Karst is widely distributed in China and has a close relation with economic development, engineering construction and people′s daily lives. The study of karst development law and the investigation of its effect on developing engineering construction are very important research directions. Based on several decades of research, the author discussed the research directions in the following aspects: (1) Geological environmental effect research on regional comprehensive construction, including regional development pattern of karst and assessment of the Yangtze River, Yellow River; (2) Underground spatial development, including undesirable effects of urban subway, high-speed rail underground big-space building, mining, judging perniciousness using comprehensive research, such as karst hydrogeology, and six measures in advance during the tunnel construction. (3) Problems of several levels in the development of town groups and ecological connotation. With practical examples, the author emphasized the important role of hydrogeology, engineering geology and environmental geology in realizing China’s power dream.

karst; law; engineering development; effect assessment

P93.5; P694

A

10.3975/cagsb.2016.04.04

本文由国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号: 2013CB036001)和国家自然科学基金项目(编号: 41302220)联合资助。

2016-06-08; 改回日期: 2016-07-15。责任编辑: 闫立娟。

卢耀如, 男, 1931年生。中国工程院院士, 研究员。主要从事水文地质、工程地质、环境地质方面研究工作。E-mail: yrlu@tongji.edu.cn。