某地区岩溶地面塌陷机理及其防治措施

2020-03-06蓝冰

工程建设与设计 2020年14期

蓝冰

（广东省有色矿山地质灾害防治中心，广州510000）

1 工程概况

该研究区域位于广东省某部，北、东、西3面为低山丘陵，中间为垄状低山相间的平原，灰岩顶面上覆第四系土层，岩性主为砂性土和黏性土，形成水文地质复杂的隐伏岩溶地下水构造盆地。地下水赋存状态主要以第四系孔隙水和岩溶水为主。20世纪50年代，该地区居民长期连续大量开采地下水，形成区域地下水位降落漏斗，而造成地面塌陷、地面沉降、地面裂缝、房屋开裂等环境地质问题。塌陷形状以椭圆、圆形、蝶形为多见，塌陷坑地表直径一般为1～5m，少量达5～7m，深一般为0.3～2.5m，少量可达3m。截至目前，该地区范围内已调查统计产生塌陷300多处。

笔者在该区研究岩溶地面塌陷多年，在调查岩溶影响因素的基础上，总结其发生机理，并提出预防措施和工作建议。

2 岩溶地面塌陷影响因素及机理

在岩溶地面坍塌现象的形成过程中，受到工程施工与地下水动力学的影响，内部结构受到破坏产生塌陷。岩溶地面塌陷具有突发性与隐蔽性，其主要是受力学机制与各类影响因素的制约，具体如下。

2.1 潜蚀作用

地下水的使用情况会影响实际水位的变动，水位变动会对周围区域形成潜蚀作用，潜蚀随着地下水流的流量与流速的增加而增强，可将其视为机械潜蚀效果。当地下岩土层的整体结构不足以支持上部区域时，就会造成塌陷问题。

2.2 真空吸蚀

真空吸蚀指的是当地下含水层为第四系时，内部承压能力与岩层结构存在一定的关联，而且在饮用水的抽取量不断增加时，会导致地下水位的快速下降，使地下内部情况与整体结构会进一步产生变化。此外，当区域内的水文地质情况与含水层之间的饱和程度达到一定数值时，也会导致上部与下部之间的气体隔绝能力降低，也就是说，当气体隔绝能力与地下水的渗透能力逐渐降低时，地面下部的岩层结构会产生一定量的吸盘效果。在强有力的抽取力增加过程中，不仅会因为上部岩层与下部水层的结构产生变化，而且在顶板向下运动过程中也会产生一系列的剥落现象，逐渐使地面内部的塌陷情况愈加严重，从而使地下土体的结构形成大幅度变化。

2.3 荷载效应

地面坍塌过程中的荷载效应指的是岩层与地下水层之间的变化趋势，可以将其划分为内部荷载效应与外部荷载效应。其中，内部荷载是地下水对岩层造成的真空吸蚀与潜蚀作用共同达成的，这里需要在自身重力的协同作用下产生重力效应，从而会对内部整体结构产生影响，这样在单一重力逐渐变为复合型的重力效应时，就会对整个地下土层结构造成破坏。而外部荷载的增加，使地面整体处于超负荷的状况，这种原因造成的塌陷类型多为桶状塌陷，这也是施工区域及周围产生塌陷情况的主要原因。

2.4 渗压效应

渗压效应指的是在降雨过程中，地表积水在入渗补给地下水时，对盖层土体产生的一种综合作用。该种效应是降雨诱发岩溶塌陷的主要力学机制。由于每种机理在具体的塌陷产生过程中，都会产生不同的影响效果。因此，需要针对形成原因进行深入分析，这样才能准确判定渗压效应的形成机制。

地面塌陷情况中的渗压效应主要与施工过程中的降水情况存在关联，由于降雨量会影响地下水水位，进而对盖层土体产生动力效应，最终成为导致地面塌陷的主要因素。

3 岩溶地面塌陷防治措施

总结多数工程建设实践中岩溶塌陷的防治策略，并且围绕该地区的岩溶塌陷机理制定防止措施，可以在以下几个方面加强管理和实施治理。

3.1 地下水采集控制

针对工程项目区域中的地下水采集量进行严格控制，并且根据地下岩层与含水层之间的关系进行综合分析，初步确认可能构成地面塌陷问题的机理与隐患，以此为基础制定相应的防治措施。此外，需要对岩溶地下水的水位情况进行控制，保证地下水的水位线始终与岩层施工前的水位线一致，这样才能有效避免地下岩溶层的整体结构，通过控制岩溶层的结构变化趋势来避免岩溶塌陷危害[1]。

根据研究区域的工业布局、生产发展方向，对地下岩溶水的开采和利用方案进行科学论证，在此基础上节制抽水、节约用水。此外，可以管道引取周围河流至西部工业区，扩大城市西部和郊区用水的来源，最好在旱季和雨季交替的两三个月能设立一个禁采期，从而使地下水开采保持在相对稳定的水平，以此减缓岩溶发育，减少岩溶灾害的发生。

3.2 “被动避让”处理

在规划和工程项目设计环节，尽量避免与严重塌陷区产生交集，以此来避免施工中的岩溶层塌陷事件。这样虽然无法对地质塌陷问题进行有效防治，但是却能够降低地质塌陷问题产生时所附带的经济损失与人员伤亡[2]。

3.3 加强监测预警

如果无法避让处理，则需要在施工中进行严格监测，同时在工程中可以采用钻孔注浆技术来对地基结构进行加固处理，这样能够在一定程度上起到防沉降效果[3]。

在施工过程中需要针对地质情况与岩溶塌陷情况实施监测，通过长期、连续的监测地面，针对建筑物的变形与监测点的变化情况进行统计分析，还要根据水量的变化以及地下洞穴的发展情况进行整理分析，对机井涌砂、水量骤增、水质变坏、水面冒泡、植物变态、建筑物倾斜、地面环状开裂、地声等异常现象应进行加密监测和观察。这样在发现以上情况时，能够结合实际效果与数据展开分析，从而找到原因，并且及时做出预测。

3.4 工程措施防治

在查明岩溶发育分布状况、岩土盖层性质、塌陷区分布及可能存在的地质危害的情况下，施工时可以采取科学合理的措施进行充填，增加其整体结构的稳定程度。例如，研究区域的塌陷都发生在工程项目施工区域两侧，因此，可以有条件地选择易塌区进行边坡防护作业，对路基进行加固处理；同时，可用高压注浆法将含有胶脂、沥青、水泥或黏土浆等的强化水泥浆沿岩溶上方钻孔灌入岩溶。这样不仅可以改善岩溶的应力平衡状态，又可使岩溶顶板受到含有胶脂、沥青的水泥浆的保护，阻止顶板进一步变薄，保持相应的承载能力。