桂西典型岩溶区岩溶震群活动震害防治初探

2020-06-30蒙荣国

中国地质灾害与防治学报 2020年3期

关键词：空腔岩溶能量

蒙荣国

(广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州 545006)

0 引言

随着社会的发展，人类对资源的需求进一步加大，人类工程活动对自然环境的改造进一步加深，各种灾害逐步突显。尤其近年来各种极端天气的频繁出现，于岩溶区频发的小震群活动引起广泛关注。

2010年6月，广西凌云—凤山一带发生了3级震群(称“6·28”震群)，该震群活动的发生引起当地各级政府的广泛关注。经研究认为该震群为暴雨诱发的岩溶震群活动[1]。

岩溶震群活动是指在岩溶区这个特定岩溶环境水文地质条件下发生的浅部地震活动，它可能是塌陷地震或气爆地震，也可能是塌陷地震引发一系列气爆地震，或气爆地震引发一系列塌陷地震，或者因气体挤压溶洞顶板产生应力释放而产生局部小地震[1]。

岩溶震群活动国内外研究主要以水库诱发地震研究或岩溶塌陷研究居多。1988年范家参等[2]对水库诱发地震气爆成因进行了分析，1989年胡平等[3]将气爆型水库诱发地震分为塌陷型气爆及外冲型气爆，1990年康彦仁等[4]对中国南方岩溶塌陷的形成条件、影响因素、分布规律、形成过程、成因机制、塌陷区划等进行系统地深入研究，1994年邹成杰等[5]将岩溶区水库地震分为岩溶塌陷地震和岩溶气爆地震，近年来的同类研究成果很多，但多未将岩溶区地震和引发灾害一起研究。桂西典型岩溶区多为贫困山区，人口密度小，地震记录少，类似研究工作更少。2010年“6·28”震群发生后，方引起广泛关注。

1 岩溶震群活动特点

1.1 主要发育于岩溶强烈发育区

岩溶发育强度控制着岩溶震群活动的环境条件，地下岩溶洞穴上部岩土体失稳下塌会产生地震活动。如广西来宾市良江镇吉利村发生大型岩溶塌陷，该区下伏石炭系灰岩、白云质灰岩中岩溶强烈发育，地下发育一条规模较大的地下河或岩溶地下水强径流带[6]，地下水活动强烈，给岩溶震群活动的发生提供优越条件。

1.2 与强降雨具有较好的相关性

2010年6月27～30日广西西北部出现大暴雨过程，凤山县至凌云县一带发生“6·28”震群活动，震群的发生时间与震区强降雨具有明显的时空相关性，为暴雨诱发的岩溶震群活动。

1.3 频度高震级低

“6·28”震群共记录到3071次地震活动，绝大部分为2.0级以下地震，3.0～3.9级地震3次，最大3.2级，其中记录到最高的单日震动次数达351次(2010年6月30日)，表现为频度高，震级低的特征。

1.4 分布集中，震源浅

据地震部门提供数据，“6·28”震群约70%集中在广西凤山县江洲乡那林村一带(东经106°54′00″，北纬24°21′36″)，达2 083次，63%地震的震源深度小于1.6 km，震源浅[7]。

1.5 灾害大

“6·28”震群发生在广西桂西北岩溶地区，河池市凤山县江洲乡陇善村等7个自然屯震感强烈，地震共造成1 000多人受灾，百色、河池两市直接经济损失1 500多万元，转移安置群众3 500余人。

1.6 具有重现性

“6·28”震群发生后，广西地震台网中心分别于凤山县江洲乡陇善村和凤山县平乐乡大洞村各架设1个流动地震台站。这2个流动地震台从2011年9月至2012年11月共监测到79次0级以上地震，与2010年“6·28”震群震中区基本一致。

2 岩溶震群活动震害特点

岩溶震群活动也和一般地震活动一样对地表建筑结构产生破坏，而岩溶震群活动因震级小，其危害主要次生地质灾害的危害及岩溶地基对地表烈度的放大作用。

2.1 次生地质灾害特点

岩溶震群活动主要发生于强岩溶发育区，地震活动引发的次生地质灾害主要有滑坡、崩塌(危岩)、地面塌陷、地裂缝等。次生地质灾害主要具有以下特点。

(1)突发性

岩溶震群活动所引发的地质灾害往往具有突发性的特点，次生地质灾害产生的时间具有不可预见性，可能地震时发生，也可能震后发生，或震后一段时间内因其它因素改变(如发生大的降雨)发生。因此，由于其突发生给次生地质灾害的预防提出了更高的要求。

(2)隐蔽性

隐蔽性是地质灾害发生的共性，由于地质灾害发育的复杂性，常规的地质灾害调查往往很难查清所有地质灾害隐患。如岩溶区的危岩调查，受植被、地形等因素影响，很难查清调查区危岩发育状况[8]，有时调查认为很危险的块体地震时并未下崩，而不危险的块体却有下崩现象，更有甚者存在未发现危岩块体处发生崩塌现象。对于地质灾害的隐蔽性要求地质灾害工作者不仅要有丰富的经验，还应敢于创新，充分运用现代技术手段对地质灾害进行调查分析评价。

(3)连环性

次生地质灾害发生的连环性是与岩溶震群活动的特点分不开的，往往是一种地质灾害的发生又引发另一种地质灾害的发生，或同一类型地质灾害发生引发别处发生地质灾害。如危岩崩塌形成的震动引发岩溶地面塌陷，而地面塌陷发生后又有可能引发别处地面塌陷。

2.2 岩溶场地破坏烈度放大效应分析

(1)岩溶地基不均一性

岩溶地基由于岩溶作用，往往地下土洞、溶槽(洞)发育，在地震作用下，地基岩(土)体发生差异变形，从而引起地表建(构)筑物的破坏，地震烈度加大。

(2)次生地质灾害多发性

由于岩溶地区地质环境的脆弱性，在漫长的地质年代作用下，岩溶区表现为崩塌(危岩)、滑坡、岩溶地面塌陷等地质灾害多发，地震活动加速了各种地质灾害的形成，从而表现为地震烈度的加大。

(3)地震活动叠加性

如前所述，岩溶震群活动往往为多个地震的叠加，气爆地震可能引发塌陷地震，塌陷地震的发生又引发气爆地震，各种地震活动所释放能量的叠加加速各类地质灾害的形成，从而表现出地表的加速破坏。

(4)建筑结构无抗震设防设计

桂西岩溶区多半是贫困山区，所修建筑随意性大，多没有专业人员的指导，无抗震意识。地震发生后，表现出建筑结构破坏严重，人员伤亡大。

3 岩溶震群活动机理研究

岩溶震群活动主要表现为气爆地震及塌陷地震，下面主要从气爆地震及塌陷地震两种类型进行分析。

3.1 气爆地震机理分析

通过对“6·28”震群研究，岩溶气爆地震发生取决于其环境条件及动力条件[1]，其中环境条件就是地下存在因地下水上涨而自动密闭的岩溶空腔，密闭空腔存在受堵塞通道与地表连通(图1)；动力条件为地下水暴涨使地下岩溶空腔内形成高压气体，岩溶空腔内高压气体对上部岩土体产生破坏形成气爆地震，最常见以外冲型为主。

图1 气爆地震模型图Fig.1 Gas explosion seismic model diagram

3.1.1 气爆地震力学模型分析

(1)模型概化

为研究方便，模型概化时作以下假设：

1)受堵塞通道是垂直的，且横截面形状为上下一致的圆形。

2)受堵塞通道充填物是均一的，且其力学性质远小于围岩。

3)岩溶空腔是密闭的，且堵塞通道充填物不透气。

4)岩溶空腔气体不可燃。

根据以上假设，将气爆地震模型概化见图1。

(2)力学分析

堵塞体受到岩溶空腔中高压气体P(附加气体压力，即气体压力减去大气压力P0)的作用，堵塞体则依靠土体黏聚力(f)及自重(G)来阻止土体的变形。

堵塞通道半径为a，厚度为H，当堵塞处极限平衡状时，取地面以下深度z处，dz厚度土体作受力分析(图2)，由垂向上平衡条件可以得到：

图2 气爆地震力学分析图Fig.2 Gas explosion seismic mechanical analysis diagram

γsatπa2dz+2πacdz+2πaλσztanψdz=πa2dσz

(1)

式中：γsat——土体饱和重度/(kN·m-3)；

c——堵塞体与围岩接触面的内聚力/kPa；

ψ——堵塞体与围岩接触面的内摩擦角/(°)；

λ——静止土压力系数；

σz——附加应力/kPa。

将边界条件：z=0，σz=0；z=H，σz=P。代入式(1)得：

(2)

式(2)极限平衡状态下推导出来的，这里将计算出的压力值记为Pt，从而可得出：当压缩气体应力大于Pt时，堵塞体被击穿，气体能量释放，产生气爆地震；当压缩气体应力小于等于Pt时，堵塞体稳定或处极限平衡状态，不会产生气爆地震。

将式(2)变换可得：

(3)

同上可得出：当堵塞体厚度小于Ht时，堵塞体被击穿，气体能量释放，产生气爆地震；当堵塞体厚度大于等于Ht时，堵塞体稳定或处极限平衡状态，不会产生气爆地震。

3.1.2 气爆地震能量分析

气爆地震能量参照理想气体作绝热膨胀时所释放的能量来计算[9]。算式如下：

(4)

式中：Ug——气爆震能量/MJ；

P0——环境的绝对压力/MPa；

P——气体的绝对压力/MPa；

V——气体的体积/m3；

k——气体的绝热指数。

空气氧气氢气及一氧化碳的绝热指数k均近似为1.4，取1.4。环境绝对压力P0取100 kPa(一个标准大气压)，代入式(3)得：

Ug=2.5PV(1-0.52(P)-0.285 7)

(5)

令Cg=2.5P(1-0.52(P)-0.285 7)则式(5)简化为：

Ug=CgV

(6)

式中：Ug——爆炸能量/J；

Cg——爆炸能量系数/J·m-3；

V——气体体积/m3。

常用压力下气体爆炸能量系数Cg(k=1.4时)见表1。

3.2 塌陷地震机理分析

塌陷地震主要因地下洞穴上覆岩(土)体因势能减小产生能量释放而形成地震，其形成过程非常复杂。如溶洞顶板危岩体，其破坏模式就可能有滑移式、倾倒式、坠落式等，难概化出一个统一的模型，因此，下面仅对塌陷地震能量作初步探讨。

表1 空气爆炸能量系数计算表Table 1 Calculation table of air explosion energy coefficient

塌陷地震能量释放过程可参照能量守恒定理对其能量进行估算，则有：

Wg=ξmgh

(7)

式中：Wg——塌陷地震能量/MJ；

ξ——修正系数(取0.1～0.9，和塌落过程环境有关)；

m——塌陷体的质量/kg；

g——重力加速度，取10 m/s2；

h——塌陷体下落高度/m。

3.3 地震震级估算

地震震级与能量大小的关系见表2或参考文献[10]。

表2 震级与能量对应关系Table 2 Correspondence between magnitude and energy

注：J(焦耳)能量单位

lgE=4.8+1.5M

(8)

式中：E——地震能量/J；

M——地震震级。

4 岩溶震群活动震害防治对策初探

地震震害防治是世界难题，主要因为地震难预测。岩溶震群活动有其特殊性，它与岩溶环境水文地质条件及强降雨具有很强的关联性，讨论震群活动的防治，可从减小地震发生概率出发，对岩溶震群活动灾害防治可分三个层次进行开展，即认知层次(采用科普宣传、地震专项调查)、辅助治理(天气预报、绿色发展)、工程治理(地下以水气疏导为主，地上以增强建(构)筑物刚度及对次生地质灾害防治为主)。

4.1 开展科普宣传教育

防灾减灾关健是受灾主体的意识，受灾主体对灾害认识提高了，“要我防灾”就会变成“我要防灾”，从而使各项工作将更加顺利开展，也可减少地震发生时造成的社会恐慌。

构造地震防灾减灾知识已有一定程度的普及，而暴雨触发岩溶震群活动几乎尚未开展科普宣传教育。应充分利用广播、电视、报刊杂志、网络等媒体开展科普教育，其中包括岩溶区震群活动的控制因素、产生条件、形成机理、以及震群活动引发次生地质灾害的类型、规模特征和危害程度。普及地质灾害防治知识，增强群众的防灾、减灾意识和防灾能力。

4.2 开展岩溶区地震专项调查工作

开展岩溶区地震专项调查工作主要是查明岩溶区产生震群活动环境条件及动力条件，利用多因子评判方法对调查区产生岩溶震群活动易发程度进行分区，再根据分区结果分层次探讨减缓岩溶震群活动震害的方案。

4.3 贯彻绿色发展理念，减少人类活动对环境的影响

从岩溶震群活动形成机制分析中可知，地质作用是漫长及渐变的，地质环境本身存在自身调节功能，岩溶震群活动的发生也是漫长及渐变的，而人类工程活动相对地质作用本身是快速及突变的，往往在短时间内将起着决定性作用，岩溶震群活动大规模发生主要为人类工程活动(如水土流失造成地下岩溶管道淤积和堵塞易形成气爆地震，而大降深开采地下水易形成地面塌陷等)造成的，因此，加强水土保持工作，保护自然生态是人类活动优先考虑的重要问题。

因此，进行工程建设时应要考虑最大限度减少对地质环境的影响，认真贯彻“绿水青山就是金山银山”的发展理念，减少因发展引发各类灾害地质的发生。