恩施市高中山区某滑雪场岩溶地面塌陷特征及成因

翟振飞， 李 成， 王 戈， 王思捷， 周 宁

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.湖北省水文地质工程地质勘察院有限公司,湖北 武汉 430050)

恩施市某拟建滑雪场场地位于高中山岩溶区,岩溶地面塌陷给场地建设和安全运营带来潜在危害,因此查明场地岩溶地面塌陷的发育特征和成因十分重要。岩溶地面塌陷是由可溶岩、覆盖层及其空间组合耦合发生的[1]。国内外学者通过长期研究,将岩溶地面塌陷的形成机理总结为潜蚀、吸蚀、侵蚀、振动、冲爆、荷载、崩解等多种模式,认为影响因素包括暴雨、抽水、地表径流、渗漏、钻探、爆破和地震等各种自然因素和人为因素[2-10]。对于中国各地频发的岩溶地面塌陷,地质工作者针对其成因机理开展了大量研究[11-15],为岩溶地面塌陷预测、监测与防治提供了可靠的理论资料。

前人对鄂西高中山区的岩溶地面塌陷研究较少。本文以恩施市某拟建旅游景区滑雪场岩溶地面塌陷为例,总结岩溶地面塌陷发育特征并分析其成因,提出相应的防治措施,可为高中山区岩溶地面塌陷研究和防治提供借鉴。

1 区域地质背景

滑雪场场地位于清江支流云龙河左岸,属构造剥蚀溶蚀侵蚀高中山地貌,高程为1 959～2 005 m,地形坡度总体为15°～20°。区内雨量充沛,年降雨量为1 400～1600 mm,7—8月降雨量最多,日降雨量可达100～300 mm。

区域地层主要为二叠系下统栖霞组—上统大隆组、三叠系下统大冶组(图1),岩性以碳酸盐岩为主,碎屑岩次之。研究区在构造上位于NNE向沐抚背斜和安乐坪背斜之间的团堡向斜北东扬起端。区内断裂不太发育,主要为走向与褶皱近于垂直的小型断裂。岩层受近EW向水平挤压应力影响,形成轴向NNE的强烈褶皱带并发育4组裂隙：①走向40°～55°,倾向NW或SE,倾角50°～80°,线密度3条/m,延伸2～5 m；②走向25°～35°,倾向NW或SE,倾角65°～80°,线密度1条/m,延伸3～7 m；③走向55°～65°,倾向NE或SW,倾角60°～80°；④走向80°～90°,倾向NE或SW,倾角60°～90°。①、③两组为“X”型共轭剪切裂隙,裂面平直,密度大,闭合性较好；②、④两组为与褶皱轴向平行的纵张裂隙,在轴部裂隙宽大而密集。

图1 区域水文地质简图Fig.1 Regional hydrogeological sketch

区域地下水类型有第四系松散岩孔隙水、碳酸盐岩岩溶水和碎屑岩裂隙水,其中岩溶水为主要类型,其含水岩组为较纯碳酸盐岩含水岩组,富水性强,测得泉水流量为10～1 500 L/s。区域上较大型岩溶系统主要有河坝、龙洞河、七眼出岩溶大泉系统和龙桥地下暗河系统(图1),其发育受可溶岩、褶皱与构造裂隙、地下水动力条件等因素的控制。龙洞河岩溶大泉系统的岩溶水主要赋存于灰岩溶蚀裂隙或管道中,主要受大气降水下渗补给,地下水总体自北向南沿岩溶管道或溶蚀裂隙径流,最终排泄至清江。

2 场地地质特征

场地内地势总体为南西高北东低。区内断裂不发育,裂隙发育情况和区域裂隙类似。地层主要为大冶组和第四系残坡积层(图2)。大冶组产状稳定,总体倾向SE,倾角5°～25°,岩性为灰—浅灰色薄—中厚层状灰岩,溶隙率为10%～28%,天然抗压强度为72.23 MPa,抗剪强度为8.70 MPa。第四系残坡积层分布于斜坡表层和岩溶洼地、槽谷中,厚0～10 m,岩性为黄褐色含碎石粉质黏土,土石比为8∶2～7∶3,土体结构松散,软塑,以粉黏粒为主,手捻具有明显粉土感；碎石成分为灰岩,粒径一般为1.0～2.0 cm,最大3.0 cm,呈次棱角状。

图2 场地地质简图Fig.2 Geological sketch of the site

场地内地下水类型主要为孔隙水和岩溶水。上层滞水赋存于第四系残坡积层上部的粉质黏土中,在小范围内形成补、径、排系统,受大气降水补给,以面流形式向冲沟汇流排泄,部分渗流补给地下水,其水位随季节性发生明显变化。场地北西侧发育松散岩类孔隙泉,由大气降雨补给,径流途径短,流量动态变化。岩溶水赋存于龙洞河岩溶大泉补给区的次级复杂溶洞系统中,大气降雨入渗或灌入后,顺次级管道汇至走向25°的主管道。岩溶水水位埋深和变化幅度大,主要受控于降雨量、降雨汇集量、蒸发量、地下水渗透量或灌入量。干旱少雨时场地内稳定地下水水位较低,位于溶洞底部或低于溶洞。在岩溶水勘察期间测得钻孔中的地下水水位埋深6.0～17.4 m(均为孔内残留水)；选择3个塌陷坑口进行地下水水位长观,发现水位上下波动频率与降雨次数一致,降雨时水位升至塌陷坑口,雨后3—5 d水位降至基岩面以下,降落幅度达5～8 m,因此坑内水位可以代表区内地下水水位变动情况。

3 岩溶地面塌陷特征

3.1 岩溶发育特征

地面调查发现,场地内溶痕、溶蚀裂隙、岩溶塌陷、溶沟(槽)、岩溶槽谷、岩溶洼地等岩溶形态在表层较发育。场地处于可溶岩区,属垂直渗流带和地下水水位季节变动带,表层岩溶呈垂向发育,较深处岩溶呈水平方向和垂直方向发育。此次布设了3条NE向和3条NW向电法物探剖面(图2)进行探测,解译出27个溶洞,溶洞长5.0～34.0 m,宽2.7～12.8 m,高4.0～18.0 m(图3)。然后布置了4个钻孔(图2)进行验证,3个钻孔揭露出溶洞,溶洞为半充填型(照片1),充填物为黄褐色软塑状粉质黏土,表明物探解译结果较可靠。从综合物探解译和地面调查成果来看,隐伏溶洞主要呈走向45°和30°发育,在这两组方向上地表岩溶落水洞和塌陷呈串珠状展布。

照片1 ZK04揭露的岩溶空洞区Photo 1 Karst cavity area exposed by ZK04

图3 2#电阻率剖面和地质剖面对比图Fig.3 No.2 resistivity profile and geological profile comparison

3.2 岩溶地面塌陷特征

地面调查发现,场地内集中分布4处岩溶塌陷坑(照片2),发育22个塌陷口(表1),主要分布于岩溶槽谷和地势相对平缓的斜坡部位(图2)。塌陷口平面形态为圆形、椭圆形、长条形,长轴1.0～19.8 m,短轴0.5～18.0 m,面积0.8～356.4 m2,均为小型规模。塌陷口多沿岩溶槽谷展布方向定向排列,长轴方向约150°。

表1 岩溶地面塌陷发育情况统计表Table 1 Statistics table of karst ground collapse development

照片2 岩溶地面塌陷实景(镜向西)Photo 2 Actual scene of karst ground collapse (mirror to the West)

区内岩溶地面塌陷均为土体塌陷,土层的厚度影响塌陷数量及空间分布。据统计,15个塌陷口处的土层厚度<3 m,占总数的68.2%；5个塌陷口处的土层厚度为3～5 m,占总数的22.7%；2个塌陷口处的土层厚度为5～8 m,占总数的9.1%。

4 岩溶地面塌陷成因分析

4.1 塌陷形成条件和过程

岩溶地区形成地面塌陷需具备岩溶空间、一定厚度的覆盖层和诱发因素三个基本条件,较高海拔的高中山区形成的岩溶地面塌陷也是如此。

(1) 复杂的溶洞系统为地面塌陷提供空间条件。场地属龙洞河岩溶大泉系统补给区近地表分水岭段,溶洞空间分布受补给区管道系统控制。深部岩溶系统主要有走向45°和30°两组管道；发育的溶洞最长为34.0 m,最宽为12.8 m,最高为18.0 m,规模普遍较大,具备了形成地面塌陷的岩溶空间条件。溶洞系统通过裂隙或落水洞与第四系覆盖层相连接(图4),构成了地下水及塌陷沉降物质的储存场所和运移通道。

(2) 覆盖层具备发生渗透破坏的物性条件。场地内洼地的覆盖层为厚度较小的含碎石粉质黏土,孔隙比为1.010～1.101,压缩模量为4.6～5.32 MPa,内摩擦角为6°～9°,黏聚力为22～37 kPa。而一般情况下,粉质黏土的内摩擦角为18°～25°(摩擦系数为0.32～0.46),黏聚力为5～10 kPa,可见场地含碎石粉质黏土遇水饱和后,内摩擦角锐减,但黏聚力会增大。

(3) 地表水下渗对覆盖层有较强的水力潜蚀作用。场地处于恩施市降雨量的中心位置,年降雨量为1 400～1 600 mm,尤其雨季降雨密集且雨量大。由于洼地覆盖厚度不均的黏性土,且植被十分发育有利于降水汇集,大量降雨经裂隙下渗补给下伏岩溶水系统,对黏性土覆盖层产生强烈的潜蚀作用,造成可溶岩缝隙持续扩大(图4中的Ⅰ)。

图4 场地岩溶地面塌陷形成模式示意图Fig.4 Schematic diagram of formation model of karst ground collapse in site

(4) 岩溶洞穴上方土—岩界面发生地下水冲蚀作用。如图4中Ⅱ所示,当地下水潜蚀作用使土体中产生自由空间或地下水运移通道时,地下径流便会对径流通道周围的土体产生冲蚀作用。

(5) 渗流场水动力条件的强烈变化破坏覆盖层结构。场区位于强降水的岩溶管道系统补给区,地下水水位波动幅度较大。特别是雨季,地表水汇聚于洼地后向下渗透进入岩溶管道系统,当岩溶水水位大幅下降后,岩溶水与上层滞水的水头差变大,在开口岩溶附近产生较强的渗流场,且随着岩溶水水位的持续下降而变强；水力坡度随之增大,当超过土体临界水力坡度时,渗流场的水动力便将覆盖层的土颗粒带走,脱离母体的土颗粒随地下水的运移而被搬运至他处,最终在土—岩界面附近形成土洞[16](图4中的Ⅲ)。地下水水位在土—岩界面频繁波动,对附近土体产生胀缩—崩解作用,当地下水水位上升时,地下水浸泡土体导致土体强度降低,使土体发生崩解；当地下水水位下降时,土体失水,产生干裂,为下次土体破坏产生条件。最终,因地下水水位下降导致土体有效自重应力增加、粉质黏土遇水导致抗剪强度降低等因素,土洞顶板发生塌陷,从而形成岩溶地面塌陷(图4中的Ⅳ)。

4.2 塌陷力学分析

4.2.1模型的建立

图5 岩溶地面塌陷力学模型(据参考文献[17]修改)Fig.5 Mechanical model of karst ground collapse

通过受力分析可知,土洞顶板主要受到土体重力G、正向荷载产生的向下压力F下、土体因静止侧压力产生的侧向摩阻力f、逆向荷载产生的向上压力F上。其中,正向荷载主要包括地表水体在土洞顶板产生的荷载Pw、土洞真空吸蚀作用产生的负压荷载Pva、地下水水位骤降引起的浮托力丧失荷载Pft下、地面堆载引起的附加荷载及其他荷载Pot下；逆向荷载主要包括土洞充水后对顶板产生的浮托力Pft上、附加于土洞顶板的其他荷载Pot上。

依据极限平衡理论,某一时刻土洞顶板受到的向上力和向下力相等时,即达到极限平衡状态。地面稳定系数K可用土洞顶板受到的总向上力与总向下力的比值来表示,即：

(1)

其他相关计算公式为：

(2)

(3)

当K=1时,土洞顶板处于极限平衡状态；当K>1时,土洞顶板处于稳定状态；当K<1时,土洞顶板处于不稳定状态,会发生地面塌陷。

4.2.2模型的验证

根据场地实际地质特征,土洞顶板无地表水,因此计算土洞顶板稳定系数时,不考虑地表水荷载Pw；高中山区岩溶系统补给区落水洞较发育,大气压和土洞内气压差距小,可忽略其影响,因此不考虑土洞负压荷载Pva；地下水垂向流速较小,可忽略其冲蚀力,因此不考虑地下水产生的浮托力Pft下和Pft上；本次计算不考虑地面附加荷载等其他荷载Pot下和Pot上的影响。因此,公式(1)可简化为：

(4)

以场地内已形成的TX21-7塌陷坑口为例,取土洞直径D=7.6 m、土洞顶板土体厚度H=4.0 m、饱和重度γ=17.62 kN/m3、黏聚力C=28 kPa、内摩擦角φ=8.6°、静止土压力系数k0=0.38,采用公式(2)(3)(4)计算出该塌陷坑顶板的稳定系数K=0.78。因此在理想状态下,TX21-7塌陷坑顶板的稳定系数<1,处于不稳定状态,与实际情况相符。然后采用所建模型计算场地内所有塌陷坑的稳定系数,结果显示稳定系数均<1,表明场地内岩溶地面塌陷现状不稳定,实际发生塌陷情况与黏性土型土洞塌陷模型相吻合。

5 结论

(1) 拟建滑雪场场地集中分布4处岩溶地面塌陷坑,发育22个塌陷口,均为小型规模的土体塌陷,多沿岩溶槽谷展布方向定向排列,长轴方向约150°。

(2) 通过电法物探解译和钻探揭露,发现27个溶洞,这些溶洞主要呈走向45°和30°分布,其中3个溶洞经钻探验证(钻遇率75%)。调查发现已揭露的3个溶洞具备形成岩溶土洞甚至发展成为岩溶地面塌陷的条件,其余溶洞需进一步进行勘查。

(3) 场地位于高中山岩溶区龙洞河岩溶大泉系统补给区,具备形成地面塌陷所需的岩溶空间、一定厚度的土体和诱发因素,塌陷成因为地下水潜蚀和冲蚀形成黏性土型土洞,在向下力的作用下造成土洞顶板塌陷。

(4) 对于场地岩溶地面塌陷的防治,建议以回填为主,并完善排水系统,从根本上破坏岩溶地面塌陷形成的条件。首先清除陷坑中的松散土体,用大块径块石将陷坑底部封口；然后浇筑厚0.5 m的C20速凝混凝土,回填碎块石至距地面0.6 m处(压实系数≥0.9)；而后将陷坑中清除的松散土体覆盖至表面(厚度≥0.5 m),恢复原地貌。同时修建地表排水系统,减少场地内地表水汇集和下渗。