岩溶分布区地面塌陷成因机制分析——以黔东南某机场飞行区为例

潘 凯 谢春庆 谭 洵 吉 锋

(1.广东中煤江南工程勘测设计有限公司,广州 410440;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

近30年来,我国在岩溶地区新建、扩建了数十个机场,仅西南地区就达30余个.这些机场在建设中对道槽区岩溶进行了重点治理,加上道面硬化层的阻水作用,目前还未发现道槽区地面塌陷情况.但由于对土面区处理不足或处理方式不当,数个机场的土面区发生塌陷,如昆明长水机场、贵州龙洞堡机场、毕节机场、泸沽湖机场等,对飞行安全和机场地面工作人员安全造成了较大影响[1-6].本文以黔东南某机场地面塌陷为例,研究了该机场地面塌陷的分布规律、成因机制及控制因素,并预测了未来可能的塌陷区域及发展趋势,提出了针对性的处理措施建议.

1 工程概况

1.1 机场概况

机场飞行区等级为4C 级,跑道中点设计标高481 m,跑道长2 200 m,宽45 m,于2005年11月6日建成通航.2014年初机场挖方土面区截排水沟沿线开始零星出现地面塌陷,雨季后塌陷数量急剧增加,至今已形成规模不等的塌陷20余处.

1.2 工程地质概况

机场地处云贵高原东南边缘与湘西丘陵过渡地带,原始地形北东高、南西低,海拔高程大致在460～509 m 之间,属岩溶低山丘陵地貌.场地内第四系覆盖层主要为棕黄色、黄褐色红黏土和坡洪积含碎石黏土,平均厚度11.6 m,最大达35 m.下伏基岩主要为二叠系下统栖霞、茅口组灰岩(P1),二叠系下统梁山组泥灰岩(P1l),石炭系上统灰岩(C2+3),岩层产状10°～30°∠5°～10°.地下水类型主要为岩溶水,水位埋深在设计道面高程以下30余米,其次为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水,无统一地下水位.

由于构造作用场地基岩垂直节理发育,其中走向70°～90°和180°～200°两组节理特别发育.受地层岩性、地质构造及地貌的影响,场地不良物理地质现象以岩溶为主,溶蚀洼地、槽谷、漏斗、落水洞、竖井、溶洞等较多,特别是场地西南段地势相对较低处,受垂直节理影响,多见落水洞、竖井.据调查,场地地表水通过这些通道与地下高程450～455 m 高程处地下暗河连通,沿NNE 向流入场外低处的河流中.据机场勘察资料,钻探遇溶洞、溶隙的钻孔共44个,占总钻孔数的33.8%,岩溶总进尺105.5 m,占基岩总进尺的16.6%,场地地下岩溶总体中等发育,局部强发育.

2 地面塌陷特征

2.1 分布特征

据现场踏勘发现,目前形成的塌陷主要集中在跑道两侧挖方土面区,并沿排水沟呈带状发育,目前已形成塌陷22处,还有大量正处于进一步发展变形的潜在塌陷,如图1所示.

图1 地面塌陷位置分布图

2.2 形态及规模特征

塌陷形成的陷坑以两种类型为主.第一类塌陷,地下潜蚀通道主要为石芽、溶沟、溶槽间的溶隙、溶蚀带,地面塌陷坑口平面上呈不规则的椭圆状,底部被覆土充填,坑壁呈错落的台阶状,可见石芽出露,整个陷坑呈“碟状”,塌陷形成的坑口直径一般为2～20 m,最大可达30 m,深度1～5 m.该类塌陷占飞行区地面塌陷总数的60%～70%,本文称这类塌陷为“溶隙型土洞塌陷”,后文用字母A 表示,如图2所示.

图2 “A 类”地面塌陷特征

第二类塌陷,地下潜蚀通道主要为竖井、落水洞等宽大的溶蚀通道,地面塌陷坑口平面上多呈不规则圆状或椭圆状,整个陷坑呈“椎台状”或“圆柱状”,塌陷坑口直径一般1～15 m,陷坑深3～15 m,坑壁陡立,多基岩出露,该类塌陷占飞行区地面塌陷总数的30%～40%,本文称为“落水洞、竖井型土洞塌陷”,后文用字母B表示,如图3所示.

图3 “B类”地面塌陷特征

该类地面塌陷与“溶隙型土洞塌陷”相比,塌陷面积相对较小,但塌陷形成的陷坑深度往往较大,且由于该类塌陷地下渗流通道宽大,联通性较好,土体被潜蚀的速度快,形成地面塌陷的进程较第一类迅速.

3 地面塌陷成因机制分析

3.1 地貌与岩性因素

机场场区属岩溶低山丘陵地貌,基岩主要为灰岩,地形和岩性特征为岩溶的发育、地表地下水的汇集创造了岩性和地势条件,同时受区域NNE 及NE向压扭性断裂的影响.场区岩体节理裂隙发育,且连通性较好,为地下水的径流,固体颗粒物质的运移提供了必要的空间通道条件.

3.2 岩溶发育程度因素

飞行区处于岩溶垂直发育带,岩溶的发育受竖向节理裂隙控制,多见埋藏型石芽、落水洞、竖井等.

场地地下岩溶中等发育,局部强发育,但由于场地位于现代侵蚀基准面之上,因此场地内的岩溶均为古岩溶,不具备进一步发展的条件.建设阶段,场地溶洞在施工平场后部分被清除,对于未清除的溶洞,经稳定性评价不稳定的溶洞,已采用清爆强夯、板梁跨越、灌浆等方法进行了处理.同时在土石方施工阶段,挖方土面区采用了三边轮压路机进行冲击碾压地基处理,且施工作业中经过载重大于30 t的重型卡车反复碾压,均未发生溶洞塌陷,说明研究区地面塌陷并非溶洞塌陷引起.

3.3 覆盖层特征因素

根据前期的设计、施工资料,经建设期间场地平整及地基处理,挖方土面区覆盖层大部分已被挖除,残余覆盖层较薄,一般厚度0～2.0 m,在局部地势低洼,隐伏石芽发育部位,覆盖层较厚,一般2.0～8.0 m.

场地内第四系覆盖层主要有坡洪积黏土混碎石、坡洪积黏土、红黏土,大多呈棕红色、黄褐色,表层土体主要以硬塑和可塑状为主,根据土工试验,各主要土层的物理力学参数见表1.

表1 主要土层物理力学参数表

通过物理力学参数统计可以看出,3种土层的液限值均较高,且坡洪积含碎石黏土的渗透系数要大于黏土,红黏土的渗透系数最小.据现场调查,塌陷区大都集中在坡洪积碎石黏土和坡洪积黏土分布区,红黏土分布区相对较少,形成这种现象的原因在于,坡洪积土体中往往含有大量的块碎石,级配相对较差,粗颗粒成分普遍高于残坡积层,渗透性要好于残坡积层,同时级配差、含粗颗粒的土更容易发生渗透破坏,造成细颗粒的潜蚀流失.

通过对昆明长水机场、威宁机场、沧源机场、澜沧机场、文山机场、铜仁机场、黎平机场、兴义机场、泸沽湖机场、毕节机场等西南地区十余个岩溶机场的统计分析得出,土洞发育和塌陷的规模、密度或频率,在冲洪积成因覆盖层分布区最大,坡洪积成因覆盖层分布区次之,残坡积成因覆盖层分布区最小,这种统计结果与研究区土洞塌陷发育、分布特征相一致.

因此覆盖层的特征对土洞的形成和塌陷的影响显而易见,其主要通过粒组、孔隙度、渗透性控制了地(表)下水的入渗量、渗流速度以及对细颗粒物质的搬运能力等,从而间接控制土洞的形成和塌陷.

3.4 机场地势及排水设计因素

为利于机场的排水,土面区地势设计有3°～5°的坡度,地势向排水沟一侧倾斜.在降雨过程中,道肩及土面区大部分地表水顺地势流入排水沟,一部分地表水则渗入土体之内,在重力作用和地势影响下产生竖向和横向的渗流.一方面,排水沟沿线区域地势较低,在高处地(表)下水不断补给的情况下,排水沟沿线易形成富水带,为渗流潜蚀创造了水源条件；另一方面,排水沟采用浆砌片石或钢筋混凝土现浇而成,排水沟未设置泄水孔,一定程度上阻断了浅层地下水的运移通道,造成地下水在截排水沟沿线聚集,浸泡软化和渗流潜蚀沿线低洼段浅层地基土,经过长期作用而造成排水沟沿线土洞塌陷频发.

3.5 地表(下)水因素

场区地下(岩溶水)埋藏深度大于30 m,远低于基岩面,土洞基本不受深部稳定地下水位的影响,而是主要受降雨形成的地表水及入渗形成的浅层地下水(上层滞水)的影响.

工程区属于亚热带季风湿润气候,降雨时空分布极不均匀,春夏季湿润多雨,秋冬季干旱少雨,年降雨量8 000～13 500 mm.2014年5月22日、6月2日、7月25日,该机场遭受暴雨天气的影响,3 h累计降雨量分别为55.2、62.8、66.2 mm,这是近10年来该机场遭受到的最严重的灾害性强降水天气,降雨造成场内排水沟大量漫水,并损毁部分沟道、围界和护坡结构,如图4所示.

图4 低洼地段暴雨后雍水特征

地下水的渗流与土洞的形成、塌陷有着非常密切的联系,通常地(表)下水作用主要表现为增湿加载作用、强度劣化作用、渗流潜蚀作用、孔隙水压力作用、真空吸蚀作用和冲刷作用等[7-8].

1)增湿加载作用

降雨入渗一方面增加了土的含水量,使其容重增大；一方面低洼地段产生地表积水,将增大土洞顶板的上部荷载,且随着降雨的持续,增湿加载作用将越发明显.根据极限平衡理论,降雨作用增大土洞的致塌力,促使土洞向不稳定方向发展.

2)强度劣化作用

地下水作用,一方面对土体中的大颗粒产生一定的润滑作用,降低颗粒间的摩擦阻力,另一方面使得细小颗粒间的结合水膜变厚,降低土的内聚力,使土体变软,抗压和抗剪性能急剧降低[9].同时,水土作用过程中,会发生一系列的物化作用,使土体孔隙度增大、体积膨胀、湿化崩解、削弱颗粒的联接力等.特别是在干湿循环作用下,土体会膨胀和崩解,内部裂隙得到扩展,破坏其完整性,一方面降低土体的力学性能,另一方面有利于水向深部渗流发展.因此,地下水的强度劣化作用,对土洞的塌陷起到强烈的推动和加速作用.

3)渗流潜蚀作用

水在土体中流动时会产生渗流作用力[10].降雨入渗的地下水在向下渗流的过程中,地下水水位下降,水力坡度增加,产生动水压力,土层中渗透压力也随之增加,当水力坡度值增加到足以使岩溶充填物或土层中的细小颗粒迁移时,潜蚀作用便会发生.地下水渗流主要有垂直渗流和水平渗流两种模式,垂向渗流产生的渗透压力一方面有利于疏通基岩中被堵塞的溶隙、落水洞、竖井等导水通道,另一方面可以使土体产生渗透破坏,缩短地面塌陷的时间；水平渗流易在基覆界面处产生冲刷作用,造成土体颗粒的损失,从而在基覆界面附近形成空洞.渗流潜蚀作用受降雨量、降雨历时、土体渗透系数等因素的综合影响[11-12],结合本工程,其还受地势、岩溶通道的填充情况、连通性等因素影响.

综上,研究区地面塌陷主要受地形、岩性、水文地质条件、岩溶发育程度、机场结构布局等因素影响,其是内因、外因综合作用的结果.

4 数值模拟分析

4.1 塌陷模型的概化

为分析A、B 两种塌陷模式变形破坏机理,本节建立数值计算模型进行分析.

为便于分析,将两种塌陷形式进行适当的几何概化,A 类塌陷,下部落水洞、竖井等宽大潜蚀通道可概化为圆柱或椎台,如图5～6所示.

图5 A 类竖井、落水洞型土洞断面示意图

图6 A 类土洞塌陷几何概化模型

B类塌陷,石芽、溶沟、溶槽间的溶隙等潜蚀通道可概化为椎体或楔形体,如图7～8所示.

图7 B类溶隙型土洞断面示意图

图8 B类土洞塌陷几何概化模型

4.2 模型的建立

建立A、B 类两种模式的数值分析模型,建模采用的岩土体物理力学参数,见表2.

表2 建模采用的主要岩土体物理力学参数取值表

4.3 条件设定

(1)顶板厚度：3.0 m；(2)洞跨：A 类初始洞径采用竖井口径控制,分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 m；B类土洞,初始洞径采用石芽张开角θ控制,石芽垂高为5 m,θ分别为10°、20°、30°、40°、50°.

4.4 计算结果分析

数值分析得出,土体的塌落将造成顶板应力重分布,随洞径的扩大土洞顶板应力集中程度越来越高,塑性变形区范围逐步扩大,发展到后期,地面开始变形、开裂,最后垮塌.两种模式土洞顶板塑性变形区及沉降变形特征,如图9所示.

图9 A 类、B类土洞顶板沉降及塑性变形特征云图

根据模型地表沉降监测点数据,地表沉降随土洞的扩展而增大,中心点位移量最大,向四周延展位移量逐步减小,如图10～11所示.

图10 “A 类”距中心点距离与沉降量关系曲线

图11 “B类”距中心点距离与沉降量关系曲线

在土洞形成初期,土洞在基覆界面附近缓慢发展,逐步形成拱效应,随潜蚀作用持续,土洞以内部塌陷的形式不断地扩大,顶板中心点的位移、影响半径、应力集中程度随土洞洞跨的增大而增大,当顶板厚度突破临界厚度时,拱效应将会失效而形成塌陷.

变形监测点显示,A 类土洞洞径5.0 m 时顶板中心点位置沉降量达70.6 mm,而洞径0.5 m 时,沉降量仅12.3 mm；B类土洞石芽张开角θ为60°时,土洞顶板中心点位置沉降量达46.9 mm,而张开角为10°时,沉降量仅10.1 mm.

上述分析反映出,土洞的发展速率、地表沉降量与洞径呈正相关关系,洞径越大地表沉降变形量越大,土洞形成初期,土洞规模较小,洞顶沉降不明显,土洞未塌陷,当土洞规模发展到一定程度时,变形量将超过临界阈值而塌陷.同时,土洞塌陷的速率与土洞顶板的初始厚度有较为密切的关系,一般顶板越薄塌陷越快,越厚则反之,这主要与地下水渗流潜蚀作用和土洞内部塌陷的历程相关联.

5 地面塌陷预测分析

5.1 地面塌陷的时间累积效应

地面塌陷一般是经过多期地表水入渗潜蚀循环作用的结果,具典型的“时间累积效应”或“累进性破坏效应”特征.该机场自2005年11月6日建成通航至今已经过去十余年,这段时间里随着干湿季节的交替,潜蚀作用不断进行,土洞逐渐形成并发展.

根据场区工程地质条件和土洞发育的历史进程,可将飞行区地面塌陷的发展历程划分为5 个阶段,即：①稳定阶段→②缓慢发育阶段→③加速发育阶段→④初始塌陷阶段→⑤加速塌陷阶段.

稳定阶段至加速发育阶段：属于地面塌陷的内部塌陷阶段,该阶段主要特征是覆盖层在渗流的循环作用下逐步被潜蚀,土洞逐渐形成,规模不断扩大,地面开始出现沉降变形.

初始塌陷-加速塌陷阶段：属于顶板沉降变形塌陷阶段,特征为潜蚀作用突破了洞顶板零界厚度,顶板抗力小于其致塌力而发生地面塌陷,塌陷规模、面积随降雨的冲刷和入渗潜蚀作用而不断扩大.地面塌陷发展历程趋势,如图12所示.

图12 地面塌陷发展趋势图

根据上述分析,机场飞行区目前正处于地面塌陷的加速发展阶段,如不及时治理,地面塌陷的速率、数量、规模、面积将进一步扩大,并从土面区向道面区发展,影响机场安全.

5.2 地面塌陷的半定量预测

地面塌陷受诸多因素的影响,采用物理模拟试验或现场塌陷试验进行研究存在很大的局限性[13].数值模拟作为岩溶物理勘探的延伸,是地面塌陷空间预测的重要手段,一定程度上可实现地面塌陷的可视化、定量化.

在前人研究的基础上[14-15],本文提出,可采用工程物探、工程勘察、现场监测相结合,探明地下岩溶的分布、发育规律、规模、发育程度,再以室内试验、原位试验为基础,运用数值模拟分析地面塌陷的发展、变形、破坏特征及控制因素敏感性,而后采用权重分析法进行半定量评价,并考虑时间累积效应,对地面塌陷进行综合预测,预测流程如图13所示.

图13 地面塌陷预测分析流程图

具体流程为：(1)通过调查、物探、勘探、测绘、监测等查明飞行区地面塌陷的空间分布特征及基本条件,赋予各基本条件一定的权重.(2)通过数值模拟等分析各特征条件的影响程度,并赋予权重；综合确定各致塌因素对塌陷形成的影响权,并赋予相应的权重.(3)考虑时效性因素对机场工程区地面塌陷水平及风险程度进行综合预测.因此,进行地面塌陷预测试时,应首先根据基础资料、综合地质勘察结果,确定全场区基本条件(F i),再进一步细化特征条件的影响(Q i),赋予各致塌因素对应的权重(T i),将各致塌因素的权重(T i)相加,得到对应预测区域的潜在塌陷水平(λ),进而对塌陷风险程度进行定级.

对于本工程,当塌陷水平λ≥71%时,判定为“极易塌陷区”,当50%≤λ＜71%时,判定为“易塌陷区”,当29%≤λ＜50%时,判定为“零星塌陷区”,当λ＜29%时,判定为基本稳定区.

通过上述分析得出,机场范围内岩溶中等及以上发育的灰岩分布区(覆盖层薄,地势低、排水不畅的土面区)为“极易塌陷区～易塌陷区”,见表3.

表3 地面塌陷预测表 (单位：%)

飞行区未来地面塌陷风险程度预测,如图14所示,土面区塌陷继续发展未来有向跑道、联络道、机坪等扩展的趋势,若不及时采取防治措施,未来可能造成道面脱空,甚至塌陷,威胁飞行和地面工作人员的安全.

图14 预测飞行区易塌危险区平面图

根据该机场业主单位2021年6月委托相关单位开展的“地面塌陷病害专项治理工程勘察”阶段性结果反馈,飞行区内地面塌陷数量已达到40多处,专项勘察布设的物探和钻探发现在跑道道肩附件的土面区土层中已出现许多小型空洞,并有继续扩大的趋势,说明地面塌陷正向道槽区附近发展,塌陷的规模和数量正逐年增加,病害治理专项勘察的结果与本文预测的结果基本一致.

6 结论

1)由于机场飞行区地面塌陷地处岩溶垂直发育带,降雨产生的地表水入渗侵蚀并潜蚀土体,土颗粒沿潜在的岩溶蚀缝隙、竖井、漏斗、溶蚀管道等渗流通道流失,从而在覆盖层中形成土洞塌陷.

2)根据地下岩溶潜蚀通道形态,可将飞行区地面塌陷分为“A 类”竖井、落水洞型土洞塌陷和“B类”石芽溶隙、溶蚀带型土洞塌陷.

3)飞行区土洞的塌陷,受地形地貌与岩性、岩溶发育程度、覆盖层特征、机场结构、地表(下)水等因素控制,并具时间累积效应和空间差异性分布特征.

4)采取工程物探、工程勘察、现场监测相结合的手段,探明地下岩溶的分布、发育规律、规模、发育程度,以室内试验、原位试验为基础,运用数值模拟分析地面塌陷的发展、变形、破坏特征及控制因素敏感性,采用权重分析法进行半定量评价,考虑时间累积效应因素,可对地面塌陷进行综合预测.

5)对类似工程地面塌陷灾害治理,可采取分区、分类型进行处理：地面塌陷集中发育的重灾区可按“片”进行集中处理,零星塌陷区可按“点”进行分散处理,避免盲目扩大处理,以减少处理费用、提高处理效果.竖井、落水洞型地面塌陷采用清爆回填强夯并结合压力注浆处理,溶隙、溶蚀带型地面塌陷采取水泥注浆或水泥掺和细骨料注浆处理,均可达到较好的治理效果.