武漢地區(qū)砂土滲流—漏失型巖溶地面塌陷致塌模式分析

余泰敏，喻理傳

(湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，湖北武漢 430051)

武漢地區(qū)近東西向分布4條可溶碳酸鹽巖條帶，除局部有少量出露外，多隱伏于覆蓋土層之下，屬覆蓋型巖溶。近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類工程建設(shè)活動的加強并向遠城區(qū)擴展，環(huán)境問題日益突出;尤其是巖溶地面塌陷的頻發(fā)，極大地影響了居民的正常生產(chǎn)和生活秩序，也引起了政府部門的高度重視。

本文在分析武漢地區(qū)歷年來塌陷事件的基礎(chǔ)上，根據(jù)收集的資料及數(shù)據(jù)，為武漢地區(qū)砂土滲流—漏失型巖溶地面塌陷建立數(shù)學(xué)模型，分析其致塌模式，為今后的防治工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 巖溶地面塌陷概況

1．1 主城區(qū)

以前武漢市致災(zāi)的巖溶地面塌陷主要集中在主城區(qū)的鸚鵡洲長江大橋與白沙洲長江大橋之間的長江兩岸，統(tǒng)稱陸家街地區(qū)“第3巖溶條帶”(見表1)，其余地段則以潛在不穩(wěn)定塌陷為主。

表1 主城區(qū)主要塌陷事件一覽表［1］Table 1 Schedule of main subsidence event in main city zone

1．2 遠城區(qū)

隨著工程經(jīng)濟向遠城區(qū)的發(fā)展，分布在漢南—江夏一線的“第4巖溶條帶”亦逐漸引起人們的重視，其可溶巖隱伏分布面積遠較陸家街地區(qū)大;發(fā)生的塌陷事件均具突發(fā)性，且塌陷規(guī)模較主城區(qū)大(表2)。陸家街地區(qū)歷年塌陷事件一般每次產(chǎn)生1～3個塌陷坑，塌陷總方量最大約1．8萬m3;而江夏法泗塌陷則一次性產(chǎn)生多達19個塌陷坑，塌陷總方量約21．0萬m3。

江夏文化大道塌陷為另一種土洞潛蝕致塌模式，其機理不在本文探討范圍。

1．3 巖溶地面塌陷形成條件

巖溶地面塌陷的形成條件［2］主要有:

表2 遠城區(qū)主要塌陷事件一覽表［3］Table 2 Schedule of main subsidence event in far city area

(1)發(fā)育有淺層開口巖溶洞、隙的可溶巖;

(2)一定厚度的松散覆蓋層，局部或總體易受擾動;

(3)易于改變的地下水動力條件;

(4)地震和振動的外力作用。

其中(1)、(2)條為塌陷的自然地質(zhì)條件因素，而(3)、(4)條則易受人為因素改變，當(dāng)幾種條件疊加時就會產(chǎn)生巖溶地面塌陷。文中的可溶巖隱伏條件為上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型碳酸鹽巖，本文探討可溶巖發(fā)育有淺層開口巖溶洞、隙時，在地下水動力條件改變及外力作用的疊加下巖溶塌陷的產(chǎn)生與自然地質(zhì)條件的關(guān)系，即:①可溶巖埋深及淺層開口巖溶洞、隙的大小，與塌陷坑面積及方量的關(guān)系;②上覆粘性土、砂土厚度大小、分布比例及力學(xué)性質(zhì)，與致塌條件及規(guī)模的關(guān)系。

1．4 巖溶地面塌陷形成機理

上覆蓋層為典型二元結(jié)構(gòu)型巖溶塌陷，下部為松散飽水的砂層，上部為一定厚度的粘土層，砂層物質(zhì)成分以砂粒為主，含粉粘粒很少，其內(nèi)聚力C值很小，難以自立成拱，地下水水位波動造成的砂層流失和擾動破壞會直接傳遞到砂層頂部，并在砂層頂部形成漏斗狀砂洞，隨著砂洞規(guī)模的不斷擴大，上覆粘土層在自重和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生地面塌陷。

2 塌陷的形態(tài)特征

塌陷的形態(tài)特征主要取決于蓋層的巖性結(jié)構(gòu)、厚度及巖溶洞隙、裂隙開口的形態(tài)與規(guī)模大小。上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶塌陷不具可溶巖頂板整體垮塌的形態(tài)，以地下巖土界面處水土漏失為主要特征，故在平面、剖面上有一定的規(guī)律。

2．1 平面形態(tài)

根據(jù)分析主城區(qū)、遠城區(qū)塌陷坑及地表沉陷(未致塌，但地表下陷)的平面形態(tài)，其特征主要是在平面上成圓形或似圓形，大型塌陷坑則大致由2～3個圓形連通而成，僅個別為橢圓形;塌陷坑地表圓形直徑10～40 m不等，圓形中點即為塌陷鍋底，對應(yīng)于地下巖土結(jié)合處的水土漏失點。

2．2 剖面形態(tài)

根據(jù)多種勘查手段探測的地下擾動土范圍，可判定塌陷坑的剖面形態(tài)以井狀+漏斗狀為主，與覆蓋層上土下砂的二元結(jié)構(gòu)有關(guān)。

井狀:塌陷坑壁陡立呈直筒狀，主要產(chǎn)生于粘性土層中。

漏斗狀:口大底小，塌陷坑壁呈斜坡狀，狀如漏斗，主要產(chǎn)生于砂性土層中。

地下巖土界面處水土漏失于溶蝕裂隙中，首先在砂性土層中按一定的塌落擴散角向上發(fā)展呈漏斗狀至粘性土蓋層的底板，粘性土蓋層底部失去支撐引發(fā)地表陷落及塌陷，在粘性土段剖面形態(tài)呈井狀。第四系一般粘性土、淤泥質(zhì)土蓋層為柔性體，失去下部支撐后其拱頂中心首先下陷，當(dāng)周邊的摩阻力及承壓水浮力不足以支撐蓋層重量時即近于垂直地塌陷至地表(圖1)。

圖1 上土下砂二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶塌陷形成過程剖面示意圖Fig．1 Generalized section of formation process of covered type of karst collapse

2．3 巖溶地面塌陷事件特征數(shù)據(jù)采集

通過對大量塌陷坑的地質(zhì)條件、塌陷規(guī)模的分析，獲得了較多的數(shù)據(jù)(表3)，為武漢地區(qū)砂土滲流—漏失型巖溶地面塌陷數(shù)學(xué)模型的建立創(chuàng)造了條件。

可溶巖淺層發(fā)育開口巖溶洞、隙的大小為塌陷坑形成規(guī)模的重要數(shù)據(jù)，但限于勘察手段、條件的制約，該參數(shù)均無實測數(shù)據(jù)，為巖溶地面塌陷數(shù)學(xué)模型需解決的問題。

江夏法泗街塌陷為施工誘發(fā)，部分塌陷坑在塌陷前就有鉆孔資料(圖2)，數(shù)據(jù)可靠，對于下一步塌陷模型力學(xué)分析較為有利。

表3 主要致塌事件數(shù)據(jù)表Table 3 Data table of main collapse-causing events

圖2 法泗街主塌陷坑周邊地質(zhì)斷面圖Fig．2 Geological section of main peripheral collapse crater

3 塌陷模型力學(xué)分析

上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶的塌陷有其自身特點，根據(jù)塌陷區(qū)多個塌陷坑、地表陷落的觀測及分析，塌陷過程可拆分為二階段。

(1)砂性土漏失塌落階段。因地下水動力條件改變等因素，砂性土由巖土界面處產(chǎn)生垂直滲流—漏失，向上形成“漏斗狀疏松體”，疏松體以一定的塌落擴散角向上發(fā)展，砂性土塌落擴散角θ值的大小取決于土體的密實度、顆粒組分及埋藏條件、水動力條件等，可取經(jīng)驗值或通過公式:θ=45°-φ/2(φ為砂土段的內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值)計算，該公式對應(yīng)郎肯破裂面90°- θ。

(2)粘性土蓋層失穩(wěn)階段。①當(dāng)砂性土的漏斗狀疏松體擴散至粘性土蓋層底板時，粘性土蓋層底部失去支撐，第四系一般粘性土、淤泥質(zhì)土蓋層為柔性體，失去下部支撐后其拱頂中心首先下陷形成地表陷落;②當(dāng)周邊的摩阻力、粘聚力及承壓水浮力不足以支撐蓋層重量時即近于垂直地塌陷至地表，而形成塌陷坑，其上部剖面形態(tài)呈井狀。

粘性土蓋層的塌陷力學(xué)關(guān)系式:

式中:G為蓋層土的重量;G2為地面荷載重量;F為土的摩擦阻力;C為土的內(nèi)聚力;Fw為孔隙承壓水的浮托力。

4 巖溶塌陷與土層厚度及力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系

上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶的塌陷過程可拆分為:①砂性土漏失塌落;②粘性土蓋層失穩(wěn)二個階段(圖3)。

圖3 典型塌陷計算剖面圖Fig．3 Profile of typical collapse calculation

4．1 砂性土漏失塌落階段

根據(jù)法泗街大量塌陷坑實例的地質(zhì)剖面分析，推測砂性土段塌陷擴散角θ在25°～32°之間，在理想狀態(tài)下地表塌陷坑的大小規(guī)模主要取決于砂性土段塌陷擴散角θ與砂性土層的厚度H1。

式中:R為塌陷坑半徑;r為地下水土流失處溶洞、溶隙開口半徑;H1為砂性土層厚度;θ為砂性土塌落擴散角(H2為粘性土蓋層厚度;β為粘性土蓋層的塌落擴散角，取 0°～10°)。

以法泗街1、3號塌陷坑已知的R、H1、θ參數(shù)代入公式(2)試算，結(jié)果如下:

1 號塌陷坑:已知 R=8．0 m、H1=16．6 m、θ=25°，β=0得出 r=0．26 m;

3 號塌陷坑:已知 R=9．5 m、H1=14．0 m、θ=32°，β=0得出 r=0．75 m。

在粘性土蓋層呈坑壁陡立、直筒狀塌陷(β=0)的理想狀態(tài)下，砂土塌落擴散角θ值，可大致由已知塌陷剖面確定(θ=25°～32°)，或通過公式:θ=45°-φ/2估算;地下水土流失處溶洞、溶隙開口半徑r值不確定，其前提條件一般是r為較小的開口溶隙，特殊情況下為可溶巖頂板整體塌陷，地下水土沿此通道流失;法泗街3號塌陷坑因沿武嘉高速施工的鉆孔樁樁孔漏失，故r=0．75 m為樁孔半徑，與塌陷狀況較吻合。

4．2 粘性土蓋層失穩(wěn)階段

以公式(1)計算粘性土蓋層在底部失去依托后失穩(wěn)的條件，計算模式是第四系粘性土蓋層為一柔性體，失穩(wěn)的主控因素為土的重量G、內(nèi)聚力C、孔隙承壓水的浮力Fw，次要因素為土的內(nèi)摩擦角φ、地面載荷重量G2。

根據(jù)公式(1)粘性土蓋層的塌陷力學(xué)關(guān)系式，當(dāng)致塌力G+G2大于阻塌力F+C+Fw時，塌陷發(fā)生，反之則相對穩(wěn)定。

4．2．1 致塌力 G+G2

G為蓋層土的重量:

式中:γ為土的容重，地下水位以上取干容重，以下取濕容重，多層土取加權(quán)平均值;H2為粘性土蓋層厚度;β為粘性土蓋層的塌落擴散角，取0°～10°;G2為地面荷載重量，無地表建筑及活荷載可取G2=0。

4．2．2 阻塌力 F+C+Fw

F為土的摩擦阻力:

式中:φk為蓋層土體的內(nèi)摩擦角，取加權(quán)平均值。

C為土的內(nèi)聚力:

式中:ck為蓋層土體的粘聚力，取加權(quán)平均值。

Fw為孔隙承壓水的浮力:

式中:γw為水的比重;Hw為承壓水頭高度，水位變動時隨水位升降而變。

4．3 綜合試算結(jié)果分析

綜合公式(3)-公式(6)，根據(jù)法泗街1、3號塌陷坑的塌陷現(xiàn)狀，確定力學(xué)參數(shù)的合理性，及在改變土、砂層厚度比、力學(xué)參數(shù)后的穩(wěn)定情況，以作分析，為類似的潛在塌陷區(qū)建立計算模式，試算結(jié)果見表4。

通過表4試算結(jié)果表明:下部砂土漏失后粘性土蓋層是否塌陷，主要取決于上部粘性土層的強度和厚度，上部土層強度越高或厚度越大越不易塌陷，反之容易塌陷。

一般可溶巖上覆上土下砂二元結(jié)構(gòu)覆蓋層的總厚度在20～30 m時，塌陷的可能性:

(1)土、砂層厚度比在3∶1以上，不易塌陷;

(2)土、砂層厚度比在1∶1 ～3∶1之間，若土層 ck值＞20 kPa，不易塌陷;

(3)土、砂層厚度比＜1∶1，砂土漏失后較易致塌。

根據(jù)表3武漢地區(qū)主要致塌事件數(shù)據(jù)分析，塌陷坑的土、砂層厚度比為1∶1．3 ～1∶8．1，均 ＜1∶1，故下部砂性土在自然及人為因素誘發(fā)下漏失后粘性土蓋層易產(chǎn)生塌陷。

表4 覆蓋層性質(zhì)與塌陷規(guī)模、塌陷判別試算表Table 4 Trial balance of overburden property collapse scale and collapse discrimant

［1］ 劉廣潤．武漢市中南軋鋼廠地面塌陷及與此有關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問題［R］．武漢:湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1982．

［2］ 葉俊林．武漢市巖溶地面塌陷災(zāi)害分析預(yù)測［R］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)災(zāi)害研究組，1991．

［3］ 余泰敏，劉紅衛(wèi)，喻理傳，等．武漢主城區(qū)巖溶危害應(yīng)對方法技術(shù)研究［R］．武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院，2013．