覆蓋型巖溶區(qū)地下水地源熱泵工程巖溶塌陷成因及對策研究

段啟杉，曹振東，孟凡濤，宋小慶

(1.貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽550008;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州貴陽550008)

淺層地溫能是一種清潔，分布廣泛的新型環(huán)保能源，開發(fā)利用前景極為廣闊。合理開發(fā)利用淺層地溫能，可改善能源結(jié)構(gòu)，達到節(jié)能減排，實現(xiàn)環(huán)境友好型社會有重要現(xiàn)實意義。但是在西南巖溶地區(qū)，開發(fā)淺層地溫能要面臨巖溶塌陷地質(zhì)災害。西南地區(qū)巖溶面積達76×104km2，涵蓋桂、滇、黔、川、渝、鄂、湘、粵等八省(市、區(qū))［1］，巖溶塌陷是區(qū)內(nèi)的最重要的地質(zhì)災害類型，具有隱伏性、突發(fā)性和群發(fā)性等特點。巖溶塌陷問題已經(jīng)成為西南巖溶區(qū)開發(fā)淺層地溫能的最大障礙。地源熱泵在抽水和回灌過程中地下水局部降深較大、局部回灌抬升以及兩者疊加而產(chǎn)生的復雜的地下水流場，在建設(shè)和運行過程中可能會發(fā)生局部降深過大和水位波動，從而引發(fā)地面塌陷，因此如何預測和防范地面塌陷已成為淺層地溫能開發(fā)亟需解決的問題。

巖溶塌陷的產(chǎn)生一般需要三個條件，即溶蝕空間、上部蓋層和致塌作用力。國內(nèi)很多專家?guī)r溶塌陷形成機理［2］、成因機制及防治途徑［3］、覆蓋型巖溶塌陷［4］、水位波動誘發(fā)巖溶塌陷［5］等方面進行了研究，但地下水地源熱泵開發(fā)利用巖溶塌陷預防措施研究較少。

1 巖溶塌陷發(fā)生機理

碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度是決定塌陷發(fā)生的基礎(chǔ)條件，而巖溶洞隙的發(fā)育具有一定的規(guī)律性，且控制著巖溶塌陷的分布。巖溶洞隙主要發(fā)育在淺部，隨深度增加而減弱，給塌陷物質(zhì)提供必要的儲存空間和運移場所。

巖溶塌陷的發(fā)生與上覆土層組分和厚度密切相關(guān)，上覆土層以殘積或殘坡積的紅粘土、含碎石、礫石的粘土為主，含水率隨深度增加而增加，土巖交界處含水率一般較大，抗破壞能力較差;巖溶塌陷一般發(fā)生在土層厚度小于10m的區(qū)域，土層越薄則越易產(chǎn)生塌陷。土洞一旦形成，需要有一定厚度的土層滿足其應力拱高度的需要，在自然條件下才能保證土洞頂板的穩(wěn)定［6］，如式(1)所示。

式中H:破壞拱高度;h0:土洞的高度;b:土洞跨度之半;:土體內(nèi)摩擦角;a=1/tan。

地下水活動是誘發(fā)巖溶塌陷的主要動力因素，如水位變化、滲流對覆蓋土層有明顯的改造作用。地下水位變化改變土層的受力狀態(tài)，加速土層崩解速，促進巖溶塌陷的形成;地下水位的變化改變土層的塑形狀態(tài)，致使土層抗剪強度有所改變。地下水的底蝕、側(cè)蝕作用加速土層塌陷;地下水的滲流侵蝕逐漸帶走細小顆粒，降低土層粘性，使土層產(chǎn)生滲透變形，甚至發(fā)生塌陷。

2 地源熱泵工程誘發(fā)巖溶塌陷的主要因素

地下水地源熱泵工程是抽取和回灌地下水，以其為換熱介質(zhì)，開發(fā)利用淺層地溫能。工程運行中，可能使局部地下水水位上升或者下降，改變自然狀態(tài)下地下水流場，可能誘發(fā)產(chǎn)生巖溶塌陷。在工程的運行過程中，誘發(fā)產(chǎn)生巖溶塌陷的主要因素有水位降深過大、水位波動頻繁和水位瞬間降速過大。

2.1 水位降深過大

覆蓋型巖溶區(qū)人為導致水位降深過大，會產(chǎn)生真空吸蝕、增強地下水侵蝕和潛蝕作用［7］，降低地下水浮托力等。覆蓋型巖溶區(qū)環(huán)境承載力，在自然條件下可能產(chǎn)生巖溶塌陷，若抽水使水位降低，則加強巖溶塌陷的誘發(fā)因素，改變原有平衡狀態(tài)。為預防誘發(fā)發(fā)生巖溶塌陷，需嚴格控制水位降深。

以貴陽某地下水地源熱泵工程為例，進行水位降深引起巖溶塌陷分析。該工程地處貴陽峰叢溶蝕盆地北端，地形由北向南微傾斜，地勢較平坦，地面高程約1080 m。地層為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)，巖性為白云巖、夾溶塌角礫巖，據(jù)勘探鉆孔揭露資料反映，區(qū)內(nèi)巖溶極發(fā)育，主要巖溶個體形態(tài)為溶槽、溶孔、溶隙及溶洞，發(fā)育深度17～98.5 m，規(guī)模0.4～3.1 m。第四系人工回填土厚度4.3～9.8 m。抽水井覆蓋層厚度6.0 m，覆蓋層紅粘土物理力學參數(shù)如下:密度1.77 g/cm3，內(nèi)聚力15 KP，抗拉強度4 KP，內(nèi)摩擦角 4°，土粒密度2.75 g/cm3，孔隙比 1.922，崩塌系數(shù) 0.0157m/a;水的密度1.0 g/cm3，重力加速度 9.8m/s2。

在地源熱泵工程建設(shè)期間，開展了抽水試驗，當水位降深5.10米時地表發(fā)生了巖溶塌陷。根據(jù)對現(xiàn)場條件的分析，該處水文地質(zhì)條件符合負壓條件下的塌陷預測模型(式2)［8］。根據(jù)模型計算(工況條件:塌陷處無地面荷載 P=0，抽水試驗期取t=0.019a)，令K=1.0時，由公式(2)計算上覆土層極限狀態(tài)下臨界致塌水位降深△h為4.7 m。抽水試驗實際水位降深為5.1 m，大于臨界致塌水位降深4.7 m，因而抽水井附近出現(xiàn)巖溶地面塌陷。

2.2 水位波動頻繁

水位波動誘發(fā)巖溶塌陷多發(fā)生于水位波動幅度較大、波動頻率較快、波動時間較長的情況。水位下降階段，水力坡度變大，水流速度加快，產(chǎn)生較大的動水壓力，可帶走松散覆蓋層細小顆粒，降低土層力學性質(zhì)，增大發(fā)生巖溶塌陷的概率。

巖溶區(qū)覆蓋土層以殘積或殘坡積的紅粘土、含碎石、礫石的粘土為主，該類土層一般具有脹縮性，水位波動導致含水率不斷增加和減小，從而不斷改變土體結(jié)構(gòu)，導致力學性質(zhì)變差，是產(chǎn)生巖溶塌陷的主要原因之一。

2.3 水位瞬間變化過大

瞬間水位降速過大，會引起真空現(xiàn)象，加速土體氣體溢出和水體滲流，水位快速下降可形成巖溶空腔負壓;同時覆蓋型巖溶區(qū)含水層中水位快速下降，地下水水力坡度瞬間增大。滲透力大小與水力坡度成正比，因此水位降速過大導致滲透力增大。真空現(xiàn)象和滲透壓力增大過程加強了巖溶塌陷的誘發(fā)因素，增大巖溶塌陷的可能性。

瞬間水位上升過大，巖溶空腔中氣體形成高壓氣團，對周圍土體產(chǎn)生正壓力，可引起氣爆，直接導致巖溶塌陷的發(fā)生;水位急速上升過程中，也增大了滲透力，地下水的作用也減弱土層的抗剪能力，并且使土層自重增加，極易引起巖溶塌陷。

3 預防巖溶塌陷的對策

地下水地源熱泵的開發(fā)利用要進行抽水和回灌，人為改變區(qū)域地下水的天然流場，并可能引起水位波動頻繁、瞬間水位降速過大均會引起覆蓋型巖溶區(qū)巖溶塌陷，因此，覆蓋型巖溶區(qū)地下水地源熱泵開發(fā)利用中，巖溶塌陷形成機理的研究顯得非常重要，對預防巖溶塌陷有著積極的作用。

3.1 合理布置抽水井和回灌井

查清巖溶發(fā)育特征，開發(fā)利用影響區(qū)域內(nèi)，控制水位降深小于致塌降深。地下水地源熱泵的開發(fā)利用有別于其他地下水開采，可通過抽水井和回灌井的合理布置，避免地質(zhì)災害承載力較差區(qū)域工程運行水位與天然地下水位相差較大;避免抽水井和回灌井布置于巖溶強發(fā)育帶，避免產(chǎn)生巖溶塌陷。

3.2 合理控制抽水過程

地下水地源熱泵的開發(fā)利用過程初期，抽水量和回灌量逐漸增加，避免產(chǎn)生水位急速變話，減小巖溶塌陷的可能。若出現(xiàn)抽水井水泵損壞情況，則減少或者停止該抽水井影響范圍內(nèi)回灌井的回灌過程，避免水位變幅過大。

3.3 避免水位人為波動

水位波動是引起巖溶塌陷的主要因素之一，地下水地源熱泵的開發(fā)利用是群孔抽水和群孔回灌的地下水利用過程，在地下水地源熱泵的運行過程中，人為引起水位波動的可能性極大，合理控制抽水井和回灌井的運行，減少人為水位波動，避免巖溶塌陷的發(fā)生。

4 結(jié)語

(1)覆蓋型巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力較低，預防巖溶塌陷是地下水開發(fā)利用過程中的首要任務，若無客觀、深入的巖溶塌陷機理巖溶，可能影響淺層地溫能的開發(fā)，造成資源浪費。

(2)合理布置抽水井和回灌井，減小人為改變地下水流場的程度，避免發(fā)生巖溶塌陷。

(3)建立地下水地源熱泵運行監(jiān)測和預警系統(tǒng)，避免水位下降或者上升過大，減小巖溶塌陷發(fā)生的可能性。

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