水位變動(dòng)及降雨入滲聯(lián)合作用對巖溶地面塌陷的影響分析

周　建，張映錢，方億剛，劉　宇

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院， 河南 鄭州 450000)

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水位變動(dòng)及降雨入滲聯(lián)合作用對巖溶地面塌陷的影響分析

周建，張映錢，方億剛，劉宇

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院， 河南 鄭州 450000)

摘要：為了預(yù)測地區(qū)巖溶塌陷的模式及可能性，以武漢市陸家街巖溶地面塌陷為研究對象，選擇多年長江武漢關(guān)枯水期和豐水期的平均水位，借鑒庫倫土壓力理論，建立類黏性土承壓變負(fù)壓的圓壇型巖溶塌陷預(yù)測模型，計(jì)算其在水位下降與降雨聯(lián)合作用下的抗塌系數(shù)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步采用GeoStudio軟件的SEEP/W和SIGMA/W模塊建立降雨、地下水水位升降—應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值耦合分析模型，研究在不同降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間下土洞的發(fā)展過程。結(jié)果表明降雨時(shí)間越長，降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，土洞位移越大；在長江補(bǔ)給聯(lián)合降雨作用下的位移較大，通過不同時(shí)間位移和應(yīng)力分布可以得到其致塌模式為潛蝕-滲壓-重力型，成因機(jī)制主要為降雨及長江水位變化引起的潛蝕滲壓作用。

關(guān)鍵詞：圓壇狀塌陷；預(yù)測模型；水土耦合；致塌模式

長江一級(jí)階地區(qū)域巖溶地面塌陷時(shí)有發(fā)生，吳永華，朱洵等[1]對陸家街地區(qū)進(jìn)行了巖溶塌陷預(yù)測評(píng)價(jià)；郭殿權(quán)等[2]對陸家街地區(qū)的地面情況進(jìn)行了介紹，李智毅等[3]對陸家街地面塌陷的形成機(jī)制及成因機(jī)理進(jìn)行了分析，楊云發(fā)[4]對該地區(qū)巖溶塌陷的災(zāi)害防治進(jìn)行了探討，范士凱[5]對武漢市地面塌陷的歷史、分布、機(jī)理等進(jìn)行了總結(jié)；羅文強(qiáng)、肖尚德等[6-7]對武漢市地面塌陷進(jìn)行了監(jiān)測預(yù)警研究，高宗軍等[8-9]提出了巖溶塌陷的水巖耦合預(yù)測模型，但是以上都是定性計(jì)算，并且假設(shè)為圓柱狀塌陷，另外沒有對導(dǎo)致巖溶塌陷的原因進(jìn)行深入分析，也沒有研究其影響過程，為了更接近陷坑的實(shí)際形態(tài)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了基于土壓力理論的圓壇狀巖溶塌陷的預(yù)測模型，計(jì)算抗塌系數(shù)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，并通過GeoStudio軟件重點(diǎn)研究水位升降及降雨入滲聯(lián)合作用對陸家街地面塌陷的影響過程。

1研究區(qū)基本概況

1、雜填土；2、粉質(zhì)黏土；3、粉土；4、含礫粉質(zhì)黏土；5、砂；6、含礫黏土巖；7、地層代號(hào)；8、黏土巖；9、灰?guī)r；10、頁巖；11、泥灰?guī)r；12、地下水位；13、土洞、溶洞；14、鉆孔編號(hào)

圖1陸家街地面塌陷地質(zhì)剖面圖

2研究區(qū)巖溶塌陷預(yù)測模型的建立

2.1巖溶塌陷的發(fā)育模式

該地區(qū)塌陷上覆蓋層厚度比較大，為二元結(jié)構(gòu)，蓋層上部黏性土層厚度大，占主要成分，下部砂性土厚度小。這種結(jié)構(gòu)形態(tài)使土洞在砂層中向上發(fā)育的空間有限，當(dāng)其向上發(fā)育到砂層頂板時(shí)，土洞發(fā)育進(jìn)入到黏性土的階段，同時(shí)還向砂層兩側(cè)延伸。在巖溶水的上升和下降循環(huán)過程中，黏土層逐漸剝落，因此在黏土層中形成拱形土洞，土洞不斷擴(kuò)大至極限平衡狀態(tài)時(shí)，在暴雨作用下形成地面塌陷，該發(fā)育模式為類黏性土塌陷模式(圖2)。

1、黏土；2、砂；3、塌落體；4、塌陷邊界及土洞拱

圖2類黏性土塌陷模式示意圖

2.2承壓變負(fù)壓的圓壇狀塌陷預(yù)測模型

依據(jù)研究區(qū)巖溶地面塌陷的地質(zhì)環(huán)境背景、地下水位動(dòng)態(tài)變化特征、地面塌陷模式以及巖溶土洞發(fā)育特征，利用土力學(xué)及水動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行靜力學(xué)分析，可建立類黏性土承壓變負(fù)壓條件下地面塌陷力學(xué)預(yù)測模型[9-10]。

(1) 如圖3所示，圓壇狀塌陷體重力為最主要的下塌力，計(jì)算可得圓壇體積

(1)

重力G=γ土V壇，其參數(shù)描述見表1。

圖3類黏性土承壓變負(fù)壓條件下塌陷體受力圖

(2) 考慮降雨作用下對塌陷的影響作用，頂面荷載為

(2)

(3) 該土洞從承壓到負(fù)壓狀態(tài)的變化過程中，浮力減小，由于水流對土體有垂直方向的滲透力，因此滲透力包括兩部分

(3)

其中，uw為地下水水流速度，m/s，其一般小于5.6×10-4m/s，因此，公式第二部分?jǐn)?shù)值很小，可忽略不計(jì)。

(4) 水位下降在土洞空腔內(nèi)造成的真空吸引力U由于很難測量，則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法[11-12]進(jìn)行取用，范圍為0～50kPa。

(5) 借鑒庫倫土壓力理論，假定外部土體對影響區(qū)域內(nèi)的土體作用處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，主動(dòng)土壓力強(qiáng)度σa=KaγZ，假定其作用力方向垂直其可能滑動(dòng)邊界，Z方向如圖3所示，Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)[13-14]，因此其側(cè)壁壓力為：

(4)

由前人提出的抗塌系數(shù)的概念，即抗塌系數(shù)=抗塌力/下滑力，當(dāng)抗塌系數(shù)K<1，則可能產(chǎn)生地面塌陷，反之，則穩(wěn)定。由上述公式推導(dǎo)出其抗塌系數(shù)預(yù)測公式：

(5)

表1中參數(shù)是根據(jù)陸家街實(shí)際塌陷坑尺寸取得，可以計(jì)算出陸家街的抗塌系數(shù)為0.71，評(píng)價(jià)結(jié)果為塌陷，符合實(shí)際情況，因此基于土壓力理論的圓壇狀塌陷模型基本可靠，但該定性評(píng)價(jià)只能判斷塌陷的可能性，而沒有反映土洞塌陷的演化過程、形成機(jī)理及時(shí)間效應(yīng)，因此結(jié)果比較保守，需要用數(shù)值模擬來進(jìn)一步研究。

表1　研究區(qū)塌陷坑參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

3水位變動(dòng)及降雨入滲聯(lián)合作用對土洞發(fā)育的影響

選擇GeoStudio軟件的SEEP/W和SIGMA/W模塊建立滲流—應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值耦合分析模型，對降雨及地下水位波動(dòng)對土洞穩(wěn)定性的影響進(jìn)行模擬分析。

3.1水土耦合模型的建立

(1) 根據(jù)塌陷的工程地質(zhì)條件，沒有考慮溶洞周圍圍巖壓力的作用，概化出二維地質(zhì)模型，設(shè)模型長100 m，寬50 m，由三層地層組成，上覆16 m黏性土、14 m的砂性土及20 m的基巖。其中塌陷坑參數(shù)與上述模型一致。其中劃分單元1 213個(gè)，節(jié)點(diǎn)有1 287個(gè)。

(2) 由勘察報(bào)告和巖土力學(xué)試驗(yàn)可得各地層的物理力學(xué)參數(shù)見表2，上覆黏性土和下覆砂性土的非飽和滲透函數(shù)，根據(jù)其飽和滲透系數(shù)大小和土的粒徑分布規(guī)律推求其滲透函數(shù)，下覆基巖取飽和滲透系數(shù)0.01 m/d，崩塌堆積體取4.5 m/d。

表2　巖土體的主要物理力學(xué)參數(shù)表

(3) 由于該塌陷點(diǎn)臨近長江，與長江水力聯(lián)系密切，地下水一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)氣象部門規(guī)定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)及長江水位(武漢關(guān))的多年分析，確定三種降雨模式(表3)，長江在豐水期補(bǔ)給地下水，枯水期地下水補(bǔ)給長江，因此通過模擬長江水位變化來研究地下水水位升降作用，并聯(lián)合下面三種降雨模式進(jìn)行分析，模型如圖4所示。

3.2模擬結(jié)果分析

(1) 按照上述方案進(jìn)行模擬，先利用SEEP/W模塊模擬出不同降雨模式下的滲流場，圖5為豐水期平均水位24.55 m時(shí)長江水補(bǔ)給地下水的滲流場，圖6為枯水期平均水位12.37 m時(shí)地下水補(bǔ)給長江的滲流場。浸潤線降低到溶洞以下，地下水從承壓狀態(tài)到負(fù)壓狀態(tài)。

表3　降雨模式的設(shè)置

圖4邊界條件及模型的建立

(2) 選取不同水位狀態(tài)的滲流場模擬結(jié)果代入SIGMA/W模塊進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得到水位升降聯(lián)合不同降雨條件下的土體位移分布圖，選取水位升降及大暴雨作用下工況為例，土洞上部覆蓋層的豎向位移分布圖如圖7、圖8所示，可知洞頂上圓壇區(qū)域位移較大，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述理論模型的正確性，通過監(jiān)測洞頂位移得結(jié)果見表4，由表4可知降雨時(shí)間越長，降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，土洞位移越大。土洞頂部土體由于潛蝕逐漸脫落，隨著降雨的持續(xù)作用，位移逐漸向上擴(kuò)大，直至接近地表，最后在重力作用下塌陷，推測其致塌模式為潛蝕-滲壓-重力型。在長江補(bǔ)給聯(lián)合降雨作用下的位移較大，原因可能是加大了巖土體的滲透性從而使巖土體力學(xué)性質(zhì)降低。

(3) 由以上模擬分析的應(yīng)力分布圖9可知，在土洞四周多出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，由于區(qū)內(nèi)地下水有完整的排泄途徑，短期的降雨不可能造成水位大幅度上升，最終模擬結(jié)果表明三種模式下應(yīng)力分布規(guī)律大致相同。

表4　土洞頂點(diǎn)豎向位移

圖5　地下水水位上升滲流場(長江水補(bǔ)給地下水)

圖6　地下水水位下降滲流場(地下水補(bǔ)給長江水)

圖7　模式二 水位下降及大暴雨作用下土洞

圖8　模式二 水位上升及大暴雨作用下土洞上部

圖9模式二 水位下降及大暴雨作用下土洞

周圍平面剪應(yīng)力分布圖(kPa)

4結(jié)論

(1) 通過建立類黏性土承壓變負(fù)壓的圓壇型巖溶塌陷的預(yù)測模型，計(jì)算抗塌系數(shù)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為了進(jìn)一步研究巖溶塌陷的形成過程及機(jī)理，因此借助數(shù)值模擬來研究，另外關(guān)于參數(shù)的選取有待進(jìn)一步探討。

(2) 利用GeoStudio建立二維模型，研究水位升降及降雨聯(lián)合作用下土洞的位移和應(yīng)力分布，可以得知降雨持續(xù)時(shí)間越長，強(qiáng)度越大，越不穩(wěn)定，其上部剪應(yīng)力集中分布區(qū)也為圓壇狀，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測模型的可能性，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長，位移逐漸向上擴(kuò)大，直至地表，土洞頂部土體逐漸脫落，因此其成因機(jī)制主要為降雨及長江水位變化引起的潛蝕滲壓作用，暴雨是產(chǎn)生的主要誘發(fā)因素，致塌模式為潛蝕-滲壓-重力型。

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Analysis of Joint Action of Water Level Fluctuation and Rainfall on the Influence of Karst Ground Collapse

ZHOU Jian, ZHANG Yingqian, FANG Yigang, LIU Yu

(No.4InstituteofGeological&MineralResourcesSurveyofHenan,Zhengzhou,Henan450000,China)

Abstract：To analysis the joint action of water level fluctuation and rainfall on the influence of karst ground collapse, this paper took Lujia street karst ground collapse in Wuhan city as an example, and proposed a model for the region of karst ground collapse pressure under negative pressure. It also calculated the decline of water level and rainfall under the joint action of collapse resistance coefficient by using GeoStudio software SEEP/W and SIGMA/W module. Different rainfall, water level fluctuation were considered. It chose the mutagenicity and plentiful average water level of Yangtze river water level (Wuhan), the results showed that the longer the greater rainfall intensity, the greater the displacement of the soil holes, and joint under the action of rainfall in the Yangtze river supplies displacement is larger, the reason could be that as the increased permeability of rock mass lowered the mechanical property, displacement and stress distribution in different time can change it from underground erosion to osmotic pressure and gravity type, therefore the main reason should be the rainfall and the Yangtze river water level fluctuation which change the internal erosion osmotic pressure.

Keywords:the altar round shaped collapse; prediction model; water-soil coupling; collapse-forming mode

文章編號(hào)：1672—1144(2016)01—0218—05

中圖分類號(hào)：P642.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：周建(1978—)，男，河南信陽人,工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail:646703651@qq.com

收稿日期：2015-09-04修稿日期：2015-10-09

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.041