廣西武宣土洞發(fā)育水動力條件評價

姜伏偉

(1.貴州理工學院資源與環(huán)境工程學院, 貴州 貴陽 550003；2.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004)

廣西武宣土洞發(fā)育水動力條件評價

姜伏偉1,2

(1.貴州理工學院資源與環(huán)境工程學院, 貴州 貴陽 550003；2.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004)

本文分析了武宣土洞發(fā)育的地質背景、水動力誘發(fā)土洞的過程，在理想條件下，建立了土體滲透破壞形成土洞的管道流機理模型，根據(jù)管道流理論，分析得出土洞發(fā)育水動力條件表達式。通過自行設計的管道流測試儀裝置，進行管道流模擬試驗，計算得出研究區(qū)土洞發(fā)育的臨界切應力為21.20 Pa。運用電子掃描電鏡技術，測試研究區(qū)孔隙等效直徑為31.6 nm，計算得出研究區(qū)土洞發(fā)育的臨界水流為0.530 cm/min。對比臨界水流和現(xiàn)場監(jiān)測的實際地下水流，評價土洞發(fā)育的可能性。結果表明，目前情況下，地下水流未達到臨界值，不具備引起黏土流失形成土洞的水動力條件。

土洞；管道流；水動力條件；臨界切應力；臨界地下水流

巖溶塌陷是常見的地質災害，是巖溶區(qū)工程安全主要危險因素之一。據(jù)已有資料，96.7%的已知巖溶塌陷為土洞塌陷[1]。由于隱蔽性強，規(guī)模小，不易發(fā)現(xiàn)，土洞塌陷災害隱患嚴重影響巖溶區(qū)工程建設及人民生命財產(chǎn)安全。目前，多數(shù)學者關于土洞的研究主要集中在成因機理[2～9]及試驗模擬[10～14]等方面，基本都認為地下水動力因素是土洞塌陷的主要基本條件，并對地下水的作用進行了探討。如萬志清等[15]認為地下水動力對土體推拉、剪切作用是形成土洞的主要原因；劉之葵等[16]分析了地下水位下降過程中對土洞穩(wěn)定性的影響；歐陽振華等[17]認為地下水對土體的滲透作用力大于土體的抗剪強度時形成土洞。已有研究主要以定性分析為主，但對其定量化研究較少。本文以廣西武宣為例，評價地下水動力作用對黏土層土洞發(fā)育條件，從管道流角度，分析土洞發(fā)育條件判據(jù)，定量測試臨界值，并結合水動力監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價當?shù)赝炼窗l(fā)育條件。

1 土洞發(fā)育地質背景

1.1 土層性質

武宣土層巖性為殘積紅黏土，分布于黔江一級階地殘丘平原上，富含F(xiàn)e、Mn結核。黏土隨深度增加，含水量逐漸變大，地表呈硬塑，底部呈可塑—軟塑狀態(tài)。對鉆孔原狀樣做10組常規(guī)土工試樣，其平均天然含水量30.5%，濕密度1.92 g/cm3，孔隙比0.96，飽和度93.8%。

根據(jù)鉆孔揭露，武宣黏土層厚度5～20 m。厚度隨著離河岸遠近而變化，近河岸15～20 m，遠離河岸5～10 m。根據(jù)康彥仁等[1]對中國南方巖溶塌陷和第四系土層厚度的統(tǒng)計，巖溶塌陷主要發(fā)生在土層厚度小于15 m區(qū)域。這表明武宣黏土層條件有利于土洞塌陷的形成。

1.2 溶洞發(fā)育

根據(jù)武宣29個鉆孔(進深1 340 m)統(tǒng)計分析，其中17個鉆孔發(fā)現(xiàn)溶洞70個，最大溶洞洞高14.3 m(根據(jù)鉆孔巖芯計算)，遇洞率為58.6%。據(jù)鉆孔資料，研究區(qū)線巖溶率一般小于10%，最大為57.7%。依據(jù)溶洞規(guī)模，研究區(qū)主要發(fā)育洞高0～1 m溶洞48個，1～3 m溶洞18個和大于3 m溶洞4個。結合地層巖性、鉆孔資料和實地調查，研究區(qū)巖溶強發(fā)育，存在土體流失的空間，是土洞塌陷的易發(fā)區(qū)。

1.3 地下水動力條件

選擇武宣鉆孔水位統(tǒng)計，在2013年完整水文年內(nèi)，研究區(qū)地下水在春夏以補排中速型為主，秋季為補排滯緩型，而冬季為補排快速型，這表明該區(qū)冬季地下水動態(tài)變化大。根據(jù)監(jiān)測水位資料，統(tǒng)計地下水位的變化趨勢，研究區(qū)在一個水文年內(nèi)(2013年)經(jīng)歷了下降→上升→下降→上升→波狀起伏→下降→波狀起伏七個過程。水位最大上升幅度7.26 m，最大下降幅度4.23 m，波狀起伏最大幅度8.45 m，年最大變幅11.94 m。這表明研究區(qū)地下水動力條件變化較大，具備土洞塌陷發(fā)育的水動力條件。

2 土洞發(fā)育水動力條件

2.1 水動力誘發(fā)土洞過程

土洞發(fā)育演化過程(圖1)主要為四個步驟[18～22]：滲透作用→顆粒流失→土洞擴展→失穩(wěn)塌陷。從上述過程可知，滲透作用下土顆粒流失(即土滲透破壞)是土洞發(fā)育的基本條件。滲透作用過程中，地下水通過空隙(主要為孔隙)滲入土體中，其水動力參數(shù)受土體孔隙大小、排列方式、分布和有效孔隙制約。這些因素在實際情況下很難界定，導致滲入孔隙內(nèi)的地下水動力參數(shù)未知。

圖1 土洞發(fā)育演化過程Fig.1 The developing process of soil-caves

為了研究的需要，對地下水滲入土體進行抽象概化，提出以下4個理想條件：(1)假設土體孔隙大小均一且均勻分布；(2)假設地下水均勻滲入土體孔隙中；(3)假設土體中不規(guī)則的孔隙為連續(xù)貫通的圓管，其直徑為d；(4)忽略孔隙圓管直徑尺寸對土體應力分布的影響。

根據(jù)4個假設條件，地下水滲入土體中概化為地下水在孔隙管道中滲流(圖2)?？梢罁?jù)流體管道流理論分析土體的滲流特性[23]，得出滲透破壞相關水動力參數(shù)。

圖2 土體滲透管道流模型Fig.2 The pipe flow model of seepage in soils

2.2 判據(jù)推導

地下水在孔隙管道中流動，選取任意斷面微單元為研究對象，將土體不規(guī)則孔隙等效為直徑d的圓管(圖2)。依據(jù)管道流理論，管道中管壁受到水流的切應力為：

(1)

式中：γ——流體重度；R——水力半徑；I——管道中水力坡降。

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定理：

(2)

式中：μ——水動力黏性系數(shù)；Vr——距管軸r處流速。

根據(jù)邊界條件，管壁流速為0，即：

(3)

對于圓管水力半徑為：

(4)

式中：d——管道直徑。

土體滲透破壞的臨界流量為：

(5)

式中：Vcr——管道內(nèi)水流平均流速。

聯(lián)合上式得臨界切應力：

(6)

土體滲透破壞臨界切應力是土體的固有屬性，與流體及管徑無關。當流體切應力達到土體破壞切應力時，土體破壞。根據(jù)假設條件(3)，管道直徑大小對土體應力無影響?？芍?，對于同樣性質的土體，在不同管道大小滲流破壞過程中，其臨界切應力保持不變。根據(jù)式(6)，對于不同管徑d1、d2有：

(7)

這表明，若通過模擬大孔徑管道中的滲流破壞，求出其臨界切應力，根據(jù)式(7)可求出不同小孔隙直徑的臨界流量等參數(shù)?；诖嗽?，設計室內(nèi)模擬試驗，通過測試大孔徑滲流破壞條件，測出土體滲透破壞臨界切應力，并進一步計算相關參數(shù)。

3 模擬試驗

3.1 試驗方法

選擇研究區(qū)代表性鉆孔ZK5，取土層底部巖土界面上原狀樣。選取結構性良好無裂隙面的3組試樣，進行管道流模擬試驗，采用自行設計的管道流測試儀試驗裝置(圖3)。采用直徑90 mm，厚度50 mm的圓柱形試樣進行試驗，并在試樣中心位置穿刺直徑為1 mm的圓孔，模擬孔隙管道。

圖3 管道流測試儀裝置示意圖Fig.3 Test equipment of the pipe flow

管道流測試儀試驗方法為：(a)通過提升裝置調節(jié)水箱中水頭的高度依次為H1，H2，…，Hi；(b)水通過軟管系統(tǒng)，第一濁度儀監(jiān)測流經(jīng)管道之前的水的濁度Ti1；(c)流量儀監(jiān)測流經(jīng)管道的水的流量Qi；(d)第二濁度儀監(jiān)測流經(jīng)管道之后的水的濁度Ti2；(e)同時將Hi，Ti1，Qi和Ti2傳入數(shù)據(jù)采集分析器，并繪制Hi-Ti1曲線、Hi-Ti2曲線和Hi-Qi曲線。

在數(shù)據(jù)采集分析器中，進行數(shù)據(jù)分析。當土樣管道內(nèi)發(fā)生破壞時，土顆粒流入水中，引起水中濁度迅速增大，同時管道變大，水流量迅速增加。因此，當出現(xiàn)條件(1)：Ti1

3.2 試驗結果

3.2.1 臨界切應力

根據(jù)滲透水頭和流量的關系(圖4)，判斷流量變化，得出6個試樣的臨界流量為1.458～1.640 mL/s(表1)。由于管道流判據(jù)推導是基于層流的情況，計算雷諾系數(shù)分析是否滿足層流條件。6個試樣中雷諾系數(shù)最大為1 517(表1)。一般雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，因此試驗管道中水流條件為層流，滿足判據(jù)推導公式條件。

圖4 滲透水頭-滲透流量關系圖Fig.4 Relationship between the seepage water head and flow quality

根據(jù)式(6)，計算黏土滲透破壞臨界切應力，分別為21.65，23.0，21.99，20.07，20.41和20.09 Pa(表1)。平均值為21.20 Pa。采用平均值21.20 Pa作為研究區(qū)黏土滲流發(fā)育土洞的臨界切應力。

表1 臨界切應力試驗測試結果

3.2.2 現(xiàn)場臨界水流

聯(lián)合式(5)、(6)，建立現(xiàn)場土體流失形成土洞的臨界流速關系式為：

(8)

式(8)中，已知τcr，計算土體的臨界流速還須已知管道流孔隙等效直徑d和現(xiàn)場條件水動力黏性系數(shù)μ。采用電子掃描電鏡，測試試樣孔隙等效直徑d。在放大12萬倍情況下，運用面積等效法，在視野范圍內(nèi)統(tǒng)計測試了43個孔隙等效直徑，其直徑為15.75～72.08 nm，平均值31.6 nm(圖5)。取平均值31.6 nm代表研究區(qū)土樣管道流等效直徑。

水的動力黏性系數(shù)μ和地下水溫有關系。在取樣鉆孔ZK05內(nèi)，對地下水溫進行監(jiān)測。根據(jù)2013年完整水文年地下水溫監(jiān)測資料，研究區(qū)地下水溫年21.3～23.6 ℃，平均值22.38 ℃。以平均值22.38 ℃作為研究地下水溫度。查表得，水動力黏性系數(shù)為μ=0.948×10-3Pa·s。

根據(jù)式(8)，代入已知參數(shù)τcr=21.20 Pa，d=31.6 nm，μ=0.948×10-3Pa·s，求得研究區(qū)土洞發(fā)育地下水運動臨界流速Vcr=0.530 cm/min(8.833×10-5m/s)。

圖5 黏土孔隙直徑Fig.5 Pores diameter of the cohesive soil

4 水動力條件評價

4.1 現(xiàn)場條件

ZK5位于殘峰馬鞍山腳下，近旁發(fā)現(xiàn)1條斷層F1，此處巖溶強發(fā)育。而且鉆孔揭示高程15.0～20.36 m為溶洞，洞內(nèi)半充填細砂、黏土、角礫。這表明ZK5附近發(fā)育土洞塌陷可能性較大。因而，在研究區(qū)內(nèi)選擇ZK5為地下水動力監(jiān)測孔和試樣取樣點。

在鉆孔ZK5內(nèi)，布置地下水位監(jiān)測傳感器，每20 min采集1次水位參數(shù)。根據(jù)2013年地下水位變化監(jiān)測資料(每20 min監(jiān)測1次水位)，該區(qū)地下水最大水位為51.5 m，最小水位43.1 m，年變幅8.4 m。1～3、6～7和10月份，地下水位總體呈下降趨勢。4～6和8～9月份，地下水位總體呈上升趨勢。而11～12月份，水位上下波動，但變化幅度較小。

鉆孔ZK5中，基巖面為高程47 m，根據(jù)水位曲線，1～4月份地下水位在基巖面以下運動，對土洞發(fā)育不產(chǎn)生影響。但為表征臨近土層較厚區(qū)域的水動力條件，這部分水位參數(shù)仍計算在內(nèi)。

4.2 評價

根據(jù)2013年鉆孔ZK5水位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算每20 min內(nèi)地下水位波動速度(圖6，藍線)。地下水位的波動速度大小近似于地下水流的速度。本文粗略地采用水位的波動速度等同于地下水流。由于地下水滲入地下水位下降最大速度(正)為0.258 7 cm/min，上升最大速度為0.232 4 cm/min。上升下降速度最大值均小于臨界水流Vcr=0.530 cm/min(圖6紅線)。這表明，目前情況下，地下水流未達到臨界值，不具備土洞發(fā)育條件。

在鉆孔ZK5周圍3 km范圍內(nèi)，進行現(xiàn)場走訪調查，發(fā)現(xiàn)近河岸沖溝邊發(fā)現(xiàn)3處基巖塌陷，未發(fā)現(xiàn)土洞塌陷。另外，收集了研究區(qū)房屋建設65個鉆孔資料，未發(fā)現(xiàn)隱伏土洞。這表明ZK5周圍未發(fā)現(xiàn)土洞塌陷及其相關跡象。因此，評價結果符合鉆孔揭示及其現(xiàn)場調查情況。

圖6 地下水流速度(地下水向下運動為正，向上為負)Fig.6 Velocity of groundwater

5 結語

廣西武宣土洞發(fā)育的臨界切應力為21.20 Pa，臨界流速為0.530 cm/min。根據(jù)2013年地下水動力監(jiān)測資料，該區(qū)地下水位下降最大速率為0.258 7 cm/min，上升最大速率為0.232 4 cm/min，兩者小于臨界值。因此，目前情況下，地下水流未達到臨界值，不具備引起黏性土流失形成土洞的水動力條件，其評價結果符合鉆孔揭示及現(xiàn)場調查情況。

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Assessment on the hydraulic condition of forming soil-caves collapse in Wuxuan, Guangxi, China

JIANG Fuwei1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuizhouInstituteofTechnology,Guiyang,Guizhou550003,China; 2.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

This paper analyzes the geological background and the process induced by the hydrodynamics of developing soil-caves in Wuxuan, a city in Guangxi Provence, china. Under ideal conditions, the mechanism model of the seepage failure of soil to forming soil-caves is the pipe flow. From the theory of the pipe flow, it establishes the expression of the hydrodynamics causing the soil-caves. Next, through the experiment designed to simulate the pipe flow, it obtains the critical shear stress 21.20 Pa to lead to soil-caves in the study area. The equivalent diameter of soil pores is 31.6 nm tested by the electron scanning microscopy. With the known parameters, it calculates the critical velocity of ground water 0.530 cm/min. Comparing the monitoring data of the ground water in the field with the critical hydraulic values, the study assesses the probability of the soil-caves collapse. The result shows that the current hydraulic condition doesn’t have enough the dynamic to form the soil-caves collapse in Wuxuan.

soil-caves； pipe flow；hydraulic condition；critical shear stress；critical velocity of groundwater

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.14

2016-10-08;

2017-01-11

貴州省教育廳青年科技人才成長項目(黔教合KY字[2016]226)

姜伏偉(1987-)，男，博士，主要從事巖土力學與巖溶工程災害防治研究。E-mail：jfwei_666@126.com

P642.253

A

1000-3665(2017)02-0090-06