湖北武漢巖溶塌陷時(shí)空分布規(guī)律及其影響因素分析

涂 婧，魏瑞均，楊戈欣，劉長(zhǎng)憲，金小剛，李海濤

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430051；2.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；3.北京數(shù)碼視訊科技股份有限公司，北京 100085；4.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

0 引言

武漢市巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜，給工程建設(shè)特別是地下工程建設(shè)帶來隱患與威脅，嚴(yán)重的影響和制約著武漢市的城市規(guī)劃和建設(shè)。近年來，隨著人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)加劇，巖溶塌陷與人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的聯(lián)系越發(fā)密切，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，因工程施工引發(fā)的巖溶塌陷顯得尤為突出。巖溶塌陷的危害不僅造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，城市建設(shè)、工程建設(shè)及公共設(shè)施遭致破壞，還使地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)平衡遭致破壞。

早在1994年，賈淑霞等[1]就對(duì)武漢市巖溶塌陷的成因機(jī)理進(jìn)行了初步的分析研究，但是研究塌陷種類較為單一，且不詳盡；2004年鄭先昌等[2]、2006年范士凱[3]對(duì)武漢市巖溶塌陷分布特征、誘發(fā)因素和成因機(jī)理進(jìn)行了研究，但是研究范圍小，塌陷數(shù)量及類型不夠全面。2013年，楊濤等[4]對(duì)武漢市巖溶塌陷進(jìn)行了分類研究，其根據(jù)成因及主要誘發(fā)因素將塌陷劃分為自然塌陷和人為塌陷，其中人為塌陷又劃分為抽水、載荷、振動(dòng)和滲水四種。本文以“武漢市巖溶塌陷調(diào)查”項(xiàng)目為依托，在收集以往武漢市發(fā)生的各類巖溶塌陷案例的相關(guān)資料[5-6]和2012—2015年度開展的“武漢市巖溶塌陷調(diào)查[7]”項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，總結(jié)了武漢市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害在空間分布和時(shí)間序列表現(xiàn)出的各種特征，并分析了巖溶塌陷的影響因素，為武漢市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治提供技術(shù)支撐和借鑒。

1 武漢巖溶區(qū)地質(zhì)概況

1.1 巖溶分布與可溶巖地層

武漢市位于我國(guó)中部，地處江漢平原東部、長(zhǎng)江和漢江交匯處，為長(zhǎng)江中游特大城市。武漢市內(nèi)的巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜。區(qū)內(nèi)隱伏可溶巖總體呈近東西向條帶狀分布，局部地區(qū)由于受構(gòu)造影響巖溶條帶發(fā)生折曲，條帶寬度一般為0.8～6.8 km，最寬可達(dá)12 km，隱伏可溶巖分布總面積約1 091.51 km2，占武漢市總面積的12.85%[7]。受構(gòu)造和地形控制，隱伏可溶巖主要位于向斜核部，少數(shù)位于向斜翼部，可溶巖地層主要為三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組(T1-2j)白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾白云巖和下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r，二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)燧石結(jié)核灰?guī)r，石炭系上統(tǒng)黃龍組-大埔組(C2h-C2d)白云巖、灰?guī)r。

1.2 巖溶區(qū)第四系土層特征

針對(duì)第四系土層結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶塌陷的影響大小，并根據(jù)第四系巖性特征，將第四系土層結(jié)構(gòu)劃分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)三種類型[7]。

武漢市單層結(jié)構(gòu)土層巖性以較單一的黏性土層為主，一般為粉質(zhì)黏土、黏土，局部夾有淤泥質(zhì)黏土，底部無砂層，為相對(duì)隔水層。雙層結(jié)構(gòu)土層主要為“上黏下砂”的雙層結(jié)構(gòu)，其上部主要為粉質(zhì)黏土、黏土；下部主要為粉砂、細(xì)砂和礫砂。多層結(jié)構(gòu)土層包括具“黏性土—砂土—碎石土或黏性土”的三層結(jié)構(gòu)和具“黏性土—砂土—黏性土—砂礫石層等”多個(gè)旋回沉積的多層結(jié)構(gòu)。

第四系松散沉積物是塌陷體的主要組成部分。在地下水的側(cè)向滲透力及垂直滲透力的作用下，土體顆粒易產(chǎn)生側(cè)向潛蝕及垂直潛蝕流失，形成土洞，進(jìn)而發(fā)展成為塌陷。含砂粒越多、黏粒越少的土體，內(nèi)聚力越小，在地下水的作用下越易造成擾動(dòng)和流失，從而越易形成塌陷[8]。雙層結(jié)構(gòu)土體覆蓋的巖溶區(qū)，粉細(xì)砂直接覆蓋于碳酸鹽巖之上，全新統(tǒng)孔隙承壓水含水層與碳酸鹽巖巖溶水含水層直接接觸，地下水呈互補(bǔ)關(guān)系，更易造成砂土的流失，更易形成塌陷[9]。因此，不同結(jié)構(gòu)土體覆蓋的巖溶區(qū)發(fā)生巖溶塌陷的概率為：土體結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu)>多層結(jié)構(gòu)土體>單層結(jié)構(gòu)土體。

1.3 巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件

武漢市巖溶區(qū)內(nèi)的地下水類型主要包括松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水。松散巖類孔隙水包括全新統(tǒng)孔隙潛水和全新統(tǒng)孔隙承壓水。

全新統(tǒng)孔隙潛水主要分布在江灘、江心洲及沖溝、湖泊周邊等地表低洼處。全新統(tǒng)孔隙承壓水主要分布于長(zhǎng)江、漢江沿岸，長(zhǎng)江漢江切穿至孔隙承壓水含水巖組，江水與孔隙承壓水直接貫通，兩者呈互補(bǔ)關(guān)系。階地前緣汛期時(shí)地下水位高于階地中后部，且隨長(zhǎng)江水位上漲而抬升，離長(zhǎng)江近者，地下水位升幅大，反之則小。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖溶蝕裂隙及溶洞中，巖溶發(fā)育不均衡，一般不受大氣降雨及地表水影響，裂隙巖溶水水位不隨長(zhǎng)江水位上升和下降而上下波動(dòng)，與長(zhǎng)江等地表水沒有直接互補(bǔ)關(guān)系。在長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地的局部地區(qū)，全新統(tǒng)孔隙承壓水含水巖組，直接覆蓋于碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水巖組之上，裂隙巖溶水與全新統(tǒng)孔隙承壓水呈互補(bǔ)關(guān)系。大部分地區(qū)二者之間存在較薄的含碎石黏土相對(duì)隔水層，致使巖溶水與全新統(tǒng)孔隙承壓水水力聯(lián)系變?nèi)酢?/p>

2 武漢巖溶塌陷概況

根據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)，武漢市先后發(fā)生過33處(38次)巖溶塌陷(少數(shù)塌陷同一地點(diǎn)發(fā)生兩次或多次)，塌陷坑96個(gè)(表1)。

武漢市塌陷除極少數(shù)時(shí)間較早的塌陷為自然因素引起外，其余均為人為因素引起的塌陷。塌陷集中于中心城區(qū)的一級(jí)階地，近幾年來隨著武漢市城區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大以及遠(yuǎn)城區(qū)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，巖溶塌陷也向遠(yuǎn)郊新城區(qū)擴(kuò)散。此外，巖溶塌陷地段的巖溶地質(zhì)特征也不再局限于“位于長(zhǎng)江沿岸，上覆土層為“上黏下砂”的雙層結(jié)構(gòu)的覆蓋型巖溶”。在上覆第四系中更新統(tǒng)(Q2w)單層黏土的覆蓋型巖溶區(qū)，以及上覆紅砂巖較薄的埋藏型巖溶區(qū)內(nèi)，強(qiáng)烈的人類工程活動(dòng)也可能誘發(fā)塌陷。

表1 武漢市巖溶塌陷事件一覽表[5-7]

3 巖溶塌陷時(shí)空分布規(guī)律

3.1 巖溶塌陷空間分布規(guī)律

圖1 武漢市主要城區(qū)巖溶塌陷分布圖Fig.1 Distribution of karst collapse in Wuhan City1—巖溶塌陷點(diǎn)；2—覆蓋型巖溶區(qū)；3—埋藏型巖溶區(qū)；4—非可溶巖分區(qū)。

在空間分布上，武漢市巖溶塌陷主要發(fā)生在于長(zhǎng)江一級(jí)階地[7](圖1)。

根據(jù)巖溶埋藏類型，武漢市巖溶塌陷多發(fā)生于覆蓋型巖溶區(qū)或覆蓋型和埋藏型巖溶交界處，如烽火村鋼材市場(chǎng)、喬木灣等地的巖溶塌陷。

3.2 巖溶塌陷時(shí)間分布規(guī)律

圖2為武漢市巖溶塌陷自有詳細(xì)記錄以來，在各個(gè)年份的巖溶塌陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)柱狀圖。

圖2 武漢市巖溶塌陷統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.2 Statistical histogram of Karst collapse in Wuhan City

從圖2中可以看出，武漢市巖溶塌陷主要發(fā)生于2005年以后，近年來呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，發(fā)生頻率越來越高，間隔越來越短。從2009年至2016年，每年均有巖溶塌陷事件發(fā)生，2009年高達(dá)6次，2010年至2015年每年均發(fā)生2次以上。

圖4 武漢市主要城區(qū)巖溶發(fā)育程度分區(qū)圖Fig.4 Degree of Karst development in Wuhan City1—巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)；2—巖溶中等發(fā)育區(qū)；3—巖溶弱發(fā)育區(qū)；4—非可溶巖區(qū)調(diào)查區(qū)。

圖3為根據(jù)武漢市多年巖溶塌陷事件統(tǒng)計(jì)出來的巖溶塌陷與年內(nèi)月份之間的關(guān)系。一般來說，巖溶塌陷多發(fā)生在4～9月份，主要是由于武漢市降雨多集中于4～9月份。11、12月份發(fā)生塌陷數(shù)量也較多，主要是由于人類活動(dòng)的影響。

圖3 巖溶塌陷與年內(nèi)月份關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Karst collapse and months in a year

4 巖溶塌陷影響因素

從表1中可以看出，在2000年以前，武漢市絕大部分巖溶塌陷誘發(fā)因素為自然因素，而2000年以后，絕大部分誘發(fā)因素為人為因素。這與整個(gè)武漢市城市規(guī)劃建設(shè)和城市化進(jìn)程的速度是基本相符的。2000年以前，人工工程活動(dòng)較少，城市化進(jìn)程較慢，巖溶塌陷多以自然因素誘發(fā)，如降雨、長(zhǎng)江水位的波動(dòng)等；2000年以后，武漢市城市化進(jìn)程加快，人工工程活動(dòng)加劇，巖溶塌陷多以人為因素誘發(fā)，如鉆探、樁基施工等。

下面從自然因素和人為因素兩個(gè)方面分析影響巖溶塌陷的主要因素。

4.1 自然因素

4.1.1巖溶發(fā)育條件

巖溶塌陷與巖溶的發(fā)育程度有密切關(guān)系，從圖1和圖4中可以看出，絕大部分巖溶塌陷事件發(fā)生在巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，位于長(zhǎng)江一級(jí)階地。影響巖溶發(fā)育的因素較多，如構(gòu)造、地層巖性、可溶巖與非可溶巖接觸關(guān)系等[9]。

4.1.2上覆第四系土層

圖5為武漢市第四系土層結(jié)構(gòu)及等厚度圖。武漢市巖溶塌陷多發(fā)生在具有雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)特征的上覆土層分布區(qū)。對(duì)于單層結(jié)構(gòu)，一般為地層巖性較單一的黏性土層，穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，發(fā)生巖溶塌陷的概率較小。

圖5 武漢市主要城區(qū)第四系土層結(jié)構(gòu)及等厚度圖Fig.5 The Structure and contour map of Quaternary soil layer in Wuhan City1—多層結(jié)構(gòu)土層分區(qū)；2—雙層結(jié)構(gòu)土層分區(qū)；3—單層粘土分區(qū)；4—基巖出露區(qū)；5—第四系等厚線。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，武漢市有28處巖溶塌陷發(fā)生于具有雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)特征的上覆土層分布區(qū)。另外，有5處巖溶塌陷發(fā)生于具有單層結(jié)構(gòu)特征的上覆土層分布區(qū)，說明單層黏土結(jié)構(gòu)的土層也不是絕對(duì)的穩(wěn)定。

4.1.3長(zhǎng)江水位波動(dòng)

在圖1中，巖溶塌陷事件大多發(fā)生在長(zhǎng)江一級(jí)階地上。根據(jù)武漢市的水文地質(zhì)調(diào)查及勘察資料，長(zhǎng)江切穿至第四系孔隙承壓水含水層，江水與第四系孔隙承壓水直接貫通。當(dāng)長(zhǎng)江水位發(fā)生波動(dòng)時(shí)，特別是在豐水期或洪水季節(jié)(一般在6～8月份)，長(zhǎng)江一級(jí)階地范圍內(nèi)地下水位會(huì)隨著長(zhǎng)江水位的波動(dòng)而發(fā)生異常變化，導(dǎo)致地下水水頭差增大。在水頭壓力作用下，第四系孔隙承壓水向巖溶裂隙通道滲流。在滲流潛蝕作用下，土層中易形成空洞，隨著時(shí)間推移，土洞不斷擴(kuò)展，直至洞體支撐力小于上覆荷載時(shí)，上部土層在自重作用下不斷失穩(wěn)垮落，產(chǎn)生地面變形直至塌陷。如1983年武昌區(qū)阮家巷、1988年武昌區(qū)陸家街、1999年洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)毛坦港小學(xué)等巖溶塌陷均是由于地下水波動(dòng)潛蝕作用引發(fā)的。

長(zhǎng)江水位波動(dòng)引起的地下水位異常波動(dòng)屬于自然因素導(dǎo)致的，在后面章節(jié)中還會(huì)分析由于人為因素導(dǎo)致的地下水位異常波動(dòng)。

4.1.4降雨

降雨可使上覆土體飽水，自重力增大，從而加大致塌力，土質(zhì)軟化，物理力學(xué)強(qiáng)度降低，當(dāng)洞體支撐力(抗塌力)小于上覆荷載(土體壓力及外荷載)時(shí)，產(chǎn)生地面變形直至地面塌陷。如2000年武昌區(qū)涂家溝市司法學(xué)校巖溶塌陷，主要是由于持續(xù)降雨誘發(fā)的自然塌陷。

從歷年來武漢市氣象水文資料統(tǒng)計(jì)分析可見4～9月為降水豐沛期，其中5～7月多暴雨。考慮降雨入滲的滯后效應(yīng)，武漢市巖溶塌陷發(fā)生的月份與降雨強(qiáng)度的月份基本吻合(圖6)。

圖6 多年月平均降雨量變化直方圖(2009—2018年)Fig.6 Histogram of monthly averaged precipitation (2009—2018)

4.2 人為因素

影響武漢市巖溶塌陷的人為因素大致可分為兩類：開采地下水與人類工程活動(dòng)。

4.2.1開采地下水

武漢市的地表水資源很豐富，地下水開采量較少。只是在早期，由于地下水開采，發(fā)生過個(gè)別巖溶塌陷事件，如1977年發(fā)生在漢陽(yáng)區(qū)漢陽(yáng)中南軋鋼廠的巖溶塌陷事件。后期，武漢市政府高度重視巖溶塌陷的防治，加大了地下水開采監(jiān)控力度，并禁止在隱伏巖溶區(qū)開采利用地下水后，此類巖溶塌陷未發(fā)生過。

4.2.2人類工程活動(dòng)

人類工程活動(dòng)造成的巖溶塌陷事件大致可以分為以下幾類：

(1)樁基施工時(shí)(如大口徑?jīng)_擊成孔灌注樁)，產(chǎn)生了劇烈的震動(dòng)，使巖土體中產(chǎn)生破裂位移、壓密下沉、振動(dòng)液化等破壞效應(yīng)，破壞了土體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大或形成了土洞，進(jìn)而形成塌陷，例如2005年8月白沙洲阮家巷巖溶塌陷。

(2)樁基、鉆孔施工時(shí)，在成孔過程中揭穿厚薄不均的下部黏性土層、粉細(xì)砂層和溶洞或者巖溶裂隙帶，導(dǎo)致地下水發(fā)生異常波動(dòng)。在水位差和潛蝕作用下，掏空覆蓋層，形成土洞，加上沖擊振動(dòng)的作用，最終形成塌陷，例如洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)光霞村五組巖溶塌陷。

在本節(jié)中，雖然將巖溶塌陷的影響因素分別進(jìn)行了單獨(dú)的論述，但是，在巖溶塌陷事件實(shí)際發(fā)生過程中，大部分為多種影響因素共同作用的結(jié)果。

5 巖溶塌陷防治對(duì)策建議

針對(duì)上覆土體含砂層的巖溶區(qū)，即極易發(fā)生巖溶塌陷的區(qū)域內(nèi)，開展工程建設(shè)時(shí)可采取以下防治措施[9]：在粉細(xì)砂層中灌注水泥漿，增大粉細(xì)砂的凝聚力，避免砂粒流動(dòng)；在灰?guī)r面上方的粉細(xì)砂層中設(shè)置厚度不小于3 m的水泥土墊層，阻止粉細(xì)砂向灰?guī)r中漏失；在灰?guī)r面以下5 m范圍內(nèi)的灰?guī)r中灌漿，用以堵塞灰?guī)r中粉細(xì)砂的流失通道。當(dāng)粉細(xì)砂層厚度不大時(shí)，可考慮予以挖除。在該區(qū)進(jìn)行鉆探施工時(shí)，首先要防止鉆探過程中的巖溶塌陷，一般跟管鉆進(jìn)至基巖中2～3 m 可有效防止粉細(xì)砂隨著鉆進(jìn)而漏失。其次是在鉆探施工結(jié)束后要及時(shí)按照“以土還土、以砂還砂、以砼還巖”的原則進(jìn)行封孔。

針對(duì)上覆單層結(jié)構(gòu)土體的巖溶區(qū)，尤其是底部土體為紅黏土的巖溶區(qū)，土/巖界面處地下水位升降頻繁，可能形成土洞，地下水位急劇下降，形成真空吸蝕而導(dǎo)致地面塌陷。因此，該區(qū)應(yīng)限量或嚴(yán)禁開采地下水；該區(qū)進(jìn)行工程施工時(shí)應(yīng)注意土洞存在的可能性，必要時(shí)可采用填灌土洞或鉆、挖孔灌注樁穿過土洞等工程措施進(jìn)行處理。

6 結(jié)論

本文根據(jù)武漢市巖溶塌陷事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了武漢市巖溶塌陷的時(shí)空分布規(guī)律。在空間上，武漢市巖溶塌陷主要分布于位于中心城區(qū)的長(zhǎng)江一級(jí)階地；在時(shí)間上，武漢市巖溶塌陷時(shí)間多發(fā)生于2005年之后，在年內(nèi)，巖溶塌陷事件多發(fā)生在4～9月份。在掌握巖溶塌陷時(shí)空分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，從自然因素和人為因素兩個(gè)大的方面，系統(tǒng)分析了武漢市巖溶塌陷的影響因素，包括巖溶發(fā)育條件、上覆第四系土層結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)江水位波動(dòng)、降雨等自然因素和地下水開采、人類工程活動(dòng)等人為因素。巖溶塌陷是一個(gè)復(fù)雜的過程，大部分巖溶塌陷是自然影響因素和人為影響因素共同作用的結(jié)果。

總之，隨著武漢市城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，工程建設(shè)活動(dòng)的不斷加劇，巖溶塌陷事件發(fā)生的頻率有逐年增高的趨勢(shì)。只有在充分掌握武漢市巖溶塌陷發(fā)生的時(shí)空規(guī)律及影響因素，才能制定出科學(xué)的、合理的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治對(duì)策，本文以期為制定武漢市巖溶塌陷防治對(duì)策提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。