某地區(qū)巖溶地面塌陷機(jī)理及其防治措施

藍(lán)冰

（廣東省有色礦山地質(zhì)災(zāi)害防治中心，廣州510000）

1 工程概況

該研究區(qū)域位于廣東省某部，北、東、西3面為低山丘陵，中間為壟狀低山相間的平原，灰?guī)r頂面上覆第四系土層，巖性主為砂性土和黏性土，形成水文地質(zhì)復(fù)雜的隱伏巖溶地下水構(gòu)造盆地。地下水賦存狀態(tài)主要以第四系孔隙水和巖溶水為主。20世紀(jì)50年代，該地區(qū)居民長(zhǎng)期連續(xù)大量開采地下水，形成區(qū)域地下水位降落漏斗，而造成地面塌陷、地面沉降、地面裂縫、房屋開裂等環(huán)境地質(zhì)問題。塌陷形狀以橢圓、圓形、蝶形為多見，塌陷坑地表直徑一般為1～5m，少量達(dá)5～7m，深一般為0.3～2.5m，少量可達(dá)3m。截至目前，該地區(qū)范圍內(nèi)已調(diào)查統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生塌陷300多處。

筆者在該區(qū)研究巖溶地面塌陷多年，在調(diào)查巖溶影響因素的基礎(chǔ)上，總結(jié)其發(fā)生機(jī)理，并提出預(yù)防措施和工作建議。

2 巖溶地面塌陷影響因素及機(jī)理

在巖溶地面坍塌現(xiàn)象的形成過程中，受到工程施工與地下水動(dòng)力學(xué)的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞產(chǎn)生塌陷。巖溶地面塌陷具有突發(fā)性與隱蔽性，其主要是受力學(xué)機(jī)制與各類影響因素的制約，具體如下。

2.1 潛蝕作用

地下水的使用情況會(huì)影響實(shí)際水位的變動(dòng)，水位變動(dòng)會(huì)對(duì)周圍區(qū)域形成潛蝕作用，潛蝕隨著地下水流的流量與流速的增加而增強(qiáng)，可將其視為機(jī)械潛蝕效果。當(dāng)?shù)叵聨r土層的整體結(jié)構(gòu)不足以支持上部區(qū)域時(shí)，就會(huì)造成塌陷問題。

2.2 真空吸蝕

真空吸蝕指的是當(dāng)?shù)叵潞畬訛榈谒南禃r(shí)，內(nèi)部承壓能力與巖層結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)聯(lián)，而且在飲用水的抽取量不斷增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地下水位的快速下降，使地下內(nèi)部情況與整體結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生變化。此外，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況與含水層之間的飽和程度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致上部與下部之間的氣體隔絕能力降低，也就是說，當(dāng)氣體隔絕能力與地下水的滲透能力逐漸降低時(shí)，地面下部的巖層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定量的吸盤效果。在強(qiáng)有力的抽取力增加過程中，不僅會(huì)因?yàn)樯喜繋r層與下部水層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，而且在頂板向下運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)產(chǎn)生一系列的剝落現(xiàn)象，逐漸使地面內(nèi)部的塌陷情況愈加嚴(yán)重，從而使地下土體的結(jié)構(gòu)形成大幅度變化。

2.3 荷載效應(yīng)

地面坍塌過程中的荷載效應(yīng)指的是巖層與地下水層之間的變化趨勢(shì)，可以將其劃分為內(nèi)部荷載效應(yīng)與外部荷載效應(yīng)。其中，內(nèi)部荷載是地下水對(duì)巖層造成的真空吸蝕與潛蝕作用共同達(dá)成的，這里需要在自身重力的協(xié)同作用下產(chǎn)生重力效應(yīng)，從而會(huì)對(duì)內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這樣在單一重力逐漸變?yōu)閺?fù)合型的重力效應(yīng)時(shí)，就會(huì)對(duì)整個(gè)地下土層結(jié)構(gòu)造成破壞。而外部荷載的增加，使地面整體處于超負(fù)荷的狀況，這種原因造成的塌陷類型多為桶狀塌陷，這也是施工區(qū)域及周圍產(chǎn)生塌陷情況的主要原因。

2.4 滲壓效應(yīng)

滲壓效應(yīng)指的是在降雨過程中，地表積水在入滲補(bǔ)給地下水時(shí)，對(duì)蓋層土體產(chǎn)生的一種綜合作用。該種效應(yīng)是降雨誘發(fā)巖溶塌陷的主要力學(xué)機(jī)制。由于每種機(jī)理在具體的塌陷產(chǎn)生過程中，都會(huì)產(chǎn)生不同的影響效果。因此，需要針對(duì)形成原因進(jìn)行深入分析，這樣才能準(zhǔn)確判定滲壓效應(yīng)的形成機(jī)制。

地面塌陷情況中的滲壓效應(yīng)主要與施工過程中的降水情況存在關(guān)聯(lián)，由于降雨量會(huì)影響地下水水位，進(jìn)而對(duì)蓋層土體產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，最終成為導(dǎo)致地面塌陷的主要因素。

3 巖溶地面塌陷防治措施

總結(jié)多數(shù)工程建設(shè)實(shí)踐中巖溶塌陷的防治策略，并且圍繞該地區(qū)的巖溶塌陷機(jī)理制定防止措施，可以在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)管理和實(shí)施治理。

3.1 地下水采集控制

針對(duì)工程項(xiàng)目區(qū)域中的地下水采集量進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且根據(jù)地下巖層與含水層之間的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，初步確認(rèn)可能構(gòu)成地面塌陷問題的機(jī)理與隱患，以此為基礎(chǔ)制定相應(yīng)的防治措施。此外，需要對(duì)巖溶地下水的水位情況進(jìn)行控制，保證地下水的水位線始終與巖層施工前的水位線一致，這樣才能有效避免地下巖溶層的整體結(jié)構(gòu)，通過控制巖溶層的結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)來避免巖溶塌陷危害[1]。

根據(jù)研究區(qū)域的工業(yè)布局、生產(chǎn)發(fā)展方向，對(duì)地下巖溶水的開采和利用方案進(jìn)行科學(xué)論證，在此基礎(chǔ)上節(jié)制抽水、節(jié)約用水。此外，可以管道引取周圍河流至西部工業(yè)區(qū)，擴(kuò)大城市西部和郊區(qū)用水的來源，最好在旱季和雨季交替的兩三個(gè)月能設(shè)立一個(gè)禁采期，從而使地下水開采保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，以此減緩巖溶發(fā)育，減少巖溶災(zāi)害的發(fā)生。

3.2 “被動(dòng)避讓”處理

在規(guī)劃和工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，盡量避免與嚴(yán)重塌陷區(qū)產(chǎn)生交集，以此來避免施工中的巖溶層塌陷事件。這樣雖然無法對(duì)地質(zhì)塌陷問題進(jìn)行有效防治，但是卻能夠降低地質(zhì)塌陷問題產(chǎn)生時(shí)所附帶的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡[2]。

3.3 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警

如果無法避讓處理，則需要在施工中進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，同時(shí)在工程中可以采用鉆孔注漿技術(shù)來對(duì)地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，這樣能夠在一定程度上起到防沉降效果[3]。

在施工過程中需要針對(duì)地質(zhì)情況與巖溶塌陷情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，通過長(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)測(cè)地面，針對(duì)建筑物的變形與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還要根據(jù)水量的變化以及地下洞穴的發(fā)展情況進(jìn)行整理分析，對(duì)機(jī)井涌砂、水量驟增、水質(zhì)變壞、水面冒泡、植物變態(tài)、建筑物傾斜、地面環(huán)狀開裂、地聲等異?，F(xiàn)象應(yīng)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)和觀察。這樣在發(fā)現(xiàn)以上情況時(shí)，能夠結(jié)合實(shí)際效果與數(shù)據(jù)展開分析，從而找到原因，并且及時(shí)做出預(yù)測(cè)。

3.4 工程措施防治

在查明巖溶發(fā)育分布狀況、巖土蓋層性質(zhì)、塌陷區(qū)分布及可能存在的地質(zhì)危害的情況下，施工時(shí)可以采取科學(xué)合理的措施進(jìn)行充填，增加其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度。例如，研究區(qū)域的塌陷都發(fā)生在工程項(xiàng)目施工區(qū)域兩側(cè)，因此，可以有條件地選擇易塌區(qū)進(jìn)行邊坡防護(hù)作業(yè)，對(duì)路基進(jìn)行加固處理；同時(shí)，可用高壓注漿法將含有膠脂、瀝青、水泥或黏土漿等的強(qiáng)化水泥漿沿巖溶上方鉆孔灌入巖溶。這樣不僅可以改善巖溶的應(yīng)力平衡狀態(tài)，又可使巖溶頂板受到含有膠脂、瀝青的水泥漿的保護(hù)，阻止頂板進(jìn)一步變薄，保持相應(yīng)的承載能力。

3.5 強(qiáng)化基礎(chǔ)調(diào)查

強(qiáng)化基礎(chǔ)工作，做好前期工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和實(shí)施1∶10 000地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查等工作，根據(jù)巖溶塌陷現(xiàn)象的影響因素，對(duì)巖溶塌陷區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)巖溶塌陷進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)，按不同分區(qū)采用對(duì)應(yīng)預(yù)防措施。

4 結(jié)語

總之，巖溶塌陷具有突發(fā)性和隱蔽性特點(diǎn)，其發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，更多的是與地下水相關(guān)，預(yù)測(cè)比較難做到，前期基礎(chǔ)調(diào)查對(duì)巖溶塌陷預(yù)防至關(guān)重要。同時(shí)，開展巖溶塌陷數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)應(yīng)作為下一步預(yù)防監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要工作內(nèi)容之一。