武漢市白沙洲巖溶塌陷影響因素分析

王 宇，龍 婧，陳標(biāo)典

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

研究區(qū)位于武漢市白沙洲,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫17 ℃左右,多年平均降水量1 233.3 mm。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)達(dá),主要水系有長江、巡司河、墨水湖、南太子湖。地貌以平原地形為主,自長江Ⅰ級階地向北西側(cè),逐漸過渡至波狀起伏的壟崗地貌,散列呈近東西向條帶狀展布的殘丘。

區(qū)內(nèi)基巖大都隱伏于第四系土層之下,自新生界古近系(E)至元古界志留系(S)地層均有分布。根據(jù)巖性特征,研究區(qū)內(nèi)基巖可分為碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖兩類。其中碳酸鹽巖地層主要為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r和石炭系上統(tǒng)黃龍—大埔組(C2h+d)白云質(zhì)灰?guī)r,主要分布于研究區(qū)中部及南部,分布面積71.43 km2,占研究區(qū)面積的57.75%。非碳酸鹽巖以碎屑巖和粘土巖為主,主要地層為白堊系(K)紅砂巖、二疊系(P)硅質(zhì)巖、泥巖、泥盆系(D)石英砂巖、志留系(S)頁巖、細(xì)砂巖。

受印支期和燕山期運動影響,區(qū)內(nèi)形成了一系列NNE向、NWW向褶皺和斷裂[1]。區(qū)內(nèi)主要褶皺為新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜,該向斜軸面北傾,傾角陡。在向斜中段發(fā)育兩個次級褶皺,在向斜核部發(fā)育因次生壓力而形成東西向的壓性斷裂,自西向東依次有三元寺斷裂、金口斷裂、蔣家墩—青菱湖斷裂三條大型隱伏斷裂及其次生斷裂穿過本區(qū)。

1 巖溶發(fā)育基本條件

1.1 巖溶發(fā)育程度

研究區(qū)巖溶總體強發(fā)育,從鉆孔所揭露的巖溶特征來看,巖溶形態(tài)主要為溶洞、溶蝕裂隙、溶槽及小溶孔等[2]。溶洞高一般為0.1～6 m,最大洞高10.2 m,平均洞高1.44 m,多數(shù)在5 m以內(nèi)(95.5%),僅1個鉆孔揭露的溶洞洞高>10 m。

鉆孔統(tǒng)計資料表明,斷層帶附近,巖體裂隙發(fā)育,鉆孔遇洞率及線巖溶率均高于其他地區(qū),說明斷層帶附近巖溶發(fā)育程度高于其他地區(qū)。不同構(gòu)造帶巖溶發(fā)育程度也不相同,如表1所示，遇洞率、線巖溶率由大到小的排列順序為新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜>沌口向斜>大橋向斜,這主要與巖土裂隙發(fā)育程度相關(guān)；不同地層其構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、成份不盡相同(表2)，巖溶發(fā)育程度也不相同，巖溶發(fā)育程度三疊系下統(tǒng)大冶組>二疊系中統(tǒng)棲霞組>石炭系上統(tǒng)黃龍—大埔組；不同埋深條件線,巖面表層巖溶發(fā)育帶在0～5 m范圍內(nèi)巖溶強發(fā)育,平均線巖溶率達(dá)12.37%。隨著深度繼續(xù)加大,線巖溶率逐漸減小,在5～15 m范圍內(nèi)巖溶中等發(fā)育,平均線巖溶率3.96%～5.62%,在基巖面以下15 m處開始巖溶弱發(fā)育。

表1 各條帶線巖溶率和鉆孔遇洞率統(tǒng)計表Table 1 Statistic table of karstification rate (line and karst cave) in each karst belt

表2 碳酸鹽巖特征一覽表Table 2 Statistics table of characteristics of carbonate rock

1.2 第四系土層結(jié)構(gòu)

區(qū)內(nèi)的第四系土層結(jié)構(gòu)可劃分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)三種類型[3]：單層結(jié)構(gòu)分布于研究區(qū)西北部和北部,以單一粘土層為主,一般由粉質(zhì)粘土或粘土組成；雙層結(jié)構(gòu)分布于研究區(qū)中部,主要為“上粘下砂”二元結(jié)構(gòu)；多層結(jié)構(gòu)在研究區(qū)零星分布,主要為“粘性土—砂土—粘性土”和“粘性土—砂土多次沉積回旋結(jié)構(gòu)”兩種類型。

1.3 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)可溶巖的上方砂性土、粘性土、軟弱土、非可溶巖(紅層)的上下疊置關(guān)系及地面塌陷特征,將巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為3類9型[4]。劃分巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)時,3類土層的厚度一般不小于1 m。對于粘性土和砂性土互層的多層結(jié)構(gòu),根據(jù)底部單層土的巖性、厚度及其在塌陷變形中土顆粒的活動特點,歸于④(底部為砂性土)和⑥(底部為粘性土)型地質(zhì)結(jié)構(gòu)(表3)。

表3 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型及其地面塌陷特征Table 3 Types of karst geological structure and characteristics of karst collapse

1.4 巖溶地下水特征

區(qū)內(nèi)大多數(shù)巖溶塌陷地段,上覆松散蓋層中粉細(xì)砂層中賦存有第四系孔隙水,下伏可溶性碳酸鹽巖中賦存有裂隙巖溶水,均具有承壓性。兩個含水巖組中間局部存在較薄的含碎石粘土或泥質(zhì)粉砂巖等相對隔水層。在有相對隔水層地段,水力聯(lián)系較弱,而在無相對隔水層地段,則第四系孔隙承壓水垂直向下補給巖溶水,水力聯(lián)系較密切。

研究區(qū)靠近長江區(qū)域,砂性土含水層直接覆蓋于裂隙巖溶水含水層,又由于長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,江水與孔隙承壓水互補。巖溶水、孔隙承壓水、降水水位變化同步性較好,巖溶裂隙水受長江水位變化影響大。

在其他地區(qū)由于兩類含水層之間存在粘土層或紅層的阻隔,巖溶水與孔隙承壓水水力聯(lián)系變?nèi)?。根?jù)監(jiān)測孔觀測結(jié)果,此類地區(qū)巖溶水水位變幅相對孔隙承壓水較大,大部分時段內(nèi),巖溶水水位高于孔隙承壓水水位,枯水期兩者相差較小。

2 巖溶塌陷分布特征

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,研究區(qū)內(nèi)有巖溶塌陷22處,共27次,塌陷坑61個。

(1) 從地形地貌上來看,區(qū)內(nèi)22處巖溶塌陷分布于長江Ⅰ級階地,地貌屬沖積平原,地形平坦,地面高程19～23 m。上覆土層為第四系全新統(tǒng)沖積層,具上粘下砂的二元結(jié)構(gòu)。

(2) 從地質(zhì)構(gòu)造上來看,區(qū)內(nèi)所有巖溶塌陷均分布于白沙洲巖溶條帶、且都位于新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜的核部(圖1)。

(3) 從地層巖性上來看,區(qū)內(nèi)所發(fā)生的巖溶塌陷大多數(shù)分布在三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r及二疊系中統(tǒng)棲霞組灰?guī)r中,且主要沿大冶組、棲霞組灰?guī)r與其它地層的接觸帶發(fā)育,如阮家巷—陸家街地區(qū)(表4)。

表4 研究區(qū)巖溶塌陷一覽表Table 4 Statistics table of karst collapse in research area

(4) 從巖溶類型上來看,區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)的巖溶塌陷多發(fā)生于覆蓋型巖溶區(qū)；少量幾處塌陷發(fā)生于覆蓋型和埋藏型巖溶交界處。

(5) 從時間上來看,研究區(qū)已有巖溶塌陷主要集中于2000年以后,近年來呈高發(fā)態(tài)勢,發(fā)生頻率越來越高,間隔越來越短。自2009—2018年幾乎每年都有巖溶塌陷發(fā)生,2009年甚至高達(dá)6次,這與近年來區(qū)內(nèi)城市化進(jìn)程加快、工程建設(shè)活動加劇有關(guān)(圖2)。由于武漢市政府采取相應(yīng)措施進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治,2009年后塌陷次數(shù)略有減少。巖溶塌陷多發(fā)生在4—11月,主要是武漢市降雨主要集中與該時間段內(nèi)(圖3)。

圖2 研究區(qū)巖溶塌陷數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical histogram of karst collapse in research area

圖3 巖溶塌陷與月份之間關(guān)系Fig.3 Relationship between karst collapse and months in a year

3 巖溶塌陷影響因素分析

按巖溶地面塌陷成因機制分析,其產(chǎn)生根本原因是蓋層部分巖土體受到致塌力超過了抗塌力,巖土體力學(xué)平衡狀態(tài)破壞[6]。巖溶地質(zhì)環(huán)境的平衡條件就是巖溶塌陷形成的基本條件,主要有一定發(fā)育程度的巖溶、巖溶上方一定厚度巖土體和巖溶地下水動力條件三個方面。降雨、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動因素通過直接或間接影響其基本條件來控制巖溶塌陷的發(fā)育。

3.1 巖溶發(fā)育程度

巖溶洞隙是巖溶塌陷的空間基礎(chǔ),巖石的可溶性與溶洞發(fā)育程度都是影響的巖溶地面塌陷的重要因素之一[7]。巖溶發(fā)育程度越高,洞隙越發(fā)育,巖溶地面塌陷數(shù)量越多。研究區(qū)巖溶地面塌陷均分布于巖溶強發(fā)育區(qū),且均位于巖溶程度最高的白沙洲向斜,據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計白沙洲向斜核部地層內(nèi),鉆孔平均線巖溶率為10.87%,遇洞率為48.2%,翼部地層內(nèi),鉆孔平均線巖溶率為8.74%,遇洞率為47.9%。從地層巖性來看,其發(fā)育的主要地層為三疊系下統(tǒng)大冶組和二疊系中統(tǒng)棲霞組,其中大冶組塌陷16處,占總數(shù)72.7%,棲霞組塌陷6處,占比27.3%。根據(jù)鉆孔統(tǒng)計結(jié)果(表2),該地層巖溶發(fā)育程度高,洞隙相較其他更發(fā)育。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對巖溶地面塌陷分布的影響主要體現(xiàn)在對地下水動力條件和巖溶發(fā)育程度的控制上[8]。構(gòu)造發(fā)育區(qū),巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,為地下水的運移及大氣降水、地表水的入滲提供了通道,形成強徑流帶,增強地下水對巖土體的溶蝕和潛蝕作用,使得巖溶發(fā)育程度增高,更易于形成巖溶塌陷。

巖溶塌陷主要發(fā)育與褶皺核部節(jié)理裂隙密集發(fā)育的地帶以及斷裂破碎帶,尤其以斷裂交匯帶為甚。區(qū)內(nèi)新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜核部長江沿岸地段為近東西向隱伏斷裂和北北西向斷裂(長江斷裂、蔣家墩—青菱湖斷裂)交匯處。受褶皺與斷裂影響而形成縱橫交錯的裂隙構(gòu)成了地下水良好的富水網(wǎng)絡(luò),具有不同酸堿度、飽和度和動勢能等的地下水在交匯部位相互作用和發(fā)生水巖反應(yīng),加速了巖溶塌陷的發(fā)育。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計,該地段巖溶發(fā)育強烈,鉆孔線巖溶率11.29%,發(fā)育巖溶塌陷22處27次。

3.3 上覆巖土體

(1) 第四系土層結(jié)構(gòu)。研究區(qū)巖溶塌陷均發(fā)育于具有雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)的第四系土層結(jié)構(gòu)分布區(qū),其中雙層結(jié)構(gòu)土層13處,多層土體結(jié)構(gòu)9處。這說明單層結(jié)構(gòu)土層穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于雙層及多層土層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外根據(jù)收集武漢市巖溶調(diào)查的資料,武漢市具有單層結(jié)構(gòu)的土層分布區(qū)巖溶塌陷數(shù)量為5處,具有雙層和多層結(jié)構(gòu)的土層分布區(qū)巖溶塌陷數(shù)量為28處,這說明都具有單層粘土結(jié)構(gòu)的土層雖然穩(wěn)定性較高,但不是絕對穩(wěn)定。

(2) 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。不同性質(zhì)巖土體的組合形式,水動力條件不同,其受到外力時的抵抗能力不同,因此,巖溶塌陷發(fā)生幾率也不相同。對研究區(qū)內(nèi)的發(fā)生的27次巖溶塌陷進(jìn)行統(tǒng)計分析(表5),自然和人為條件下④型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖溶塌陷次數(shù)最多,⑥型次之,⑤型再次之。

表5 不同條件不同巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖溶塌陷數(shù)量統(tǒng)計Table 5 Statistics table of numbers of karst collapse in different karst geological structures under different conditions

對比分析發(fā)現(xiàn),發(fā)生巖溶塌陷的3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)均含砂性土層,土層顆粒間無粘聚力,性質(zhì)松散,土層透水性好。當(dāng)砂土層與巖溶含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系后,由于砂性土顆粒易滲漏,塌陷往往形成比較迅速。④型砂性土層直接與可溶巖接觸,為最易產(chǎn)生巖溶塌陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu),地下水位波動頻率愈高,巖溶塌陷愈易產(chǎn)生；⑤型由于粘土中存在粘聚力作用相對隔水作用,地下會對土體的沖蝕、搬運作用減小,土體流失速度相對較慢,巖溶塌陷概率相對減小；⑥型中間一層不可溶巖體起到一種阻隔作用,阻止土體隨著地下水的流動流入下層空洞內(nèi),土洞不易形成,因而發(fā)生塌陷的可能性較④型、⑤型要低得多。

3.4 降雨對巖溶塌陷的影響

降雨是巖溶塌陷發(fā)生的重要影響因素之一[9],研究區(qū)內(nèi)多起巖溶塌陷的誘發(fā)因素都是降雨。降雨對巖溶塌陷的直接作用主要體現(xiàn)在兩個方面：①降雨入滲使上部土體飽水自重增加,物理力學(xué)性質(zhì)降低；②局部存在天窗時,砂性土中降雨入滲后的滲流作用對土體顆粒進(jìn)行沖刷、攜帶、搬運,破壞了土體的穩(wěn)定性。

3.5 地下水動力條件

地下水對巖溶塌陷的影響機制主要為潛蝕、滲壓和吸蝕,尤其在搬運碎屑物質(zhì)方面具有較大作用[10]。地下水下降,水力坡度和地下水流速增加,地下水的沖刷、潛蝕能力增強；同時原來土層中受到的地下水浮托力消失,產(chǎn)生失托增荷效應(yīng)；地下水位劇烈下降時,在部分巖溶洞隙中會產(chǎn)生真空,導(dǎo)致滲壓或真空吸蝕致塌作用；地下水水位升高,水頭差致使向下的滲透力增強,滲流潛蝕、搬運作用增強；在封閉性好的巖溶空腔中還可能形成高壓氣團(tuán),產(chǎn)生對土體的向上的壓力,當(dāng)蓋層較薄時,可能會沖破蓋層巖土體,形成氣爆。

根據(jù)水文資料,武漢市長江Ⅱ級階地地下水位年變幅可達(dá)3 m,在靠近長江Ⅱ級階地前緣,受長江水位影響,地下水位和流向變動更為明顯。此外,人為抽排地下水,也會導(dǎo)致地下水地下水位的頻繁變化會引起地下水的沖刷、潛蝕能力發(fā)生相應(yīng)的變化；可以引起地下巖溶及土洞內(nèi)壓力交替變化,使周圍巖石土體失穩(wěn),并導(dǎo)致土層失穩(wěn)坍塌。地下水位波動頻率越高,巖溶塌陷越容易產(chǎn)生。

3.6 人類工程活動

人類工程活動是對研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)育影響最大的因素,少數(shù)時間較早的幾次塌陷為自然因素引起外,其余均為人為因素引起的塌陷,自然因素誘發(fā)的塌陷共6次,人為因素誘發(fā)的塌陷共有21次,其中工程施工引起的巖溶塌陷有16次,占總數(shù)的59%；開采地下水引起的巖溶塌陷有4次,占總數(shù)的15%。人類活動對巖溶塌陷的影響主要表現(xiàn)以下兩方面：

(1) 改變原有地下水動力條件,如地下工程建設(shè)抽排地下水導(dǎo)致下水水力聯(lián)系和地下水水位波動,鉆探施工揭穿巖溶含水層,導(dǎo)致的上下含水層聯(lián)通,樁基礎(chǔ)施工漏漿導(dǎo)致的地下水動力條件改變。如武漢市毛坦港佳兆業(yè)金域天下3期工程,是受工程勘察鉆探施工揭穿土洞(溶洞)頂板處相對阻水的泥質(zhì)粉砂巖，而產(chǎn)生巖溶塌陷。

(2) 破壞覆蓋層巖土體結(jié)構(gòu),如深基坑與地下工程開挖,鉆探、樁基礎(chǔ)施工產(chǎn)生的機械振動,工業(yè)、建筑及交通運輸和貯存物品等外部加載施加于覆蓋層的荷載以及其產(chǎn)生的振動。如白沙洲大道則曾因重型貨車振動而造成巖溶塌陷。

4 結(jié)論

(1) 武漢市白沙洲巖溶總體較發(fā)育；其巖溶地質(zhì)結(jié)可劃分為3類9型；區(qū)內(nèi)巖溶地下水具承壓性,靠近長江區(qū)域巖溶水、孔隙水、降水水位變化同步性較好,巖溶裂隙水受長江水位變化影響大。

(2) 區(qū)內(nèi)22處巖溶塌陷均分布于長江Ⅰ級階地,且都位于新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜的核部,該地段巖石破碎,地下水徑流強,巖溶發(fā)育,上覆土層多具上粘下砂的二元結(jié)構(gòu)。

(3) 武漢白沙洲巖溶塌陷主要影響因素包括巖溶發(fā)育程度、上覆巖土體特征、地下水動力條件、降雨、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程等。巖溶塌陷受眾多因素的影響,是一個復(fù)雜的過程,大部分都是各種因素共同作用的結(jié)果。

(4) 研究巖溶塌陷主要是解決其預(yù)測與防治問題,由于問題的復(fù)雜性,目前相關(guān)研究局限于根據(jù)其主要影響因素及其臨界條件進(jìn)行定性評價,武漢市巖溶塌陷機理定量研究將是下一步研究工作的重點。