某礦巖溶塌陷成因分析及治理方法研究

段偉強

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021）

0 引言

巖溶地貌在我國分布廣泛，尤其是碳酸巖形成的喀斯特地貌。巖溶的出現(xiàn)不僅與氣候相關(guān)，更取決于巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造和地下水運動情況。大氣降水豐富、氣候濕潤地區(qū)，巖溶發(fā)育。巖層完整厚大的發(fā)育強烈，結(jié)晶顆粒粗大的巖石發(fā)育強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育、密集處巖溶發(fā)育，正斷層處巖溶發(fā)育，褶皺軸部巖溶發(fā)育，陡傾巖層巖溶發(fā)育，可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育具有帶狀性、成層性。地殼強烈上升地區(qū)，巖溶垂向發(fā)育，地殼穩(wěn)定地區(qū)，巖溶水平發(fā)育。地下水流沖刷劇烈、與巖石接觸面大的巖溶發(fā)育[1]。

1 巖溶形成條件及成因

某金屬礦尾礦庫位于露天采坑中心南偏西約3.0km的山間洼地中，整個庫區(qū)匯水面積約0.6 km2。主壩位于庫區(qū)的東南溝谷中，初期主壩壩長90.0 m，壩高17.0 m，為均質(zhì)土壩，壩體坐落在灰?guī)r和砂頁巖地基上。后期采用上游法尾礦筑壩，尾礦堆積邊坡1∶4，總壩高44 m，現(xiàn)已堆積壩高32 m。自建成后，主壩東南側(cè)一帶累計發(fā)生塌陷近20余次。

1.1 自然因素

區(qū)內(nèi)主要地貌類型為溶蝕洼地和不連續(xù)的殘丘構(gòu)成的低山丘陵，地勢總體西北高、東南低。從地形地貌看，主壩位置為天然的地下水、地表水排泄口，利于巖溶發(fā)育。區(qū)內(nèi)降水充沛，全年平均年降雨量1 500 mm左右。3～6月為雨季，約占全年降水的54%，其中5月份降水最多，12月降水最少。

塌陷在豐水期（4～5月）或枯水期初發(fā)生，以豐水期塌陷居多。降水使得區(qū)內(nèi)地下水位發(fā)生劇烈抬升，短期內(nèi)又迅速降低，集中強降水不僅降低了溶洞上覆土層物理力學(xué)性質(zhì)，而且加劇了巖溶空腔對上覆土層的虹吸和潛蝕，誘發(fā)了地表巖溶塌陷。

1.2 地質(zhì)條件

尾礦庫主壩壩基地層主要為第四系和泥盆系錫礦山組上段（D3x2）砂巖和錫礦山組下段（D3x1）灰?guī)r。壩基一帶原生第四系地層極薄，厚度小于5 m，溝底堆積素填土，溝谷中間略厚，往兩側(cè)壩肩變薄，最大厚度15 m。錫礦山組上段（D3x2）砂巖呈深灰、淺灰色，可見灰白色條紋及斑塊，礦物成分主要為石英質(zhì)，中細粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，強中風(fēng)化，分布在尾礦庫上游及庫區(qū)內(nèi)；錫礦山組下段（D3x1）微風(fēng)化灰?guī)r呈深灰、灰白色，礦物成分主要為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀在4號背斜軸部走向近南北向，東翼向東，西翼向西，傾角60°～90°（圖 1）。

圖1 庫區(qū)地層及構(gòu)造分布Fig.1 Stratigraphy and structure distribution in the reservoir area

壩基位于4號背斜軸部，在背斜兩翼，分布有非碳酸鹽類的石英砂巖夾層（圖2），非可溶砂巖阻隔了地下水流動，使地下水在灰?guī)r和砂巖交界面匯集，且?guī)r層傾角60°～90°，巖層陡傾，加劇了地下水對灰?guī)r的溶蝕，交界面處巖溶發(fā)育。根據(jù)前期物探及鉆探資料，灰?guī)r向北東方向埋深依次加深，主壩東南方向灰?guī)r埋深較淺，塌陷區(qū)地段巖溶發(fā)育形態(tài)主要以溶蝕裂隙、落水洞、漏斗等垂直巖溶形態(tài)為主。根據(jù)鉆探揭露，其最大發(fā)育深度超過80 m，說明該地區(qū)地殼在上升，侵蝕基準面在下降，地下水在適應(yīng)侵蝕基準面過程中強烈下切，形成垂直巖溶系統(tǒng)；但就其寬度而言，單個巖溶形態(tài)一般不超過5 m。

圖2 庫區(qū)褶皺剖面Fig.2 Fold section of the reservoir area

背斜軸部為錫礦山組下段（D3x1）灰?guī)r地層，受東西向應(yīng)力作用軸部節(jié)理裂隙發(fā)育，背斜軸部是產(chǎn)生張應(yīng)力的地方，張節(jié)理發(fā)育、地表水或地下水沿這些節(jié)理裂隙作垂直運動，然后再向兩翼或背斜軸線方向運動。由于受到東西向壓力作用，垂直背斜軸兩翼分布不同的張性裂隙，背斜核部形成較大空腔，隨著地下水對裂隙的不斷溶蝕拓展形成一個以背斜軸為強巖溶帶，垂直背斜軸梳狀分布的巖溶系統(tǒng)。

1.3 地下水特征

礦區(qū)主要含水層為碳酸鹽巖、生物碎屑巖類裂隙巖溶含水巖組，該巖組自身透水性及富水性不強，除構(gòu)造斷裂帶及其兩翼影響帶富水性及透水性中等外，其余含水巖組富水性均比較弱。但受區(qū)域構(gòu)造及成礦作用影響，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，平面上形成縱橫交錯的網(wǎng)格狀，垂向上淺表巖溶十分發(fā)育。依據(jù)已有水位資料和示蹤試驗結(jié)果，地下水主要接受大氣降水入滲補給和尾礦庫尾砂孔隙水下滲補給后，自西南向北東方向徑流。受區(qū)域隔水地層和南北阻水?dāng)鄬佑绊?，自成相對獨立巖溶水文地質(zhì)單元，單元匯水面積不大，且尾礦主壩總體位于單元補給區(qū)一帶，接受大氣降水補給有限。但尾砂孔隙水體位于壩基上游，孔隙地下水除補給庫區(qū)兩翼基巖裂隙水及上游灰?guī)r地下水外，大部分向下游徑流排泄，通過巖溶或塌陷天窗進一步補給主壩一帶錫礦山下段巖溶地下水，補給水量可觀。

塌陷區(qū)地段兩翼巖層產(chǎn)狀陡（傾角68°～90°），使地下水豎向徑流流速大，水動力作用活躍，灰?guī)r層向北東方向展布，與地下水水平徑流方向一致，加劇了巖溶發(fā)育?；?guī)r層在地下水溶蝕下，形成的地下溶洞整體走向沿著北東方向從地表向地下深處發(fā)展，同時地下水沿著巖層界面、節(jié)理結(jié)構(gòu)面、裂隙溶蝕，在各溶洞腔體之間形成了復(fù)雜的水力通道。

1.4 人為因素

建壩初期1973—1974年，尾礦砂不斷堆積，共發(fā)生14處巖溶塌陷；1977年4～5月塌陷，致使排水渠斷裂，發(fā)生塌陷后，均以尾粉砂或碎石、黏土對塌陷區(qū)進行了及時回填治理。1990年尾礦庫暫停使用，暫未發(fā)生塌陷，一直到2012年啟用后又多次發(fā)生塌陷。2016年塌陷4次，其中11月塌陷最嚴重，1號塌陷處短時間內(nèi)塌陷深1.70 m，呈橢圓形，直徑約3.00 m，塌陷方量約12.00 m3；2號塌陷處呈不規(guī)則形，寬6.00～8.00 m不等，長約30.00 m，短時間內(nèi)最大塌陷深4.50 m，塌陷方量約820.00 m3。2019年5月，與原1號塌陷坑中心位置距離58 m，形成新塌陷坑，大小為6m×6m×5m，多次塌陷深度均超過5m，這與查明的空腔厚度一致。主要原因為尾礦壩堆積高度增高，庫區(qū)水位抬升，塌陷區(qū)荷載增加，導(dǎo)致溶洞頂板破裂，第四系土層失穩(wěn)誘發(fā)。

2 巖溶塌陷發(fā)展預(yù)測

場地大部分地段覆蓋層厚度小于50 m，由上到下為尾礦砂①、尾礦砂②、粉質(zhì)黏土、灰?guī)r，灰?guī)r層內(nèi)存在溶洞，溶洞全充填尾粉砂、粉質(zhì)黏土、碎石等（圖3）；各地層物理力學(xué)參數(shù)按照現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)試驗參數(shù)[2]，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗進行折減，場地內(nèi)各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1[3-4]。

圖3 尾礦壩塌陷區(qū)地層剖面圖Fig.3 Stratigraphic section of the subsidence area of the tailings dam

2.1 模型建立

使用某二維計算軟件進行數(shù)值模擬，利用現(xiàn)狀塌陷區(qū)剖面建立巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)模型（圖4），使用表1參數(shù)進行計算，將計算結(jié)果與現(xiàn)狀地表塌陷規(guī)律和塌陷范圍進行比較，驗證塌陷區(qū)地質(zhì)模型的正確性。

圖4 巖溶區(qū)地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of karst area

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)值[3]Tab.1 Physical and mechanical parameters of formation

對巖溶區(qū)地質(zhì)模型進行了整體計算，計算步長設(shè)置為1 500，收斂最大控制值0.001，在沒有溶洞的情況下，計算收斂，主應(yīng)力從上到下依次增大，符合地層重力分布規(guī)律，場地沉降最大值5 mm，水平均勻分布，符合地層傾角分布，說明該模型與實際相符合，滿足計算要求。

圖5是根據(jù)現(xiàn)狀情況進行計算，計算過程中，模型計算不能收斂，說明現(xiàn)狀情況下，地層已經(jīng)發(fā)生了坍塌破壞。計算結(jié)果顯示，從地表到溶洞頂部，變形依次增大，在溶洞頂部發(fā)生了坍塌，變形最大值3.80 m，地表最大變形值1.60 m。塌陷形成了塌陷漏斗，寬度101.21 m，地表變形從兩邊到中間依次增大，在正對溶洞頂部位置地表變形最大為1.60 m。模型計算的地表塌陷范圍與現(xiàn)狀情況下的塌陷范圍一致，塌陷深度也一致。

圖5 現(xiàn)狀條件下計算成果Fig.5 Calculation results under current conditions

2.2 壩基后期塌陷預(yù)測

歷史上發(fā)生多次巖溶塌陷，礦山均采用碎石和尾礦砂混合回填，然后再繼續(xù)堆高壩體。該次塌陷發(fā)生后，礦山再次利用碎石和尾礦砂的混合物對塌陷區(qū)進行了回填，按照尾礦庫設(shè)計，后期尾礦庫還要繼續(xù)堆高12 m后閉庫，通過數(shù)值模擬計算對后期尾礦庫壩體是否會發(fā)生巖溶塌陷進行預(yù)測。

圖6 回填加高后巖溶塌陷預(yù)測圖Fig.6 Prediction of karst collapse after backfilling and heightening

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，后期尾礦壩壩基處于穩(wěn)定狀態(tài)，受到后期壩體繼續(xù)堆高和水位抬升影響，地表出現(xiàn)了0.10 m的沉降，這主要是壩體的自重影響造成的。巖溶溶洞體積較小，被尾礦砂碎石回填，在塌陷區(qū)下方一定范圍內(nèi)形成了穩(wěn)定充填區(qū)，但是尾礦砂碎石流動性極差，自然回填會形成自然休止角，在溶洞的延伸方向并不會形成連續(xù)的充填體，此次回填只會治理已經(jīng)塌陷的區(qū)域，對于其他巖溶區(qū)及流通管道不會有明顯的效果，這些區(qū)域隨著壩體的增高和水位的抬升極大可能還會發(fā)生塌陷，塌陷坑回填只是一種被動的治理手段。

3 治理手段和方法

巖溶地面塌陷的治理，是為了保持地基穩(wěn)定及地質(zhì)環(huán)境均衡[5]，目前常用的方法主要分為地表封閉防滲加固[6]，地下溶洞充填加固及結(jié)構(gòu)物跨越等三大類型的整治措施，針對本工程特點主要介紹三種治理手段，對比各自的優(yōu)缺點。

3.1 上覆地層三重高壓旋噴注漿加固

在基巖面以上的黏性土或砂土層一定的深度范圍內(nèi)，采用三重高壓旋噴注漿，通過高壓水切割黏性土或砂土層，水泥漿充填高壓水切割形成的空區(qū)，形成水泥漿膠結(jié)體，在灰?guī)r頂部形成一定厚度和較高強度的水泥漿膠結(jié)體板[7]。結(jié)合工程的實際情況，由于基巖面以上主要為黏性土層，其滲透性小，為弱透水地層，治理設(shè)計中對蓋板整體性和強度要求較高[8]，三重高壓旋噴注漿加固將在巖溶空腔上部形成穩(wěn)定堅固的頂板。該方法施工工藝成熟，可提供較高的注漿壓力，高壓水切割地層能力大，范圍廣，漿液能控制，膠結(jié)板質(zhì)量能保證。施工采用地面施工，不用進行大規(guī)模土方開挖和地下工程，在尾礦庫地區(qū)尤為適用，安全性高[9]。

3.2 空腔充填碎石加固

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，巖溶腔體和巖溶孔洞是地下水聯(lián)通通道[10]，在治理巖溶塌陷的同時，不能簡單將地下水通道封堵，如果封堵，將會造成庫區(qū)地下水位抬升，水壓力增大，主壩浸潤線抬升，主壩穩(wěn)定性下降，造成潰壩的風(fēng)險。同時別的副壩隨著地下水位的抬升，也可能成為地下水排泄的出口，造成潰壩事故。

基于上述原因，巖溶孔洞充填碎石既能保留原有地下水通道，又能防止巖溶空腔頂板垮塌，同時也能隔絕上層含水層和巖溶腔體的水力聯(lián)系，降低地下水位下降速度，達到防治巖溶塌陷和阻斷水位下降對上覆地層的虹吸作用。首先利用鉆孔充填碎石治理已經(jīng)查明的巖溶腔體和孔洞，同時在巖溶區(qū)施工透氣孔，減緩地下水下降速度，消除虹吸作用。碎石充填能從根本上消除巖溶塌陷，施工難度小，地面施工安全可靠，成本低，適合地下水流聯(lián)系緊密地區(qū)及過水通道巖溶區(qū)的治理[11]。

3.3 下游透水壩治理

在確定的巖溶發(fā)育規(guī)律及地下水水流方向，采用在地下水流下游方向巖溶發(fā)育的區(qū)域，通過鉆孔灌注碎石透水材料的方式，修筑一道地下透水墻體，攔截上游的細顆粒填筑材料，降低水流速度，同時在巖溶區(qū)施工透氣孔，減緩地下水下降速度，消除虹吸作用。該方法能有效減緩巖溶區(qū)地下水流速，將上游塌陷區(qū)填筑的尾礦砂、碎石土等材料攔擋在透水壩前，防止填筑材料向巖溶下游及深部發(fā)育區(qū)運移，可以讓填筑材料快速的充滿巖溶腔體和通道，防止尾礦壩區(qū)域的巖溶塌陷。上游充填體采用了細顆粒充填物，有效解決了碎石充填體流動性差，難以形成連續(xù)密實充填帶，接頂率低的問題，治理費用低。透水墻體本身就是填筑巖溶通道下游腔體形成的，不需要另外增加施工工作量，既節(jié)省成本，又有效消除巖溶腔體的塌陷隱患，同時還不阻斷地下水流通通道，改變地下水流場[12]。

4 結(jié)論

尾礦庫壩基水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件對巖溶發(fā)育有利，該區(qū)域巖溶發(fā)育強烈，嚴重影響尾礦庫的穩(wěn)定性，后期發(fā)生巖溶塌陷的可能性極大。通過邊塌陷邊回填的方法能在短時間內(nèi)較為有效地治理該區(qū)域巖溶塌陷，但不能保證在別的巖溶區(qū)域不發(fā)生巖溶塌陷，這只是暫時的治標措施。符合工程實際的三種治理手段各有優(yōu)缺點，可以根據(jù)業(yè)主的需求和目標進行選擇。