深圳市龍崗中心城區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)滲透變形試驗研究

摘 要：土層的滲透破壞是龍崗區(qū)塌陷（土洞）形成的重要因素，通過在現(xiàn)場取原狀樣和室內(nèi)人工配制擾動樣的方法，進(jìn)行室內(nèi)滲透變形試驗，對龍崗區(qū)巖溶塌陷成因進(jìn)行詳細(xì)分析，深入探討地下水滲透破壞對巖溶塌陷的影響。在監(jiān)測區(qū)內(nèi)選取3類主要土層：黏土、粉質(zhì)黏土、中砂，共設(shè)置了11組土樣進(jìn)行室內(nèi)擾動土滲透變形試驗。試驗結(jié)果表明，土體發(fā)生滲透塌陷破壞與土體性質(zhì)、顆粒級配、土層結(jié)構(gòu)、土體內(nèi)部空腔大小、土體下部透水基巖孔洞大小以及外部水力梯度等有密切關(guān)系。

關(guān)鍵詞：巖溶塌陷；土層結(jié)構(gòu)；滲透變形試驗

Seepage deformation of Karts development areas in Longgang， Shenzhen

ZHANG Guixiang

（Shenzhen Investigation & Research Institute Co. Ltd.， Shenzhen 518026， Guangdong， China）

Abstract： Longgang District is located in the northeast of Shenzhen City. In recent years， with increasing urban construction， Karst collapse occurs frequently in this area. The study on the collapse origin is of great importance to the prevention and treatment. The seepage failure of soil mass under the action of groundwater seepage is the main reason for the formation of collapse （soil cave） in the monitored area of Karst collapse in Longgang District. In this paper， the cause of Karst collapse is analyzed in detail and the influence of groundwater seepage failure on Karst collapse is discussed.

Keywords： karst collapse; soil structure; filtration erosion test

龍崗區(qū)位于深圳市東北部，以丘陵、谷地、盆地為主（黃鎮(zhèn)國等，1983），覆蓋型與埋藏型巖溶較發(fā)育（廣東省深圳市地質(zhì)局，1998），隨著龍崗區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類活動日趨強(qiáng)烈，由此引發(fā)一系列巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全，并對該區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成很大威脅。為鞏固已有經(jīng)濟(jì)建設(shè)成果，最大限度地保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全，1996年開始，龍崗區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的防治工作也提上了日程。1996—1998年，分別對龍崗、坪山、坪地、坑梓4個街道辦的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了專門的勘查；2005—2007年，深圳市地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)調(diào)查項目的啟動和竣工，對龍崗巖溶區(qū)巖溶環(huán)境和巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了全面調(diào)查。另外自深圳特區(qū)建立以來，由全市各勘察單位先后完成了數(shù)以萬計建筑場地的工程地質(zhì)和巖土勘察報告。經(jīng)過多年的工作，龍崗巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的勘查和防治工作取得了重要成果。工作區(qū)以往巖溶塌陷研究偏重于巖溶塌陷的勘查和防治，對巖溶塌陷機(jī)理及預(yù)警預(yù)報模型的研究偏少，巖溶塌陷的機(jī)理研究對巖溶塌陷的防治至關(guān)重要（羅小杰等，2021），土層的滲透破壞是龍崗區(qū)塌陷（土洞）形成的重要因素（蒙彥等，2019），本次工作通過塌陷模型試驗和原狀土樣滲透變形試驗，在室內(nèi)再現(xiàn)塌陷發(fā)育過程。

收集以往資料，詳細(xì)分析龍崗區(qū)的土層結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的土層結(jié)構(gòu)現(xiàn)場選取原狀樣和室內(nèi)人工配制擾動樣的方法，進(jìn)行室內(nèi)滲透變形試驗，結(jié)合監(jiān)測區(qū)內(nèi)現(xiàn)場鉆孔揭露存在巖溶土洞、破碎基巖的實際情況，模擬其在地下水滲透作用下發(fā)生潛在塌陷的可能，找出不同土體結(jié)構(gòu)、土體性質(zhì)與巖溶塌陷的潛在關(guān)系。揭示巖溶塌陷發(fā)災(zāi)機(jī)理，為開展巖溶塌陷預(yù)報模型研究提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 工作區(qū)巖溶塌陷形成的土層結(jié)構(gòu)

調(diào)查區(qū)土層結(jié)構(gòu)主要分為4類，以二元土層結(jié)構(gòu)為主（葉維國，2015）。局部地段無覆蓋層分布。各地層結(jié)構(gòu)的分布如下：

1）一元結(jié)構(gòu)

自北至南各分布帶如下：

榭麗花園分布帶：土層結(jié)構(gòu)為單一的黏性土，層厚約10～11 m，面積約0.06 m2；嘉發(fā)家私廠以南分布帶：土層結(jié)構(gòu)為粉質(zhì)黏土，層厚約12～17 m，面積約0.19 m2。

2）二元結(jié)構(gòu)

監(jiān)測區(qū)二元結(jié)構(gòu)土層分布較廣且呈連續(xù)分布狀態(tài)。其分布范圍北至監(jiān)測區(qū)北端，南至嘉發(fā)家私廠，西側(cè)為圳埔?guī)X—龍城廣場—龍崗河—松元巷—福寧路一帶，東至監(jiān)測區(qū)東端。土層結(jié)構(gòu)一般為礫砂層+黏土或粉質(zhì)黏土層，局部為黏土層+粉質(zhì)黏土層。二元結(jié)構(gòu)土層分布面積約3.94 m2。

3）三元結(jié)構(gòu)

自北至南各分布帶如下：

龍園公園—福寧路—新生派出所以西分布帶：土層結(jié)構(gòu)一般上部為粉土，中部為砂土、底部為粉質(zhì)黏土層。其中粉土層厚約4 m，砂土層厚約2 m，粉質(zhì)黏土層厚約5 m，該帶分布面積約0.68 m2。

龍崗地王—榭麗花園—沿龍崗河—楊屋以西分布帶：土層結(jié)構(gòu)一般上部為礫砂層，層厚2.2～8.1 m，中部為黏土層，層厚0.5～9.5 m，底部為粉質(zhì)黏土層，層厚1.7～11.36 m，局部上部為粉質(zhì)黏土（黏土）層，層厚2.1～5.1 m，中部為礫砂層，層厚1.4～3.5 m，底部為粉質(zhì)黏土（黏土）層，層厚15.85～21.33 m。該帶分布面積約0.59 m2。

臺灣工業(yè)區(qū)—埔圳嶺—嘉發(fā)家私廠以西分布帶：土層結(jié)構(gòu)上部為粉質(zhì)黏土層，層厚3.5～4.9 m，中部為礫砂層，層厚5.7～6.9 m，底部為粉質(zhì)黏土層，層厚7.3～14.5 m。該帶分布面積約0.54 m2。

4）多元結(jié)構(gòu)

龍崗教師之家分布帶：土層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要包括粉質(zhì)黏土層、粉土層、礫狀混碎石層、黏土混礫砂等，分布面積約0.035 m2；

龍崗中心城分布帶：土層結(jié)構(gòu)較多，主要包括粉質(zhì)黏土層、中粗砂層、粉土層、黏土層，分布面積約0.04 m2。

此外根據(jù)已收集的勘察資料，寧佳置業(yè)有限公司寧佳01058—0027地塊無覆蓋層，基巖頂部僅為少量填土層覆蓋。

資料顯示：土層的結(jié)構(gòu)組成及最下部土層的物質(zhì)成分對巖溶塌陷的形成有直接影響。研究區(qū)容易造成巖溶塌陷的土層結(jié)構(gòu)一般為礫砂層+黏土或粉質(zhì)黏土層，局部為黏土+粉質(zhì)黏土層，其次是上部為粉土，中部為砂土、底部為粉質(zhì)黏土層或多元結(jié)構(gòu)、均一黏性土一元結(jié)構(gòu)；從最下部土層的物質(zhì)組成來看，黏粒含量與巖溶塌陷存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

1.2? 滲透變形試驗

龍崗巖溶塌陷監(jiān)測區(qū)塌陷（土洞）形成的主要原因為土層的滲透破壞，通過在現(xiàn)場取原狀樣和室內(nèi)人工配制擾動樣的方法，進(jìn)行室內(nèi)滲透變形試驗。

1.2.1? 地質(zhì)模型的劃分和選取

根據(jù)收集資料，監(jiān)測區(qū)的地質(zhì)模型可以分為以下幾類：

1）透水層—基巖

該模型為監(jiān)測區(qū)主要地質(zhì)模型，出露廣泛。透水層主要由粉質(zhì)黏土、礫砂、礫石類物質(zhì)組成，且直接覆蓋于基巖之上。

2）透水層—隔水層—基巖

該地質(zhì)模型在監(jiān)測區(qū)發(fā)育也較普遍，透水層巖性主要為粉質(zhì)黏土、中粗砂；隔水層主要為黏土，基巖為局部破碎的微風(fēng)化大理巖。

3）透水層—隔水層—透水層—基巖

該模型在工作區(qū)出現(xiàn)得比較少，上部透水層巖性主要為細(xì)砂、卵石層以及粉質(zhì)黏土，隔水層主要為黏土，下部透水層主要為卵石?；鶐r為裂隙比較發(fā)育的微風(fēng)化大理巖。

4）隔水層—透水層—隔水層—基巖

上下隔水層均為黏土層、透水層由粉砂、中砂組成?；鶐r為微風(fēng)化大理巖。該地質(zhì)模型在本區(qū)局部出露。

5）隔水層—透水層—基巖

隔水層主要由黏土層組成，透水層中砂、卵石等組成，該種模型在工作區(qū)極少出現(xiàn)。

根據(jù)以上5種模型，結(jié)合工作區(qū)具體情況，在本次試驗中僅選取主要2種地質(zhì)模型進(jìn)行試驗，即為：透水—隔水—基巖（一元地質(zhì)模型）、透水—基巖（二元地質(zhì)模型）。

①透水—基巖地質(zhì)模型

透水層主要為粉質(zhì)黏土層及砂、礫石層。

②透水—隔水—基巖地質(zhì)模型

上部透水層為砂、礫石層；下部為隔水層，其巖性主要為粉質(zhì)黏土、黏土層。

1.2.2? 試驗原理

根據(jù)以上地質(zhì)模型，在監(jiān)測區(qū)內(nèi)選取典型土類調(diào)制試樣，在試樣的頂、底部施加水壓力，水頭由大到小逐漸增大，每個水頭量測一次出水量，觀測是否有土粒流出，當(dāng)某個時間段出水量突然變化、滲出水渾濁或有較多土粒時，判定土體在該水頭壓力下發(fā)生滲透變形破壞，否則加下一級水頭，直至破壞（鄒昌喜等，2020；陳逸方，2017；蘭曉荀，2020）。

1.2.3? 儀器設(shè)備

垂直滲透變形儀（陜西秦海檢測科技有限公司，2019）：筒身內(nèi)徑15 cm，筒身高45 cm，透水板孔徑5 mm。見圖1～3。

供水設(shè)備：供水箱、橡皮管。

量測設(shè)備：測壓管、量筒、秒表、溫度計、百分表。

儀器檢查：1）滲透變形儀儲水功能是否正常，完成后降低水箱內(nèi)的水位，保證下透水板下部與供水箱內(nèi)水平一致（劉黎，2006）；2）取去頂蓋，放入下透水板，并放入與透水板直徑一致的濾網(wǎng)，防止細(xì)顆粒物質(zhì)的流失，并在滲透變形儀與濾網(wǎng)間涂一圈油泥或橡皮泥（楊堯，2009）；3）打開儀器所有的測壓孔，保證整個測壓孔均在排氣。

1.2.4? 試驗步驟

1）采樣，在現(xiàn)場選取不同類型有代表性地區(qū)，采用鉆孔方式，取原狀土樣，特別是基巖面附近土層和溶溝溶槽充填土土樣。

2）制樣，土樣長度15 cm，高10～15 cm，從風(fēng)干松散的土樣中選擇典型的做顆粒的分析，畫出土樣的顆粒級配曲線。計算試樣質(zhì)量。

md = ρd π γ2 h'

式中：md為干土質(zhì)量，g；ρd為需控制的干密度，g·cm-3；γ為筒身半徑，cm；h'為土樣高度，cm。

3）裝樣，應(yīng)當(dāng)分層進(jìn)行裝樣，以保證試樣的細(xì)顆粒和粗顆粒的均一，同時確保每層土的級配基本一致，試樣應(yīng)分層裝進(jìn)儀器，錘實，達(dá)到要求的密度試樣總厚度，注意用密封材料密封。

4）土樣的飽水，首先量取試樣的高度，然后采用從下而上采用低水頭飽和法對土樣進(jìn)行飽和。

5）試驗，根據(jù)土樣細(xì)顆粒物質(zhì)的百分比推測滲透破壞的方式（武鑫等，2019）。由此來確定初始滲透坡降及滲透坡降遞增值。滲透變形破壞的主要表現(xiàn)形式為管涌破壞和流土破壞，前者的初始滲透坡降值及遞增值偏?。▌⒊畿姷?，2017）。

6）不斷增加供水箱內(nèi)的水位，確保水位比滲透儀的上進(jìn)水口略高，以便于初始滲透坡降值的獲取。

7）加壓，對管涌土（表1）加第一級水頭時，初始滲透坡降建議0.02～0.03；后面一般可參照0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0等坡降遞增，臨界坡降快到達(dá)時，應(yīng)減少滲透坡降遞增值。非管涌土，初始滲透坡降可略高于管涌土，同時適當(dāng)增大滲透坡降遞增值（羅林峰等，2008）。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 結(jié)果

本次試驗在監(jiān)測區(qū)內(nèi)選取3類主要土層：黏土、粉質(zhì)黏土、中砂，共設(shè)置了11組土樣進(jìn)行室內(nèi)擾動土滲透變形試驗，各類土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2，其級配曲線見圖4。

根據(jù)以上地質(zhì)模型，結(jié)合監(jiān)測區(qū)內(nèi)現(xiàn)場鉆孔揭露存在巖溶土洞、破碎基巖的實際情況，為模擬其在地下水滲透作用下發(fā)生潛在塌陷的可能，設(shè)置了以下9組試驗樣本，其中1-7號為一元地質(zhì)模型的“透水層+基巖”，8-9號為二元地質(zhì)模型“透水層+隔水層+基巖、隔水層+透水層+基巖”，詳見表3。

為模擬監(jiān)測區(qū)土洞及破碎基巖，在土樣底部設(shè)置均勻分布孔徑5 mm的透水板，根據(jù)實際滲透破壞效果，后又逐級增大了原透水板個別孔徑至5～8個?12 mm透水孔，確保水樣及細(xì)顆粒順利滲出。對于土洞的模擬，先按密實土樣進(jìn)行滲透試驗，后在土樣底部設(shè)置40 mm × 40 mm × 20 mm、40 mm × 40 mm × 40 mm方糖（遇水1 h后融化）以模擬巖溶空腔，觀察土樣滲透破壞情況。

各組土樣滲透試驗結(jié)果及變化趨勢見圖5。

2.2? 討論

根據(jù)上述試驗，不同類型的試樣，其滲透系數(shù)隨水力梯度的變化區(qū)別較大。試樣1在i=0～11內(nèi)滲透系數(shù)變化較平穩(wěn)，i>11后，滲透系數(shù)降低明顯；試樣2在i =0～5內(nèi)滲透系數(shù)穩(wěn)定，i=5～6.5滲透系數(shù)增大，i>6.5后滲透系數(shù)趨穩(wěn)；試樣3在i=0～3滲透系數(shù)較穩(wěn)定，i=3～4時滲透系數(shù)逐級增大，i>4后，滲透系數(shù)仍逐級增大；試樣4在i=0～8內(nèi)滲透系數(shù)平穩(wěn)減少，i>8后滲透系數(shù)降低；試樣5在i=0～3內(nèi)滲透系數(shù)穩(wěn)定，i=3～5內(nèi)滲透系數(shù)相對減少，i>5后滲透系數(shù)降低；試樣6在i=1～2.5內(nèi)滲透系數(shù)逐漸增大，i=2.5～13內(nèi)滲透系數(shù)增幅先大后逐漸減小，i>13后滲透系數(shù)趨小；試樣7 在飽和后即發(fā)生貫穿破壞；試樣8 在i=0～1內(nèi)滲透系數(shù)增幅逐級增大，i=1～7內(nèi)滲透系數(shù)趨小，試樣9在i=1.5～4內(nèi)繩頭系數(shù)增大，i=4～7內(nèi)滲透系數(shù)趨小。各試樣試驗結(jié)果見表4。

3? 結(jié)論

1）土體發(fā)生滲透塌陷破壞與土體性質(zhì)、顆粒級配、土層結(jié)構(gòu)、土體內(nèi)部空腔大小、土體下部透水基巖孔洞大小以及外部水力梯度等有密切關(guān)系。

2）在土體性質(zhì)及顆粒級配方面，黏土、粉質(zhì)黏土層、砂層隨細(xì)粒含量減少而更利于塌陷發(fā)生，粉粒及以下粒徑的含量越高，越容易形成內(nèi)部穩(wěn)定土拱，越不利于塌陷的發(fā)育及擴(kuò)展。

3）結(jié)合試驗區(qū)的土層結(jié)構(gòu)，砂、卵石層直接覆蓋在基巖上的二元結(jié)構(gòu)比較有利于塌陷的發(fā)生，一元結(jié)構(gòu)次之。

4）在土體內(nèi)部空腔大小方面，空腔高度/試樣厚度值h'/h越大，越容易發(fā)生塌陷。

具體對黏土而言，當(dāng)h'/h≥0.4時易發(fā)生地表塌陷，0.4≥h'/h≥0.27時易形成內(nèi)部穩(wěn)定土拱，h'/h<0.27時為穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)；對粉質(zhì)黏土而言，當(dāng)h'/h≥0.27時易發(fā)生地表塌陷，h'/h<0.27時為穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)；對砂層而言，當(dāng)h'/h≥0.27時易發(fā)生地表塌陷，0.27≥h'/h≥0.13時易形成內(nèi)部穩(wěn)定土拱，h'/h<0.13時為穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)。

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收稿日期：2022-04-01；修回日期：2022-07-01

基金項目：深圳市典型地質(zhì)災(zāi)害點的監(jiān)測與示范研究項目（2007003-2）資助

作者簡介：張桂香（1981- ），女，碩士，高級工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工作。E-mail：277384633@qq.com

引用格式：張桂香，2023.深圳市龍崗中心城區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)滲透變形試驗研究［J］.城市地質(zhì)，18（1）：41-48