覆蓋型巖溶塌陷的空間預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

劉秀敏，陳從新，沈 強(qiáng)，陳建勝

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

巖溶塌陷是世界各地頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，中國(guó)巖溶面積達(dá)363×104km2，占國(guó)土面積的1/3以上[1]，每年巖溶災(zāi)害引起巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。巖溶塌陷在時(shí)間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性[2]，巖溶塌陷危害性強(qiáng)，并且一旦發(fā)生塌陷將有嚴(yán)重的后續(xù)效應(yīng)。因此，如何進(jìn)行巖溶塌陷的時(shí)空預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)已成為巖溶災(zāi)害防治研究中最突出的國(guó)際性前沿課題。

目前，巖溶塌陷的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分為塌陷時(shí)間預(yù)測(cè)和空間預(yù)測(cè)兩類。時(shí)間預(yù)測(cè)以統(tǒng)計(jì)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等學(xué)科綜合交叉的定量、半定量方法為代表[3];空間預(yù)測(cè)主要是以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的巖溶危險(xiǎn)區(qū)劃方法[4－5]，這類方法主要是對(duì)巖溶塌陷的影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，賦予影響因子不同的權(quán)重，并應(yīng)用GIS的疊加分析等功能實(shí)現(xiàn)巖溶危險(xiǎn)等級(jí)的劃分。該方法在宏觀區(qū)域的巖溶塌陷的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方面具有較好的效果，但在評(píng)價(jià)因子的選取、權(quán)重賦值等方面存在較大的主觀性，并且不能對(duì)具體巖溶區(qū)的塌陷范圍做出定量預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，從而不能有效指導(dǎo)巖溶災(zāi)害的工程治理。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外巖溶塌陷相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，提出典型覆蓋型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并分析了其在地下水升降及雨水入滲作用下的塌陷機(jī)制；針對(duì)當(dāng)前巖溶區(qū)劃過于籠統(tǒng)，不能對(duì)具體巖溶危險(xiǎn)區(qū)作出定量分析，在該典型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)方法，并將其用于具體巖溶災(zāi)害區(qū)進(jìn)行巖溶塌陷的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

2 典型覆蓋型巖溶地質(zhì)模型及塌陷機(jī)制分析

巖溶類型的劃分有多種原則，根據(jù)其埋藏條件可分為覆蓋型和埋藏型兩類。其中埋藏型的巖溶上部一般為風(fēng)化程度較小的非可溶巖，工程性質(zhì)好，不容易發(fā)生塌陷；覆蓋型巖溶上部一般有厚度不等的土蓋層。相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在巖溶地區(qū)，地面塌陷分布的稀與密大體以第四系厚度大于或小于30 m為界限[6]。其中，厚度大于30 m的土蓋層中即使發(fā)育有少量土洞，也因土拱效應(yīng)而自身結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；土蓋層厚度小于10 m的巖溶一般在工程建設(shè)初期就已經(jīng)引起重視，施工過程中采取相應(yīng)的處治措施排除其危害；而土蓋層厚度介于10～30 m的巖溶土洞則具有隱蔽性，在地下水位升降及地表水入滲情況下容易誘發(fā)突然塌陷，最具危害性。

目前關(guān)于巖溶塌陷成因的探討比較有代表性的有潛蝕論、真空吸蝕論、重力論、液化論等，巖溶塌陷機(jī)制的討論多與巖溶頂板厚度[7]、溶洞土洞的形態(tài)、土蓋層性質(zhì)等有關(guān)，雖然取得了眾多研究成果，但由于沒有統(tǒng)一的地質(zhì)模型作為參照，很難將研究成果系統(tǒng)化、歸一化。

筆者在總結(jié)現(xiàn)有巖溶塌陷工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，針對(duì)危害性最大的覆蓋型巖溶， 嘗試建立有塌陷代表性的地質(zhì)模型——“土蓋層－巖溶體”地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該地質(zhì)模型的土蓋層厚度在10～30 m之間，由第四系黏土或砂土組成，透水性較差；巖溶體為以石灰?guī)r和白云巖為主的可溶性碳酸鹽類巖石；地表水和地下水沿基巖的孔隙、裂隙和層面由高水頭向低水頭滲流，不斷溶蝕碳酸巖形成溶洞溶槽，與此同時(shí)，也將土粒潛蝕搬運(yùn)從而在土層中形成土洞，進(jìn)而使該地質(zhì)模型的土-巖交界面處溶洞及土洞發(fā)育。

誘發(fā)這類典型巖溶地質(zhì)體突然塌陷的因素主要有以下3種：地下水位的快速下降、陡然上升和地表水的大量入滲。

圖1 典型覆蓋型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Typical covered karst geologic model

當(dāng)?shù)貙又械牡叵滤豢焖傧陆禃r(shí)，地下水水力坡度增大，滲透力大小與水力坡度成正比，故增大的滲透力是水位下降時(shí)誘發(fā)地面塌陷的因素之一。此外，當(dāng)土蓋層為密實(shí)的黏土蓋層時(shí)，水位快速下降容易在巖溶空腔中形成負(fù)壓，導(dǎo)致溶洞頂板塌落。

與水位驟降相比，水位快速上升時(shí)將在巖溶空腔產(chǎn)生更大的附加力[8]。在巖溶層中水的滲透性好，水位恢復(fù)快，從而導(dǎo)致土洞中壓力急速增高，在土洞頂部的土層中形成較大的向上力，這個(gè)力正好與土層重力的方向相反，并很快與重力達(dá)成瞬間平衡。隨著水位的繼續(xù)上升，正壓不斷增大，當(dāng)其大于土層自重和土層抗剪強(qiáng)度及外界大氣壓力時(shí)，土層便發(fā)生破壞，甚至出現(xiàn)“氣爆”現(xiàn)象。

此外，土蓋層的物理力學(xué)性質(zhì)受含水率的控制。長(zhǎng)時(shí)間降雨條件下，地表水的入滲以及水－土間的相互物理化學(xué)作用，容易造成土層抗變形能力和強(qiáng)度降低，即所謂“軟化”，同時(shí)土層重力增加，這種情況往往引起巖溶土洞塌陷。

3 巖溶塌陷的空間預(yù)測(cè)方法

巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)首先應(yīng)探明溶洞及土洞的埋藏情況。自20世紀(jì)70年代初以來，地球物理勘探工作者嘗試應(yīng)用物探方法解決巖溶地區(qū)探測(cè)問題。經(jīng)過40年的發(fā)展，物探方法和技術(shù)取得很大進(jìn)步，高密度地震映像法、陸地聲納法、高密度電法、探地雷達(dá)、電磁波吸收 CT、管波探測(cè)法等在地質(zhì)災(zāi)害隱患、隱伏巖溶、工程結(jié)構(gòu)體完整性探測(cè)等方面都取得了很大的成效[9]。目前工程中常用的巖溶地面探測(cè)主要是地震映像法、高密度電阻率法和探地雷達(dá)。

巖溶是在具體的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下形成的，在物理探測(cè)的同時(shí)應(yīng)開展工程勘察，從宏觀上把握巖溶區(qū)的地層結(jié)構(gòu)。通過地質(zhì)鉆孔可對(duì)物探發(fā)現(xiàn)的巖溶異常帶進(jìn)行進(jìn)一步的印證和確定，以準(zhǔn)確了解巖溶的空間形態(tài)和發(fā)育規(guī)律。同時(shí)進(jìn)行巖、土體的物理力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握巖、土體的物理力學(xué)性質(zhì)是巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

由于影響巖溶塌陷的因素眾多，針對(duì)具體巖溶區(qū)進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)塌陷試驗(yàn)困難較大。而數(shù)值模擬可以便捷地進(jìn)行地層三維建模，可以模擬多個(gè)溶洞分布的溶洞群，且能兼顧考慮眾多巖溶致塌因素的影響，這使得數(shù)值模擬在巖溶塌陷的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及可視化研究方面有很大的發(fā)展前景[8]。

數(shù)值模擬研究作為巖溶區(qū)物理探測(cè)與工程勘察工作的延伸，是將巖溶塌陷空間定性預(yù)測(cè)過渡到定量預(yù)測(cè)的重要手段，能對(duì)巖溶區(qū)在地表水入滲、地下水位變化和靜荷載、動(dòng)荷載作用等諸多塌陷敏感因素影響下，地表變形的發(fā)展趨勢(shì)以及最有可能發(fā)生巖溶塌陷的危險(xiǎn)區(qū)作出定量預(yù)測(cè)。

筆者提出的巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)方法是：將地球物理探測(cè)與工程勘察相結(jié)合，探明研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)與巖溶洞穴分布情況，進(jìn)而在巖、土體物理力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬分析諸多塌陷因素影響下的地層變形情況，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)予以綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。其具體操作流程如圖2所示。相對(duì)大范圍的巖溶區(qū)劃[4－5]方法，該方法主要針對(duì)生活生產(chǎn)區(qū)所遭受的局部巖溶災(zāi)害進(jìn)行塌陷測(cè)評(píng)，為具體巖溶災(zāi)害的工程處治提供依據(jù)。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

研究區(qū)位于湖北黃石市鐵山區(qū)，該區(qū)在20世紀(jì)80年代因采礦而地下水位大幅下降，此后在1992～2009年間，陸續(xù)發(fā)生地面塌陷十幾處。目前，該區(qū)塌陷仍在發(fā)展中，屬巖溶災(zāi)害高危區(qū)。

鐵山區(qū)地處低山丘陵山間地帶。地勢(shì)東高西低，山脈走向近東西向。地面高程多在51～55 m間。研究區(qū)屬亞熱帶大陸季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)雨量充沛，多集中在4～7月份，占全年的60%，每年5～11月為洪水期，年平均降雨量為1 407 mm。根據(jù)鉆探揭露的地質(zhì)情況，塌陷區(qū)范圍內(nèi)無湖泊、河流、水塘等大的地表水體，主要含水類型為賦存于上部土層中的上層滯水及賦存于底部巖石中的巖溶裂隙水；巖溶水水位低于土-巖結(jié)合面，水位在-25 m左右。

4.2 巖溶探測(cè)

根據(jù)工程勘察鉆孔分析，在勘探深度范圍內(nèi)，研究區(qū)主要分為4種地層：第1層為人工填土，層厚0.70～10.60 m；第2層為黏土，層厚10～15 m，水穩(wěn)定性試驗(yàn)顯示，15組黏土試樣的崩解量均大于63%；第3層為大理巖，巖芯表面可見大量的溶蝕孔洞、溝槽，溶洞多為空洞；第4層為強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，多成砂土狀。

采用高密度電阻率法及地震 COD反射法進(jìn)行研究區(qū)地下50 m的物探，同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)研究區(qū)房屋下的巖溶分布情況，探測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)土洞和溶洞分布廣泛，如圖3所示。在工程勘察的48個(gè)鉆孔中，12個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)有溶洞或土洞，均在物探異常區(qū)，證明物探結(jié)果可靠。

研究區(qū)處于巖溶谷地，地下水的水平流動(dòng)帶中。根據(jù)該區(qū)的水動(dòng)力特性，地下溶洞一般發(fā)育為近水平的橢圓形管道，其埋藏深度分布在-10.8～-28.2 m之間，其大理巖中溶洞發(fā)育嚴(yán)重，土層中土洞廣泛分布。該研究區(qū)屬于典型覆蓋型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

研究區(qū)自20世紀(jì)90年代至今的塌陷都發(fā)生在4～8月份之間，正值該區(qū)雨季，2009年7月份的塌陷發(fā)生在大暴雨后，充分說明地表雨水下滲和地下水的垂直運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致該區(qū)巖溶災(zāi)害的直接原因。

圖3 研究區(qū)物探測(cè)線布置及物探異常分布Fig.3 Line layout of geophysical prospecting and anomalous zone in the research area

4.3 數(shù)值模擬

（1）數(shù)值分析模型

采用有限差分軟件 FLAC3D作為主要的計(jì)算工具開展研究工作。以居民生活區(qū)為中心，建立三維地質(zhì)力學(xué)模型。實(shí)際模擬平面面積為 300 m×190 m，模型底部邊界位于-50 m，高程為0處定為坐標(biāo)零點(diǎn)，Z軸鉛直向上。模型地面采用自由邊界，底面采用x向與y向雙向節(jié)點(diǎn)速度約束，4個(gè)側(cè)面約束垂直于邊界面的節(jié)點(diǎn)速度。

模型由雜填土、黏土、大理巖、強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖4組地層組成。網(wǎng)格剖分選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體單元，模型共建有30 587個(gè)單元，6 289個(gè)節(jié)點(diǎn)，如4圖所示。依據(jù)物探和工勘資料，采用FLAC3D特有的空模型（null）在土-巖交界處建有不同深度、不同大小的溶洞和土洞一共16個(gè)。圖5的典型剖面圖顯示了該區(qū)地層結(jié)構(gòu)和部分溶洞及土洞位置。

（2）參數(shù)取值

計(jì)算的材料模型采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb模型。表1為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)獲取的巖土體的滲透系數(shù)。表2為對(duì)鉆孔取樣的黏土試樣進(jìn)行天然和飽水狀態(tài)快剪試驗(yàn)獲取的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。進(jìn)行室內(nèi)巖、土物理力學(xué)試驗(yàn)并結(jié)合工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）推薦的指標(biāo)值確定數(shù)值計(jì)算所需的參數(shù)，見表3。

（3）工況設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算主要考慮了地下水位升降和長(zhǎng)時(shí)間降雨對(duì)研究區(qū)地表穩(wěn)定性的影響，涵蓋了水位下降致塌、水位恢復(fù)致塌和大氣降雨導(dǎo)致土蓋層軟化塌陷這3種典型覆蓋型巖溶的主要致塌機(jī)制。

圖4 研究區(qū)有限差分網(wǎng)格模型Fig.4 Finite difference grid model of the research area

圖5 典型剖面網(wǎng)格圖Fig.5 Grid chart of typical section

表1 巖、土層滲透系數(shù)Table 1 Permeability coefficients of rocks and soils

表2 黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Shearing strength indices of clay

表3 巖、土體的Mohr-Coulomb力學(xué)參數(shù)Table 3 Rocks’ and soils’ Mohr-Coulomb mechanical parameters

其中在水位陡降工況中，通過fluid與mech開關(guān)的轉(zhuǎn)換，考慮了流-固耦合作用；模擬長(zhǎng)時(shí)間降雨時(shí)，主要考慮入滲的地表水對(duì)土層物理力學(xué)性質(zhì)的弱化，黏土蓋層的計(jì)算參數(shù)采用飽和狀態(tài)下的黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其黏聚力 c =45 kPa和內(nèi)摩擦角?=16°（見表2），以達(dá)到對(duì)土蓋層軟化效應(yīng)的模擬。計(jì)算的地面沉降等值線圖如圖6～8所示。圖6顯示地下水位上升時(shí)，引起研究區(qū)左下側(cè)地面抬升，最大值為2.8 mm；圖7顯示地下水位驟降時(shí)，在居民區(qū)中心引起的地面沉降，最大值為-20 mm；觀察圖8，黏土蓋層軟化時(shí)，在研究區(qū)左下側(cè)及居民區(qū)中心引起較大地表沉降，最大值為-100 mm。

（4）巖溶塌陷預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

根據(jù)本次數(shù)值模擬結(jié)果可以得出相對(duì)于地下水位陡升與驟降這兩種情況，長(zhǎng)時(shí)間降雨使溶洞上方土蓋層軟化而導(dǎo)致的地表沉降的程度最嚴(yán)重。結(jié)合該地的氣候條件，研究區(qū)在雨季因土蓋層軟化而發(fā)生巖溶塌陷的可能性最大。圖9～11顯示了3種工況下研究區(qū)的地表不穩(wěn)定范圍。

圖6 水位陡升時(shí)地面隆起等值線圖Fig.6 Isoline map of land deformation when ground water skyrocketed

圖7 水位驟降時(shí)地面沉降等值線圖Fig.7 Isoline map of land subsidence when ground water steep descent

圖8 土層軟化時(shí)地面沉降等值線圖Fig.8 Isoline map of land subsidence when clay softened

圖9 水位陡升時(shí)地表危險(xiǎn)區(qū)示意圖Fig.9 Risk range when ground water skyrocketed

圖10 水位驟降時(shí)地表危險(xiǎn)區(qū)示意圖Fig.10 Risk range when ground water ground water steep descent

圖11 長(zhǎng)時(shí)間降雨時(shí)地表危險(xiǎn)區(qū)示意圖Fig.11 Risk range after longtime rainfall

對(duì)該研究區(qū)而言，溶洞及其上部土洞是在一定的氣候和水文地質(zhì)條件下經(jīng)巖溶水的溶蝕搬運(yùn)緩慢形成的，溶洞和土洞的存在是導(dǎo)致地面塌陷的潛在危險(xiǎn)因素，而降雨是誘發(fā)突然塌陷的直接因素。

對(duì)研究區(qū)主要房屋裂縫數(shù)量進(jìn)行不間斷統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2009年8～11月間，8號(hào)、22號(hào)和29號(hào)房屋有較多新增裂縫出現(xiàn)，主要為窗臺(tái)上的倒“八”字型斜向裂縫和窗臺(tái)下及縱墻墻體上的豎向裂縫；此外，22號(hào)房屋附近有新增地面裂縫出現(xiàn)（圖12所示）。綜合數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巡視情況，對(duì)巖溶塌陷高危區(qū)作出預(yù)測(cè)，其具體空間范圍如圖13所示。

圖12 22號(hào)房屋附近的新增地表裂縫Fig.12 Newly increased ground cracks around 22nd house

圖13 研究區(qū)巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)圖Fig.13 Spatial prediction of karst collapse for the research area

根據(jù)研究結(jié)果提出該研究區(qū)的巖溶災(zāi)害防治措施如下：巖溶塌陷高危區(qū)的房屋應(yīng)搬遷，住戶撤離；對(duì)物探揭露的埋藏較淺土洞的應(yīng)開挖換填，埋藏較深的土洞及溶洞可進(jìn)行鉆孔注漿處理；完善研究區(qū)的地表排水系統(tǒng)，從源頭上防止形成新的土洞。

5 結(jié) 論

（1）提出“土蓋層－巖溶體”典型巖溶地質(zhì)模型，將致災(zāi)率較高的覆蓋型巖溶進(jìn)行抽象概括，明確了土蓋層的厚度和巖、土體的類型，這種嘗試有利于巖溶塌陷機(jī)制研究的系統(tǒng)化規(guī)范化，增強(qiáng)了巖溶理論研究的針對(duì)性。

（2）運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)巖溶區(qū)地表變形進(jìn)行分析，考慮了地表水入滲和地下水位升降3種致塌因素，成功地模擬出了土-巖交界處的溶洞群效應(yīng)。

（3）提出“物理探測(cè)－工程勘察－巖、土體物理力學(xué)試驗(yàn)－數(shù)值模擬－監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)”的巖溶塌陷空間預(yù)測(cè)方法，并應(yīng)用于典型巖溶工程問題的定量分析中，劃分出研究區(qū)的巖溶塌陷空間范圍。該方法主要以具體的工程數(shù)據(jù)為依據(jù)，具有較強(qiáng)的操作性，預(yù)測(cè)結(jié)果客觀可靠，可在類似工程問題中予以推廣。

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