基于物理模型試驗的巖溶塌陷定量研究

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(1．長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2． 廣州大學 廣州大學-林雪平大學城市可持續(xù)發(fā)展研究中心，廣州 510006)

1 研究背景

巖溶塌陷是指隱伏在覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，在自然或人為因素作用下，覆蓋層物質(zhì)沿巖溶通道進入巖溶空洞，引起覆蓋土體發(fā)生漏失，導致地面出現(xiàn)塌陷的自然現(xiàn)象。巖溶塌陷是我國6大地質(zhì)災(zāi)害之一，對我國人民的生命和財產(chǎn)安全造成重大損失。因此，國內(nèi)外學者高度關(guān)注巖溶塌陷，并開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。

目前，國內(nèi)外關(guān)于巖溶塌陷的研究主要集中于巖溶類型劃分[1]、發(fā)育規(guī)律[2]、影響因素[3]、形成原因[4-6]、塌陷機理[7]、監(jiān)測-勘測技術(shù)[8-9]以及防治措施[10]等方面。范士凱[2]根據(jù)近30 a的巖溶塌陷工作經(jīng)驗，認為“真空吸蝕論”[11]、“潛蝕論”[12]、“滲流液化論”[2]這3種機理是存在的，并指出不同地質(zhì)條件下發(fā)生不同類型的塌陷有不同的塌陷機理。但因巖溶塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性、多因素性與不確定性等特點，至今仍未形成系統(tǒng)的、統(tǒng)一的巖溶塌陷理論[13]。

傳統(tǒng)的巖溶成因及其影響因素等研究工作幾乎都是以巖溶塌陷的最終狀態(tài)為研究對象展開的，難以了解巖溶塌陷過程，這導致對塌陷形成機制的認識不夠全面與深入。因此，通過室內(nèi)模型試驗可動態(tài)觀測巖溶塌陷的形成過程及其演化機理，同時，室內(nèi)模型試驗也是驗證已提出的塌陷理論是否存在的有效方法之一。如孫金輝[14]對黏土覆蓋的巖溶塌陷進行了物理模型試驗，獲得臨界塌陷寬度為2～3 mm，但模型裝置塌陷孔與大氣接觸，處于無壓狀態(tài)，與實際巖溶塌陷口或塌陷管道處于有壓狀態(tài)的情況不符；雷明堂等[15]以湖北省武漢市典型巖溶塌陷案例為原型建立了大型物理模型，主要針對單一結(jié)構(gòu)(黏土)、二元結(jié)構(gòu)(上層為黏土、下層為粉砂)進行系列試驗，認為巖溶地下水位下降是誘發(fā)巖溶塌陷的主要原因，但不能量化塌陷形成過程；張鑫等[16]針對上覆粉質(zhì)黏土的巖溶塌陷進行物理模型試驗研究，認為抽水引起的水位下降幅度是導致巖溶塌陷的主要因素，并提出了臨界水位降幅為23.2 mm。盡管采用巖溶物理模型試驗已證實了部分塌陷理論的正確性，并再現(xiàn)了巖溶塌陷的過程，提升了對巖溶塌陷演化本質(zhì)的理解，但在如何量化巖溶塌陷過程方面存在明顯不足，特別是如何獲得塌陷過程中巖溶覆蓋層塌陷程度。同時，已有的巖溶塌陷模型試驗主要集中考慮地下水下降與波動對巖溶塌陷的影響，急需開展其他類型巖溶塌陷的物理模型試驗以提升對巖溶塌陷機理的認識水平。

因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對上述存在的問題，利用自主研發(fā)的恒壓取樣技術(shù)，定量研究巖溶塌陷過程，以驗證“滲流液化論”塌陷機理，并研究黏土層對巖溶塌陷的阻隔作用。

2 材料與方法

2.1 物理模型

物理模型由模型主體、供水系統(tǒng)、砂土收集系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)與地面變形監(jiān)測系統(tǒng)組成。物理模型結(jié)構(gòu)見圖1。其中開口直徑10 mm，泥沙收集裝置材料為透明有機玻璃，高度25 cm，直徑12 cm，接口直徑為5 cm。

(a)模型結(jié)構(gòu)示意圖

(b)模型結(jié)構(gòu)實物圖

圖1物理模型裝置

Fig.1Schematicdiagramandphotoofthephysicalmodelforlaboratorytest

2.1.1 模型主體

模型主體為長60 cm、寬30 cm、高40 cm的長方體，為巖溶基巖上覆地層模擬區(qū)域。主體模型左右兩側(cè)均為供水水槽。在主體模型的正中間預(yù)留一直徑為10 mm的圓孔，模擬巖溶通道與上覆地層的巖溶開口。

2.1.2 供水系統(tǒng)

主體模型兩側(cè)的水槽為上覆地層(如粉細砂層)提供穩(wěn)定水頭，在整個試驗過程中上游水位維持不變(供水系統(tǒng)1)。巖溶管道供水系統(tǒng)(供水系統(tǒng)2)為巖溶通道提供設(shè)計水位，在整個試驗過程中可按要求變化。兩供水系統(tǒng)相互獨立，互不影響。

2.1.3 砂土收集系統(tǒng)

收集系統(tǒng)由2個漏斗狀收集容器串聯(lián)組成。容器1和容器2分別和供水系統(tǒng)2連接。在整個試驗過程中，容器1供水系統(tǒng)均處于開啟狀態(tài)。但取砂土樣時，將容器1和容器2之間的連接閥關(guān)閉，阻斷其水力聯(lián)系。待取樣結(jié)束，恢復(fù)容器2中水壓后，打開連接閥。每次取砂過程中，保證容器1中水壓力不變，但又不影響沙漏發(fā)生過程。每隔10～20 min取樣一次。

2.1.4 水位控制系統(tǒng)

采用長江科學院研制的靜水位控制系統(tǒng)，可分別對砂層孔隙介質(zhì)和巖溶地層提供獨立的穩(wěn)定水頭?？刂凭? mm，量程0～15 m(靜水頭)。

2.1.5 砂層孔隙水位監(jiān)測

在巖溶開口上方(模型的正中心)，離砂層底部距離分別為21，16，6 cm位置埋設(shè)孔隙水測壓管(水頭分別記為H上，H中,H下)，采用HX601精密數(shù)字壓力表監(jiān)測巖溶管道持續(xù)下降過程中模型中心剖面水位動態(tài)變化情況。壓力監(jiān)測精度為0.1 mm。

2.1.6 巖溶塌陷監(jiān)測

利用攝像機錄制巖溶塌陷全過程，重點捕獲砂層中水位降落漏斗以及巖溶塌陷的啟動—發(fā)生—結(jié)束全過程。

2.2 土樣

采用武漢市古田二路粉質(zhì)黏土和新世紀粉細砂作為巖溶物理模型試驗土。粉細砂和粉質(zhì)黏土干密度分別為1.40 g/cm3和1.60 g/cm3，初始質(zhì)量含水量均為10%。土壤顆粒組成及其物理參數(shù)見表1。

2.3 試驗方案

本文開展2個方案的物理模型研究，即定量研究沙漏型巖溶地面塌陷過程(方案1)；揭示黏土層對巖溶塌陷的阻隔作用(方案2)。巖溶塌陷物理模擬試驗方案見表2。

表1 土壤顆粒組成及其物理參數(shù)

表2 巖溶塌陷物理模擬試驗方案

2.4 模型填筑

按設(shè)計干密度與初始含水量配置粉砂和粉質(zhì)黏土，然后分別填筑土樣。由于方案1和方案2土層結(jié)構(gòu)不一樣，填筑方案也有所區(qū)別。方案1：每2.5 cm填一層粉細砂，粉細砂填筑厚度為27.5 cm；方案2：從下至上分別填筑粉質(zhì)黏土和粉細砂，其中粉質(zhì)黏土厚度為3.0 cm，一次擊實填筑，而粉細砂厚度為25 cm，每2.5 cm擊實一次。另外，由于方案1和方案2的砂層分別模擬潛水和承壓含水層，則方案1模型上方不封口，為自然邊界，可直接觀測地面塌陷過程。而方案2上邊界需要密封處理，即在整個試樣填筑完(表面預(yù)留2.5 cm空間)后，用玻璃膠將模型頂板覆蓋與模型主體密封，并擰緊螺絲。最后用導管將泡沫膠導入土樣頂部(2.5 cm空間)，待完成充填后，放置12 h，讓其充分固化后，再進行飽水試驗。

2.5 水位控制

方案1：模型充分飽水后，砂層與巖溶管道水位設(shè)置分別為27.5 cm 和32.5 cm。巖溶管道水位略超過砂層5 cm，以保證試驗開始前不發(fā)生砂土漏失現(xiàn)象。待模型滲流場完全穩(wěn)定后，開始緩慢降低巖溶管道水位，即每隔2 cm下降一次。通過取樣容器的透明觀測部分判斷是否發(fā)生漏砂現(xiàn)象。每一個控制水位觀測時間為20 min，如沒有漏砂現(xiàn)象，則進一步下降水位。如出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，則間隔10，20，30 min等不同時間段采集砂土漏失量，直到漏砂停止；然后，繼續(xù)下降水位，直到下降至砂土層頂板以上2.5 cm為止。

方案2：考慮到物理模型尺寸限制，在巖溶水位下降過程中需提供足夠壓力差，才能確保黏土阻隔層發(fā)生破壞，形成巖溶塌陷。因此，根據(jù)實驗室供水系統(tǒng)情況，將砂層和巖溶含水層初始水頭分別設(shè)置為270，275 cm。在砂層和巖溶含水層水位上升至初始水位過程中，始終保持巖溶水位高于砂層水位5～10 cm，且保持同步上升。

試驗開始后，始終保持砂層水位不變。逐漸降低巖溶管道水位。每次降低5 cm，維持10 min，如果沒有出現(xiàn)漏砂、漏泥情況，則繼續(xù)下降水位。

3 試驗結(jié)果

3.1 沙漏塌陷基本規(guī)律(方案1)

3.1.1 巖溶塌陷動態(tài)過程

隨巖溶水位持續(xù)下降，整個巖溶塌陷過程可劃分為以下幾個階段：①初始階段，砂層中水位降落漏斗出現(xiàn)；②臨界破壞階段，水力梯度達到臨界值時，流土-漏失發(fā)生；③最后階段，塌陷形成。圖2為方案1巖溶塌陷過程中觀測孔水位隨巖溶水位下降的變化關(guān)系。

圖2 方案1垂直剖面各測壓水頭隨巖溶水位動態(tài)變化關(guān)系曲線Fig.2 Dynamic change of pressure water head of vertical section against karst water level for test 1

在初始穩(wěn)定階段，巖溶水位由32.5 cm下降至24.5 cm時，無沙漏發(fā)生，且中心剖面各壓力監(jiān)測孔水位均為27.5 cm，表明垂向無明顯滲流發(fā)生(或流量很小)。

在臨界破壞階段，從圖2可知，當基巖水頭下降至22.5 cm時，開始漏失。由此可判斷，本模型第1次發(fā)生沙漏塌陷的臨界水頭為(24.5+22.5)/2=23.5 cm。發(fā)生塌陷時，巖溶口水平的臨界水力坡降為(27.5-23.5)/30=0.13；H下為(25.8+27.5)/2=26.65 cm，與巖溶水位之差為沙漏滲流垂向滲流水力梯度，則臨界水力梯度為(26.65-23.50)/6=0.525。

整個試驗過程中，巖溶水位從32.5 cm逐漸下降至0.5 cm，共發(fā)生了3次巖溶塌陷，其巖溶水位分別為22.5，10.5，4.5 cm。

(1)第1次沙漏塌陷：巖溶水位下降至22.5 cm時，開始出現(xiàn)沙漏。通過透明恒壓取樣器觀測窗(水體渾濁程度以及砂土下落量)、剖面壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)(塌陷發(fā)生時，垂向滲流量和滲透比降增加，砂層水位降低，沙漏塌陷更嚴重)以及地面塌陷影像等資料分析，認為巖溶塌陷速率呈先增加后減弱的變化規(guī)律，即在巖溶開始后0～40 min內(nèi)，巖溶塌陷速率逐漸增加并達到最大;40～100 min內(nèi)逐漸降低，且在165 min時刻，塌陷速率突然增加，但明顯小于最大值。第1次沙漏結(jié)束時，塌陷基本穩(wěn)定，巖溶口重新被塌陷的松散砂層淤堵，水力梯度為0.2/6≈0.03，巖溶口下滲流量很微弱。本次沙漏持續(xù)時間為100 min，塌陷為近圓形，直徑17 cm。

(2)第2次沙漏塌陷：第1次塌陷完成后，持續(xù)降低巖溶水位。當水位下降至10.5 cm時，再次發(fā)生巖溶塌陷。與第1次巖溶塌陷相比，監(jiān)測點壓力值與變幅程度均明顯偏低，這表明本次塌陷速率明顯弱于第1次。塌陷發(fā)生后0～17 min內(nèi)，塌陷速率逐漸增加;17～95 min內(nèi)逐漸減小，但未出現(xiàn)波動情況。第2次塌陷時，臨界水力坡度為2.5，持續(xù)時間為95 min。

(3)第3次沙漏塌陷：在第2次塌陷發(fā)生后，繼續(xù)下降巖溶水位。當水位下降至4.5 cm時，發(fā)生第3次塌陷。與第2次塌陷情況類似，第3次塌陷的臨界水力坡度為3.4，持續(xù)時間為140 min。呈橢圓形，塌陷范圍沿水流方向37 cm，垂直水流方向28 cm。

從以上分析可知，隨巖溶水位持續(xù)下降，共發(fā)生了3次巖溶塌陷現(xiàn)象，且最大巖溶塌陷速率隨塌陷次數(shù)明顯減弱，塌陷過程變得更加平穩(wěn)。

在第3次沙漏塌陷后，再降低水位至0.5 cm，尚未觀測到明顯的沙漏現(xiàn)象，巖溶塌陷結(jié)束。試驗結(jié)束后，對塌陷形態(tài)進行了精確的測量，見圖3所示。根據(jù)實際測量結(jié)果，計算獲得此方案條件下巖溶塌陷角為40°。

(a)俯視圖

(b)塌陷實物圖

圖3方案1巖溶塌陷最終結(jié)果

Fig.3Resultsofkarstcollapseintest1

3.1.2 沙漏塌陷演化定量分析

本試驗通過自主研發(fā)的漏砂采集裝置，對不同時期的漏砂量進行了采集，并風干稱重。根據(jù)砂層干密度換算，可得對應(yīng)時間內(nèi)發(fā)生塌陷區(qū)域的體積，可定量分析巖溶塌陷過程。

圖4為方案1塌陷過程中砂土漏失累積量隨時間和巖溶水位的動態(tài)變化過程?？傮w上，漏砂累積量隨巖溶水位持續(xù)下降而增加，但只在巖溶水位為22.5，10.5，4.5 cm 時才會發(fā)生巖溶塌陷現(xiàn)象。在單次巖溶塌陷過程中，漏砂速率呈先增加后減小的趨勢，表明巖溶塌陷發(fā)育呈現(xiàn)先快速后緩慢塌陷的規(guī)律。

圖4方案1巖溶塌陷累積量與巖溶水位相互關(guān)系

Fig.4Curvesofsandaccumulationduringthekarstcollapsevs.karstwaterlevelofrockfortest1

第1次巖溶塌陷時，巖溶塌陷速率波動較大，隨時間變化呈顯著的非線性，說明巖溶塌陷開始發(fā)育階段，上覆地層發(fā)生塌陷的情況比較復(fù)雜。

第2次巖溶塌陷開始后，0～30 min內(nèi)，漏沙累積量與時間呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為1；30～100 min內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.90，說明巖溶塌陷勻速發(fā)育，總體平穩(wěn)，但存在微弱波動。

與第2次塌陷相比，第3次塌陷表現(xiàn)出更為明顯的規(guī)律，即在0～75 min和75～120 min內(nèi)，漏砂累積量與累積時間呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.998和1，說明在這2段時間內(nèi)，巖溶塌陷勻速發(fā)育，但前者塌陷速率明顯高于后者。在120～800 min內(nèi)，巖溶塌陷速率緩慢降低，最后降為0，巖溶塌陷停止。

第1次、第2次和第3次塌陷漏失量分別為1 094.05 g，1 623.84 g，2 674.96 g。盡管第1次塌陷的速率最大，但持續(xù)較短，導致了第1次塌陷總量明顯偏低。這也說明了塌陷漏失量隨基巖水位降低而明顯增加。

3.1.3 水位上升下降波動對塌陷形成的影響

上述試驗結(jié)束后，將砂層中水排盡，放置4 d，然后再持續(xù)飽水。在充分飽水后，持續(xù)降低巖溶基巖水位，當水位下降至19.5 cm時出現(xiàn)漏砂，持續(xù)5 min后停止，漏砂量不大，<100 g。臨界破壞比降為1.0，明顯高于第1次巖溶塌陷的臨界比降0.525。當水位繼續(xù)下降2.5 cm(水頭17.0 cm)時，第2次漏砂發(fā)生，但漏砂量明顯增大，巖溶塌陷區(qū)迅速擴大，在20 min內(nèi)延伸到進水邊界，使供水箱水頭直接進入巖溶塌陷區(qū)域，試驗停止。最終巖溶塌陷滲流破壞比降為1.33，明顯低于方案1的第3次巖溶塌陷滲流破壞比降3.40，這說明地下水位上下波動會降低巖溶塌陷滲流破壞比降，加劇巖溶塌陷發(fā)育。

3.2 “滲流液化論”塌陷機理驗證

“滲流液化論”塌陷機理是指當覆蓋層飽和粉土或砂層直接蓋在可溶巖巖面之上時，在粉土或砂層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙、管道水發(fā)生直接聯(lián)系，形成統(tǒng)一運動情況，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位或承壓水頭低于孔隙水位時，發(fā)生垂直向下滲流。當水力坡度加大，且超過臨界水力坡度時發(fā)生流土，即砂土呈流動狀態(tài)漏入巖溶空洞(俗稱“沙漏”)，地面出現(xiàn)塌陷坑。

根據(jù)方案1的沙漏塌陷基本規(guī)律分析結(jié)果可知，當巖溶水位高于孔隙水位時，無漏砂現(xiàn)象發(fā)生；但當巖溶水位持續(xù)下降時，孔隙地下水向下滲流的初始階段先發(fā)生潛蝕，即土中細顆粒被帶走，形成“漏斗狀疏松體”，進而滲流加劇，局部水力坡度加大，當向下滲流的水力坡度大于孔隙含水層的流土臨界水力坡度(0.525) 時飽和砂土呈液態(tài)，發(fā)生流土，向溶洞(隙)中漏失，形成地面塌陷。并且，塌陷發(fā)生至一定程度后停止，再繼續(xù)降低巖溶水位，即當水力坡度持續(xù)增加至2.5和3.4時，新一輪砂土液化-漏失發(fā)生，巖溶塌陷繼續(xù)發(fā)展。

綜上所述，方案1的試驗結(jié)果完全再現(xiàn)了“滲流液化論”巖溶塌陷過程，驗證了巖溶塌陷機理的正確性。

3.3 黏土層阻隔效果(方案2)

3.3.1 臨界塌陷比降

維持砂層水位270 cm不變的情況下，緩慢降低巖溶基巖承壓水水位，觀測水位下降過程中巖溶塌陷發(fā)育情況。當巖溶水位下降至125 cm時，黏土層發(fā)生了滲流破壞，巖溶塌陷形成。隨后1 min內(nèi)，大量砂土漏失，發(fā)生嚴重塌陷。塌陷持續(xù)1 h后關(guān)閉供水水頭，以保證塌陷形態(tài)的完整性。

塌陷未發(fā)生時，黏土滲透能力很弱，從進水槽到巖溶開口上方(黏土層未破壞時)的滲流水頭損失忽略不計，即發(fā)生巖溶塌陷前，巖溶開口上方水位為125 cm，則臨界水頭差為145 cm，黏土層厚度為3.0 cm，巖溶塌陷時黏土層發(fā)生滲流破壞的臨界比降為48.3。當黏土層發(fā)生滲流破壞后，瞬間將壓力傳遞給砂土層，此時砂土層瞬間水平滲流比降為5.0，垂向滲流比降更大。該比降大大超過了砂土層發(fā)生滲流破壞的臨界比降，因此，當黏土層發(fā)生破壞后，砂土層瞬間發(fā)生滲流破壞。在高水力梯度下，砂土層將發(fā)生嚴重漏失。

3.3.2 塌陷形態(tài)

塌陷發(fā)生后1 h，塌陷仍然還在發(fā)育，直到巖溶開口全部露出為止。由于模型尺寸的限制，塌陷發(fā)生后1 h，巖溶塌陷發(fā)育至模型邊界，供水箱的水將直接進入巖溶塌陷區(qū)。因此，為了保持完整的巖溶塌陷形態(tài)，關(guān)閉了砂層供水水頭，試驗停止。

圖5為方案2巖溶塌陷形態(tài)，巖溶塌陷坡角為28°，明顯低于方案1的40°。

圖5黏土層對巖溶塌陷阻隔效果

Fig.5Barriereffectofclaylayeronkarstcollapse

3.3.3 黏土層對沙漏型巖溶塌陷的影響

與方案1相比，方案2在巖溶開口上方增加了3 cm厚黏土阻隔層，其發(fā)生巖溶塌陷時所需要的水力梯度顯著增加。方案1發(fā)生巖溶塌陷時，砂層與巖溶管道水位之差為5.0 cm，砂層的臨界滲透破壞比降為0.525，而有黏土阻隔層時，砂層與巖溶管道水位之差為145 cm時，才發(fā)生滲流破壞，形成巖溶塌陷，此時巖溶塌陷時黏土層發(fā)生滲流破壞的臨界比降為48.3，顯著高于方案1的砂層臨界塌陷比降。這表明黏土阻隔層在一定程度上能抑制砂層巖溶塌陷，增加巖溶塌陷臨界滲透比降。

4 結(jié) 論

本文采用物理模型試驗定量研究了巖溶塌陷過程，并評估了黏土阻隔層對巖溶塌陷形成的影響，主要取得了如下成果。

(1)驗證了砂土覆蓋巖溶管道的塌陷機理為 “滲流液化論”的正確性。

(2)巖溶塌陷是分階段形成的，即在巖溶水位下降過程中共發(fā)生了3次巖溶塌陷，每一次的巖溶塌陷特征均不一樣：3次巖溶塌陷的臨界滲透破壞比降分別為0.525，2.500，3.400；巖溶塌陷最大塌陷速率隨滲透破壞比降增加而降低，但其持續(xù)時間和塌陷漏失量則增加；初始巖溶塌陷過程明顯比第2次和第3次巖溶塌陷過程復(fù)雜。

(3)在巖溶塌陷發(fā)生的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過同樣的水位上升—下降過程時，仍發(fā)生了巖溶塌陷。這說明地下水位波動能加劇巖溶塌陷的形成。

(4)巖溶口被黏土直接覆蓋后，發(fā)生巖溶塌陷的臨界滲透比降顯著增加至48.3，明顯高于無黏土層覆蓋的情況(0.525)。因此，黏土層能顯著提高巖溶覆蓋層的安全性，可有效抑制巖溶塌陷發(fā)生。

建議在以后的工作中，需進一步考慮更大模型尺度的巖溶塌陷機理、不同巖溶塌陷類型(包括地層組合類型等)、水動力條件以及巖溶開口尺寸與巖溶通道充填程度等方面的研究。

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