水位波動條件下巖溶土洞塌陷的模型試驗

張曉宸, 陳學軍, 唐靈明, 2, 楊 鑫, 班如龍, 宋 宇

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院; b.廣西巖土力學與工程重點實驗室， 廣西 桂林 541004;2.廣西師范大學, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

土洞是巖溶地區(qū)地基中常見的一種巖溶作用產(chǎn)物, 其穩(wěn)定性受地基土的組成結(jié)構(gòu)、 地下水及地表水、 地震作用、 人類活動等的影響, 當洞頂拱效應失效時, 地表就會發(fā)生坍塌, 嚴重時會導致地面整體塌陷, 影響城市建設和人民的生命財產(chǎn)安全。廣西巖溶分布廣泛、 發(fā)育典型, 占我國西南地區(qū)巖溶土地總面積的18.9%[1]。桂林市屬巖溶極發(fā)育地區(qū), 在巖溶谷地及洼地常發(fā)育著紅黏土, 其水敏性強烈, 與我國其他地區(qū)的紅黏土存在著明顯的差異[2-3]。全球氣候變暖導致強降雨等極端氣候事件時常發(fā)生, 在強降雨作用下巖溶塌陷的數(shù)量和規(guī)模也在不斷增加, 降雨已成為誘發(fā)巖溶塌陷的重要因素[4]。

對于巖溶塌陷的地質(zhì)模型、 成因機理、 評價預測等的研究主要有: He等[5]認為, 中國北方的巖溶塌陷與地下水環(huán)境的變化密切相關(guān), 崩塌數(shù)量及規(guī)模與地下水位的上升、 下降速度和波動有關(guān); 王延嶺等[6]研究了泰萊盆地的巖溶類型、 塌陷特征及形成機理; 朱壽增等[7]探討了巖溶塌陷形成條件及其主要影響因素對桂林市西城區(qū)巖溶塌陷的影響; 陳洪凱等[8]以重慶歌樂山余家灣水庫的塌陷為例, 構(gòu)建地質(zhì)模型分析了該類地質(zhì)災害的基本特征; 文獻[9-12]采用突變級數(shù)法、 Terzaghi固結(jié)理論和GMS軟件、 極限分析的上界定理等與現(xiàn)場勘查、 理論與模擬相結(jié)合的方法對巖溶塌陷進行預測與評價; 賈龍等[13]結(jié)合工程地質(zhì)鉆探以及孔中雷達測井技術(shù), 形成地面與孔中互補的立體探測, 預測巖溶塌陷的早期隱患。

傳統(tǒng)的巖溶塌陷相關(guān)研究幾乎都是以巖溶塌陷的最終狀態(tài)為對象進行的, 難以了解巖溶塌陷的發(fā)育過程, 而室內(nèi)模型試驗能夠直觀動態(tài)地觀測到巖溶塌陷發(fā)育過程及演化機理，如: 雷明堂等[14]通過室內(nèi)模型試驗模擬了唐山市巖溶塌陷發(fā)育的過程, 研究塌陷發(fā)育的機理、 主控因素及形成條件;洪儒寶等[15]以福建省典型覆蓋型巖溶塌陷為研究對象, 建立了室內(nèi)模型, 分析覆蓋層土體的響應情況和塌陷的發(fā)展過程; 張鑫等[16]通過理論分析和室內(nèi)模型試驗， 研究了水位下降對巖溶塌陷的影響及變化規(guī)律。也有研究者將數(shù)值模擬應用于巖溶塌陷的研究中， 如: Shi等[17]采用物理模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法模擬了隧道工程施工表面坍塌過程; 戴自航等[18]采用有限元軟件ABAQUS對福建省永武高速公路填方路段的路堤及溶洞頂板的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析。

以上成果對于強降雨誘發(fā)地下水位波動作為主導因素導致土洞塌陷機理的研究成果較為薄弱, 且由于各地區(qū)地質(zhì)條件的復雜性、 巖溶塌陷的不確定性等因素使得研究成果的適用性有較大的限制, 對于桂林市巖溶區(qū)紅黏土的塌陷成因和機理尚缺乏系統(tǒng)性的研究。因此, 為進一步了解桂林市紅黏土巖溶區(qū)地面塌陷的成因機理, 在前人的研究與現(xiàn)場勘察分析的基礎上, 筆者結(jié)合實際條件進行地質(zhì)概化, 建立了桂林市臨桂區(qū)巖溶地面塌陷的室內(nèi)物理模型, 模擬強降雨引起的兩種地下水位波動條件, 對土洞頂板的孔隙水壓力、 土壓力以及洞室氣壓進行實時監(jiān)測, 動態(tài)地觀測巖溶土洞塌陷的形成過程與演化機理, 對桂林市的城市安全建設具有重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

桂林市地處廣西東北部, 屬于巖溶極發(fā)育地區(qū), 是廣西的降雨和暴雨中心之一。研究區(qū)域位于桂林市臨桂區(qū), 地處低緯度地區(qū), 屬于中亞熱帶季風氣候, 雨量充沛, 年平均降水量為1 266～1 986 mm, 暴雨主要集中于4～7月。由于地形復雜, 冷空氣活動頻繁, 極端氣候較多, 光、 溫、 水的地域分布有著較大的差異。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 物理試驗模型箱

整個試驗裝置由主體模型、 降雨系統(tǒng)和量測系統(tǒng)3部分組成, 主體模型分為上部土箱和供排水系統(tǒng)、 下部水箱和供排水系統(tǒng)兩大部分:

(1)主體模型(圖1)總體尺寸為1.1 m(長)×0.7 m(寬)×1.1 m(高), 根據(jù)相似理論, 模型箱的幾何尺寸相似比例為1∶10, 整體框架采用高強度鋁合金。 為了能清晰觀察到土洞擴展過程, 四周為5 mm厚的鋼化玻璃； 因土箱中盛入土體后具有較大負荷, 采用30 mm厚的鋼化玻璃模擬基巖面, 基巖面邊緣中間有一半圓形孔洞模擬巖溶通道, 連通上、 下部模型箱。

圖1 模型裝置結(jié)構(gòu)設計圖(a)與實物(b)

(2)模型裝置上部為一土箱、 兩側(cè)及后側(cè)水箱, 各箱之間均有孔洞連通, 水箱可排出或儲存未及時入滲的雨水, 防止土體表面產(chǎn)生過多積水或使土層中形成穩(wěn)定水頭; 下部為一整體水箱, 模擬巖溶空腔, 側(cè)壁設置排土孔(直徑100 mm)及帶有開關(guān)的水管, 土洞塌落的土體可由排土孔排出, 排水管在蓄水時為封閉狀態(tài), 打開即可模擬巖溶空腔內(nèi)水位下降(地下水徑流)的過程。

(3)降雨系統(tǒng)獨立安裝于主體模型上部, 采用特制花灑模擬降雨過程, 連接流量表與定時器, 控制降雨量與時間。

2.2 試驗設備與量測系統(tǒng)

采用DMKY型孔隙水壓力傳感器和DMTY型土壓力盒傳感器實時測量土洞頂板的孔壓和土壓, 按照要求調(diào)試傳感器后埋入土體, 再通過動靜態(tài)電阻應變儀接入信號測試分析系統(tǒng); 用Baro氣壓計采集洞室氣壓, 利用支架固定于土洞空腔中。 試驗所用儀器設備如圖2所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)采集傳輸儀器及量測系統(tǒng)

2.3 試驗土體填筑

試驗所用土體取自臨桂區(qū)巖溶較為發(fā)育的地段, 從現(xiàn)場利用環(huán)刀獲取4個原狀土樣送至實驗室進行試驗, 其平均物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)統(tǒng)計

依據(jù)土工試驗結(jié)果, 控制土樣的干密度與含水率重塑土體, 使土體的密實度基本接近原狀土, 按照含水率為30%、 干密度為1.45 g/cm3重塑后, 采用質(zhì)量控制法進行分層填筑與夯實, 頂板厚度填筑20 cm, 即土洞半徑與頂板總厚度共25 cm。

2.4 試驗原理與方案

根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場強降雨引起的土洞塌陷模式, 設計了降雨強度為特大暴雨級別(12 h雨量≥140 mm)情況下的兩種方案: 一種是連續(xù)性強降雨, 降雨時地下水水位一直保持在基巖面以上; 一種是間歇性強降雨, 地下水水位降至基巖面以下后再進行降雨。模型試驗從已發(fā)育成型的土洞開始進行模擬, 未及時入滲的雨水通過裝置側(cè)面水箱的預留孔(地裂縫及落水洞)排入巖溶空腔, 地下水水位不斷上升, 沒過基巖面后與土洞之間形成密閉空間, 拱底處土體受地下水的作用軟化、 崩解、 塌落, 經(jīng)巖溶通道落入巖溶空腔?？紤]到地下水的徑流, 控制排水開關(guān)調(diào)控巖溶空腔中的水位, 水位下降后繼續(xù)模擬降雨, 地下水反復作用于土洞內(nèi)壁, 土洞空腔在地下水和洞室氣壓的作用下進一步擴大, 最終發(fā)生塌陷。

方案1試驗操作步驟如下: ①調(diào)整好攝像頭, 調(diào)試確定設備均處于工作狀態(tài), 打開儀器實時采集數(shù)據(jù), 記錄水表讀數(shù); ②巖溶通道半徑設置為5 cm, 在通道口正上方預埋半徑為5 cm的1/4球形模具模擬土洞, 填筑土體并固定好傳感器, 監(jiān)測點位按照距洞頂3、 8、 13、 18 cm的位置放置, 將模具從下方排土孔取出, 在土箱內(nèi)注入一定高度的水后靜置24 h, 使土體自然滲透固結(jié); ③試驗開始前, 將Baro氣壓計從下方排土孔安置于土洞空腔, 試驗時, 打開下部水箱的供水開關(guān), 控制水位剛好處于基巖面, 此時水位與洞室形成一密閉空間, 氣壓計實時監(jiān)測所處環(huán)境的氣壓; ④開啟降雨系統(tǒng), 當側(cè)面水箱內(nèi)水位與土體表面齊平且土表不積水時, 中止降雨, 記錄降雨起止時間和降雨量; ⑤打開下部水箱閥門排水, 地下水水位下降至基巖面時, 關(guān)閉閥門, 保持土洞空腔與外界大氣不相通; ⑥模型上部土箱平面尺寸為1 m(長)×0.6 m(寬), 根據(jù)研究區(qū)域日最大降雨量超過140 mm, 試驗中控制降雨強度為0.012 m/h, 每15 min進行一次降雨, 累計降雨深度0.003 m, 即水表讀數(shù)所示降雨量達0.001 8 m3為一個降雨周期, 循環(huán)上述步驟直至土洞塌陷。

方案2是在上述第③步中, 使地下水水位迅速下降至基巖面以下2 cm位置, 令洞室氣體與外界大氣相通。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 孔隙水壓力變化分析

試驗開始時, 對頂板不同深度處的孔壓和土壓進行平衡調(diào)零處理, 試驗數(shù)值為強降雨和地下水同時作用下的相對值。選取兩個方案下一次完整強降雨過程中頂板各層孔隙水壓力與累計降雨量的關(guān)系進行分析(圖3)。從整體上看, 隨降雨量的增加, 孔隙水壓力均呈增大趨勢, 但總體增幅有所不同, 距洞頂越近增幅越大, 距洞頂越遠增幅越小, 且具有明顯的分層現(xiàn)象。方案1中, 距洞頂3、 8、 13和18 cm處的孔壓分別增加了1.02、 0.64、 0.35和0.16 kPa, 3 cm處約為18 cm處的6倍; 方案2中, 距洞頂3、 8、 13和18 cm處的孔壓分別增加了1.03、 0.5、 0.23和0.1 kPa, 3 cm處約為18 cm處的10倍, 且3 cm處孔壓波動較為明顯, 說明此時土洞內(nèi)壁少量土體剝落造成孔壓的動態(tài)變化。

圖3 兩種方案孔壓與累計降雨量的關(guān)系

3.2 土壓力變化分析

兩種方案中頂板各層土壓與累計降雨量的關(guān)系曲線如圖4所示。從整體上看, 隨降雨量的增加, 土壓力均有所增大。方案1中, 距洞頂3、 8、 13和18 cm處的土壓分別增加了0.71、 0.42、 0.1和0 kPa; 方案2中, 距洞頂3、 8、 13和18 cm處的土壓分別增加了1.56、 2.64、 0.56和0.05 kPa。距洞頂3和8 cm處的土壓變幅較13和18 cm處更為明顯, 說明洞頂附近土體缺乏支撐力, 容易在土體自重和水位波動影響下塌落。方案2中當降雨量達83 mm時, 距洞頂8 cm處土壓反超3 cm處, 原因是此時頂板3 cm處土體剝落導致土壓下降, 8 cm處土體暫未受擾動土壓仍持續(xù)上升。

圖4 兩種方案土壓與累計降雨量的關(guān)系

3.3 洞室氣壓變化分析

兩種方案對應的洞室氣壓如圖5所示, 從整體上看, 隨降雨量的增加, 洞室氣壓均不斷增大, 但增大速率有所不同： 降雨初期, 洞室氣壓相對較小, 由于上覆土層密閉性較好, 強降雨后地下水位抬升, 對洞室氣體產(chǎn)生擠壓, 隨著水位不斷升高, 洞室氣壓迅速增大; 強降雨進一步作用下, 當?shù)叵滤簧凛^高位置時, 短時間內(nèi)氣體集中在洞頂?shù)莫M小空間內(nèi)無法排出, 此時洞室氣壓達到最大, 方案1洞室氣壓增加了1.82 kPa, 方案2增加了2.7 kPa;當?shù)叵滤簧凛^高位置, 由于上覆土層飽水后密閉性增強且重度增大, 短時間內(nèi)氣體聚集在洞頂?shù)莫M小空間內(nèi)無法排出也不能再被壓縮, 此時洞室氣壓增速減緩, 方案1僅增加0.12 kPa, 方案2僅增加0.28 kPa。在方案2中, 曲線中有多處突變現(xiàn)象, 原因是當強降雨導致地下水位持續(xù)抬升, 土洞內(nèi)壁土體在地下水及洞室氣壓的作用下發(fā)生崩解、 剝落, 致使土洞空腔體積突然增大, 或洞室氣體通過上覆土體的薄弱部位排到大氣中, 洞室氣壓突然減小, 突變的曲線在土洞內(nèi)壁崩解完成后恢復, 方案2中氣壓波動比方案1更加強烈。

圖5 兩種方案洞室氣壓與累計降雨量的關(guān)系

3.4 塌陷過程分析

根據(jù)上述方案進行試驗, 方案1共經(jīng)歷7次強降雨, 方案2共經(jīng)歷9次強降雨后土洞頂板整體塌陷。由圖6可知, 兩種方案塌落曲線前段都較為平緩, 即在前幾次強降雨作用下, 由于紅黏土的弱透水性, 雨水入滲緩慢, 需經(jīng)較長時間才能達到土洞洞室, 同時強降雨引起地下水水位逐漸上升, 洞室氣體被壓縮對土洞周壁產(chǎn)生頂推力, 故塌落較為緩慢; 在洞內(nèi)水位反復變動過程中, 土洞內(nèi)壁少量土體慢慢松動、 崩解, 曲線呈上升趨勢; 隨著強降雨的持續(xù)作用, 土洞周邊土體軟化崩解速率加快, 前期產(chǎn)生的裂隙在縱向上不斷擴展, 土體沿裂隙面滑動、 塌落, 直至洞頂突然發(fā)生整體塌陷, 故曲線后段呈直線上升趨勢。方案1塌陷所需降雨次數(shù)少于方案2, 是因為方案1每次排水時水位都降到基巖面, 不與大氣相通, 水流與氣壓連續(xù)對洞室土體產(chǎn)生作用, 而方案2每次排水時水位都降至基巖面以下, 外界氣體進入洞室平衡內(nèi)外氣壓, 從而減少由于水位下降對土體產(chǎn)生的吸蝕力, 故塌陷過程相對較慢。

圖6 兩種方案頂板累計塌落高度隨強降雨次數(shù)的變化

兩組試驗中, 土洞擴展過程都可近似分為分為3個階段(圖7): 土體軟化階段、 緩慢塌落階段和快速-整體塌陷階段。

圖7 土洞塌陷過程示意圖

(1)土體軟化階段: 試驗模型裝置中上覆土層的地表水、 孔隙水和地下水之間聯(lián)系密切, 試驗初期, 雨水對地下水進行補給, 孔隙水與地下水之間形成較大的水力梯度, 發(fā)生垂直滲流, 土洞下部支撐較弱, 易受到潛蝕作用使得土顆粒軟化。降雨一段時間后, 土體飽和度增加, 透氣性變差, 當?shù)叵滤粵]過基巖面后, 土洞與地下水之間形成封閉性良好的空腔, 洞內(nèi)水位上升速度減慢, 土洞仍保持其拱形結(jié)構(gòu)。當排水時, 水位迅速下降時形成真空負壓, 對土洞表層土體產(chǎn)生沖壓力、 擴容力和抽吸力, 促使土顆粒疏松被水流帶走, 試驗初期的水位波動僅帶走土洞拱底表層少量松動、 弱化的土體顆粒。

(2)緩慢塌落階段: 繼續(xù)降雨的過程中, 地下水水位上升, 洞室氣體在水位上升時不能排出受到擠壓形成高壓氣團, 短時間內(nèi)得不到消散, 當水位繼續(xù)上升, 其作用于土洞頂板的強度大于上覆土層的允許強度時, 首先在土體薄弱部位形成裂隙通道產(chǎn)生沖爆來補償排氣, 并伴隨著噴氣和噴水的現(xiàn)象, 即所謂的氣爆作用。當產(chǎn)生裂隙后, 洞室氣體與外界大氣相通, 洞內(nèi)水位此時極易抬升至土洞頂部, 加速土體軟化和崩解, 促使塌陷的產(chǎn)生。

(3)快速-整體塌陷階段: 試驗后期, 土洞上覆土層大量土體被水流帶走, 拱形結(jié)構(gòu)早已不復存在, 從前側(cè)觀察到空腔由半球狀變成壇狀。雨水入滲引起土體基質(zhì)吸力減小進而導致土體強度降低, 且土的飽和容重隨著含水量的増大而増大, 導致塌陷體的自重增加。當塌陷發(fā)育到一定階段, 致塌力超過抗塌力時土體發(fā)生剪切變形整塊掉落, 最終導致地表整體塌陷, 塌陷結(jié)果如圖8所示。

圖8 土體表面塌陷坑

4 結(jié) 論

本文通過物理模型試驗定量研究了強降雨誘發(fā)水位波動條件下的巖溶土洞的發(fā)育過程, 分析試驗過程中孔隙水壓力、 土壓力以及洞室氣壓等的變化情況, 結(jié)論如下:

(1)強降雨是觸發(fā)研究區(qū)域隱伏土洞塌陷的重要因素, 塌陷的發(fā)生主要由強降雨引起的水位波動誘發(fā), 土洞塌陷過程大致可分為土體軟化、 緩慢塌落和快速-整體塌陷3個階段, 主要受滲流潛蝕、 真空吸蝕、 氣爆和重力作用的綜合影響。土洞頂板內(nèi)的孔隙水壓力、 土壓力以及洞室氣壓隨降雨量的增加均呈增大趨勢, 不同深度處具有明顯的分層現(xiàn)象。

(2)方案1中, 地下水連續(xù)沖刷洞室土體, 土體不間斷地經(jīng)歷滲流潛蝕、 真空吸蝕和氣爆等作用, 而方案2中土體在水位降至基巖面以下時未受到擾動, 故方案1塌陷產(chǎn)生較快, 所需降雨的總次數(shù)少于方案2, 但方案2中土壓的單次變化較方案1更為明顯。在研究區(qū)域內(nèi)兩種塌陷情況均有發(fā)生, 為相似地區(qū)巖溶地面塌陷的預警與防治提供了有力的理論支撐。

(3)土洞塌陷形成的基礎是巖溶地質(zhì)條件和水動力條件, 在實際工程中應加強巖溶地面塌陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)和環(huán)境誘發(fā)因素的調(diào)查工作, 對隱伏土洞進行重點調(diào)查, 并從極端氣候影響和對地下水的擾動強度等角度提供地面塌陷的防治建議。隱伏巖溶區(qū)在汛期開展基坑開挖等工作時, 應盡量選擇在強降雨期之外施工, 同時做好場地的排水工作。

(4)由于野外地質(zhì)條件的復雜性, 室內(nèi)試驗結(jié)果具有一定的片面性, 對于不同降雨、 水動力條件, 不同頂板厚度等因素下的巖溶塌陷機理還有待進一步研究， 且室內(nèi)試驗周期長、 花費大, 制約著室內(nèi)試驗的發(fā)展, 如何完善大型試驗的功能, 使之能更全面地反映巖溶塌陷的發(fā)育過程將是亟需解決的問題。