翟振飛， 李 成， 王 戈， 王思捷， 周 寧

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434020; 2.湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司,湖北 武漢 430050)

恩施市某擬建滑雪場場地位于高中山巖溶區(qū),巖溶地面塌陷給場地建設(shè)和安全運營帶來潛在危害,因此查明場地巖溶地面塌陷的發(fā)育特征和成因十分重要。巖溶地面塌陷是由可溶巖、覆蓋層及其空間組合耦合發(fā)生的[1]。國內(nèi)外學者通過長期研究,將巖溶地面塌陷的形成機理總結(jié)為潛蝕、吸蝕、侵蝕、振動、沖爆、荷載、崩解等多種模式,認為影響因素包括暴雨、抽水、地表徑流、滲漏、鉆探、爆破和地震等各種自然因素和人為因素[2-10]。對于中國各地頻發(fā)的巖溶地面塌陷,地質(zhì)工作者針對其成因機理開展了大量研究[11-15],為巖溶地面塌陷預(yù)測、監(jiān)測與防治提供了可靠的理論資料。

前人對鄂西高中山區(qū)的巖溶地面塌陷研究較少。本文以恩施市某擬建旅游景區(qū)滑雪場巖溶地面塌陷為例,總結(jié)巖溶地面塌陷發(fā)育特征并分析其成因,提出相應(yīng)的防治措施,可為高中山區(qū)巖溶地面塌陷研究和防治提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

滑雪場場地位于清江支流云龍河左岸,屬構(gòu)造剝蝕溶蝕侵蝕高中山地貌,高程為1 959～2 005 m,地形坡度總體為15°～20°。區(qū)內(nèi)雨量充沛,年降雨量為1 400～1600 mm,7—8月降雨量最多,日降雨量可達100～300 mm。

區(qū)域地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組—上統(tǒng)大隆組、三疊系下統(tǒng)大冶組(圖1),巖性以碳酸鹽巖為主,碎屑巖次之。研究區(qū)在構(gòu)造上位于NNE向沐撫背斜和安樂坪背斜之間的團堡向斜北東揚起端。區(qū)內(nèi)斷裂不太發(fā)育,主要為走向與褶皺近于垂直的小型斷裂。巖層受近EW向水平擠壓應(yīng)力影響,形成軸向NNE的強烈褶皺帶并發(fā)育4組裂隙：①走向40°～55°,傾向NW或SE,傾角50°～80°,線密度3條/m,延伸2～5 m；②走向25°～35°,傾向NW或SE,傾角65°～80°,線密度1條/m,延伸3～7 m；③走向55°～65°,傾向NE或SW,傾角60°～80°；④走向80°～90°,傾向NE或SW,傾角60°～90°。①、③兩組為“X”型共軛剪切裂隙,裂面平直,密度大,閉合性較好；②、④兩組為與褶皺軸向平行的縱張裂隙,在軸部裂隙寬大而密集。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Regional hydrogeological sketch

區(qū)域地下水類型有第四系松散巖孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水和碎屑巖裂隙水,其中巖溶水為主要類型,其含水巖組為較純碳酸鹽巖含水巖組,富水性強,測得泉水流量為10～1 500 L/s。區(qū)域上較大型巖溶系統(tǒng)主要有河壩、龍洞河、七眼出巖溶大泉系統(tǒng)和龍橋地下暗河系統(tǒng)(圖1),其發(fā)育受可溶巖、褶皺與構(gòu)造裂隙、地下水動力條件等因素的控制。龍洞河巖溶大泉系統(tǒng)的巖溶水主要賦存于灰?guī)r溶蝕裂隙或管道中,主要受大氣降水下滲補給,地下水總體自北向南沿巖溶管道或溶蝕裂隙徑流,最終排泄至清江。

2 場地地質(zhì)特征

場地內(nèi)地勢總體為南西高北東低。區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育,裂隙發(fā)育情況和區(qū)域裂隙類似。地層主要為大冶組和第四系殘坡積層(圖2)。大冶組產(chǎn)狀穩(wěn)定,總體傾向SE,傾角5°～25°,巖性為灰—淺灰色薄—中厚層狀灰?guī)r,溶隙率為10%～28%,天然抗壓強度為72.23 MPa,抗剪強度為8.70 MPa。第四系殘坡積層分布于斜坡表層和巖溶洼地、槽谷中,厚0～10 m,巖性為黃褐色含碎石粉質(zhì)黏土,土石比為8∶2～7∶3,土體結(jié)構(gòu)松散,軟塑,以粉黏粒為主,手捻具有明顯粉土感；碎石成分為灰?guī)r,粒徑一般為1.0～2.0 cm,最大3.0 cm,呈次棱角狀。

圖2 場地地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch of the site

場地內(nèi)地下水類型主要為孔隙水和巖溶水。上層滯水賦存于第四系殘坡積層上部的粉質(zhì)黏土中,在小范圍內(nèi)形成補、徑、排系統(tǒng),受大氣降水補給,以面流形式向沖溝匯流排泄,部分滲流補給地下水,其水位隨季節(jié)性發(fā)生明顯變化。場地北西側(cè)發(fā)育松散巖類孔隙泉,由大氣降雨補給,徑流途徑短,流量動態(tài)變化。巖溶水賦存于龍洞河巖溶大泉補給區(qū)的次級復(fù)雜溶洞系統(tǒng)中,大氣降雨入滲或灌入后,順次級管道匯至走向25°的主管道。巖溶水水位埋深和變化幅度大,主要受控于降雨量、降雨匯集量、蒸發(fā)量、地下水滲透量或灌入量。干旱少雨時場地內(nèi)穩(wěn)定地下水水位較低,位于溶洞底部或低于溶洞。在巖溶水勘察期間測得鉆孔中的地下水水位埋深6.0～17.4 m(均為孔內(nèi)殘留水)；選擇3個塌陷坑口進行地下水水位長觀,發(fā)現(xiàn)水位上下波動頻率與降雨次數(shù)一致,降雨時水位升至塌陷坑口,雨后3—5 d水位降至基巖面以下,降落幅度達5～8 m,因此坑內(nèi)水位可以代表區(qū)內(nèi)地下水水位變動情況。

3 巖溶地面塌陷特征

3.1 巖溶發(fā)育特征

地面調(diào)查發(fā)現(xiàn),場地內(nèi)溶痕、溶蝕裂隙、巖溶塌陷、溶溝(槽)、巖溶槽谷、巖溶洼地等巖溶形態(tài)在表層較發(fā)育。場地處于可溶巖區(qū),屬垂直滲流帶和地下水水位季節(jié)變動帶,表層巖溶呈垂向發(fā)育,較深處巖溶呈水平方向和垂直方向發(fā)育。此次布設(shè)了3條NE向和3條NW向電法物探剖面(圖2)進行探測,解譯出27個溶洞,溶洞長5.0～34.0 m,寬2.7～12.8 m,高4.0～18.0 m(圖3)。然后布置了4個鉆孔(圖2)進行驗證,3個鉆孔揭露出溶洞,溶洞為半充填型(照片1),充填物為黃褐色軟塑狀粉質(zhì)黏土,表明物探解譯結(jié)果較可靠。從綜合物探解譯和地面調(diào)查成果來看,隱伏溶洞主要呈走向45°和30°發(fā)育,在這兩組方向上地表巖溶落水洞和塌陷呈串珠狀展布。

照片1 ZK04揭露的巖溶空洞區(qū)Photo 1 Karst cavity area exposed by ZK04

圖3 2#電阻率剖面和地質(zhì)剖面對比圖Fig.3 No.2 resistivity profile and geological profile comparison

3.2 巖溶地面塌陷特征

地面調(diào)查發(fā)現(xiàn),場地內(nèi)集中分布4處巖溶塌陷坑(照片2),發(fā)育22個塌陷口(表1),主要分布于巖溶槽谷和地勢相對平緩的斜坡部位(圖2)。塌陷口平面形態(tài)為圓形、橢圓形、長條形,長軸1.0～19.8 m,短軸0.5～18.0 m,面積0.8～356.4 m2,均為小型規(guī)模。塌陷口多沿巖溶槽谷展布方向定向排列,長軸方向約150°。

表1 巖溶地面塌陷發(fā)育情況統(tǒng)計表Table 1 Statistics table of karst ground collapse development

照片2 巖溶地面塌陷實景(鏡向西)Photo 2 Actual scene of karst ground collapse (mirror to the West)

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷均為土體塌陷,土層的厚度影響塌陷數(shù)量及空間分布。據(jù)統(tǒng)計,15個塌陷口處的土層厚度<3 m,占總數(shù)的68.2%；5個塌陷口處的土層厚度為3～5 m,占總數(shù)的22.7%；2個塌陷口處的土層厚度為5～8 m,占總數(shù)的9.1%。

4 巖溶地面塌陷成因分析

4.1 塌陷形成條件和過程

巖溶地區(qū)形成地面塌陷需具備巖溶空間、一定厚度的覆蓋層和誘發(fā)因素三個基本條件,較高海拔的高中山區(qū)形成的巖溶地面塌陷也是如此。

(1) 復(fù)雜的溶洞系統(tǒng)為地面塌陷提供空間條件。場地屬龍洞河巖溶大泉系統(tǒng)補給區(qū)近地表分水嶺段,溶洞空間分布受補給區(qū)管道系統(tǒng)控制。深部巖溶系統(tǒng)主要有走向45°和30°兩組管道；發(fā)育的溶洞最長為34.0 m,最寬為12.8 m,最高為18.0 m,規(guī)模普遍較大,具備了形成地面塌陷的巖溶空間條件。溶洞系統(tǒng)通過裂隙或落水洞與第四系覆蓋層相連接(圖4),構(gòu)成了地下水及塌陷沉降物質(zhì)的儲存場所和運移通道。

(2) 覆蓋層具備發(fā)生滲透破壞的物性條件。場地內(nèi)洼地的覆蓋層為厚度較小的含碎石粉質(zhì)黏土,孔隙比為1.010～1.101,壓縮模量為4.6～5.32 MPa,內(nèi)摩擦角為6°～9°,黏聚力為22～37 kPa。而一般情況下,粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角為18°～25°(摩擦系數(shù)為0.32～0.46),黏聚力為5～10 kPa,可見場地含碎石粉質(zhì)黏土遇水飽和后,內(nèi)摩擦角銳減,但黏聚力會增大。

(3) 地表水下滲對覆蓋層有較強的水力潛蝕作用。場地處于恩施市降雨量的中心位置,年降雨量為1 400～1 600 mm,尤其雨季降雨密集且雨量大。由于洼地覆蓋厚度不均的黏性土,且植被十分發(fā)育有利于降水匯集,大量降雨經(jīng)裂隙下滲補給下伏巖溶水系統(tǒng),對黏性土覆蓋層產(chǎn)生強烈的潛蝕作用,造成可溶巖縫隙持續(xù)擴大(圖4中的Ⅰ)。

圖4 場地巖溶地面塌陷形成模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of formation model of karst ground collapse in site

(4) 巖溶洞穴上方土—巖界面發(fā)生地下水沖蝕作用。如圖4中Ⅱ所示,當?shù)叵滤疂撐g作用使土體中產(chǎn)生自由空間或地下水運移通道時,地下徑流便會對徑流通道周圍的土體產(chǎn)生沖蝕作用。

(5) 滲流場水動力條件的強烈變化破壞覆蓋層結(jié)構(gòu)。場區(qū)位于強降水的巖溶管道系統(tǒng)補給區(qū),地下水水位波動幅度較大。特別是雨季,地表水匯聚于洼地后向下滲透進入巖溶管道系統(tǒng),當巖溶水水位大幅下降后,巖溶水與上層滯水的水頭差變大,在開口巖溶附近產(chǎn)生較強的滲流場,且隨著巖溶水水位的持續(xù)下降而變強；水力坡度隨之增大,當超過土體臨界水力坡度時,滲流場的水動力便將覆蓋層的土顆粒帶走,脫離母體的土顆粒隨地下水的運移而被搬運至他處,最終在土—巖界面附近形成土洞[16](圖4中的Ⅲ)。地下水水位在土—巖界面頻繁波動,對附近土體產(chǎn)生脹縮—崩解作用,當?shù)叵滤簧仙龝r,地下水浸泡土體導致土體強度降低,使土體發(fā)生崩解；當?shù)叵滤幌陆禃r,土體失水,產(chǎn)生干裂,為下次土體破壞產(chǎn)生條件。最終,因地下水水位下降導致土體有效自重應(yīng)力增加、粉質(zhì)黏土遇水導致抗剪強度降低等因素,土洞頂板發(fā)生塌陷,從而形成巖溶地面塌陷(圖4中的Ⅳ)。

4.2 塌陷力學分析

4.2.1模型的建立

圖5 巖溶地面塌陷力學模型(據(jù)參考文獻[17]修改)Fig.5 Mechanical model of karst ground collapse

通過受力分析可知,土洞頂板主要受到土體重力G、正向荷載產(chǎn)生的向下壓力F下、土體因靜止側(cè)壓力產(chǎn)生的側(cè)向摩阻力f、逆向荷載產(chǎn)生的向上壓力F上。其中,正向荷載主要包括地表水體在土洞頂板產(chǎn)生的荷載Pw、土洞真空吸蝕作用產(chǎn)生的負壓荷載Pva、地下水水位驟降引起的浮托力喪失荷載Pft下、地面堆載引起的附加荷載及其他荷載Pot下；逆向荷載主要包括土洞充水后對頂板產(chǎn)生的浮托力Pft上、附加于土洞頂板的其他荷載Pot上。

依據(jù)極限平衡理論,某一時刻土洞頂板受到的向上力和向下力相等時,即達到極限平衡狀態(tài)。地面穩(wěn)定系數(shù)K可用土洞頂板受到的總向上力與總向下力的比值來表示,即：

(1)

其他相關(guān)計算公式為：

(2)

(3)

當K=1時,土洞頂板處于極限平衡狀態(tài)；當K>1時,土洞頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)；當K<1時,土洞頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài),會發(fā)生地面塌陷。

4.2.2模型的驗證

根據(jù)場地實際地質(zhì)特征,土洞頂板無地表水,因此計算土洞頂板穩(wěn)定系數(shù)時,不考慮地表水荷載Pw；高中山區(qū)巖溶系統(tǒng)補給區(qū)落水洞較發(fā)育,大氣壓和土洞內(nèi)氣壓差距小,可忽略其影響,因此不考慮土洞負壓荷載Pva；地下水垂向流速較小,可忽略其沖蝕力,因此不考慮地下水產(chǎn)生的浮托力Pft下和Pft上；本次計算不考慮地面附加荷載等其他荷載Pot下和Pot上的影響。因此,公式(1)可簡化為：

(4)

以場地內(nèi)已形成的TX21-7塌陷坑口為例,取土洞直徑D=7.6 m、土洞頂板土體厚度H=4.0 m、飽和重度γ=17.62 kN/m3、黏聚力C=28 kPa、內(nèi)摩擦角φ=8.6°、靜止土壓力系數(shù)k0=0.38,采用公式(2)(3)(4)計算出該塌陷坑頂板的穩(wěn)定系數(shù)K=0.78。因此在理想狀態(tài)下,TX21-7塌陷坑頂板的穩(wěn)定系數(shù)<1,處于不穩(wěn)定狀態(tài),與實際情況相符。然后采用所建模型計算場地內(nèi)所有塌陷坑的穩(wěn)定系數(shù),結(jié)果顯示穩(wěn)定系數(shù)均<1,表明場地內(nèi)巖溶地面塌陷現(xiàn)狀不穩(wěn)定,實際發(fā)生塌陷情況與黏性土型土洞塌陷模型相吻合。

5 結(jié)論

(1) 擬建滑雪場場地集中分布4處巖溶地面塌陷坑,發(fā)育22個塌陷口,均為小型規(guī)模的土體塌陷,多沿巖溶槽谷展布方向定向排列,長軸方向約150°。

(2) 通過電法物探解譯和鉆探揭露,發(fā)現(xiàn)27個溶洞,這些溶洞主要呈走向45°和30°分布,其中3個溶洞經(jīng)鉆探驗證(鉆遇率75%)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)已揭露的3個溶洞具備形成巖溶土洞甚至發(fā)展成為巖溶地面塌陷的條件,其余溶洞需進一步進行勘查。

(3) 場地位于高中山巖溶區(qū)龍洞河巖溶大泉系統(tǒng)補給區(qū),具備形成地面塌陷所需的巖溶空間、一定厚度的土體和誘發(fā)因素,塌陷成因為地下水潛蝕和沖蝕形成黏性土型土洞,在向下力的作用下造成土洞頂板塌陷。

(4) 對于場地巖溶地面塌陷的防治,建議以回填為主,并完善排水系統(tǒng),從根本上破壞巖溶地面塌陷形成的條件。首先清除陷坑中的松散土體,用大塊徑塊石將陷坑底部封口；然后澆筑厚0.5 m的C20速凝混凝土,回填碎塊石至距地面0.6 m處(壓實系數(shù)≥0.9)；而后將陷坑中清除的松散土體覆蓋至表面(厚度≥0.5 m),恢復(fù)原地貌。同時修建地表排水系統(tǒng),減少場地內(nèi)地表水匯集和下滲。