覆蓋型巖溶塌陷的空間預測與評價

劉秀敏，陳從新，沈 強，陳建勝

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071）

1 引 言

巖溶塌陷是世界各地頻發的地質災害，中國巖溶面積達363×104km2，占國土面積的1/3以上[1]，每年巖溶災害引起巨大的社會經濟損失。巖溶塌陷在時間上具有突發性，在空間上具有隱蔽性[2]，巖溶塌陷危害性強，并且一旦發生塌陷將有嚴重的后續效應。因此，如何進行巖溶塌陷的時空預測預報已成為巖溶災害防治研究中最突出的國際性前沿課題。

目前，巖溶塌陷的預測預報分為塌陷時間預測和空間預測兩類。時間預測以統計學、運籌學、系統學等學科綜合交叉的定量、半定量方法為代表[3];空間預測主要是以GIS技術為基礎的巖溶危險區劃方法[4－5]，這類方法主要是對巖溶塌陷的影響因子進行評價分析，賦予影響因子不同的權重，并應用GIS的疊加分析等功能實現巖溶危險等級的劃分。該方法在宏觀區域的巖溶塌陷的預報預測方面具有較好的效果，但在評價因子的選取、權重賦值等方面存在較大的主觀性，并且不能對具體巖溶區的塌陷范圍做出定量預測與評價，從而不能有效指導巖溶災害的工程治理。

本文在總結國內外巖溶塌陷相關資料的基礎上，提出典型覆蓋型巖溶地質結構模型，并分析了其在地下水升降及雨水入滲作用下的塌陷機制；針對當前巖溶區劃過于籠統，不能對具體巖溶危險區作出定量分析，在該典型巖溶地質結構的基礎上，提出巖溶塌陷空間預測方法，并將其用于具體巖溶災害區進行巖溶塌陷的預測與評價。

2 典型覆蓋型巖溶地質模型及塌陷機制分析

巖溶類型的劃分有多種原則，根據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化程度較小的非可溶巖，工程性質好，不容易發生塌陷；覆蓋型巖溶上部一般有厚度不等的土蓋層。相關統計分析結果表明，在巖溶地區，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的土蓋層中即使發育有少量土洞，也因土拱效應而自身結構較穩定；土蓋層厚度小于10 m的巖溶一般在工程建設初期就已經引起重視，施工過程中采取相應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突然塌陷，最具危害性。

目前關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，巖溶塌陷機制的討論多與巖溶頂板厚度[7]、溶洞土洞的形態、土蓋層性質等有關，雖然取得了眾多研究成果，但由于沒有統一的地質模型作為參照，很難將研究成果系統化、歸一化。

筆者在總結現有巖溶塌陷工程實例的基礎上，針對危害性最大的覆蓋型巖溶， 嘗試建立有塌陷代表性的地質模型——“土蓋層－巖溶體”地質結構，如圖1所示。該地質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；巖溶體為以石灰巖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，也將土粒潛蝕搬運從而在土層中形成土洞，進而使該地質模型的土-巖交界面處溶洞及土洞發育。

誘發這類典型巖溶地質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結構模型示意圖Fig.1 Typical covered karst geologic model

當地層中的地下水位快速下降時，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誘發地面塌陷的因素之一。此外，當土蓋層為密實的黏土蓋層時，水位快速下降容易在巖溶空腔中形成負壓，導致溶洞頂板塌落。

與水位驟降相比，水位快速上升時將在巖溶空腔產生更大的附加力[8]。在巖溶層中水的滲透性好，水位恢復快，從而導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，這個力正好與土層重力的方向相反，并很快與重力達成瞬間平衡。隨著水位的繼續上升，正壓不斷增大，當其大于土層自重和土層抗剪強度及外界大氣壓力時，土層便發生破壞，甚至出現“氣爆”現象。

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

3 巖溶塌陷的空間預測方法

巖溶塌陷空間預測首先應探明溶洞及土洞的埋藏情況。自20世紀70年代初以來，地球物理勘探工作者嘗試應用物探方法解決巖溶地區探測問題。經過40年的發展，物探方法和技術取得很大進步，高密度地震映像法、陸地聲納法、高密度電法、探地雷達、電磁波吸收 CT、管波探測法等在地質災害隱患、隱伏巖溶、工程結構體完整性探測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主要是地震映像法、高密度電阻率法和探地雷達。

巖溶是在具體的工程地質和水文地質條件下形成的，在物理探測的同時應開展工程勘察，從宏觀上把握巖溶區的地層結構。通過地質鉆孔可對物探發現的巖溶異常帶進行進一步的印證和確定，以準確了解巖溶的空間形態和發育規律。同時進行巖、土體的物理力學現場試驗和室內試驗，準確掌握巖、土體的物理力學性質是巖溶塌陷空間預測的基礎。

由于影響巖溶塌陷的因素眾多，針對具體巖溶區進行室內模型試驗或現場塌陷試驗困難較大。而數值模擬可以便捷地進行地層三維建模，可以模擬多個溶洞分布的溶洞群，且能兼顧考慮眾多巖溶致塌因素的影響，這使得數值模擬在巖溶塌陷的預測預報及可視化研究方面有很大的發展前景[8]。

數值模擬研究作為巖溶區物理探測與工程勘察工作的延伸，是將巖溶塌陷空間定性預測過渡到定量預測的重要手段，能對巖溶區在地表水入滲、地下水位變化和靜荷載、動荷載作用等諸多塌陷敏感因素影響下，地表變形的發展趨勢以及最有可能發生巖溶塌陷的危險區作出定量預測。

筆者提出的巖溶塌陷空間預測方法是：將地球物理探測與工程勘察相結合，探明研究區地層結構與巖溶洞穴分布情況，進而在巖、土體物理力學試驗的基礎上，運用數值模擬分析諸多塌陷因素影響下的地層變形情況，最后結合現場監測數據予以綜合預測評價。其具體操作流程如圖2所示。相對大范圍的巖溶區劃[4－5]方法，該方法主要針對生活生產區所遭受的局部巖溶災害進行塌陷測評，為具體巖溶災害的工程處治提供依據。

4 工程實例

4.1 工程概況

研究區位于湖北黃石市鐵山區，該區在20世紀80年代因采礦而地下水位大幅下降，此后在1992～2009年間，陸續發生地面塌陷十幾處。目前，該區塌陷仍在發展中，屬巖溶災害高危區。

鐵山區地處低山丘陵山間地帶。地勢東高西低，山脈走向近東西向。地面高程多在51～55 m間。研究區屬亞熱帶大陸季風氣候，區內雨量充沛，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。根據鉆探揭露的地質情況，塌陷區范圍內無湖泊、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-巖結合面，水位在-25 m左右。

4.2 巖溶探測

根據工程勘察鉆孔分析，在勘探深度范圍內，研究區主要分為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，水穩定性試驗顯示，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層為強風化閃長巖，多成砂土狀。

采用高密度電阻率法及地震 COD反射法進行研究區地下50 m的物探，同時采用地質雷達探測研究區房屋下的巖溶分布情況，探測結果表明，該區土洞和溶洞分布廣泛，如圖3所示。在工程勘察的48個鉆孔中，12個鉆孔發現有溶洞或土洞，均在物探異常區，證明物探結果可靠。

研究區處于巖溶谷地，地下水的水平流動帶中。根據該區的水動力特性，地下溶洞一般發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，其大理巖中溶洞發育嚴重，土層中土洞廣泛分布。該研究區屬于典型覆蓋型巖溶地質結構。

研究區自20世紀90年代至今的塌陷都發生在4～8月份之間，正值該區雨季，2009年7月份的塌陷發生在大暴雨后，充分說明地表雨水下滲和地下水的垂直運動是導致該區巖溶災害的直接原因。

圖3 研究區物探測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 數值模擬

（1）數值分析模型

采用有限差分軟件 FLAC3D作為主要的計算工具開展研究工作。以居民生活區為中心，建立三維地質力學模型。實際模擬平面面積為 300 m×190 m，模型底部邊界位于-50 m，高程為0處定為坐標零點，Z軸鉛直向上。模型地面采用自由邊界，底面采用x向與y向雙向節點速度約束，4個側面約束垂直于邊界面的節點速度。

模型由雜填土、黏土、大理巖、強風化閃長巖4組地層組成。網格剖分選擇適應性較強的四面體單元，模型共建有30 587個單元，6 289個節點，如4圖所示。依據物探和工勘資料，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。圖5的典型剖面圖顯示了該區地層結構和部分溶洞及土洞位置。

（2）參數取值

計算的材料模型采用彈塑性本構關系，力學模型采用Mohr-Coulomb模型。表1為進行現場鉆孔注水試驗獲取的巖土體的滲透系數。表2為對鉆孔取樣的黏土試樣進行天然和飽水狀態快剪試驗獲取的抗剪強度指標。進行室內巖、土物理力學試驗并結合工程巖體分級標準（GB50218-94）推薦的指標值確定數值計算所需的參數，見表3。

（3）工況設置及計算結果

本次計算主要考慮了地下水位升降和長時間降雨對研究區地表穩定性的影響，涵蓋了水位下降致塌、水位恢復致塌和大氣降雨導致土蓋層軟化塌陷這3種典型覆蓋型巖溶的主要致塌機制。

圖4 研究區有限差分網格模型Fig.4 Finite difference grid model of the research area

圖5 典型剖面網格圖Fig.5 Grid chart of typical section

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

表2 黏土抗剪強度指標Table 2 Shearing strength indices of clay

表3 巖、土體的Mohr-Coulomb力學參數Table 3 Rocks’ and soils’ Mohr-Coulomb mechanical parameters

其中在水位陡降工況中，通過fluid與mech開關的轉換，考慮了流-固耦合作用；模擬長時間降雨時，主要考慮入滲的地表水對土層物理力學性質的弱化，黏土蓋層的計算參數采用飽和狀態下的黏土抗剪強度指標，其黏聚力 c =45 kPa和內摩擦角?=16°（見表2），以達到對土蓋層軟化效應的模擬。計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，引起研究區左下側地面抬升，最大值為2.8 mm；圖7顯示地下水位驟降時，在居民區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，在研究區左下側及居民區中心引起較大地表沉降，最大值為-100 mm。

（4）巖溶塌陷預測與評價

根據本次數值模擬結果可以得出相對于地下水位陡升與驟降這兩種情況，長時間降雨使溶洞上方土蓋層軟化而導致的地表沉降的程度最嚴重。結合該地的氣候條件，研究區在雨季因土蓋層軟化而發生巖溶塌陷的可能性最大。圖9～11顯示了3種工況下研究區的地表不穩定范圍。

圖6 水位陡升時地面隆起等值線圖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 水位陡升時地表危險區示意圖Fig.9 Risk range when ground water skyrocketed

圖10 水位驟降時地表危險區示意圖Fig.10 Risk range when ground water ground water steep descent

圖11 長時間降雨時地表危險區示意圖Fig.11 Risk range after longtime rainfall

對該研究區而言，溶洞及其上部土洞是在一定的氣候和水文地質條件下經巖溶水的溶蝕搬運緩慢形成的，溶洞和土洞的存在是導致地面塌陷的潛在危險因素，而降雨是誘發突然塌陷的直接因素。

對研究區主要房屋裂縫數量進行不間斷統計，發現2009年8～11月間，8號、22號和29號房屋有較多新增裂縫出現，主要為窗臺上的倒“八”字型斜向裂縫和窗臺下及縱墻墻體上的豎向裂縫；此外，22號房屋附近有新增地面裂縫出現（圖12所示）。綜合數值計算結果與現場監測巡視情況，對巖溶塌陷高危區作出預測，其具體空間范圍如圖13所示。

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

圖13 研究區巖溶塌陷空間預測圖Fig.13 Spatial prediction of karst collapse for the research area

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

5 結 論

（1）提出“土蓋層－巖溶體”典型巖溶地質模型，將致災率較高的覆蓋型巖溶進行抽象概括，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制研究的系統化規范化，增強了巖溶理論研究的針對性。

（2）運用數值模擬方法對巖溶區地表變形進行分析，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。

（3）提出“物理探測－工程勘察－巖、土體物理力學試驗－數值模擬－監測評價”的巖溶塌陷空間預測方法，并應用于典型巖溶工程問題的定量分析中，劃分出研究區的巖溶塌陷空間范圍。該方法主要以具體的工程數據為依據，具有較強的操作性，預測結果客觀可靠，可在類似工程問題中予以推廣。

[1]康厚榮, 羅強, 凌建明, 等. 巖溶地區公路修筑理論與實踐[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

[2]雷明堂, 蔣小珍. 巖溶塌陷研究現狀、發展趨勢及其支撐技術方法[J]. 中國地質災害與防治學報, 1998, 9(3):1－6.LEI Ming-tang, JIANG Xiao-zhen. Research on the present situation and developing tendency of karst collapse and techniques for its supporting[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,1998, 9(3): 1－6.

[3]賴永標, 喬春生. 基于支持向量機巖溶塌陷的智能預測模型[J]. 北京交通大學學報, 2008, 32(1): 36－39.LAI Yong-biao, QIAO Chun-sheng. Intelligent model of karstic collapse prediction based on SVM[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2008, 32(1): 36－39.

[4]蔣小珍. 基于 GIS技術的全國地面塌陷災害危險性評價[J]. 地球學報, 2003, 24(5): 469－474.JIANG Xiao-zhen. Application of GIS to the assessment of surfaces collapse hazards in China[J]. Acta Geosicientia Sinica, 2003, 24(5): 469－474.

[5]康厚榮, 雷明堂, 張謝東, 等. 貴州省公路工程巖溶環境區劃[J]. 巖土力學, 2009, 30(10): 3032－3036.KANG Hou-rong, LEI Ming-tang, ZHANG Xie-dong,et al. Karst environment zoning for highway engineering of Guizhou Province[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(10): 3032－3036.

[6]白日升. 巖溶地區地面塌陷的發生規律及治理[J]. 土工基礎, 2001, 15(4): 34－38.BAI Ri-sheng. Rules and remedies of surface subsidece in karst area[J]. Soil Engineering and Foundation, 2001,15(4): 34－38.

[7]王濱, 賀可強. 巖溶塌陷臨界土洞的極限平衡高度公式[J]. 巖土力學, 2006, 27(3): 458－462.WANG Bin, HE Ke-qiang. Study on limit equilibrium height expression of critical soil cave of karst collapse[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(3): 458－462.

[8]程星. 巖溶塌陷機理及其預測與評價研究[M]. 北京:地質出版社, 2006.

[9]覃政教, 鐘曉群, 陳滋康, 等. 巖溶地區淺層地震反射波法[M]. 北京: 地質出版社, 1993.