張灣村峽卡河巖溶塌陷數值模擬及成因

鐘 瑤

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

巖溶塌陷是世界上最常見的地質災害和環境地質問題之一，嚴重危害了人類社會與工程建設的發展[1]。近些年來，國外學者在巖溶塌陷的發育規律、分布特點[2]、成因機制、致塌原因[3]、勘測技術[4]、治理措施、監測預報[5]和數值模擬[6]等方面取得了豐富的研究成果。國內學者趙博超等人在國外對巖溶塌陷認識發展的基礎上結合我國的地質環境情況，提出了產生巖溶塌陷需要具備一定發育程度巖溶、巖溶上方的巖土體和巖溶地下水系統三個條件[7]。鄭曉明等人在武漢市已發生的巖溶塌陷基礎上，從可溶巖巖溶發育程度、地下水水位與基巖面關系，將武漢市巖溶塌陷概化為八類地質模式[8]。陳標典等人根據蓋層上下疊置關系將巖溶塌陷歸納為九種致塌模式[9]。王飛等人從覆蓋層和地下水兩個方面分析巖溶塌陷的內部結構，發現“上黏下沙”的蓋層結構和孔隙水是塌陷形成的基礎[10]。姜伏偉根據“水-土”相互作用，在包氣帶、潛水層和承壓水層分別建立了崩解作用、潛蝕作用和水力裂隙作用的三種巖溶塌陷發育機理模式[11]。賈龍等人采用FLAC3D軟件分析覆蓋層塑性區的垂直位移場，提出在松散和堅硬的兩種黏土層中會形成壇狀和錐碟形兩種類型的塌陷坑[12]。洪儒寶等人在物理模型箱獲取多種條件下土體的應力應變信息，提出在地下水位重復升降的過程中，在同一水平面上的土體越靠近溶洞產生的應變越大[13]。程星等人探討了FLAC3D三維數值模擬應用于巖溶塌陷的模擬技術及方法，提出單一透水型蓋層下的抽水致塌過程與致塌機理是吻合的[14]。王柳寧等人提出巖溶塌陷產生來自于地下水位頻繁的升降，改變了上層覆蓋土體的狀態和強度，引起地下巖溶及土洞空腔內的正負壓力的交替變化造成塌陷[15]。

前人在研究巖溶地面塌陷主要集中在理論分析、現場監測及模型試驗三個方面，而借助數值模擬軟件對巖溶塌陷進行數值模擬的研究較少。數值模擬可較好的還原現場環境，并獲得土層內部的應力應變情況。本文將以張灣村峽卡河研究區巖溶塌陷為研究對象，結合工程地質、水文監測資料，采用FLAC3D數值模擬軟件對地下水位下降時巖溶塌陷過程進行模擬，從應力應變云圖的角度分析溶洞內部的發育過程，為研究區巖溶塌陷防治提供參考。

1 研究區基本概況

1.1 地理位置

張灣村峽卡河研究區的巖溶塌陷坑主要集中在峽卡河水庫的尾壩附近(圖1)，呈線性分布與南北方向，主要發育在東側山體坡腳與水庫交接部位，平面形態呈串珠狀，單坑多呈近圓形，坑口直徑3～12 m，深7～15 m。2002年5月該區開始出現變形，至今已發展成55處陷坑，現仍處發展階段。發育規模最大處位于塌陷區南端，橢圓形陷坑面積約0.03 hm2，發育陷坑大小不等，形態各異，以壇狀、碟形狀平面形態為主。塌陷最大深度約8 m(圖2)。

圖1 張灣村峽卡河地面塌陷區地質平面

圖2 峽卡河水庫尾壩附近地面塌陷

1.2 水文地質條件

研究區內以構造侵蝕地形為主，呈北北西向帶狀低山區，地表多為基巖裸露。區內處于碳酸鹽巖與非可溶巖的交界部位，隱伏性溶洞呈現不規則形態，最大邊長將近230 m，總平面投影面積大約16664.4 m2，頂板厚度為5～20 m不等。研究區內斷裂構造以北北西向壓扭性斷裂和伴生的張扭性斷裂構造相對較發育，這些構造為地下水的運移提供了重要通道，特別是該區東西向的兩條斷裂構造，對礦區疏排水活動與塌陷區的地下水聯系起著重要的作用。

研究區內的地下水主要有兩種形式，分別為巖溶裂隙水、基巖裂隙水。其中以巖溶裂隙水為主。區內溶洞較為發育、富水性較好，隔水性能較差，出現閉坑涌水，導致地下水位持續下降。同時由于多年采礦活動造成區域地下水位下降、水庫容量減少，破壞了該區地下水平衡，導致各種水環境問題。

2 塌陷概化模型建立

為了驗證建立模型的合理性，選取研究區已經發生的典型巖溶塌陷為點作為例子進行驗證，對其塌陷的過程進行模擬計算分析，如果實際塌陷發生時的情況與數值模擬過程的分析結果相符合則表示模型設計方案可行。

2.1 典型計算斷面確定

根據對研究區的地下水水位監測資料分析，發現監測1號塌陷坑群的水監09號孔地下水位在117.10～118.70 m之間，水位變幅1.60 m，水監10號孔地下水位在36.00～90.80 m，水位變幅達54.80 m(表1)，兩孔的最大水力梯度達0.136。初步推測1號塌陷坑群是在水位快速波動的情況下，造成了溶洞內填充物流失，形成了巖溶空洞。

表1 監測孔地下水水位統計表

本文選擇由地下水水位快速波動造成塌陷的一號塌陷坑作為研究對象，從而模擬地下水位下降時巖溶塌陷的整個過程并與實際發生塌陷進行對比。因此選取水監9號孔到水監10孔來作為典型計算斷面(圖3)，在數值模擬時按照兩孔的最大水位和最低水位來反映地下水對巖溶塌陷的影響。

圖3 峽卡河治理區地下水監測工程布置

其中水監09孔揭露的巖溶最發育，其揭露的最大洞高35 m，溶洞內充填礫砂，東側巖溶發育強度較西側稍弱，推測早期地下水總體向南西徑流，在碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖交接部位形成早期地下暗河。因此區域巖溶發育特征可以推測出區內溶洞總體向西側延伸，計算斷面結合水監09、010號孔揭露的溶洞高度，綜合以上概化出了斷面內巖溶洞穴的展布形態(圖4)。

圖4 峽卡河1號塌陷坑群典型計算斷面

結合實際地下水水位監測孔，并將圖4斷面兩端補至與水平線和豎直線平齊，并將各巖層界線延伸至與邊界相交處基于概化計算斷面，建立有限元模型如下圖5所示。

圖5 概化斷面有限元模型

2.2 邊界條件和參數確定

研究區的巖溶塌陷有限元地質模型基本邊界情況設定：研究區南臨峽卡河，可設此河流邊界為模型的側向邊界并施加水平約束。選取灰質白云巖埋深處為下邊界，此邊界沒有產生水力交換，施加垂向約束。模型的頂部為自由邊界。針對建立的巖溶塌陷有限元模型，分析地下水水位的變化對巖溶塌陷的影響，從而對巖溶塌陷成因機制進行概括總結。

1)生成初始應力場：有限元模型初始流場設定在60 m地下水水位。

2)地下水水位下降過程模擬：研究區產生巖溶塌陷的主要原因是地下水水位下降所導致的。在此次數值模擬中，需考慮地下水水位由頂層溶洞以上下降到最底層溶洞以下時模型產生的應力應變情況。

參考勘察報告和相關規范并依據研究區內土工試驗、抽水試驗獲得該模型的物理力學性質指標(表2)。

表2 模型基本參數

3 模擬結果分析

3.1 計算分析

考慮到周圍礦山開采等活動引起的地下水位下降的作用及原場地應力的作用，計算滲流場變化，溶洞內填充物質隨地下水位下降而流失過程中，模型的應力及應變情況。將地下水下降至不同位置的過程分為如下三個階段進行計算分析。

1)第一階段：當地下水位下降至距基巖面以上40 m時，計算的模型應力、應變如圖6所示。

圖6 第一階段應力、應變云圖

由圖6可以看出，初始狀態地下水下降到距基巖面以上40 m時計算模型X方向應力最大值為10 kPa，Z方向應力最大值為15 kPa，并且頂層溶洞X方向應變量值為20，Z方向應變量值為10。這是由于地下水位下降至頂層溶洞以下時，浮托力減小，土體由有效重度變為天然重度，重力大大增加。同時水力坡度也將增大，潛水與地下水之間的水頭差變大，在頂層溶洞的空腔內出現半真空狀態，從而形成負壓，導致壓應力在上部溶洞洞頂形成。同時負壓也會對周圍土體產生吸蝕作用，這也是X方向應力應變產生的原因。

2)第二階段：當地下水位下降至距基巖面以上20 m時，計算的模型應力、應變如圖7所示。

圖7 第二階段應力、應變云圖

由圖7可以看出，第二段階地下水下降到距基巖面以上20 m時計算模型X方向應力最大值為29.7 kPa，Z方向應力最大值為31.5 kPa，相比于第一階段的應力值增加了16.5到19.7 kPa。同時X方向應變量最大值為30.7，Z方向應變量最大值為40.8。此時Z方向的應變量值相比第一階段增加了30，同時應變出現在溶洞上方覆蓋了頂層溶洞，這表明在兩次的水位急劇下降時溶洞周圍的土體失去平衡滑落。同時由于受到地下水的浸泡作用溶洞周圍土體軟化崩解，當水位第二次下降時，水流攜帶走大量的泥土體，導致頂層溶洞繼續得到擴張。

3)第三階段：當地下水位下降至基巖面時，計算的模型應力、應變如圖8所示。

圖8 第三階段應力、應變云圖

由圖8可以看出，隨著地下水位下降到基巖面時，計算模型X方向應力最大值為42.9 kPa，Z方向應力最大值為65.4 kPa，相比第二階段應力值增加了13.2到33.9 kPa，尤其是Z方向應力值大幅增長了33.9 kPa。同時X、Z方向應變量值均為60。Z方向應變量值相比第二階段增加了20，這表明溶洞在發育到臨界高度后繼續向上擴張，此時溶洞頂部無法支撐上部土體的重量發生剪切變形，同時溶洞頂部塑性張拉區繼續向上延伸最終貫通土層表面，導致塌陷破壞。同時軟件暫停計算并彈出提示模型己無法收斂，說明在模擬地下水位下降到第三階段時產生了巖溶塌陷。

根據以上結果顯示可知，在地下水下降至距基巖面以上40 m時，由于滲流的攜帶作用，頂層溶洞內的填充物流失，溶洞周圍的應力增大，出現應力集中現象，且在溶洞的頂端尤為明顯。地下水繼續下降至距基巖面以上20 m時，位于中間層溶洞的填充物全部流失，溶洞的應力集中更為明顯，且Z方向應變差值達到50，當最底層溶洞的填充被滲流掏空時，整個溶洞區域的應力達到峰值65.4 kPa，由計算結果可知，模型在此條件下，已發生塌陷現象。

3.2 巖溶塌陷的成因分析

根據有限元模擬計算結果與現場勘察報告對比分析可知，峽卡河地面巖溶塌陷的形成具備了以下幾個條件：

1)地下分布發育大量的巖溶管道和巖溶洞穴 地下一定深度范圍內，分布發育有大量的“空洞”才能有塌陷“物質”的儲存空間，因此，地下分布發育有大量的巖溶管道和巖溶洞穴是研究區形成巖溶塌陷的主要條件。據勘查資料分析，塌陷區下覆的巖性主要為可溶的泥質灰巖，巖體破碎，構造發育，地下水豐富，徑流條件好，沿構造帶方向地下分布發育有大量的巖溶管道和巖溶洞穴。

2)構造破碎與導水斷裂致使地下水富集巖溶發育 構造破碎與導水斷裂致使地下水富集、巖溶發育，是形成地面塌陷的主要地質條件，其中可溶碳酸鹽巖的分布又是形成巖溶的必要條件。研究區地層主要為可溶的碳酸鹽巖，構造和巖體節理裂隙極為發育，受到區域構造和巖體節理裂隙的影響，區內巖層產狀很大差異，巖層間擠壓錯動，巖體極為碎裂，致使區內地下水富集在沿斷裂帶地段，巖溶洼谷、洞穴也極其發育。

3)采礦活動導致地下水位急劇下降促使了塌陷形成 研究區地下水徑流、排泄條件良好，溶孔、溶隙、溶洞中大量的微粒物質被地下水攜帶走，也導致上部覆蓋層的土層顆粒不斷流失，致使巖溶溶隙、溶孔、溶洞不斷被潛蝕淘空、加寬、加深擴大，再加上周邊礦區的開采活動，促使地下水位驟變(驟降或驟生)，致使上部覆蓋層土體的應力平衡狀態改變，從而失穩發生塌陷。研究區地下水的活動促使了該地段塌陷的形成。

4 結論

文中運用FLAC3D數值模擬軟件對鐘祥市張灣村峽卡河研究區的巖溶塌陷過程進行模擬并對地下水位下降時的應力應變進行分析得到以下結論：

1)當地下水下降到距基巖面以上40 m時，溶洞上方出現水位差和剪應力集中現象，滲流潛蝕作用明顯，在重力的共同作用下溶洞周圍土體軟化崩解，水流攜帶走大量的泥土體，這是溶洞開始形成與拓展的原因。

2)地下水急劇下降到基巖面時溶洞X方向應力應變均發生突變，應變差值達到40。這表明溶洞橫向的土體受剪應力集中作用發生破壞，導致溶洞直徑拓展發育，符合研究區溶洞最后坍塌時呈壇狀或碟狀塌陷坑的形狀。

3)溶洞頂部Z方向出現較大應力應變值，且土層越高應變差值越大，頂層土體應變差值達到50，最大垂向位移出現在溶洞的頂部位置，此時溶洞頂部發生剪切變形，符合研究區溶洞的破壞常出現頂部垂向坍塌現象。

4)研究區發生巖溶塌陷的主要原因是礦山疏排水引起地下水位落差過大，建議采用止水帷幕等措施，防止巖溶塌陷的產生。