巖溶塌陷治理設計與實現
——以山東省平邑縣泰和村巖溶塌陷設計治理點為例

孫頎

(平邑縣自然資源和規劃局,山東 平邑 273300)

0 引言

巖溶塌陷主要受地下水變動的影響,其形成形態受其上覆第四系地層厚薄變化的影響而有所不同。且巖溶塌陷地質災害一旦發生,將呈點狀分布,并具一地多發性,雖然規模一般不大,但破壞強度及社會影響較大。而巖溶塌陷的發生多在水位下降期及較大降雨后,巖溶周邊區域水動力發生改變[1],而水動力條件的改變將對巖土體產生滲透潛蝕、真空吸蝕等作用[2],最終形成地面塌陷。巖溶塌陷受可溶巖及巖溶發育程度、覆蓋層厚度、結構和性質、地下水運動等因素綜合影響。

巖溶塌陷作為我國主要的地質災害之一,其形成主要受到自然條件與人類活動的影響,隨著經濟社會的發展,不少居民生活區域與礦產開采區域相重疊,或受礦產開采降水的影響。本文以平邑縣巖溶塌陷治理為研究對象,分析其形成塌陷的地質成因,運用地球物理探測手段,結合現場變形監控評估治理方案的有效性,提出塌陷區域治理方案。

1 治理區概況

平邑縣位于山東省中南部,區內巖溶較為發育,巖溶塌陷區主要分布在平邑-溫水巖溶地下水主徑流帶及銅石鎮北部等區域,銅石鎮泰和村巖溶塌陷點是其中的典型代表之一,該塌陷點的設計治理工程被列為第一批山水林田湖草沙一體化保護和修復工程項目。該區域位于華北板塊魯西隆起區魯中隆起尼山-平邑斷隆尼山凸起北東部[3-4]。治理區地貌類型為山前平原地貌,總體地勢為西高東低、北高南低,地面海拔高度為129.52～133.36m,相對高差較小。

該區域為第四紀地層所覆蓋,可溶巖上覆土層性質和厚度是巖溶塌陷形成的重要條件[5]。區內地層主要為臨沂組、白堊紀萊陽群曲格莊組、奧陶紀馬家溝群北庵莊組、東黃山組等。區內巖性為中生代燕山期-印支期歸來莊超單元西封山單元細粒閃長巖侵入體。奧陶紀馬家溝群巖層是治理區的主要可溶巖,以灰色—淺灰色中—厚層微晶灰巖,豹皮灰巖和燧石結核灰巖為主,夾生物碎屑、砂屑灰巖[6]。

2 塌陷情況及勘查

2.1 巖溶塌陷歷史

研究對象在2009年秋初次發生塌陷,并于2014年在該塌陷點南側民宅內再次發生塌陷(圖1、圖2)。通過現場調查、巖土工程勘察、鉆孔等方式進行調查[7],塌陷導致民宅墻體有裂縫,最大寬度達20cm,造成民房受損,無法居住,且該塌陷點位于聚居區,巖溶塌陷已經嚴重威脅到周邊人們的生命財產安全。塌陷坑附近歷史最高水位36.27m,最低水位32.33m,多年來水位變幅小于4m,位于第四系與基巖接觸帶上,近年來,水位呈持續下降趨勢。塌陷區正處在東側孔隙水與西側巖溶水相互交換更替的部位,水面波動導致第四系底部砂層的流失。

圖1 兩次塌陷區位置圖

圖2 塌陷區示意圖

距塌陷點東南8km處有一個正在開采的金礦,在其深部進行疏干開采,增加地下水位降深,地下水降落漏斗向周圍不斷擴展,地下水位不斷下降,周圍村民原飲用水井漸進干涸,嚴重影響了當地居民的生活用水,對地下水環境影響嚴重。由于金礦開采排水,形成了較大的地下水降落漏斗,改變了地下水徑流排泄路徑。由于降落漏斗的不斷擴展,以露天采坑為中心,周邊地下水與地表水入滲,由于東南部奧陶系灰巖發育,導致發生巖溶塌陷。

2.2 塌陷區勘查

高密度電法能夠較好地確定土層的厚度,區分土層和巖石的分界面,通過電阻率的分布及變化趨勢,結合地質資料,可以較好地圈定斷裂破碎帶或地下巖溶裂隙帶的發育位置[8]。塌陷區各地層巖性在電阻率物理特性存在一定差異,且充水后電阻率均大幅降低,因此可以利用高密度電法來了解巖溶塌陷特征,并進行鉆探驗證,共布置了7條剖面。

據圖3、圖4顯示,整條斷面視電阻率值均較低,平均值約為16Ω·m,最大值約為120Ω·m,等值線彎曲扭動較大。電性特征區分較明顯,自上而下的變化特征大致可分為2個電性特征層。局部等值線疏密變化不均,在剖面16～24m,深部約8～16m位置,有低阻等值線圈閉,電阻率為12～16Ω·m,在該處施工鉆孔ZK01,13～16m處出現掉鉆現象,為一溶洞,編號為2號溶洞;在剖面30～38m,深部大于-8m位置,等值線明顯向深部伸展,電阻率小于15Ω·m,在該處附近施工鉆孔ZK03和ZK04,ZK03在16～17.5m、18.2～20.2m、26～26.9m處見3處溶洞,ZK04分別在20～20.5m、22～22.5m處見2處溶洞,編號為1號溶洞。

圖3 1號測線視電阻率等值線圖

圖4 1號測線物探解譯圖

3 治理工程設計與實現

3.1 治理設計總體思路

結合塌陷區的現場鉆探資料與周邊水文環境調查,分析塌陷區的高密度電法物探推測出的巖溶發育范圍,可以基本了解塌陷區的塌陷的成因與分布范圍,從而選擇塌陷治理設計方案。采取合理的現場監測手段驗證治理效果的有效性,以達到最大限度減小治理區內巖溶塌陷隱患。實現巖溶塌陷治理與社會效益、環境效益、經濟效益的密切結合。

3.2 治理方法的選擇

巖溶塌陷地區治理以安全性、環境協調性、經濟合理性、注重實效性、與可持續發展為設計原則,選取治理設計方案。結合巖溶塌陷區域的地質條件對治理工程方案的優選分析,而目前巖溶塌陷工程治理方法主要為加固法、崩落法、充填法。

(1)加固法。適用于規模較大的溶洞。主要處理手段是采用橫梁或護網對溶洞進行局部加固,但該方法是一種臨時性措施,通常與其他方法聯合使用。且該加固方法需要溶洞具有可進入性,因此該方法不適用于本治理區。

(2)崩落法。將上部頂板巖石以充填洞區,以消除和緩解溶洞頂板應力集中,使災害降低到較低限度,適用于地表允許冒落或巖移的洞區,具有處理費用低的優點。結合當地的地質條件與圍巖強度等級,發現該方法同樣不適宜用于本治理區。

(3)充填法。主要處理措施是從開挖的坑穴或鉆孔中將充填材料充入洞區及溶蝕裂隙發育區,使得充填體與圍巖共同作用,從而達到有效封堵砂層漏失和防止巖溶塌陷的目的,對塌陷周邊區域影響較小(圖5)。

圖5 充填法施工工藝流程圖

為達到以最簡單的工程措施和最小的防治費用獲得最大的防治效果目標,使巖溶塌陷治理與社會效益、環境效益、經濟效益密切結合,綜合巖溶塌陷漁區的周邊環境分析,選取充填法作為本區域巖溶塌陷治理方案。

3.3 治理工程的實現

3.3.1 注漿孔的施工

本次塌陷治理按照3m×3m梅花狀均勻布置注漿孔,先用Φ130mm鉆頭開鉆,采用回轉方式鉆進,根據鉆探結果,下入18m套管護壁,規格為Φ127mm套管,壁厚6mm。然后用直徑為Φ91mm的鉆頭鉆至塌陷冒落帶或巖溶區底板1m處終孔,整個鉆孔過程清水鉆進[9]。

鉆孔施工至溶洞后,首先下入帶環形托盤的孔口管(管徑Φ50mm),變徑處導正,然后在孔口管周邊灌入稠水泥漿,水泥漿液中加入水泥重量2%的速凝劑,使注漿管與孔壁固結快速結合。最后從托盤開始向上止漿,澆至孔口2m左右,改用黏土搗實,填至地面管口,注漿管采用Φ50mm,壁厚3mm鋼管,等待凝固2～3天后進行注漿。

3.3.2 高壓注漿

鉆孔壓力注漿是治理巖溶塌陷的重要手段[10]。為了確保漿液質量,必須配備波美度計和比重秤,在制漿過程中經常測試漿液濃度,如發現比重異常,應及時調整[11-17]。注漿工藝流程如下:

(1)根據鉆孔施工資料,確定溶洞深度、數量,冒落帶高度等,為注漿工作做好初步準備。

(2)進行簡易壓水試驗,連接孔口管,檢查泥漿泵與管路系統的完好狀態,并記錄孔口壓力變化情況,判斷孔內巖溶、空隙的發育程度及可灌程度。

(3)根據鉆探資料、壓水試驗結果、孔深測量結果進行單孔注漿量設計,確定初始漿液濃度和注漿方法。

(4)注漿開始后,根據泵壓等數值變化情況調整注漿量和漿液濃度。

(5)測量注漿泵實際泵量,根據泵量、漿液比重計算供水量、水泥量和添加劑量,并選定調速螺旋推進器轉速[18]。

(6)當泵壓達到1.0MPa以上穩定10～15min,或注漿孔周圍有冒漿等現象出現時,結束注漿[19]。

3.3.3 注漿對周邊環境的影響

由于采用高壓注漿方法處理,高壓注漿將導致巖體裂隙的進一步發育,在注漿進行時,需要密切注意注漿壓力大小的變化,避免因高壓注漿導致巖體裂隙發育,從而導致巖溶塌陷的進一步發育。同時需要嚴格注意注漿量,如實際注漿量遠遠大于實際注漿量,表明注漿出現流溢,需要嚴格注意周邊水質酸堿度的變化,因漿液將污染地下水質。

注漿隔斷了土體中水的運動渠道,導致土體表面儲水能力降低,將導致土體孔隙水壓力的減小,需要密切注意土體的沉降變化趨勢。

3.3.4 治理監測

巖溶塌陷監測是巖溶塌陷地質災害防治中重要內容之一[20]。為有效掌握塌陷區域周邊的變形趨勢,指導災害預防工作和治理工作,在巖溶塌陷易發區周邊開展地面變形監測預警工作。由于巖溶塌陷主要發生于地下,全方位的變形監測難以實現,針對災害區域主要采取地表變形監測的手段,設計采用自動全站儀和電子水準儀相結合方法,設置監測點,定期測量數據,跟蹤監測周邊地面沉降、房屋傾斜、裂縫變化等(圖6)。

圖6 監測點平面

傳統的地質災害監測依靠監測人員進行,具有時效性的不足,經濟成本高,認為因素影響較大的特性,難以實時掌握災害區域的變形信息。為有效預警塌陷地質災害,自動化監測系統在監測過程中具有很大的應用空間。

由于本次巖溶塌陷位于居民區,周邊建筑物眾多,通視情況不良,自動化監測系統能有效適用于該區域的變形監測工作中。根據塌陷區域的實際情況,沿塌陷區域周邊布置19個沉降監測點,其監測點呈方形圍繞塌陷區域展開。由于塌陷位于居民區,周邊道路系統交錯復雜,為保障居民的出行安全,在塌陷區域周邊道路布置道路沉降監測點。由于民房距離塌陷區域較近,為保證居民的財產安全,針對靠近塌陷周邊的民房進行水平位移監測,監測點位于民房頂部,能有效了解民房的傾斜變化趨勢,建立塌陷災害的發展建立預警平臺,同時為塌陷的發育變化趨勢的分析提供指導(圖7)。

圖7 自動化監測系統架構框圖

4 結論

(1)通過工程設計治理,最大限度消除治理區巖溶塌陷對村民住房的威脅,改善治理區生態景觀,提高生態環境質量,實現當地經濟的穩步發展和可持續發展,維護社會穩定。

(2)設計采用充填法,以簡單的工程措施和較少的防治費用獲得較好的防治效果,使巖溶塌陷治理與社會效益、環境效益、經濟效益密切結合。因此,充填法是巖溶塌陷治理設計中的一種快速高效的方法。

(3)工程的設計治理實施,能夠達到預期效果,在施工過程中做到理論與實踐相結合,不斷積累經驗,為巖溶塌陷治理提供一定的技術支持,可為同類項目應用提供借鑒。