武昌倒口湖地区F地块岩溶特征、地面塌陷机理分析及治理措施

樊永生,李爱军,汤江红

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

武昌倒口湖地区F地块岩溶特征、地面塌陷机理分析及治理措施

樊永生,李爱军,汤江红

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

通过大量勘探资料,总结出该地区溶洞多分布在灰岩面附近及以下一定深度范围内,其中灰岩面往下5 m范围内溶洞最为发育,5 m以下溶洞相对较少;-14 m标高以上溶洞最多、最发育,为岩溶强发育带,-14 m标高以下溶洞相对渐少,为岩溶弱发育带。在水平方向上,多数为独立成洞,贯通的可能性较小,溶洞以单层为主,多层较少。岩溶地面塌陷是因上覆松散砂土颗粒受地下水潜蚀影响,长期不断流失,在砂土层中逐渐形成漏斗状疏松体,随着漏斗状疏松体的不断扩大,最后发生塌陷,属于 “潜蚀—漏斗状疏松体型”塌陷。有针对性地采取高压水平帷幕、静压注浆以及渗透注浆的治理措施,可有效防止岩溶地面塌陷的再次发生。

武昌倒口湖F地块;岩溶发育特征;地面塌陷机理;治理措施

0 引言

武昌倒口湖地区F地块地处武金堤西、防洪墙东江泰路—江安路之间,目前正在进行商业住宅开发,规划总用地面积约100 hm2,总建筑面积约150万m2,居住人口将达3万～4万,一期工程基本建成,二期工程处于前期勘察阶段,该地块北端灰岩岩溶发育,对工程建设不利。依据勘察及岩溶治理情况,本文对该区岩溶发育特征、岩溶地面塌陷形成机理、防治措施等予以总结分析。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

武昌倒口湖地区F地块位处长江南岸,地貌单元属长江一级阶地前缘漫滩,西北临长江,距离长江防洪墙约100 m,东南与武金堤毗邻。

1.2 地质构造

该地块位于青菱寺压扭性断裂以西,关山扇形向斜核部附近,地层以三叠系灰岩为主,白垩—第三系泥岩为辅。受构造挤压作用,下伏岩体裂隙较发育、破碎,岩溶现象发育。

1.3 地层岩性

本地块地层具典型长江一级阶地二元结构特征,表层为①人工填土,第四系全新统冲积成因堆积物,自上而下依次为 ②粉质粘土,厚3.20～7.40 m;③粉质粘土夹粉土、粉砂,厚2.20～4.40 m;④粉砂,厚7.80～13.20 m;⑤细砂,厚5.80～11.30 m;⑥砾砂,厚0.90～4.30 m;场地南端下伏基岩为上第三系(N)泥岩;北端下伏基岩为⑦三叠系大冶组(T1d)可溶性碳酸盐岩(灰岩)。岩溶分区见图1。

图1 岩溶分区示意图Fig.1 Map of karst partition

1.4 水文地质特征

该地区地下水主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水。松散岩类孔隙水赋存于上覆第四系全新统冲积砂类土层中,孔隙发育、透水性好、富水性强,为强含水层,具承压性,水位标高19.10～20.20 m。

碳酸盐岩岩溶裂隙水主要赋存于下伏三叠系大冶组(T1d)灰岩中,岩溶发育,岩溶管道畅通,该含水层基本是直接隐伏于孔隙含水层之下,局部分布薄层粘性土,上部孔隙承压水与下伏岩溶水有着较好的水力联系。岩溶水含水层顶板埋深一般在28.30～31.60 m之间,由于岩溶发育的不均一性,因此整个含水层的富水性及透水性与岩溶发育状况关系密切,水位高程一般在17.0～21.0 m之间。

区内孔隙水水位变化明显受长江水位控制,有着明显的季节性变化特征,据2000～2001年场区附近水文观测资料表明,长江枯水期(1～2月)江水位平均12.40 m,处于全年最低值,孔隙承压水位全年最低为16.80 m;平水期(4～5月)长江水位开始上涨,孔隙承压水位也缓慢恢复到17.3 m;丰水期(7～9月)长江水位达到最高,孔隙承压水也上升至20.0～20.7m,孔隙承压水水位年变幅在4.2 m左右。

下伏碳酸盐岩岩溶裂隙水水位虽也受长江水位变化的影响,但变化特征与长江水位对孔隙承压水水位影响有所不同,这主要是岩溶水水位变化还受孔隙水水位变化的影响。据水文观测资料,岩溶水水位最高值出现在8月份,为17.59 m,最低值出现在2月份,为12.41 m。4～10月份长江水位和孔隙水水位均高于岩溶水水位,此时段岩溶水水位主要受长江水位影响。11月～次年3月,岩溶水位高于长江水位,但低于孔隙水水位,此时段岩溶水水位受控于孔隙水水位,岩溶水水位年变幅在5.2 m左右。

2 岩溶发育特征

2.1 碳酸盐岩埋藏类型

根据碳酸盐岩埋藏特点,该区域碳酸盐岩可分为覆盖型和埋藏型碳酸盐岩两种类型。覆盖型是第四系松散堆积物直接覆盖在碳酸盐岩之上;埋藏型是第四系堆积物覆盖与碳酸盐岩之间隔有第三系地层。本文以覆盖型为对象进行分析。

2.2 岩性特征

区内三叠系下统大冶组(T1d)岩性为灰白色微晶灰岩及紫红色,薄—中层条带状泥质灰岩,隐晶、泥粒结构,层状及条带状构造,矿物成分以方解石为主,含量占97%以上,其次为水云母,含量约占1%,含微量石英、褐铁矿,化学组成主要是CaO和CO3,二者含量达95%左右,其次为S iO2、MgO、K2O、NaO,具可溶性。

2.3 岩溶发育状况[1]

勘察施工中大部分钻孔漏水严重,说明溶蚀裂隙发育。岩溶形态有溶洞、溶隙、溶孔和溶槽等形态,其中溶隙、溶孔最为常见,溶隙一般宽0.1～0.4 cm,溶孔直径多在0.3～5 cm;溶槽仅部分钻孔见到,宽3～5 cm;溶洞是场地岩溶的主要形态,对工程和地基稳定性影响最大,溶洞垂高多在0.10～3.00 m之间,部分3.00～4.20 m,多数被充填或半充填,仅少数为空洞。溶洞充填物为亚粘土和岩石碎屑混亚粘土,亚粘土状态不一,从软塑—硬塑状均有,岩石碎屑混亚粘土多松散状,具体溶洞发育情况见典型纵断面图(图2)。

图2 溶洞发育情况典型纵断面图Fig.2 Typical vertical section diagram of development of karst cave

2.4 岩溶发育基本规律

通过对勘察揭露的近千个勘探孔地层资料的统计分析,溶洞在垂向上有一定的分带性,从溶洞与基岩面的相对位置分析,多分布在灰岩面附近及以下一定深度范围内,其中灰岩面往下5 m范围内溶洞表现为最发育,5 m以下溶洞相对较少,岩体也渐完整;从溶洞分布所在标高分析,-14 m标高以上溶洞最多、最发育,为岩溶强发育带,-14 m标高以下溶洞相对较少,为岩溶弱发育带。在水平方向上,从溶洞分布标高和充填物特征判断,多数为独立成洞,贯通的可能性较小;在揭露深度范围内,溶洞以单层为主,多层较少,以溶蚀裂隙及覆盖型溶洞为主,开口型溶洞较少,岩溶发育基本特征及分布规律统计见表1。

表1 溶洞发育特征及分布规律汇总表Table 1 Summary of development characteristics and distribution of karst cave

3 岩溶地面塌陷及治理

3.1 岩溶地面塌陷形成条件

(1)表层土以下为疏松的砂土,直接覆盖于溶蚀现象发育的灰岩之上,在地下水的潜蚀、渗透作用下,无粘结的松散砂土颗粒很容易随水进入溶洞中,导致砂土层被扰动形成扰动土层,是区域内岩溶地面塌陷产生的基础。

(2)下覆碳酸盐岩岩溶发育,尤其是岩溶在基岩面部分较发育,形成一些开口溶洞和溶蚀裂隙,为上覆砂土颗粒创造了流失空间,在适宜的地下水动力条件下,经过一定时间,扰动土层规模逐渐扩大,形成潜蚀—漏斗状疏松体。

(3)孔隙水、岩溶水和长江水联系密切,通过地下水与地表水的补排过程,使渗流作用变得强烈,为上覆疏松砂土渗透变形流失提供了动力,推动了岩溶地面塌陷的产生。

通过静力触探测试对比,在场区砂土颗粒被潜蚀破坏孔段Ps值下降26%～35%,说明该段砂粒在不断流失,强度降低,变得疏松;而在砂层底部分布有粘性土层地段,砂土试验曲线Ps值比较正常,说明砂土颗粒未流失,反映出粘性土在此起到了阻隔作用,防止了地下水对砂土颗粒造成的潜蚀破坏,为治理措施的选择提供了基础依据,详见图3。

图3 静力触探Ps-H曲线测试对比图Fig.3 Measurement comparison chart of CPT Ps-H curve

3.2 岩溶地面塌陷发生机理

区内发生岩溶地面塌陷是地下水潜蚀和重力作用的共同结果,一般具备下列三个基本条件,即上覆盖层为第四系全新统松散堆积物,具“上粘下砂”二元结构,下伏基岩直接隐伏于砂层之下;基岩为可溶性碳酸盐岩,浅部岩溶发育;孔隙承压水与岩溶水水力联系密切。在第四系孔隙承压水与岩溶水补排形成了一定的水头差,产生渗透压力,当渗透压力大于上覆砂性土颗粒间连接力和孔隙水的浮托力时,会发生潜蚀作用,使接触基岩部位的砂颗粒向岩溶空隙和溶洞中运移流失,导致上部砂层不断产生扰动,补偿了基岩面部位的砂粒在流失的过程中留下的空间。上部砂层在重力作用下逐渐形成漏斗状疏松体,这种作用持续发生,漏斗状疏松体不断扩大,随后发生塌陷,这种塌陷属于“潜蚀—漏斗状疏松体型”塌陷[2],其发展过程参见图4。

图4 塌陷基本原理及过程示意图Fig.4 Schematic diagram of the basic principles and process of collapse

3.3 岩溶地面塌陷基本规律

武昌倒口湖地区已发生过六次地面塌陷,从发生的时间分析,基本集中在每年的4～7月,此时段,长江水位上涨迅速,砂土层中孔隙承压水位高于岩溶水,近江段高于远江段,地下水水力坡度加大,两层水自身和相互间的水力活动加剧,砂土颗粒随地下水的运动流失加剧(砂土颗粒流入岩溶裂隙、岩溶空洞),失稳概率加大,引发地面塌陷。

3.4 岩溶治理

该地块部分既有建筑物,在结合本地区岩溶发育的基本特征及塌陷形成的机理基础上,有针对性地采用了高压水平帷幕、静压注浆以及渗透注浆的治理措施[3];对于拟建建筑物主体工程,基础全部采用嵌岩桩,持力层要穿过溶洞进入稳定的岩层中,施工前采取了一桩一孔的超前钻探,在钻探孔成孔后,对揭露到溶洞的钻孔部位,进行下管注浆,注浆段完成注浆后,同样对松散覆盖层底部也进行注浆处理。经过上述方法的综合治理,既有建筑和新建建筑物均处于安全状态,有效地防止了岩溶地面塌陷的再次发生,同时也印证了本文分析结论的正确性。

4 结语

武昌倒口湖地区F地块下伏灰岩岩溶发育部位主要分布在灰岩面以下5 m深度范围,标高主要集中在-14 m以上,向下岩溶发育逐渐减弱。岩溶地面塌陷是因上覆松散砂土颗粒受地下水潜蚀影响,长期不断流失,在砂土层中逐渐形成漏斗状疏松体,漏斗状疏松体不断扩大,最后发生塌陷。

[1] 樊永生,李爱军,等.武昌倒口湖地区综合开发项目岩溶专题勘察报告[R].武汉:武汉地质工程勘察院,2006.

[2] 范士凯.武汉(湖北)地区岩溶地面塌陷[J].资源环境与工程,2006(增刊):612-614.

[3] 杜嘉鸿,张崇瑞,何修仁,等.地下建筑注浆工程简明手册[M].北京:科学出版社,1992:178-202.

(责任编辑:潘 潇)

Development Characteristics of Karst and Analysis of Collapse Mechanism on the Ground on Fblock in Daokou Lake Area in Wuchang

FAN Yongsheng,LIAijun,TANG Jianghong
(Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration,Wuhan,Hubei430051)

With a large number of exploration data,the paper summarizes karst cave more distributed in the limestone near the surface or below a certain depth.Limestone face within 5 m down cave ismost developed,5 m following cave is relatively small and rock has gradually complete;-14 m elevation above caves ismost numerous and the most developed for the strong growth of karst zone,-14 m elevation following cave is relatively s mall for the weak development of karst zone.In the horizontal direction,it is the majority of separate holes,the possibility of linking is small,karst cave predominate in single layer,multi-layer is less.Karst land collapse is affected by groundwater suffusion owing the overlying loose sand particle,continuously potentially loss,it gradually for med funnel-shaped porous body in the sandy soil layer,as the funnel-shaped porous body expanded then ultimately collapse,and it is“potential loss-funnel-shaped porous body,”collapse.The governance measures targeted high levels of curtain,static pressure grouting and per meation grouting prevent the recurrence of karst land collapse effectively.

F block in Daokou lake area in Wuchang;development characteristics of karst;collapse mechanis m on the ground

P642.25;P642.26

A

1671-1211(2010)04-0394-04

2010-01-19;改回日期:2010-03-01

樊永生(1973-),男,工程师,工程地质与水文地质专业,从事岩土工程勘察工作。E-mail:fys368@126.com