水位变动及降雨入渗联合作用对岩溶地面塌陷的影响分析

周　建，张映钱，方亿刚，刘　宇

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院， 河南 郑州 450000)



水位变动及降雨入渗联合作用对岩溶地面塌陷的影响分析

周建，张映钱，方亿刚，刘宇

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院， 河南 郑州 450000)

摘要：为了预测地区岩溶塌陷的模式及可能性，以武汉市陆家街岩溶地面塌陷为研究对象，选择多年长江武汉关枯水期和丰水期的平均水位，借鉴库伦土压力理论，建立类黏性土承压变负压的圆坛型岩溶塌陷预测模型，计算其在水位下降与降雨联合作用下的抗塌系数进行初步评价，并进一步采用GeoStudio软件的SEEP/W和SIGMA/W模块建立降雨、地下水水位升降—应力应变数值耦合分析模型，研究在不同降雨强度和持续时间下土洞的发展过程。结果表明降雨时间越长，降雨强度越强，土洞位移越大；在长江补给联合降雨作用下的位移较大，通过不同时间位移和应力分布可以得到其致塌模式为潜蚀-渗压-重力型，成因机制主要为降雨及长江水位变化引起的潜蚀渗压作用。

关键词：圆坛状塌陷；预测模型；水土耦合；致塌模式

长江一级阶地区域岩溶地面塌陷时有发生，吴永华，朱洵等[1]对陆家街地区进行了岩溶塌陷预测评价；郭殿权等[2]对陆家街地区的地面情况进行了介绍，李智毅等[3]对陆家街地面塌陷的形成机制及成因机理进行了分析，杨云发[4]对该地区岩溶塌陷的灾害防治进行了探讨，范士凯[5]对武汉市地面塌陷的历史、分布、机理等进行了总结；罗文强、肖尚德等[6-7]对武汉市地面塌陷进行了监测预警研究，高宗军等[8-9]提出了岩溶塌陷的水岩耦合预测模型，但是以上都是定性计算，并且假设为圆柱状塌陷，另外没有对导致岩溶塌陷的原因进行深入分析，也没有研究其影响过程，为了更接近陷坑的实际形态，本文在前人研究的基础上提出了基于土压力理论的圆坛状岩溶塌陷的预测模型，计算抗塌系数进行初步评价，并通过GeoStudio软件重点研究水位升降及降雨入渗联合作用对陆家街地面塌陷的影响过程。

1研究区基本概况

1、杂填土；2、粉质黏土；3、粉土；4、含砾粉质黏土；5、砂；6、含砾黏土岩；7、地层代号；8、黏土岩；9、灰岩；10、页岩；11、泥灰岩；12、地下水位；13、土洞、溶洞；14、钻孔编号

图1陆家街地面塌陷地质剖面图

2研究区岩溶塌陷预测模型的建立

2.1岩溶塌陷的发育模式

该地区塌陷上覆盖层厚度比较大，为二元结构，盖层上部黏性土层厚度大，占主要成分，下部砂性土厚度小。这种结构形态使土洞在砂层中向上发育的空间有限，当其向上发育到砂层顶板时，土洞发育进入到黏性土的阶段，同时还向砂层两侧延伸。在岩溶水的上升和下降循环过程中，黏土层逐渐剥落，因此在黏土层中形成拱形土洞，土洞不断扩大至极限平衡状态时，在暴雨作用下形成地面塌陷，该发育模式为类黏性土塌陷模式(图2)。

1、黏土；2、砂；3、塌落体；4、塌陷边界及土洞拱

图2类黏性土塌陷模式示意图

2.2承压变负压的圆坛状塌陷预测模型

依据研究区岩溶地面塌陷的地质环境背景、地下水位动态变化特征、地面塌陷模式以及岩溶土洞发育特征，利用土力学及水动力学理论进行静力学分析，可建立类黏性土承压变负压条件下地面塌陷力学预测模型[9-10]。

(1) 如图3所示，圆坛状塌陷体重力为最主要的下塌力，计算可得圆坛体积

(1)

重力G=γ土V坛，其参数描述见表1。

图3类黏性土承压变负压条件下塌陷体受力图

(2) 考虑降雨作用下对塌陷的影响作用，顶面荷载为

(2)

(3) 该土洞从承压到负压状态的变化过程中，浮力减小，由于水流对土体有垂直方向的渗透力，因此渗透力包括两部分

(3)

其中，uw为地下水水流速度，m/s，其一般小于5.6×10-4m/s，因此，公式第二部分数值很小，可忽略不计。

(4) 水位下降在土洞空腔内造成的真空吸引力U由于很难测量，则根据经验法[11-12]进行取用，范围为0～50kPa。

(5) 借鉴库伦土压力理论，假定外部土体对影响区域内的土体作用处于主动极限平衡状态，主动土压力强度σa=KaγZ，假定其作用力方向垂直其可能滑动边界，Z方向如图3所示，Ka为主动土压力系数[13-14]，因此其侧壁压力为：

(4)

由前人提出的抗塌系数的概念，即抗塌系数=抗塌力/下滑力，当抗塌系数K<1，则可能产生地面塌陷，反之，则稳定。由上述公式推导出其抗塌系数预测公式：

(5)

表1中参数是根据陆家街实际塌陷坑尺寸取得，可以计算出陆家街的抗塌系数为0.71，评价结果为塌陷，符合实际情况，因此基于土压力理论的圆坛状塌陷模型基本可靠，但该定性评价只能判断塌陷的可能性，而没有反映土洞塌陷的演化过程、形成机理及时间效应，因此结果比较保守，需要用数值模拟来进一步研究。

表1　研究区塌陷坑参数及评价结果

3水位变动及降雨入渗联合作用对土洞发育的影响

选择GeoStudio软件的SEEP/W和SIGMA/W模块建立渗流—应力应变数值耦合分析模型，对降雨及地下水位波动对土洞稳定性的影响进行模拟分析。

3.1水土耦合模型的建立

(1) 根据塌陷的工程地质条件，没有考虑溶洞周围围岩压力的作用，概化出二维地质模型，设模型长100 m，宽50 m，由三层地层组成，上覆16 m黏性土、14 m的砂性土及20 m的基岩。其中塌陷坑参数与上述模型一致。其中划分单元1 213个，节点有1 287个。

(2) 由勘察报告和岩土力学试验可得各地层的物理力学参数见表2，上覆黏性土和下覆砂性土的非饱和渗透函数，根据其饱和渗透系数大小和土的粒径分布规律推求其渗透函数，下覆基岩取饱和渗透系数0.01 m/d，崩塌堆积体取4.5 m/d。

表2　岩土体的主要物理力学参数表

(3) 由于该塌陷点临近长江，与长江水力联系密切，地下水一直处于运动状态，依据气象部门规定的降雨量标准及长江水位(武汉关)的多年分析，确定三种降雨模式(表3)，长江在丰水期补给地下水，枯水期地下水补给长江，因此通过模拟长江水位变化来研究地下水水位升降作用，并联合下面三种降雨模式进行分析，模型如图4所示。

3.2模拟结果分析

(1) 按照上述方案进行模拟，先利用SEEP/W模块模拟出不同降雨模式下的渗流场，图5为丰水期平均水位24.55 m时长江水补给地下水的渗流场，图6为枯水期平均水位12.37 m时地下水补给长江的渗流场。浸润线降低到溶洞以下，地下水从承压状态到负压状态。

表3　降雨模式的设置

图4边界条件及模型的建立

(2) 选取不同水位状态的渗流场模拟结果代入SIGMA/W模块进行应力应变分析，得到水位升降联合不同降雨条件下的土体位移分布图，选取水位升降及大暴雨作用下工况为例，土洞上部覆盖层的竖向位移分布图如图7、图8所示，可知洞顶上圆坛区域位移较大，进一步验证了上述理论模型的正确性，通过监测洞顶位移得结果见表4，由表4可知降雨时间越长，降雨强度越强，土洞位移越大。土洞顶部土体由于潜蚀逐渐脱落，随着降雨的持续作用，位移逐渐向上扩大，直至接近地表，最后在重力作用下塌陷，推测其致塌模式为潜蚀-渗压-重力型。在长江补给联合降雨作用下的位移较大，原因可能是加大了岩土体的渗透性从而使岩土体力学性质降低。

(3) 由以上模拟分析的应力分布图9可知，在土洞四周多出现应力集中区，由于区内地下水有完整的排泄途径，短期的降雨不可能造成水位大幅度上升，最终模拟结果表明三种模式下应力分布规律大致相同。

表4　土洞顶点竖向位移

图5　地下水水位上升渗流场(长江水补给地下水)

图6　地下水水位下降渗流场(地下水补给长江水)

图7　模式二 水位下降及大暴雨作用下土洞

图8　模式二 水位上升及大暴雨作用下土洞上部

图9模式二 水位下降及大暴雨作用下土洞

周围平面剪应力分布图(kPa)

4结论

(1) 通过建立类黏性土承压变负压的圆坛型岩溶塌陷的预测模型，计算抗塌系数进行初步评价，为了进一步研究岩溶塌陷的形成过程及机理，因此借助数值模拟来研究，另外关于参数的选取有待进一步探讨。

(2) 利用GeoStudio建立二维模型，研究水位升降及降雨联合作用下土洞的位移和应力分布，可以得知降雨持续时间越长，强度越大，越不稳定，其上部剪应力集中分布区也为圆坛状，进一步验证了预测模型的可能性，随着降雨持续时间的延长，位移逐渐向上扩大，直至地表，土洞顶部土体逐渐脱落，因此其成因机制主要为降雨及长江水位变化引起的潜蚀渗压作用，暴雨是产生的主要诱发因素，致塌模式为潜蚀-渗压-重力型。

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[3]李智毅,叶俊林.武汉市陆家街地面塌陷的形成机制[J].地球科学,1989，14(2):207-211.

[4]范士凯.武汉(湖北)地区岩溶地面塌陷[J].资源环境与工程,2006,20(B11):608-616.

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Analysis of Joint Action of Water Level Fluctuation and Rainfall on the Influence of Karst Ground Collapse

ZHOU Jian, ZHANG Yingqian, FANG Yigang, LIU Yu

(No.4InstituteofGeological&MineralResourcesSurveyofHenan,Zhengzhou,Henan450000,China)

Abstract：To analysis the joint action of water level fluctuation and rainfall on the influence of karst ground collapse, this paper took Lujia street karst ground collapse in Wuhan city as an example, and proposed a model for the region of karst ground collapse pressure under negative pressure. It also calculated the decline of water level and rainfall under the joint action of collapse resistance coefficient by using GeoStudio software SEEP/W and SIGMA/W module. Different rainfall, water level fluctuation were considered. It chose the mutagenicity and plentiful average water level of Yangtze river water level (Wuhan), the results showed that the longer the greater rainfall intensity, the greater the displacement of the soil holes, and joint under the action of rainfall in the Yangtze river supplies displacement is larger, the reason could be that as the increased permeability of rock mass lowered the mechanical property, displacement and stress distribution in different time can change it from underground erosion to osmotic pressure and gravity type, therefore the main reason should be the rainfall and the Yangtze river water level fluctuation which change the internal erosion osmotic pressure.

Keywords:the altar round shaped collapse; prediction model; water-soil coupling; collapse-forming mode

文章编号：1672—1144(2016)01—0218—05

中图分类号：P642.25

文献标识码：A

作者简介：周建(1978—)，男，河南信阳人,工程师，主要从事水工环地质工作。E-mail:646703651@qq.com

收稿日期：2015-09-04修稿日期：2015-10-09

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.041