苏州市金庭镇蒋东岩溶塌陷地质条件及形成机理研究

车增光,刘 洪,喻永祥

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室,江苏 南京 210018;2.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018)

岩溶塌陷指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为作用下引起变形、破坏,在地面形成塌陷的岩溶地质作用与现象。我国是岩溶塌陷灾害最严重的国家之一。20世纪80年代,徐卫国等[1-2]对岩溶塌陷的形成机制进行了研究并提出了真空吸蚀论,认为地下水水位下降形成的真空吸蚀作用是岩溶塌陷的主要形成机制;康彦仁[3]根据岩溶塌陷形成的不同外动力条件,总结了重力致塌、冲爆致塌、潜蚀致塌、振动致塌、荷载致塌、真空吸蚀致塌、溶蚀致塌以及根蚀致塌等8种致塌模式;何宇彬等[4]认为引起塌陷的真空吸蚀作用主要来源于喀斯特管流水动力场的急剧变化;丁庆忠[5]对岩溶塌陷的真空吸蚀机理进行了物理模拟试验,揭示了真空吸蚀致塌的机理。综上可知,岩溶塌陷的本质是土体力学平衡问题,土体失衡就会产生变形甚至塌陷,因此,基于天然平衡拱理论及极限平衡理论,一些学者建立了岩溶塌陷不同作用机制、不同盖层条件的致塌力学模型[6-8]。目前,岩溶塌陷真空吸蚀机理研究多集中于理论和定性分析阶段,对于真空吸蚀的定量计算、力学模型及其在实际中的应用研究方面仍相对薄弱。

本文通过野外地质调查、钻探、样品测试等手段,分析了苏州市蒋东村岩溶塌陷形成的地质条件和影响因素,在此基础上,探讨了真空吸蚀在该塌陷中的形成过程与作用机理,建立了基于极限平衡理论的真空吸蚀-重力致塌力学模型,这对岩溶塌陷灾害防治具有重要意义。

1 地质概况

蒋东村岩溶塌陷位于苏州市吴中区西山岛东北部(图1),发生于2004年7月9日,塌陷坑平面形态呈近EW向椭圆形,长15 m,宽12 m,深约2 m,塌陷造成数栋居民房屋倒塌。

图1 研究区基岩地质图

蒋东岩溶塌陷所在的西山岛中部为岛屿状残丘,山体呈椭圆形,最高点乌峰顶海拔93.9 m,四周为滨湖平原,标高3.0～10.0 m,略高于太湖水面标高(2.0～3.0 m)。区内地层单元属于扬子地层区下扬子地层分区,地层发育不全,中志留统—下石炭统岩性主要为碎屑岩类,中石炭世黄龙组(C2h)、晚石炭世船山组(C3c)及早二叠世栖霞组(P1q)是研究区可溶性碳酸盐岩分布的主要层位,面积约10.2 km2。区内碳酸盐岩仅出露在乌峰顶、元山、鹿山等低山丘陵,大部分区域被第四系松散层覆盖,覆盖层岩性主要为黏土,厚度为0～45 m。构造以断裂为主,发育NE向断裂和NW向断裂。

2 岩溶塌陷形成地质条件

可溶岩、岩溶洞隙、一定厚度的盖层及地下水活动是岩溶塌陷形成的基本条件[9],这些条件相互联系、共同作用,是造成岩溶塌陷的决定性因素。

2.1 碳酸盐岩化学特征

塌陷区位于乌峰顶背斜南翼,地层呈单斜构造,倾向SE,倾角7°～17°,岭东湾—蒋东村一线的山间沟谷被第四系覆盖,两侧出露黄龙组灰岩(图2)。黄龙组为一套灰色、浅灰色、肉红色厚层微晶灰岩、生物碎屑灰岩,底部为粗晶灰岩,岩性较稳定,厚度100～130 m,是研究区东部灰岩矿山开采的主要层位。

1.岩溶塌陷坑;2.溶洞洞口;3.管道状溶洞;4.覆盖层厚度等值线,m;5.裸露型碳酸盐岩;6.覆盖型碳酸盐岩;7.工程地质剖面;8.高密度物探剖面;9.工程地质钻孔

本次研究分别采集ZK01钻孔和ZK02钻孔不同深度的样品进行了化学成分测试(表1)。由表1可知,区内黄龙组灰岩质纯致密,CaO含量>53%,酸不溶碎屑颗粒物含量<5%,CaO/MgO值均>100。根据易溶性试验结果,碳酸盐岩的相对溶解速度随CaO/MgO值增大而加快[10],在构造、地貌、气候等条件相近的情况下,灰岩岩溶率普遍较高,野外地质调查结果较好地验证了这一结论。质纯、层厚、结晶颗粒微小的碳酸盐岩最有利于岩溶发育,区内溶洞(如林屋洞、归云洞、玄阳洞等)、落水洞、地表深宽溶沟等规模较大的岩溶形态大多发育于黄龙组、船山组、栖霞组质纯灰岩中[11]。

表1 研究区碳酸盐岩主要化学成分分析结果

2.2 岩溶洞隙发育程度

研究区气候湿热,断裂发育,灰岩质纯、层厚,有利于岩溶发育。由钻探、物探与采石场开采面揭示的溶洞特征统计结果(表2)可知:垂向上,该区岩溶发育具有明显的分层性,可分为2个岩溶发育层。浅层岩溶发育层深度<10 m(距基岩面),对应标高为-2～-16 m,钻孔遇洞率>80.0%,浅层岩溶率达55.0%，主要岩溶形态包括溶洞、溶沟、溶槽、溶隙、溶孔等,其中溶洞一般高0.3～2.1 m,洞内充填或半充填粉质黏土或淤泥质黏土,溶隙多为开口型,宽度变化较大,大者宽达0.5 m。深层岩溶发育层深度为20～30 m(距基岩面),溶洞发育程度较浅层明显减弱,但在采石宕口及钻孔内可见多个呈水平延伸的管道状溶洞,直径0.5～4.0 m,这些管道状溶洞构成了该区岩溶管道系统,是岩溶水的重要导水通道和存贮空间。通过钻探、物探等手段,证实在塌陷点盖层下发育开口型溶洞,直径约6.0 m,深部发育1条管道状溶洞,通过岩溶裂隙与上部开口型溶洞连通,并向东延伸至乌峰顶采石宕口(图2)。由于溶洞充水,在高密度电法物探剖面上呈不规则圆形低阻(图3)。在该塌陷发生前,开采面上的溶洞口涌出大量泥砂和水(图4),显示岩溶塌陷与管道状溶洞的充填物流失密切相关。

图3 蒋东村岩溶塌陷区1号勘探线高密度电法解译剖面图

图4 开采面管道状溶洞

表2 钻孔揭示的溶洞特征统计结果

研究区浅层岩溶发育层和深层岩溶发育层并非孤立存在,区内广泛发育NW向及NE向断裂和岩溶裂隙,使浅层岩溶发育层与下部管道状溶洞连通,而钻孔或采石场开采面揭露的溶洞、溶隙均为半充填或全充填,反映了该区岩溶洞隙连通性较好,有利于上覆松散沉积物的搬运、迁移,促进隐伏土洞的形成。

2.3 覆盖层特征

覆盖层是土洞形成和塌陷发生的物质基础[12]。蒋东村岩溶塌陷区位于山间沟谷(图5),第四系厚约20 m,总体具有东西两侧薄、中间厚的分布特点,岩性为晚更新世下蜀组(Q3x)褐黄色、棕红色、灰黄色粉质黏土,上部为软塑-可塑态,下部为可塑-硬塑态,底部碎石直接覆盖在黄龙组灰岩之上。

1.粉质黏土;2.灰岩;3.松散层流失土体;4.岩溶水水位;5.溶洞或岩溶裂隙;6.土体流失方向

下蜀组黏土在江苏南部地区广泛分布,许多岩溶塌陷皆与其相关,如仙林杨石桥岩溶塌陷[13]、南京栖霞山岩溶塌陷[14]等,该类黏土具有干缩湿胀、易崩解、多裂隙、易风化等特征,在天然状态下,不具有膨胀性,呈可塑-硬塑态,中等压缩性,强度较高,但随着土体下部含水率增高,膨胀土遇水软化(图6),强度迅速降低[15],这种力学性质的变化,不利于底部隐伏土洞顶板的稳定,易造成土洞顶板失稳。

图6 下蜀土黏聚力变化曲线图[15]

2.4 地下水活动

地下水活动是岩溶塌陷形成的重要动力因素,岩溶塌陷大多是因为水动力条件变化而形成的[16-17]。改变水动力条件的作用有自然活动和人为活动,蒋东村岩溶塌陷发生前半个月内基本无降雨,说明由降雨引起的水位变化不明显。因此,矿山开采是改变塌陷区水动力条件的主要外在因素。塌陷点东部乌峰顶灰岩矿山采用向地面及地下同时开采的“二元式”开采方式,历经数十年开采后,形成采石宕口,宕口最低标高-40.8 m。矿山开采对塌陷区地下水水动力条件的改变主要体现在两方面:一是开采过程中的爆破,加剧了岩体的裂隙发育程度,破坏了土体原始结构,促进矿坑周边岩溶及隐伏土洞发育;二是矿坑疏干排水降低了地下水水位,使塌陷区岩溶水水位埋深由开采前的-3 m下降至开采后的-20 m,岩溶含水层基本失去承压性,水位大幅下降引起区域地下水流场的剧烈变化,造成塌陷区水力梯度增大,径流排泄加快,地下水溶蚀、渗透能力增强,有利于地下水对覆盖层松散层土体颗粒的潜蚀搬运。

3 形成机理

形成岩溶塌陷的诱发因素有两方面[18]:一是由于岩溶的自然演化,空洞顶部厚度逐渐变薄,通过塌陷完成地下向地表的转化过程;二是人为因素,如抽排水、爆破、加载、振动等。蒋东村岩溶塌陷坑距东部乌峰顶灰岩矿山不足90 m,受矿山开采影响较大,矿山开采过程中的开挖、抽排水、爆破振动破坏了区域地下水系统和岩溶管道系统的天然稳定性,发生塌陷前,连接塌陷区及采石宕口的管道状溶洞地下水大量、快速流出,是造成岩溶塌陷的根本原因。

研究区矿山开采诱发岩溶塌陷可分为两阶段：第一阶段是灰岩矿山开采深度在20 m以上,受矿坑排水影响,矿坑周边水力梯度增大,地下水渗流对岩土体的溶蚀、潜蚀作用增强,加快了对岩溶洞隙充填物掏空、搬运能力,较天然状态,岩土接触面土洞的发展速度加快,但此时岩溶水仍处于承压状态,水位位于基岩面之上,地下水对土体的渗流潜蚀缓慢,土洞规模普遍较小,一般不会造成土体结构破坏。第二阶段是矿山开采至20 ～30 m深度后,灰岩中多个管道状溶洞被集中揭露,封闭管道与外界通道被打开,但由于管道内充填大量饱水粉质黏土,具有一定的阻塞性,水、土充填物不会立即流出,暂保持初期阶段的“稳定性”。在矿山爆破开采产生的振动作用下,管道内水、土充填物受到扰动,土体的物理力学性质发生变化,阻塞强度逐渐减弱,在已形成的水头差作用下,当稳定相持状态被破坏时,水、土充填物瞬时涌出,管道内重力水流水位迅速下降产生瞬时的真空状态,水面对土洞顶板的真空吸蚀作用导致松散土体快速、大量流失,土洞规模迅速扩大,在重力作用下最终发生塌陷。

综上所述,通过分析岩溶塌陷形成条件和诱发因素,从致塌作用角度可将蒋东村岩溶塌陷定义为真空吸蚀-重力致塌模式。

4 岩溶塌陷力学模型

4.1 模型概化与假设

在黏聚力较强的黏土盖层区,岩溶塌陷的本质是土洞顶板土体剪切变形破坏。根据岩溶塌陷形成的地质条件,对蒋东村岩溶塌陷进行力学模型概化(图7),并作假设:上部为开口型圆柱状溶洞,侧壁直立,洞穴直径为D;下部为管道状溶洞,洞壁平滑,洞体呈倾斜状态,倾角为α,直径为d,与上部溶洞连接处至出水口之间的水流柱体长度为L;塌坑呈圆柱状且等于开口溶洞直径D;覆盖层为均质松散土体,盖层破坏形式符合莫尔-库伦强度准则;覆盖层土体厚度为h,土洞顶板上部塌陷体高度为h1,土洞高度为h2;地下水水位于基岩面之下,不考虑地下水对塌陷体的浮托力;溶洞为半充填状态,充填物为水、土混合物,不考虑洞内充填物的抗塌能力。

P1.地面载荷;P2.大气压力;G.塌陷体自重;h.覆盖层土体厚度;h1.土洞顶板上部塌陷体高度;h2.土洞高度;D.开口溶洞直径;α.倾角;d.直径;f.摩阻力

4.2 塌陷形成判别公式

对土洞顶部塌陷体进行受力分析,垂直向下的致塌力主要为塌陷体自重G、真空吸蚀负压力U、地面荷载P1及大气压力P2;垂直向上的抗塌力主要为盖层土体的抗剪强度沿塌陷体周壁形成的侧壁摩阻力f。

(1)塌陷体自重G。根据普氏理论[19],可获得临界土洞的极限平衡高度公式为

(1)

塌陷体自重主要为土洞上部高度为h1的土体自重,公式为

(2)

式中:fK为土体的坚固性系数;γ为土体重度,kN/m3。

(2)真空负压吸蚀力U。蒋东村岩溶塌陷的真空吸蚀负压力是溶洞内地下水快速流出、水位快速下降后,初始真空吸盘吸蚀作用引起的,负压力的大小主要与岩溶空腔内水流柱长度、溶腔纵向长与重力方向的夹角有关,公式为

(3)

式中:γw为水的重度,kN/m3。

(3)地面荷载P1。地面荷载与塌陷体表部建(构)物类型、规模、高度等相关,建(构)筑物越高、重度越大,地面荷载也越大。

(4)大气压力P2。大气压力是岩溶塌陷的重要致塌力之一,其大小与塌陷时当地大气压强有关,计算公式为

(4)

式中:Pa为塌陷发生时当地大气压强,kPa。

(5)侧壁摩阻力f。塌陷体侧壁摩阻力主要是由土体的抗剪强度引起的,其大小取决于土体的黏聚力和内摩擦角[7],计算公式为

(5)

式中:K0为土体的侧压力系数,无量纲;c为土体黏聚力,kN;φ为土体内摩擦角,°。

根据极限平衡理论[20],建立土洞顶板土体破坏及地表形成塌陷坑的判别公式,塌陷体稳定系数为K,可表示为

(6)

当K>1时,致塌力大于抗塌力,塌陷体处于不稳定状态,已开始发生剪切变形或塌陷;当K=1时,致塌力等于抗塌力,塌陷体处于极限平衡状态;当K<1时,致塌力小于抗塌力,塌陷体处于稳定状态,一般不会发生岩溶塌陷。

4.3 验证分析

根据物探、钻探和岩土物理力学测试相关资料,蒋东村岩溶塌陷区地形平坦,地面标高8 m,盖层主要为可塑状粉质黏土,厚约20 m,土体的物理力学指标如表3所示。塌陷点下伏开口型柱状溶洞直径为6 m,下部管道状溶洞平均直径为3.8 m,倾角77°,塌陷点至管道状溶洞出水口水平距离90 m。塌陷时当地气压为100.8 kPa,地表建筑物为2层或3层楼房,荷载约600 kN。

表3 塌陷区覆盖层土体物理力学指标统计结果

将以上参数代入公式(1)—(6),计算覆盖层塌陷体的致塌力和抗塌力。

F致=G+U+P1+P2=13 335.4 kN

F抗=f=11 940.7 kN

经计算,K=F致/F抗=1.17>1,塌陷体处于不稳定状态,必然发生剪切破坏,形成地表岩溶塌陷坑,说明利用极限平衡理论建立的真空吸蚀-重力致塌力学模型与岩溶塌陷实际情况较吻合,再次验证了蒋东村岩溶塌陷的致塌模式为真空吸蚀-重力致塌。

5 结论

(1)蒋东村岩溶塌陷位于山间洼地,下伏黄龙组质纯灰岩,深层岩溶发育层和浅层岩溶发育层相互连通,有利于浅部松散层土体颗粒向深部管道状溶洞搬运、迁移,促进土洞发育。

(2)蒋东村岩溶塌陷区第四系下蜀组覆盖层干缩湿胀、易崩解,遇水后力学性质弱化,不利于隐伏土洞顶板的稳定性。

(3)矿山开采是蒋东村塌陷形成的主要外在因素,深部管道状溶洞被揭露后,内部重力水流瞬时流出,水位快速下降,产生真空负压吸蚀力,土洞规模迅速扩大,发生塌陷变形破坏。

(4)真空负压吸蚀力和覆盖层土体自重是岩溶塌陷的主要致塌力。通过真空吸蚀-重力致塌力学模型计算的塌陷体稳定系数为1.17,处于不稳定状态,计算结果基本符合实际情况。