深圳市龙岗中心城区岩溶发育区渗透变形试验研究

摘 要：土层的渗透破坏是龙岗区塌陷（土洞）形成的重要因素，通过在现场取原状样和室内人工配制扰动样的方法，进行室内渗透变形试验，对龙岗区岩溶塌陷成因进行详细分析，深入探讨地下水渗透破坏对岩溶塌陷的影响。在监测区内选取3类主要土层：黏土、粉质黏土、中砂，共设置了11组土样进行室内扰动土渗透变形试验。试验结果表明，土体发生渗透塌陷破坏与土体性质、颗粒级配、土层结构、土体内部空腔大小、土体下部透水基岩孔洞大小以及外部水力梯度等有密切关系。

关键词：岩溶塌陷；土层结构；渗透变形试验

Seepage deformation of Karts development areas in Longgang， Shenzhen

ZHANG Guixiang

（Shenzhen Investigation & Research Institute Co. Ltd.， Shenzhen 518026， Guangdong， China）

Abstract： Longgang District is located in the northeast of Shenzhen City. In recent years， with increasing urban construction， Karst collapse occurs frequently in this area. The study on the collapse origin is of great importance to the prevention and treatment. The seepage failure of soil mass under the action of groundwater seepage is the main reason for the formation of collapse （soil cave） in the monitored area of Karst collapse in Longgang District. In this paper， the cause of Karst collapse is analyzed in detail and the influence of groundwater seepage failure on Karst collapse is discussed.

Keywords： karst collapse; soil structure; filtration erosion test

龙岗区位于深圳市东北部，以丘陵、谷地、盆地为主（黄镇国等，1983），覆盖型与埋藏型岩溶较发育（广东省深圳市地质局，1998），随着龙岗区社会经济的迅猛发展，人类活动日趋强烈，由此引发一系列岩溶塌陷地质灾害，严重威胁人民群众生命财产安全，并对该区的经济发展构成很大威胁。为巩固已有经济建设成果，最大限度地保护人民生命财产安全，1996年开始，龙岗区岩溶塌陷地质灾害的防治工作也提上了日程。1996—1998年，分别对龙岗、坪山、坪地、坑梓4个街道办的岩溶塌陷地质灾害进行了专门的勘查；2005—2007年，深圳市地质环境基础调查项目的启动和竣工，对龙岗岩溶区岩溶环境和岩溶塌陷地质灾害进行了全面调查。另外自深圳特区建立以来，由全市各勘察单位先后完成了数以万计建筑场地的工程地质和岩土勘察报告。经过多年的工作，龙岗岩溶塌陷地质灾害的勘查和防治工作取得了重要成果。工作区以往岩溶塌陷研究偏重于岩溶塌陷的勘查和防治，对岩溶塌陷机理及预警预报模型的研究偏少，岩溶塌陷的机理研究对岩溶塌陷的防治至关重要（罗小杰等，2021），土层的渗透破坏是龙岗区塌陷（土洞）形成的重要因素（蒙彦等，2019），本次工作通过塌陷模型试验和原状土样渗透变形试验，在室内再现塌陷发育过程。

收集以往资料，详细分析龙岗区的土层结构，根据不同的土层结构现场选取原状样和室内人工配制扰动样的方法，进行室内渗透变形试验，结合监测区内现场钻孔揭露存在岩溶土洞、破碎基岩的实际情况，模拟其在地下水渗透作用下发生潜在塌陷的可能，找出不同土体结构、土体性质与岩溶塌陷的潜在关系。揭示岩溶塌陷发灾机理，为开展岩溶塌陷预报模型研究提供详细的数据。

1  材料与方法

1.1  工作区岩溶塌陷形成的土层结构

调查区土层结构主要分为4类，以二元土层结构为主（叶维国，2015）。局部地段无覆盖层分布。各地层结构的分布如下：

1）一元结构

自北至南各分布帶如下：

榭丽花园分布带：土层结构为单一的黏性土，层厚约10～11 m，面积约0.06 m2；嘉发家私厂以南分布带：土层结构为粉质黏土，层厚约12～17 m，面积约0.19 m2。

2）二元结构

监测区二元结构土层分布较广且呈连续分布状态。其分布范围北至监测区北端，南至嘉发家私厂，西侧为圳埔岭—龙城广场—龙岗河—松元巷—福宁路一带，东至监测区东端。土层结构一般为砾砂层+黏土或粉质黏土层，局部为黏土层+粉质黏土层。二元结构土层分布面积约3.94 m2。

3）三元结构

自北至南各分布带如下：

龙园公园—福宁路—新生派出所以西分布带：土层结构一般上部为粉土，中部为砂土、底部为粉质黏土层。其中粉土层厚约4 m，砂土层厚约2 m，粉质黏土层厚约5 m，该带分布面积约0.68 m2。

龙岗地王—榭丽花园—沿龙岗河—杨屋以西分布带：土层结构一般上部为砾砂层，层厚2.2～8.1 m，中部为黏土层，层厚0.5～9.5 m，底部为粉质黏土层，层厚1.7～11.36 m，局部上部为粉质黏土（黏土）层，层厚2.1～5.1 m，中部为砾砂层，层厚1.4～3.5 m，底部为粉质黏土（黏土）层，层厚15.85～21.33 m。该带分布面积约0.59 m2。

台湾工业区—埔圳岭—嘉发家私厂以西分布带：土层结构上部为粉质黏土层，层厚3.5～4.9 m，中部为砾砂层，层厚5.7～6.9 m，底部为粉质黏土层，层厚7.3～14.5 m。该带分布面积约0.54 m2。

4）多元结构

龙岗教师之家分布带：土层结构比较复杂，主要包括粉质黏土层、粉土层、砾状混碎石层、黏土混砾砂等，分布面积约0.035 m2；

龙岗中心城分布带：土层结构较多，主要包括粉质黏土层、中粗砂层、粉土层、黏土层，分布面积约0.04 m2。

此外根据已收集的勘察资料，宁佳置业有限公司宁佳01058—0027地块无覆盖层，基岩顶部仅为少量填土层覆盖。

资料显示：土层的结构组成及最下部土层的物质成分对岩溶塌陷的形成有直接影响。研究区容易造成岩溶塌陷的土层结构一般为砾砂层+黏土或粉质黏土层，局部为黏土+粉质黏土层，其次是上部为粉土，中部为砂土、底部为粉质黏土层或多元结构、均一黏性土一元结构；从最下部土层的物质组成来看，黏粒含量与岩溶塌陷存在负相关关系。

1.2  渗透变形试验

龙岗岩溶塌陷监测区塌陷（土洞）形成的主要原因为土层的渗透破坏，通过在现场取原状样和室内人工配制扰动样的方法，进行室内渗透变形试验。

1.2.1  地质模型的划分和选取

根据收集资料，监测区的地质模型可以分为以下几类：

1）透水层—基岩

该模型为监测区主要地质模型，出露广泛。透水层主要由粉质黏土、砾砂、砾石类物质组成，且直接覆盖于基岩之上。

2）透水层—隔水层—基岩

该地质模型在监测区发育也较普遍，透水层岩性主要为粉质黏土、中粗砂；隔水层主要为黏土，基岩为局部破碎的微风化大理岩。

3）透水层—隔水层—透水层—基岩

该模型在工作区出现得比较少，上部透水层岩性主要为细砂、卵石层以及粉质黏土，隔水层主要为黏土，下部透水层主要为卵石。基岩为裂隙比较发育的微风化大理岩。

4）隔水层—透水层—隔水层—基岩

上下隔水层均为黏土层、透水层由粉砂、中砂组成。基岩为微风化大理岩。该地质模型在本区局部出露。

5）隔水层—透水层—基岩

隔水层主要由黏土层组成，透水层中砂、卵石等组成，该种模型在工作区极少出现。

根据以上5种模型，结合工作区具体情况，在本次试验中仅选取主要2种地质模型进行试验，即为：透水—隔水—基岩（一元地质模型）、透水—基岩（二元地质模型）。

①透水—基岩地质模型

透水层主要为粉质黏土层及砂、砾石层。

②透水—隔水—基岩地质模型

上部透水层为砂、砾石层；下部为隔水层，其岩性主要为粉质黏土、黏土层。

1.2.2  试验原理

根据以上地质模型，在监测区内选取典型土类调制试样，在试样的顶、底部施加水压力，水头由大到小逐渐增大，每个水头量测一次出水量，观测是否有土粒流出，当某个时间段出水量突然变化、渗出水浑浊或有较多土粒时，判定土体在该水头压力下发生渗透变形破坏，否则加下一级水头，直至破坏（邹昌喜等，2020；陈逸方，2017；兰晓荀，2020）。

1.2.3  仪器设备

垂直渗透变形仪（陕西秦海检测科技有限公司，2019）：筒身内径15 cm，筒身高45 cm，透水板孔径5 mm。见图1～3。

供水设备：供水箱、橡皮管。

量测设备：测压管、量筒、秒表、温度计、百分表。

仪器检查：1）渗透变形仪储水功能是否正常，完成后降低水箱内的水位，保证下透水板下部与供水箱内水平一致（刘黎，2006）；2）取去顶盖，放入下透水板，并放入与透水板直径一致的滤网，防止细颗粒物质的流失，并在渗透变形仪与滤网间涂一圈油泥或橡皮泥（杨尧，2009）；3）打开仪器所有的测压孔，保证整个测压孔均在排气。

1.2.4  试验步骤

1）采样，在现场选取不同类型有代表性地区，采用钻孔方式，取原状土样，特别是基岩面附近土层和溶沟溶槽充填土土样。

2）制样，土样长度15 cm，高10～15 cm，从风干松散的土样中选择典型的做颗粒的分析，画出土样的颗粒级配曲线。计算试样質量。

md = ρd π γ2 h'

式中：md为干土质量，g；ρd为需控制的干密度，g·cm-3；γ为筒身半径，cm；h'为土样高度，cm。

3）装样，应当分层进行装样，以保证试样的细颗粒和粗颗粒的均一，同时确保每层土的级配基本一致，试样应分层装进仪器，锤实，达到要求的密度试样总厚度，注意用密封材料密封。

4）土样的饱水，首先量取试样的高度，然后采用从下而上采用低水头饱和法对土样进行饱和。

5）试验，根据土样细颗粒物质的百分比推测渗透破坏的方式（武鑫等，2019）。由此来确定初始渗透坡降及渗透坡降递增值。渗透变形破坏的主要表现形式为管涌破坏和流土破坏，前者的初始渗透坡降值及递增值偏小（刘崇军等，2017）。

6）不断增加供水箱内的水位，确保水位比渗透仪的上进水口略高，以便于初始渗透坡降值的获取。

7）加压，对管涌土（表1）加第一级水头时，初始渗透坡降建议0.02～0.03；后面一般可参照0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0等坡降递增，临界坡降快到达时，应减少渗透坡降递增值。非管涌土，初始渗透坡降可略高于管涌土，同时适当增大渗透坡降递增值（罗林峰等，2008）。

2  结果与讨论

2.1  结果

本次试验在监测区内选取3类主要土层：黏土、粉质黏土、中砂，共设置了11组土样进行室内扰动土渗透变形试验，各类土体的物理力学性质指标见表2，其级配曲线见图4。

根据以上地质模型，结合监测区内现场钻孔揭露存在岩溶土洞、破碎基岩的实际情况，为模拟其在地下水渗透作用下发生潜在塌陷的可能，设置了以下9组试验样本，其中1-7号为一元地质模型的“透水层+基岩”，8-9号为二元地质模型“透水层+隔水层+基岩、隔水层+透水层+基岩”，详见表3。

为模拟监测区土洞及破碎基岩，在土样底部设置均匀分布孔径5 mm的透水板，根据实际渗透破坏效果，后又逐级增大了原透水板个别孔径至5～8个?12 mm透水孔，确保水样及细颗粒顺利渗出。对于土洞的模拟，先按密实土样进行渗透试验，后在土样底部设置40 mm × 40 mm × 20 mm、40 mm × 40 mm × 40 mm方糖（遇水1 h后融化）以模拟岩溶空腔，观察土样渗透破坏情况。

各组土样渗透试验结果及变化趋势见图5。

2.2  讨论

根据上述试验，不同类型的试样，其渗透系数随水力梯度的变化区别较大。试样1在i=0～11内渗透系数变化较平稳，i>11后，渗透系数降低明显；试样2在i =0～5内渗透系数稳定，i=5～6.5渗透系数增大，i>6.5后渗透系数趋稳；试样3在i=0～3渗透系数较稳定，i=3～4时渗透系数逐级增大，i>4后，渗透系数仍逐级增大；试样4在i=0～8内渗透系数平稳减少，i>8后渗透系数降低；试样5在i=0～3内渗透系数稳定，i=3～5内渗透系数相对减少，i>5后渗透系数降低；试样6在i=1～2.5内渗透系数逐渐增大，i=2.5～13内渗透系数增幅先大后逐渐减小，i>13后渗透系数趋小；试样7 在饱和后即发生贯穿破坏；试样8 在i=0～1内渗透系数增幅逐级增大，i=1～7内渗透系数趋小，试样9在i=1.5～4内绳头系数增大，i=4～7内渗透系数趋小。各试样试验结果见表4。

3  结论

1）土体发生渗透塌陷破坏与土体性质、颗粒级配、土层结构、土体内部空腔大小、土体下部透水基岩孔洞大小以及外部水力梯度等有密切关系。

2）在土體性质及颗粒级配方面，黏土、粉质黏土层、砂层随细粒含量减少而更利于塌陷发生，粉粒及以下粒径的含量越高，越容易形成内部稳定土拱，越不利于塌陷的发育及扩展。

3）结合试验区的土层结构，砂、卵石层直接覆盖在基岩上的二元结构比较有利于塌陷的发生，一元结构次之。

4）在土体内部空腔大小方面，空腔高度/试样厚度值h'/h越大，越容易发生塌陷。

具体对黏土而言，当h'/h≥0.4时易发生地表塌陷，0.4≥h'/h≥0.27时易形成内部稳定土拱，h'/h<0.27时为稳定土体结构；对粉质黏土而言，当h'/h≥0.27时易发生地表塌陷，h'/h<0.27时为稳定土体结构；对砂层而言，当h'/h≥0.27时易发生地表塌陷，0.27≥h'/h≥0.13时易形成内部稳定土拱，h'/h<0.13时为稳定土体结构。

参考文献

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收稿日期：2022-04-01；修回日期：2022-07-01

基金项目：深圳市典型地质灾害点的监测与示范研究项目（2007003-2）资助

作者简介：张桂香（1981- ），女，硕士，高级工程师，主要从事地质灾害防治工作。E-mail：277384633@qq.com

引用格式：张桂香，2023.深圳市龙岗中心城区岩溶发育区渗透变形试验研究［J］.城市地质，18（1）：41-48