浅谈武汉市岩溶地面塌陷的预警与防治

浅谈武汉市岩溶地面塌陷的预警与防治

谢良甫张傲杨东升

摘要：武汉市岩溶地面塌陷发生过多次，损失巨大。本文介绍了岩溶地面塌陷发生的成因和诱发因素，并依照武汉市的岩溶特征，提出相应的防治对策与预警方法，对武汉市的岩溶地面塌陷防治有一定的意义。

关键词：武汉市；岩溶地面塌陷；防治；预警

1.引言

武汉市地处我国中部，属亚热带大陆季风气候；区内分布南北3条近东西向覆盖型碳酸盐岩条带，碳酸盐岩主要为石炭系中统黄龙组(C2hl）灰岩、二迭系下统栖霞组（P1q）灰岩夹炭质灰岩及三叠系下统大冶组（T1d）灰岩、泥灰岩[1]；武汉市岩溶主要分为覆盖型和埋藏型，裸露型岩溶极少分布。1978年至今已发生十多起岩溶地面塌陷灾害，且近来越发频繁，其中尤以青菱乡烽火村（2000年4月）塌陷规模和损失最大，可见武汉市属于岩溶地面塌陷多灾区。若能成功防治预警岩溶地面塌陷的发生，将会产生巨大实际意义。

2.岩溶地面塌陷的成因及诱发因素

2.1岩溶地面塌陷的成因

岩溶地面塌陷的形成一般具备以下三个条件：（1）出现在以一定厚度土体为盖层的覆盖型岩溶区，一般认为，覆盖层厚度<10m者，塌陷严重；10~30m者，容易塌陷；>30m者，塌陷可能性很小；（2）覆盖层以下可溶性基岩浅部岩溶发育，顶界面上有开口岩溶管道（落水洞、岩溶竖井），具有搬运、储存大量冲蚀物所必需的通道和空间；（3）具有引起土体变形、破坏的作用力，该作用力的主要来源是地下水静、动水压力和土体自重。[2]

通过查阅武汉市岩溶塌陷记录资料，发现历次塌陷的发生均具有上述条件。塌陷区上覆土层均为第四系全新统松散堆积物（Q4），属长江一级阶地中、前部，地表上层较薄（厚5m左右），物理力学指标低（Ps值一般仅为0.5MPa）；中下部砂土层疏松，f值一般在0~5MPa,在地下水的内动力作用下极易被潜蚀；一旦砂粒流失，常形成土洞或扰动土层，表明岩溶地面塌陷处于发育阶段。在一定外力或自重作用下，即发生地面塌陷。

2.2岩溶地面塌陷的诱发因素

市内岩溶地面塌陷诱发因素可分为自然因素和人为因素。对武汉市历次岩溶地面塌陷考察发现，除1978年中南轧钢厂材库塌陷因过度抽取地下水诱发外，其他各处塌陷基本上都属自然因素造成——地下水循环过程中发生潜蚀作用造成的。

2.2.1自然因素诱发的地面塌陷

该类因素包括降雨、地表积水入渗以及地下运动加剧，在剧烈的地下水运动中会导致含水层介质（砂土类）被地下水潜蚀并运移走而形成土洞。降雨或地表积水会使表层土体软化或强度降低造成洞顶失稳而发生塌陷。如：陆家街地面塌陷，塌陷前地面排水设施堵塞，积水遍地，同时5月份降水3021mm，5月8日一天降量达103.7mm，5月10日即发生塌陷。丁公庙、范湖乡金水村及毛坦港等塌陷也都发生于丰水期的雨季。

2.2.2人为塌陷

人为因素主要指过量开采岩溶地下水或矿坑排水。过量开采岩溶地下水后，地下水位将大幅度降低，开采漏洞区水力坡度增大，松散岩类孔隙水将大量补给岩溶水，由于水力坡

[作者简介]谢良甫（1988一），男，湖北荆州、本科。

度大，补给强度亦大，其含水介质（砂粒）将被水流潜蚀带走造成土洞，一旦洞顶破坏后（荷载，自重）即发生塌陷。中南轧钢厂的地面塌陷即属此类型，塌陷前期其西侧某一地下水井，井深80m，开采岩溶水，日开量1000m3，，动水位下降28~30m，而该地区第四系全新统堆积物厚26.20~28.06m，可见地下水已降至基岩以下，在地下水的渗透作用下，砂土产生潜蚀作用，形成土洞继而产生地面塌陷。

3.岩溶地面塌陷的防治对策

岩溶地面塌陷作为一种自然灾害，应采取“预防为主，治理为辅”的方针。首先需要政府采取政策手段，目的是限制人为因素诱发的岩溶地面塌陷，如过量开采地下水；其次要采取技术性的防治措施，如设置完善的排水系统，建立监测网络（对水点、地面、建筑物及坍塌前兆现象进行检测）、工程选址时避开岩溶地面塌陷发育区等，治理时主要针对塌陷发育的三要素，进行堵截水流、强化土层和洞穴充填物、填堵岩溶通道等，具体方法有清除堵填法、地表封闭处理、跨越法、强夯法深基础法、灌注法、疏排围改治理法及平衡地下水和气压力。

4.岩溶地面塌陷的预测、预警

岩溶地面塌陷从表面上看是一种突发性的自然灾害，但其土洞的发育和发展必须有一定的过程和发展阶段。即：砂、土流失—扰动土层—形成土洞—诱发坍塌。如果掌握了它的规律，就可以预测预警进而降低至最低损失。

目前对岩溶地面塌陷的监测主要有直接监测法和间接监测法：直接监测法有监测地面变形、房屋开裂以及地质雷达和光导纤维等监测地下土体变形等方法；间接法有岩溶管道系统中水(气)压力的动态变化传感器自动监测技术.但由于岩溶塌陷系统较为复杂，岩溶塌陷具有的突发性、隐蔽性、不确定性,使其监测、预警预报问题一直未解决，加上一些直接监测法又有自身的局限性，因此对岩溶的直接监测效果无法达到预期效果。为此,雷明堂等在地质大调查项目支持下,以模型试验结果为基础,提出了以岩溶管道裂隙系统水(气)压力监测为主、固定测线的地质雷达定期探测为辅的适于由地下水触发的岩溶塌陷的监测方法,并取得了较好的效果。

5.结语

岩溶地面塌陷属突发性地质灾害，在人口稠密的武汉市，地面塌陷将造成巨大的经济损失和人员伤亡；但若了解清楚其发育机理，运用科学的手段对其进行防治和预警，则可将其损失降至最低，实现人与自然的和谐相处。

参考文献

[1]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，(2):207~211

[2]唐辉明.工程地质学基础.化学工业出版社[M].2008.2;

[3]范士凯.武汉(湖北)地区岩溶地面塌陷[J].环资源境与工程[J]，VOL20,2006,增刊

[4]盛玉环.岩溶塌陷的勘察与防治.地质灾害[J],VOL7.2004

[5]官善友等.武汉市岩溶分布与发育规律.城市勘测[J].2008

[6]项式均、雷明堂等.武汉市陆家街地区岩溶塌陷模拟研究报告[R].1993.5

[7]谢春波、林振天等.武汉市区地质灾害研究水文地质专题研究报告[R].1999.7