武汉市覆盖层-岩溶地面塌陷形成机理与危险性评价

发布时间：2018-04-05 03:28

  本文选题：岩溶塌陷　切入点：机理　出处：《中国地质大学》2016年博士论文

【摘要】：武汉市分布大面积的隐伏岩溶,在岩溶上方直接覆盖第四系松散沉积物的区域,容易发生地面塌陷。长江两岸的一级阶地的覆盖型岩溶区是地面塌陷的高易发区,而这一区域也是城市发展的核心区,具有高危险性和高风险的特点。近些年,武汉市多项重大建设工程穿越隐伏岩溶区,如：武昌白沙洲大道工程线路全长7.46km,在岩溶区的长度2.70km,工程施工过程多次发生岩溶塌陷。从降低风险角度开展城市范围内的岩溶塌陷的机理和风险研究,是确保岩溶分布的城市地质安全的重要措施。从2005年至今,依托中国地质调查局的武汉市岩溶塌陷调查项目,对武汉市岩溶地质、覆盖层结构和塌陷灾害进行了系统调查和监测。调查结果显示,区内塌陷形式以开口岩溶上部覆盖层的突发塌陷为主,塌陷模式具有特殊性。随着城市发展,塌陷逐渐表现为受自然和人为作用的复合动力型灾害,岩溶塌陷成因复杂和影响因素不确定强。基于武汉市岩溶地面塌陷近十年的调查和监测数据,提出了武汉市覆盖层—岩溶塌陷机理研究和危险性评价的研究。本研究既对岩溶地面塌陷成因的基础研究具有重要理论意义,也可指导武汉市隐伏岩溶区塌陷灾害的防灾减灾工程。基于大量野外调查和现场监测数据,分析讨论了武汉市岩溶地面塌陷形成的地质背景条件,阐述了可溶岩分布、覆盖层结构和水文地质条件,结合区域构造演化史,分析了武汉市岩溶的发育历史。围绕武汉市隐伏岩溶区“覆盖层—岩溶系统”的结构特征,通过典型塌陷点的实例分析,建立了武汉市岩溶地面塌陷的地质模型。基于饱和—非饱和渗流理论、弹塑性力学模型和刚体极限平衡理论,对自然环境输入和人类工程活动输入作用下岩溶地面塌陷的演化规律进行了系统分析,并讨论了武汉市岩溶地面塌陷的演化机理。以模糊贴近度和层次分析法为理论基础,根据武汉市岩溶地质背景和地面塌陷的演化机理,对武汉市岩溶地面塌陷的易发性进行了定量评价。基于近10年武汉市岩溶地面塌陷的数据集,分析了自然和人类工程活动叠加作用下,武汉市岩溶地面塌陷的发生概率,以发生概率为指标对武汉市岩溶地面塌陷的危险性进行了区划。论文所取得的主要研究进展如下：1.武汉市岩溶地质背景武汉市隐伏可溶岩分布总面积约1091.51km2,占武汉市总面积的12.85%。隐伏可溶岩主要位于轴向NWW-SEE的向斜核部,形成了8条隐伏岩溶条带。岩溶发育程度与地层岩性有关,其排序为：二叠系三叠系石炭系。岩溶主要在印支中晚期—燕山早期(T3—J)和喜马拉雅早期两个时期形成,沿向斜核部的节理、断裂形成岩溶沟槽。第四系松散沉积物直接覆盖的岩溶区易发生地面塌陷。区内覆盖层厚度一般为10-30m,最大60-70m。覆盖层物质结构可分为：单层粘土、单层砂土、上粘下砂的双层结构和多层结构。单层粘土主要分布于垄岗地区,由中更新统网纹状粘土组成。双层结构分布于长江一级阶地,上部为厚5-22m的粉质粘土,下部为厚度1-21m的粉砂、细砂和砾砂。单层砂土和多层结构均零星分布于沿江地带。松散岩孔隙水和裂隙岩溶水的变动是发展岩溶地面塌陷的主要动力。孔隙承压水受长江水侧向补给,地下水水位受降雨量及长江水位控制,具有明显的季节变化特征。裂隙岩溶水和孔隙水之间多被含碎石粘土层阻隔,在局部无粘土层处,岩溶水接受孔隙水补给。裂隙岩溶水的排泄方式主要以人工开采为主,并受桩基施工等工程活动影响,水位剧烈变动。2.武汉市岩溶地面塌陷的时空分布规律武汉市岩溶地面塌陷多发生在4月-11月,与降水丰沛期和长江的平水期、丰水期对应。随城市工程建设活动的增加,自2001年以来,塌陷发生频率越来越高。岩溶地面塌陷主要分布于洪山区和武昌区,其次为汉阳区、汉南区和江夏区。构造部位上,分布于向斜核部或近核部位,并集中在三叠系下统的覆盖型岩溶区。受人类工程活动向城市外围扩展的影响,塌陷有逐渐向远城区扩展的趋势。3.武汉市岩溶地面塌陷特点受断裂、构造裂缝和相对隔水层位置的影响,隐伏岩溶发育规律具有线状分布和区域集中的特点。钻孔揭露第①到第⑧岩溶条带的线岩溶率分别为8.47%、9.87%、13.17%、37.00%、4.95%、9.84%、5.90%和6.77%。以覆盖层的塌陷为主,具有明显的“上粘下砂”二元结构。在29起塌陷中,25起(86%)属于覆盖层岩溶地面塌陷。25起覆盖层塌陷中,72%在双层结构覆盖层内,28%在单层结构覆盖层内。武汉市隐伏岩溶区覆盖层的塌陷具有土洞发展的渐进破坏过程,以潜蚀和真空吸蚀为渐进破坏的主要原因,土洞发展到一定阶段,重力是引发突然塌陷的关键作用。在钻孔和桩基施工等工程活动作用下,也经常引发直接的突然塌陷。自然和人类活动对岩溶地面塌陷的叠加作用明显,前者主要包括降雨、地表水入渗和地下水位季节性波动等,后者为抽排地下水、工程振动、加载和钻探等。诱发机制体现为潜蚀效应、真空吸蚀效应、垂直渗压效应和重力(自重和荷载)效应的综合作用。4.武汉市岩溶地面塌陷的地质模型武汉市岩溶地面塌陷模式可归纳为三类：潜蚀—吸蚀—重力致塌模式：以汉阳中南轧钢厂塌陷为代表,开采岩溶水是潜蚀和真空吸蚀作用诱发塌陷的主要原因。潜蚀—渗压—重力致塌模式：以陆家街塌陷和毛坦港塌陷为代表,长期存在孔隙承压水向下部岩溶水迳流补给产生的潜蚀和渗压,在降雨及长江水位变化时潜蚀渗压作用加强,暴雨是塌陷的突发原因。渗压—溶洞顶板失稳破坏—动荷载、重力致塌模式：以烽火村还建项目塌陷和江夏区法泗街塌陷为代表,除自然环境的渗压或潜蚀作用外,钻孔、冲孔桩施工等人类工程活动是致塌的关键动力。主要表现为钻孔将孔隙水和岩溶水联通,导致渗压的突然增大,以及冲孔桩施工形成的振动荷载及岩溶水波动,增加作用于覆盖层的渗压、吸蚀和荷载效应。5.覆盖层—岩溶地面塌陷的环境输入作用和演化机理(1)塌陷形成基础地质条件：覆盖层具“上粘下砂”二元结构、下伏基岩浅部岩溶发育、孔隙水与岩溶水水力联系密切,水动力条件好。(2)自然环境下开口岩溶上方土洞的演化过程：开口岩溶上方土洞的扩展机理体现为两种作用,即水力潜蚀和应力集中作用下的剪、张破坏。小规模的开口岩溶与覆盖层接触处水力梯度大,容易发展潜蚀作用的土洞。随着土洞的扩展,潜蚀作用转变为土洞周边的应力集中作用,张拉或剪切破坏致使土洞扩展,并逐步形成稳定的平衡拱。当存在开口大的溶洞时,潜蚀和应力集中共同作用使土洞向上扩展,一般难以形成稳定的平衡拱。当地下水位下降或暴雨入渗时,作用于土洞周边的集中应力将提高,引起土洞发展或导致突然塌陷。集中应力的变化规律可解释陆家街等岩溶塌陷的形成过程。自然条件下孔隙水和岩溶水基本同步变化,很难形成真空吸力作用,只有当土洞向上扩展至近地表时,在临界塌陷阶段存在真空吸蚀作用。(3)人类工程活动致使覆盖层一岩溶地面塌陷快速发展直至破坏：开挖基坑破坏上覆粘土相对隔水层,缩短降雨垂直入渗途径,使垂直渗透压力增加。基坑降水工程使覆盖层内局部区域的水力梯度增加,加快土洞的扩展。勘察钻孔和桩基施工,破坏含水层和隔水层的内部结构,使孔隙水和岩溶水联通,在孔壁周边水力梯度快速增加,达到临界水力梯度破坏阶段。桩基施工的振动荷载和超孔隙水压力增加,使桩周土体强度降低、应力增加。上述作用的结果是引起覆盖层的整体破坏。6.武汉市岩溶地面塌陷易发性评价结果考虑下伏基岩岩溶发育程度、上覆土层特征、地下水动力条件和构造条件4方面的影响因素,对武汉市隐伏岩溶区地面塌陷的易发性开展评价,划分四级易发区的结果如下：(1)非岩溶区：分布面积约3596.69km2,占评价区域总面积的73.58%。(2)低易发区：分布面积约486.98km2,占评价区域总面积的9.96%。区内上部孔隙承压含水层与下部含水层间普遍存在较厚的弱透水层,仅局部地段存在两者联通的天窗,具备自然环境发生岩溶塌陷的可能性。(3)中等易发区：分布面积约672.95km2,占评价区域总面积的13.77%。以覆盖型岩溶为主,下伏灰岩岩溶中等发育,在全新统松散覆盖层薄的区域存在岩溶地面塌陷的可能性。(4)高易发区：分布面积131.59km2,占评价区域总面积的2.69%。位于长江一级阶地,发育有金口断裂(长江断裂)、蒋家墩—青菱湖断裂、吴家山—花山断裂。三叠系—石炭系灰岩的浅部岩溶发育强烈,第四系覆盖层为上粘下砂的双层结构。在武汉市三环线内,人类工程活动强度大,近20年内该区共发生21处塌陷。7.武汉市岩溶地面塌陷危险性评价结果基于近10年武汉市岩溶地面塌陷点记录,分析了自然和人类工程活动叠加作用下,不同易发区岩溶塌陷的发生概率和危险性,危险性分区结果如下：(1)低危险区：分布面积约224.45km2,占评价区域总面积的4.50%,主要分布于黄陂区夏新集,青山区蒋家墩,汉阳永丰街南部,蔡甸区张湾街—江堤街、侏儒街—中湾村—丰郑家之间的区域,曾家岭—管莲湖—枣树湾一带,枫树湾一檀树坳一带,大集街—高湖一带,张湾街以及曹树咀—桂家咀一片等区域。(2)中等危险区：分布面积约781.17kmm2,占评价区域总面积的15.98%,主要分布于汉南区纱帽街—黄家墩一带,江夏区金水闸—龚家变—享堂湾—泷泗边—乌龙泉街的岩溶条带,江夏区纸坊街、杨家湾、梁子湖、牛山湖之间的大片区域,大集街—武汉经济开发区—肖家湾之间的岩溶区,梅家山—下河—大郑村的岩溶区,狮子山街到武汉东湖新技术开发区的岩溶条带,朱家咀—杨林洲—江堤街一带,永丰街以及谌家矶街—红胜村之间的岩溶条带等区域,为地面塌陷中等危险区。(3)高危险区：分布面积约158.78km2,占评价区域总面积的3.25%。主要分布于永丰街—武汉长江大桥—省政府—新店的部分岩溶条带、洪山区狮子山街—长江对岸的江堤街之间长江沿岸区域、肖家湾—石咀—野湖—何家湖一带、清菱乡—南湖街道与长江之间的区域、金银庙—凤XF一带,下蒲潭—孟家咀的岩溶条带、从金水闸开始跨长江往汉南区纱帽街的岩溶条带、法泗镇、营口、乌龙泉街道附近等区域。由于岩溶地面塌陷的隐蔽性特征,对研究区内岩溶地质的认识仍然存在一定的不确定性。未来一段时间武汉市仍然处于城市快速发展阶段,人类工程活动是诱发岩溶地面塌陷的主导因素。本论文提出的覆盖层—岩溶地面塌陷的演化机理,对人类工程活动在塌陷形成中的作用进行系统概括,期望能够对武汉市岩溶地面塌陷的防灾和减灾提供指导。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.2
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本文编号：1713006