湖北省国土资源厅
一、概况
武汉市从北向南分布有6条岩溶带,随着城市建设的迅速发展,岩溶区城市建设人类活动作用不断增强,由此引发的岩溶塌陷灾害频繁发生,造成的损失越来越大。20世纪70年代至今,市域内共发生岩溶塌陷20余起,直接经济损失近亿元(图1和图2)。近年来,岩溶塌陷发生频率逐年增高,危害程度也越来越大,岩溶塌陷已成为武汉市的主要地质灾害,严重地妨碍了其经济建设与可持续发展。
图1 光霞村塌陷
2006~2008年,中国地质调查局实施了“武汉市地面塌陷灾害调查与监测预警”项目,该项目从分析武汉市岩溶地面塌陷发生的水文地质、工程地质以及岩溶地质条件入手,研究了武汉市岩溶塌陷区可溶岩的分布范围、岩溶发育规律、岩溶塌陷灾害的形成机理、影响因素及致塌模式,进行了岩溶塌陷危险性分区评价。通过室内模拟试验、数值模拟、物理力学分析等对区内岩溶地面塌陷的发生发展过程、诱发因素及其所起的作用分量进行了研究(图3至图6)。在此基础上,建立了武汉市地面塌陷灾害监测网络及监测预警系统,初步确定了武汉市岩溶塌陷预警判别模式,为武汉市岩溶地面塌陷灾害的防治提供了依据。
图2 汉南1号塌陷
图3 核磁共振探测岩溶发育情况
图4 自动水位监测孔
图5 自动土压力监测点
图6 自动雨量监测站
二、取得的主要成果
1.查明了武汉市岩溶塌陷所发生的地质环境背景条件及诱发因素,提出了致塌模式及地质概化模型
武汉市岩溶地面塌陷形成的基本条件主要有三个方面:上覆盖层松散,具“上粘下砂”二元结构;下伏基岩可溶性碳酸盐岩浅部岩溶发育;孔隙水与岩溶水水力联系密切。其诱发因素主要包括长江水位变化、降雨、开采地下水以及人工加载等。塌陷产生的动力机制主要为潜蚀、渗压、真空吸蚀以及重力作用。致塌模式为潜蚀—吸蚀—重力致塌和潜蚀—渗压—重力致塌。地质概化模型为单一透水盖层型及阻-透盖层型。
2.通过模拟实验、数值模拟等多种方法,研究了武汉市岩溶地面塌陷的发生发展过程,确定了岩溶塌陷发生的土洞极限拱高,并通过高频度诱发因子自动监测进行了实例验证
武汉市岩溶地面塌陷的发生发展过程实质上是上覆盖层中土洞的发展过程,土洞的破坏是以拱形方式逐渐向上发展的。依据上覆盖层结构,土洞塌陷可分为类砂性土塌陷和类黏性土塌陷两种模式。烽火村区土洞极限拱高为1.34~12.12米,毛坦港为9.45米,阮家巷为6.06~13.73米,陆家街为13.94米,中南轧钢厂为9.77~10.47米。
降雨对岩溶地面塌陷的影响主要是通过改变上覆盖层土体的物理力学参数和引起地下水位波动来进行的。在这两种作用下,上覆盖层中的隐伏土洞会进一步发展及破坏,导致地面塌陷。在相同时间下,降雨强度越大,土洞变形破坏程度越大;如降雨强度较小,但持续时间较长,也会导致土洞的变形破坏。
开采地下水对岩溶地面塌陷的影响与开采层位、开采量、地下水位下降幅度以及补给条件有关。开采孔隙水时,开采量越大、补给越不充分,土层破坏情况越严重,越容易形成土洞,造成塌陷;开采岩溶水时,当水位下降速率大于1厘米/秒时,上覆砂层即发生破坏,产生塌陷。
3.对武汉市岩溶地面塌陷重点区进行了危险性分区预测评价
工作区岩溶地面塌陷的危险性可分为4个区:其中易危险性大区,分布面积约1.28平方千米;危险性中等区,分布面积约3.70平方千米;危险性小区,分布面积约4.09平方千米;基本安全区,分布面积约27.88平方千米。
4.建立了城市区岩溶地面塌陷自动实时监测预警系统
监测预警系统共包括各类监测点91个,监测因子主要为隐伏土洞、地下水、地表水、降雨、地表形变等。其中地质雷达固定剖面扫描监测24条,土体压力监测点13个,地下水位水温监测点21个,地下水质监测点21个,地下水流向流速监测点21个,地表水监测点1个,降雨量监测点1个,地面形变监测点28个,裂缝监测点3个。监测网采用实时自动监测与人工监测相结合的方式运行(图7),为武汉市岩溶地面塌陷灾害的防治提供了决策依据。
图7 实时监测数据所反映的岩溶塌陷发展过程
三、成果应用
项目自2008年年底结题后,作为项目成果之一的“武汉市地面塌陷灾害监测预警系统”已交付给武汉市国土资源局使用,为确保监测预警系统的正常运行,武汉市每年投入70多万元用于系统的运行与维护。同时,参照项目监测预警系统,在武汉市汉南区也建立了相应的岩溶塌陷监测预警网络,一并纳入该监测系统。2009~2010年,中国地质调查局共拨付经费600万用于武汉市周边岩溶塌陷调查研究,使项目成果等到了更进一步的应用与推广。
随着武汉市城市建设的飞速发展,武汉市多项重点工程高速推进,天兴洲大桥、武汉火车站、长江隧道、轻轨一号线二期、岳家嘴立交桥、范湖地铁站等工程相继开展,武汉市中央文化旅游中心、武汉市国际贸易中心等也即将开始建设,项目成果在上述各项工程中均可得到较好的应用,其应用前景广阔,经济、社会效益可以预期。
四、社会效益
(1)项目查清了武汉市岩溶塌陷成生的基本条件、诱发因素及致塌机理,为武汉市岩溶塌陷的防治提供了技术支撑与理论依据。
(2)项目对武汉市重点塌陷区进行了岩溶塌陷危险性分区评价,对于指导武汉市城市建设规划及重大工程建设具有十分重要的意义。
(3)项目对岩溶塌陷监测预警指标、监测手段及预警方法等进行了探索性研究,为今后岩溶塌陷监测预警提供了参考模式与示范。
(4)项目建立的武汉市岩溶塌陷重点区监测预警系统,可以对岩溶地面塌陷地质灾害进行监测预警,从而有效地避免或减少人民生命财产损失和对公共基础设施的破坏,对稳定民心、构建和谐社会具有十分重要的意义。
(5)通过项目监测系统的长期运行,可掌握岩溶塌陷的发展趋势和可能的危害,及时提出有效的防治对策,对于促进经济建设和城市发展,最大限度地发挥土地资源应有的经济效益具有重要意义。