發(fā)布時(shí)間：2018-04-05 03:28

  本文選題：巖溶塌陷　切入點(diǎn)：機(jī)理　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：武漢市分布大面積的隱伏巖溶,在巖溶上方直接覆蓋第四系松散沉積物的區(qū)域,容易發(fā)生地面塌陷。長江兩岸的一級階地的覆蓋型巖溶區(qū)是地面塌陷的高易發(fā)區(qū),而這一區(qū)域也是城市發(fā)展的核心區(qū),具有高危險(xiǎn)性和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。近些年,武漢市多項(xiàng)重大建設(shè)工程穿越隱伏巖溶區(qū),如：武昌白沙洲大道工程線路全長7.46km,在巖溶區(qū)的長度2.70km,工程施工過程多次發(fā)生巖溶塌陷。從降低風(fēng)險(xiǎn)角度開展城市范圍內(nèi)的巖溶塌陷的機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)研究,是確保巖溶分布的城市地質(zhì)安全的重要措施。從2005年至今,依托中國地質(zhì)調(diào)查局的武漢市巖溶塌陷調(diào)查項(xiàng)目,對武漢市巖溶地質(zhì)、覆蓋層結(jié)構(gòu)和塌陷災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查和監(jiān)測。調(diào)查結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)塌陷形式以開口巖溶上部覆蓋層的突發(fā)塌陷為主,塌陷模式具有特殊性。隨著城市發(fā)展,塌陷逐漸表現(xiàn)為受自然和人為作用的復(fù)合動(dòng)力型災(zāi)害,巖溶塌陷成因復(fù)雜和影響因素不確定強(qiáng)�；谖錆h市巖溶地面塌陷近十年的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了武漢市覆蓋層—巖溶塌陷機(jī)理研究和危險(xiǎn)性評價(jià)的研究。本研究既對巖溶地面塌陷成因的基礎(chǔ)研究具有重要理論意義,也可指導(dǎo)武漢市隱伏巖溶區(qū)塌陷災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工程�；诖罅恳巴庹{(diào)查和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),分析討論了武漢市巖溶地面塌陷形成的地質(zhì)背景條件,闡述了可溶巖分布、覆蓋層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史,分析了武漢市巖溶的發(fā)育歷史。圍繞武漢市隱伏巖溶區(qū)“覆蓋層—巖溶系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)特征,通過典型塌陷點(diǎn)的實(shí)例分析,建立了武漢市巖溶地面塌陷的地質(zhì)模型�；陲柡汀秋柡蜐B流理論、彈塑性力學(xué)模型和剛體極限平衡理論,對自然環(huán)境輸入和人類工程活動(dòng)輸入作用下巖溶地面塌陷的演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并討論了武漢市巖溶地面塌陷的演化機(jī)理。以模糊貼近度和層次分析法為理論基礎(chǔ),根據(jù)武漢市巖溶地質(zhì)背景和地面塌陷的演化機(jī)理,對武漢市巖溶地面塌陷的易發(fā)性進(jìn)行了定量評價(jià)�；诮�10年武漢市巖溶地面塌陷的數(shù)據(jù)集,分析了自然和人類工程活動(dòng)疊加作用下,武漢市巖溶地面塌陷的發(fā)生概率,以發(fā)生概率為指標(biāo)對武漢市巖溶地面塌陷的危險(xiǎn)性進(jìn)行了區(qū)劃。論文所取得的主要研究進(jìn)展如下：1.武漢市巖溶地質(zhì)背景武漢市隱伏可溶巖分布總面積約1091.51km2,占武漢市總面積的12.85%。隱伏可溶巖主要位于軸向NWW-SEE的向斜核部,形成了8條隱伏巖溶條帶。巖溶發(fā)育程度與地層巖性有關(guān),其排序?yàn)椋憾B系三疊系石炭系。巖溶主要在印支中晚期—燕山早期(T3—J)和喜馬拉雅早期兩個(gè)時(shí)期形成,沿向斜核部的節(jié)理、斷裂形成巖溶溝槽。第四系松散沉積物直接覆蓋的巖溶區(qū)易發(fā)生地面塌陷。區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度一般為10-30m,最大60-70m。覆蓋層物質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為：單層粘土、單層砂土、上粘下砂的雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。單層粘土主要分布于壟崗地區(qū),由中更新統(tǒng)網(wǎng)紋狀粘土組成。雙層結(jié)構(gòu)分布于長江一級階地,上部為厚5-22m的粉質(zhì)粘土,下部為厚度1-21m的粉砂、細(xì)砂和礫砂。單層砂土和多層結(jié)構(gòu)均零星分布于沿江地帶。松散巖孔隙水和裂隙巖溶水的變動(dòng)是發(fā)展巖溶地面塌陷的主要?jiǎng)恿��？紫冻袎核荛L江水側(cè)向補(bǔ)給,地下水水位受降雨量及長江水位控制,具有明顯的季節(jié)變化特征。裂隙巖溶水和孔隙水之間多被含碎石粘土層阻隔,在局部無粘土層處,巖溶水接受孔隙水補(bǔ)給。裂隙巖溶水的排泄方式主要以人工開采為主,并受樁基施工等工程活動(dòng)影響,水位劇烈變動(dòng)。2.武漢市巖溶地面塌陷的時(shí)空分布規(guī)律武漢市巖溶地面塌陷多發(fā)生在4月-11月,與降水豐沛期和長江的平水期、豐水期對應(yīng)。隨城市工程建設(shè)活動(dòng)的增加,自2001年以來,塌陷發(fā)生頻率越來越高。巖溶地面塌陷主要分布于洪山區(qū)和武昌區(qū),其次為漢陽區(qū)、漢南區(qū)和江夏區(qū)。構(gòu)造部位上,分布于向斜核部或近核部位,并集中在三疊系下統(tǒng)的覆蓋型巖溶區(qū)。受人類工程活動(dòng)向城市外圍擴(kuò)展的影響,塌陷有逐漸向遠(yuǎn)城區(qū)擴(kuò)展的趨勢。3.武漢市巖溶地面塌陷特點(diǎn)受斷裂、構(gòu)造裂縫和相對隔水層位置的影響,隱伏巖溶發(fā)育規(guī)律具有線狀分布和區(qū)域集中的特點(diǎn)。鉆孔揭露第①到第⑧巖溶條帶的線巖溶率分別為8.47%、9.87%、13.17%、37.00%、4.95%、9.84%、5.90%和6.77%。以覆蓋層的塌陷為主,具有明顯的“上粘下砂”二元結(jié)構(gòu)。在29起塌陷中,25起(86%)屬于覆蓋層巖溶地面塌陷。25起覆蓋層塌陷中,72%在雙層結(jié)構(gòu)覆蓋層內(nèi),28%在單層結(jié)構(gòu)覆蓋層內(nèi)。武漢市隱伏巖溶區(qū)覆蓋層的塌陷具有土洞發(fā)展的漸進(jìn)破壞過程,以潛蝕和真空吸蝕為漸進(jìn)破壞的主要原因,土洞發(fā)展到一定階段,重力是引發(fā)突然塌陷的關(guān)鍵作用。在鉆孔和樁基施工等工程活動(dòng)作用下,也經(jīng)常引發(fā)直接的突然塌陷。自然和人類活動(dòng)對巖溶地面塌陷的疊加作用明顯,前者主要包括降雨、地表水入滲和地下水位季節(jié)性波動(dòng)等,后者為抽排地下水、工程振動(dòng)、加載和鉆探等。誘發(fā)機(jī)制體現(xiàn)為潛蝕效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng)、垂直滲壓效應(yīng)和重力(自重和荷載)效應(yīng)的綜合作用。4.武漢市巖溶地面塌陷的地質(zhì)模型武漢市巖溶地面塌陷模式可歸納為三類：潛蝕—吸蝕—重力致塌模式：以漢陽中南軋鋼廠塌陷為代表,開采巖溶水是潛蝕和真空吸蝕作用誘發(fā)塌陷的主要原因。潛蝕—滲壓—重力致塌模式：以陸家街塌陷和毛坦港塌陷為代表,長期存在孔隙承壓水向下部巖溶水逕流補(bǔ)給產(chǎn)生的潛蝕和滲壓,在降雨及長江水位變化時(shí)潛蝕滲壓作用加強(qiáng),暴雨是塌陷的突發(fā)原因。滲壓—溶洞頂板失穩(wěn)破壞—?jiǎng)雍奢d、重力致塌模式：以烽火村還建項(xiàng)目塌陷和江夏區(qū)法泗街塌陷為代表,除自然環(huán)境的滲壓或潛蝕作用外,鉆孔、沖孔樁施工等人類工程活動(dòng)是致塌的關(guān)鍵動(dòng)力。主要表現(xiàn)為鉆孔將孔隙水和巖溶水聯(lián)通,導(dǎo)致滲壓的突然增大,以及沖孔樁施工形成的振動(dòng)荷載及巖溶水波動(dòng),增加作用于覆蓋層的滲壓、吸蝕和荷載效應(yīng)。5.覆蓋層—巖溶地面塌陷的環(huán)境輸入作用和演化機(jī)理(1)塌陷形成基礎(chǔ)地質(zhì)條件：覆蓋層具“上粘下砂”二元結(jié)構(gòu)、下伏基巖淺部巖溶發(fā)育、孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系密切,水動(dòng)力條件好。(2)自然環(huán)境下開口巖溶上方土洞的演化過程：開口巖溶上方土洞的擴(kuò)展機(jī)理體現(xiàn)為兩種作用,即水力潛蝕和應(yīng)力集中作用下的剪、張破壞。小規(guī)模的開口巖溶與覆蓋層接觸處水力梯度大,容易發(fā)展?jié)撐g作用的土洞。隨著土洞的擴(kuò)展,潛蝕作用轉(zhuǎn)變?yōu)橥炼粗苓叺膽?yīng)力集中作用,張拉或剪切破壞致使土洞擴(kuò)展,并逐步形成穩(wěn)定的平衡拱。當(dāng)存在開口大的溶洞時(shí),潛蝕和應(yīng)力集中共同作用使土洞向上擴(kuò)展,一般難以形成穩(wěn)定的平衡拱。當(dāng)?shù)叵滤幌陆祷虮┯耆霛B時(shí),作用于土洞周邊的集中應(yīng)力將提高,引起土洞發(fā)展或?qū)е峦蝗凰�。集中�?yīng)力的變化規(guī)律可解釋陸家街等巖溶塌陷的形成過程。自然條件下孔隙水和巖溶水基本同步變化,很難形成真空吸力作用,只有當(dāng)土洞向上擴(kuò)展至近地表時(shí),在臨界塌陷階段存在真空吸蝕作用。(3)人類工程活動(dòng)致使覆蓋層一巖溶地面塌陷快速發(fā)展直至破壞：開挖基坑破壞上覆粘土相對隔水層,縮短降雨垂直入滲途徑,使垂直滲透壓力增加�；咏邓こ淌垢采w層內(nèi)局部區(qū)域的水力梯度增加,加快土洞的擴(kuò)展�？辈煦@孔和樁基施工,破壞含水層和隔水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使孔隙水和巖溶水聯(lián)通,在孔壁周邊水力梯度快速增加,達(dá)到臨界水力梯度破壞階段。樁基施工的振動(dòng)荷載和超孔隙水壓力增加,使樁周土體強(qiáng)度降低、應(yīng)力增加。上述作用的結(jié)果是引起覆蓋層的整體破壞。6.武漢市巖溶地面塌陷易發(fā)性評價(jià)結(jié)果考慮下伏基巖巖溶發(fā)育程度、上覆土層特征、地下水動(dòng)力條件和構(gòu)造條件4方面的影響因素,對武漢市隱伏巖溶區(qū)地面塌陷的易發(fā)性開展評價(jià),劃分四級易發(fā)區(qū)的結(jié)果如下：(1)非巖溶區(qū)：分布面積約3596.69km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的73.58%。(2)低易發(fā)區(qū)：分布面積約486.98km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的9.96%。區(qū)內(nèi)上部孔隙承壓含水層與下部含水層間普遍存在較厚的弱透水層,僅局部地段存在兩者聯(lián)通的天窗,具備自然環(huán)境發(fā)生巖溶塌陷的可能性。(3)中等易發(fā)區(qū)：分布面積約672.95km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的13.77%。以覆蓋型巖溶為主,下伏灰?guī)r巖溶中等發(fā)育,在全新統(tǒng)松散覆蓋層薄的區(qū)域存在巖溶地面塌陷的可能性。(4)高易發(fā)區(qū)：分布面積131.59km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的2.69%。位于長江一級階地,發(fā)育有金口斷裂(長江斷裂)、蔣家墩—青菱湖斷裂、吳家山—花山斷裂。三疊系—石炭系灰?guī)r的淺部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,第四系覆蓋層為上粘下砂的雙層結(jié)構(gòu)。在武漢市三環(huán)線內(nèi),人類工程活動(dòng)強(qiáng)度大,近20年內(nèi)該區(qū)共發(fā)生21處塌陷。7.武漢市巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果基于近10年武漢市巖溶地面塌陷點(diǎn)記錄,分析了自然和人類工程活動(dòng)疊加作用下,不同易發(fā)區(qū)巖溶塌陷的發(fā)生概率和危險(xiǎn)性,危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果如下：(1)低危險(xiǎn)區(qū)：分布面積約224.45km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的4.50%,主要分布于黃陂區(qū)夏新集,青山區(qū)蔣家墩,漢陽永豐街南部,蔡甸區(qū)張灣街—江堤街、侏儒街—中灣村—豐鄭家之間的區(qū)域,曾家?guī)X—管蓮湖—棗樹灣一帶,楓樹灣一檀樹坳一帶,大集街—高湖一帶,張灣街以及曹樹咀—桂家咀一片等區(qū)域。(2)中等危險(xiǎn)區(qū)：分布面積約781.17kmm2,占評價(jià)區(qū)域總面積的15.98%,主要分布于漢南區(qū)紗帽街—黃家墩一帶,江夏區(qū)金水閘—龔家變—享堂灣—瀧泗邊—烏龍泉街的巖溶條帶,江夏區(qū)紙坊街、楊家灣、梁子湖、牛山湖之間的大片區(qū)域,大集街—武漢經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)—肖家灣之間的巖溶區(qū),梅家山—下河—大鄭村的巖溶區(qū),獅子山街到武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)的巖溶條帶,朱家咀—楊林洲—江堤街一帶,永豐街以及諶家磯街—紅勝村之間的巖溶條帶等區(qū)域,為地面塌陷中等危險(xiǎn)區(qū)。(3)高危險(xiǎn)區(qū)：分布面積約158.78km2,占評價(jià)區(qū)域總面積的3.25%。主要分布于永豐街—武漢長江大橋—省政府—新店的部分巖溶條帶、洪山區(qū)獅子山街—長江對岸的江堤街之間長江沿岸區(qū)域、肖家灣—石咀—野湖—何家湖一帶、清菱鄉(xiāng)—南湖街道與長江之間的區(qū)域、金銀廟—鳳XF一帶,下蒲潭—孟家咀的巖溶條帶、從金水閘開始跨長江往漢南區(qū)紗帽街的巖溶條帶、法泗鎮(zhèn)、營口、烏龍泉街道附近等區(qū)域。由于巖溶地面塌陷的隱蔽性特征,對研究區(qū)內(nèi)巖溶地質(zhì)的認(rèn)識仍然存在一定的不確定性。未來一段時(shí)間武漢市仍然處于城市快速發(fā)展階段,人類工程活動(dòng)是誘發(fā)巖溶地面塌陷的主導(dǎo)因素。本論文提出的覆蓋層—巖溶地面塌陷的演化機(jī)理,對人類工程活動(dòng)在塌陷形成中的作用進(jìn)行系統(tǒng)概括,期望能夠?qū)ξ錆h市巖溶地面塌陷的防災(zāi)和減災(zāi)提供指導(dǎo)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.2
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本文編號：1713006