岩溶地面塌陷对长江堤防工程的影响

4.4.4　岩溶地面塌陷对堤防工程的影响

（1）岩溶地面塌陷对堤防工程的宏观影响是直接破坏堤防工程，汛期必然导致溃口险情。

2005年11月26日，江西省瑞昌市与九江县交界处（东经115.7°，北纬29.7°）发生里氏5.7级地震，震中烈度为Ⅶ度；主震后多次发生余震。受其影响，震中附近的瑞昌市城郊、九江县发生了一系列岩溶地面塌陷。塌陷区上覆厚10.05～29.44m的第四系全新统冲积层，上部为浅灰黄色粉砂和粉质粘土，局部分布有淤泥质粘土及粉土，厚度3.0～11.6m；下部为浅黄色中细砂、粗砂、砂砾卵石层，厚度4.20～24.20m。下伏基岩为二叠系和三叠系灰岩与泥质灰岩，岩溶发育（表4－12）。溶洞多发育在－80m标高以上，以0～－60m标高内溶洞较为发育。

表4－12　塌陷区灰岩地层中岩溶发育情况

区内地下水类型为碳酸盐岩溶洞水及第四系松散岩类孔隙水，碳酸盐岩溶洞水与第四系松散岩类孔隙水水力联系十分密切。地下水位埋深一般2.5～3.5m，枯水期为14～15m，多位于基岩顶面之上，局部在基岩面附近变化。由于岩溶地层之上为第四系全新统砂性土层，透水性好，地表水与地下水的水力联系也较密切，它们互为补排关系。据了解，当时瑞昌城区有8口机井抽水供水，主要分布于城区南部覆盖型灰岩区，部分机井抽取三叠系中统嘉陵江组灰岩中岩溶水，部分井（3口）抽取第四系孔隙潜水，日抽水量共（2～3）×10⁴t。另在西郊桂林桥附近尚有3个机井抽取地下水。这些抽水机井附近因长期抽排地下水，地下水径流较强烈。

研究表明，瑞昌市城郊发生岩溶地面塌陷的根本原因是此处具有发生地面塌陷的地质条件，即下伏基岩为碳酸盐岩，且岩溶较发育。塌陷区近长江河岸、古河道地带及供水井抽水降落漏斗范围内，地下水位经常变化，水循环交替强烈，洞隙上覆松散颗粒多已被潜蚀移动，此带属土洞和地面塌陷产生的敏感区；受到外力激发，易发生塌陷。2005年11月26日发生的地震是这次大规模发生岩溶地面塌陷的主动力和激发因素。

受地震影响，震中附近的瑞昌市城郊、九江县发生了一系列岩溶地面塌陷。截至2006年3月6日，瑞昌市城区及市郊东西长约11km范围内已发生120处岩溶地面塌陷。其中九江赛湖大堤2＋540～2＋595段堤身塌陷1m；6＋010～6＋050段距堤内脚40m处产生直径约8m、深0.7m的沉陷；9＋150～9＋450段距堤内脚80m处产生约7 000m²的沉陷，明显沉陷坑7处，最大陷坑直径达52m、深10m，并伴喷砂；10＋550堤内脚50m处沉陷直径8m；11＋100堤内脚50m处沉陷直径2m、深1m；12＋151堤内脚沉陷直径3m；12＋270距堤脚5m处沉陷4处，直径15～18m，深3m；堤外滩地距脚20m沉陷直径10m。

1931年8月，长江武汉段水位猛涨，地面积水尺余，在武昌丁公庙距长江仅50m发生岩溶地面塌陷，塌陷前地面突然冒水，造成长江大堤溃口，形成倒口湖，导致白沙洲淹没、房屋倒塌。塌陷处为高漫滩，地面高程22m，上部由全新冲积物组成，具二元结构，下伏三叠系大冶组灰岩，处于关山向斜核部。

（2）岩溶地面塌陷对堤防工程的微观影响是，岩溶地面塌陷发生时，堤防工程位于其微观裂隙区，致使堤基、堤身中发育微裂隙，使其渗透性显著增大，从而存在安全隐患。

武汉市汉南区岩溶地面塌陷位于汉南长江干堤桩号为354＋600～355＋300的堤内30～180m范围内，地面高程22.50～23.87m；北、东两侧堤顶高程30.51～30.81m；堤外地面高程22.30～24.80m。

除堤身及堤内外两侧压浸平台为人工填土外，塌陷区上部为厚25～27m的第四系冲洪积堆积，构成长江Ⅰ级阶地，具二元结构，上部为厚2.20～17.30m的壤土；其下部为厚8～25m的灰色砂壤土，结构较松散。塌陷区下伏基岩，自北而南，分别为①三叠系下统大冶组（T₁d）厚层深灰色灰岩及薄层页岩；②三叠系下统观音山组（T₁g）肉红色结晶灰岩；③三叠系中统陆水河组（T₂l）钙质泥岩与泥灰岩互层。

塌陷区位于近东西走向的猫儿洞背斜南翼，岩层总的走向约115°，向南偏西倾斜，倾角65°～75°不等；塌陷区基岩面起伏不大，基岩面高程约－3.0m。(www.xing528.com)

按地下水的埋藏和赋存条件以及含水岩组的特征，塌陷区内地下水可分为孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水3种类型。孔隙潜水分布在第四系松散堆积层中，主要含水层为砂壤土及粉细砂层，厚度各处不等，水位埋藏较浅，塌陷区塌陷前孔隙潜水埋深为0.7～0.9m，塌陷后孔隙潜水埋深为1.2～1.7m。基岩裂隙水埋藏在下伏基岩中。孔隙潜水和基岩裂隙水主要接受大气降水和地表水体补给，塌陷区东侧紧靠长江。长江为地下水的最低排泄基准面。岩溶水埋藏在塌陷区下伏观音山组（T₁g）灰岩岩溶系统中，主要接受岩溶系统上游水体补给，其次可接受上覆第四系地层中的孔隙水通过裂隙、溶隙或孔洞等垂向补给，枯水期向长江排泄。勘探成果表明，位于塌陷坑TXK1和TXK2之间地带的岩溶水埋深为9.20m，水位为13.85m，比同时期长江水位仅高0.80m。

塌陷区下伏的观音山组（T₁g）灰岩层厚、质纯，可溶性较强，为强岩溶化岩组，其岩溶十分发育，岩溶发育形式主要为溶洞。据了解，塌陷区及其周围，不同单位先后实施了几次较大规模的钻孔及先导孔，共完成钻孔1 795个，其中106个工程地质勘察钻孔中有14个见溶洞，揭露溶洞垂直高度0.4～5.0m；1 689个先导孔中有108个见溶洞。这些钻孔或先导孔揭露的溶洞垂向最大洞高7.8m（表4－13）。

表4－13　塌陷区钻孔揭示的岩溶发育情况

塌陷区下伏灰岩主要发育有上、下两层溶洞。其中上层溶洞规模较小，洞高一般为0.2～0.6m，连通性较差，溶洞顶板高程为－6.17～－3.90m，顶板灰岩厚度较小，一般为0.20～2.1m，底板高程为－10.54～－4.69m，区内有114个钻孔揭示了此层溶洞；下层溶洞规模较大，洞高一般为2.4～4.2m，最大洞高7.80m，一般充填有软塑状粘土，连通性较好，溶洞顶板高程为－10.25～－8.73m，底板高程为－9.23～－12.10m，主要分布在TXK2、TXK4部位的基岩中。上层溶洞地下水以垂直运动为主，上覆砂性土中的地下水可能通过其向下部排泄；下层溶洞中地下水以水平运动为主，地下水主要向长江排泄。在平面分布上，受构造控制，岩溶条带呈南东东向展布，向东穿过东侧南北走向的堤段而进入长江。

2008年2月29日14时许，该堤段离堤脚约100m处发生较大规模的岩溶地面塌陷；几天后逐渐形成两条走向近东西、间距90～100m、长约450m的岩溶地面塌陷条带（图4－11），其中北侧塌陷条带由3个塌陷坑、南侧由4个塌陷坑组成，其中最大的主塌陷坑（TXK2）位于北侧条带中，由A、B、C、D、E、F、G共7个次级塌陷坑组成；最大次级塌陷坑（编号为TXK2－C）长轴与北段堤防走向近平行，走向约105°；长度达142m，短轴长约67m；坑底高程15.88m，最大深度7.22m（塌陷区地面高程23m左右）；各塌陷坑周围发育大量的环状裂缝，最宽达50cm，长达10余米，间距一般1.5～2.0m，可见深度达2m左右。各塌陷坑基本特征详见表4－14（照片7～照片9）。

表4－14　塌陷坑规模统计表

研究表明，砂性土下方强岩溶化灰岩中溶洞的存在是这次岩溶地面塌陷发生的根本原因，溶隙、孔洞、裂缝以及封堵不良的钻孔和先导孔等为上部砂性土的流失提供了通道，它是岩溶地面塌陷发生的关键所在。砂性土中的孔隙潜水位的频繁升降、地表水的下渗以及施工机械的震动是岩溶地面塌陷重要的诱发因素。

汉南岩溶地面塌陷区北侧紧临东西走向的长江干堤，距堤内压浸台最近处仅33m左右；塌陷区塌陷后，其周围一定范围内的地下水带着土向陷坑流动，引起塌陷坑周围土体松动，分析表明，该岩溶地面塌陷已经影响到了堤内压浸台部位，已对大堤压浸平台造成一定程度的破坏，从而影响了堤防的完整性。往东方向，岩溶地面塌陷有穿过东侧南北走向的长江干堤的趋势，严重威胁着长江干堤的安全。并且，塌陷及相应的人类活动严重破坏了堤内覆盖层的完整性，给汛期长江洪水入侵提供了便利的通道，容易引起堤内翻砂鼓水，导致堤防工程遭受破坏，从而影响堤防安全渡汛。