长江中下游堤防工程地质研究：解决地下有害气体问题

4.7　地下有害气体问题

一般地讲，地下有害气体主要有两类，一类是由地质历史时期有机物形成的瓦斯气体，在煤体或围岩中以游离状态和吸着状态存在。瓦斯的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下密度为0.716kg/m³，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。在长江中下游地区，特别是堤防工程展布区，瓦斯气体很少见。

另一类地下有害气体是第四纪以来掩埋在地下的有机物，在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用产生的一种地下有害气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫它沼气。沼气的形成大致分两个阶段，首先由分解菌把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等；然后由甲烷菌种作用，将一些简单的物质变成甲烷。沼气是气体的混合物，其中含甲烷60%～70%，甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，空气中氧含量明显降低，使人窒息，此外还含有二氧化碳、硫化氢、氮气和一氧化碳等；它含有少量硫化氢，所以略带臭味。

第四纪以来，长江中下游地区，特别是洞庭湖与鄱阳湖区总体处于沉降状态，接受了厚达几十甚至上百米的第四系松散堆积层，并且在这一时期内气候温和、湿润，植物茂盛，在地质演化过程中，动、植物残骸被埋藏于地下，从而形成沼气。由于上覆粘性土层的覆盖而不易向空气中散发，部分在淤泥质土层中形成沼气囊而储存于地下，也有部分在较高压力作用下溶于地下水中，随地下水向砂性土层中运移并储存于砂性土中。由于地下水的溶解与搬运作用，在临江地段，地下有害气体与长江水位有着重要的关系：在枯水季节，长江水位长时间低于两岸土体中的地下水位，地下水向长江排泄，地下有害气体亦随地下水向外排泄并溢出，两岸土体中则有害气体聚集不明显，对堤防工程影响不大。在汛期，长江水位高于地下水位，长江水补给地下水，这样，有害气体则被封闭在土体中而发生聚集，严重时会影响工程安全。在武昌堤内的汛期与非汛期的钻探工作已证明了这一点。

在荆南长江干堤勘探时，钻孔进入砂卵石层后，即听到气体从水中冒出的响声，并有气体从套管口冒出，用火点燃后，火焰高0.7～1.2m。经对气体进行测压、取样作气相色谱分析，其结果为孔口压力150kPa，气体成分几乎全为甲烷，其浓度达873ml/L。

2009年8～9月，在武昌堤内约100m处进行钻探时，发现钻孔中有有害气体逸出，钻孔揭示有害气体情况见表4－16。

表4－16　钻孔揭示有害气体情况一览表

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2008年8月29日，ZK01有害气体喷出孔口高度7m多，点燃后火苗达2m多高，火焰呈蓝色，经过3天自由溢放后，井口气体溢出量逐渐减小。由于孔内泥浆护壁，检测到的气体压力可能比实际值要小很多。据喷出高度估算，气体压力接近0.2MPa。经检测，有害气体成分为甲烷（CH4），含量远超过5%，浓度超出国家安全生产限定值和可燃气体爆炸下限值，具有发生重大安全事故的气体浓度条件。

该部位分布的淤泥质粉质粘土层中含有有机质，有产生沼气的物质条件；砂性土中发育空隙并充填地下水，为沼气聚集提供储气空间；而上部厚2.2～6.5m的灰褐—灰色粉质粘土则形成盖层，将淤泥质土形成的有害气体圈闭在下伏土层中。

目前，尚未见到地下有害气体对堤防工程造成不利影响的案例。但是，浅层气体的存在，对涵闸等建筑物基础及堤基的稳定均有较大的影响。当封闭气体压力较高，向上逸出时可导致地基扰动、沉陷、开裂；在渗透压力的作用下，封闭的有压气体从高压区向低压区运动，易在渗流逸出处形成较大的坡降，产生管涌及流土。同时，甲烷是一种可燃气体，在封闭的环境中达到一定的浓度时，遇明火即燃烧甚至可能发生爆炸，在钻探施工中应引起注意。

【注释】

[1]据徐福兴资料。

[2]据陈引川等资料。

[3]据徐福兴资料。