廣西貴港青橋鎮(zhèn)巖溶塌陷水動(dòng)力條件評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

廣西貴港青橋鎮(zhèn)巖溶塌陷水動(dòng)力條件評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

1溶陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)目前，對(duì)黃巖坍塌風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)主要基于風(fēng)險(xiǎn)因素，包括巖性和斷裂。覆蓋土層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；巖石的厚度；與斷層結(jié)構(gòu)的距離；地形；當(dāng)?shù)靥臄?shù)量、規(guī)模和類型；與下一個(gè)巖石坍塌的距離。水位距離基巖面高度。排水記錄。國(guó)外對(duì)具體單點(diǎn)位置進(jìn)行巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí),還考慮了SPT(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn))的N值;鉆液的漏失量和鉆探過(guò)程中遇到的土洞、溶洞個(gè)數(shù);鉆孔水位變化等。以上方法中關(guān)于抽排水及鉆孔水位的變化主要考慮水位的變幅,并多用于區(qū)域上的評(píng)價(jià),而針對(duì)具體的工程點(diǎn),采用易于操作的方法對(duì)該區(qū)的巖溶塌陷的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià),是目前建設(shè)單位急需解決的問(wèn)題。在建的西氣東輸支二線工程經(jīng)過(guò)廣西貴港覃塘鎮(zhèn)青云村,在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn),該區(qū)域每年地面都有塌陷坑出現(xiàn),塌陷坑大多為圓形,直徑0.5～5m,深1～5m,是在建的西氣東輸支二線工程面臨的主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。巖溶塌陷的產(chǎn)生與當(dāng)?shù)鬲?dú)特的水動(dòng)力條件密切相關(guān),為此,項(xiàng)目組通過(guò)地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖溶管道裂隙系統(tǒng)水氣壓力的變化,通過(guò)典型區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析,從巖溶水變化的角度,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法,開展該地區(qū)油氣管線土層發(fā)生巖溶塌陷的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。2資料來(lái)源及地質(zhì)特征貴港市位于廣西東南部,距省府南寧市156km,屬于中-南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫在21.5℃之間,年平均降水量為1415.4～1731.8mm,在4月～9月為雨季,期間降雨量占年降雨量的75%。研究區(qū)為覆蓋型巖溶區(qū),地貌類型為峰林平原(圖1),地面標(biāo)高43.1～50.3m。大部分為旱地,少量水稻田。構(gòu)造控制明顯,處于覃塘～云表向斜的西翼,下伏基巖為泥盆系東崗嶺組淺灰色～灰色厚層灰?guī)r,巖體較完整,局部裂隙較發(fā)育。第四系覆蓋層以沖洪積成因?yàn)橹?厚約2.0～10.0m,土層為粘土、含礫石粉質(zhì)粘土?；鶐r面起伏變化大,水量中等～貧乏。區(qū)內(nèi)地表水缺乏,農(nóng)民生活用水主要通過(guò)鉆孔、溶潭開采巖溶水解決,抽水引起的塌陷問(wèn)題頻繁發(fā)生(圖2)。3巖溶凹陷水動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,該區(qū)淺層巖溶地下水水量缺乏,受大氣降雨的影響明顯,人類活動(dòng)的影響主要是農(nóng)村生活用水,但是地下水位的變化及幅度卻較大。因此,本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)巖溶水動(dòng)力因素的監(jiān)測(cè),對(duì)比分析巖溶塌陷發(fā)育區(qū)與非發(fā)育區(qū)的地下水動(dòng)力變化特征。監(jiān)測(cè)設(shè)備采用美國(guó)基康公司生產(chǎn)的鋼弦式孔隙水壓力傳感器及配套的數(shù)據(jù)采集儀。根據(jù)項(xiàng)目組以往開展的巖溶塌陷模型試驗(yàn)結(jié)果,要求采樣時(shí)間間隔應(yīng)小于30min,才能捕捉到對(duì)巖溶塌陷的形成具有觸發(fā)作用的巖溶水動(dòng)力變化,為此,本項(xiàng)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔設(shè)為10～30min。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇主要結(jié)合現(xiàn)有開采井布置,共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),1#、2#位于巖溶塌陷發(fā)育區(qū)青云村;3#、4#位于非巖溶塌陷區(qū)吉塘村,吉塘村距離青云村8km。4結(jié)果分析4.1地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律4.1.1第四系土層厚度偏高、基巖面下波動(dòng)條件下的洪水活動(dòng)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為民井,井深11.4m,監(jiān)測(cè)工作從2011年2月28日開始,截至2011年9月2日,監(jiān)測(cè)間隔為30min,采集數(shù)據(jù)8919組。圖3是1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位埋深變化圖,該點(diǎn)枯季水位埋深達(dá)10.47m,雨季水位埋深0.41m,最大水位變幅10.06m,結(jié)合區(qū)內(nèi)第四系土層厚度僅6～10m,地下水位一直處于基巖面附近上下波動(dòng)的狀態(tài)。該區(qū)地下水位的變化不僅明顯受大氣降雨的影響,而且也受到了灌溉渠滲水的明顯影響,如監(jiān)測(cè)期間的8月中旬基本無(wú)雨,區(qū)域地下水位普遍下降,但該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位埋深卻接近雨季水位的埋深,通過(guò)調(diào)查,監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有灌渠,灌渠滲漏嚴(yán)重,而該時(shí)段正好是灌溉期。圖4為2011年8月21日水位變化圖,該圖很好地反映了全天農(nóng)民間斷性抽水活動(dòng)情況:抽水主要時(shí)間在8:00～15:00,當(dāng)日共抽水4次,首次抽水發(fā)生8:00～10:00,造成了5.2m的水位下降,后面3次抽水時(shí)間較短(約30min)、水位降深也較小(1m左右),停止抽水后,水位恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),達(dá)6h。此外,巖溶水位的上升或下降變化速度對(duì)巖溶塌陷的形成具有重要影響,1#監(jiān)測(cè)期間地下水位最大下降速度6.58cm/min,上升最大速度為4.3cm/min。4.1.2枯水季節(jié)變化2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為民井,井深6.75m,監(jiān)測(cè)工作從2007年12月5日開始,2008年1月28日結(jié)束,采樣間隔為10min,每天記錄水壓力144次。由于時(shí)值枯水季節(jié),正是地下水開采量最大、水位下降速度最大、地下水變化最頻繁的時(shí)期。2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期間最大變化幅度為3.0m并且受大氣降雨的影響明顯,如2008年1月25日早晨開始降中雨,井水位壓力8:30開始從1.06m直線上升到12:30的1.65m。此外,2007年12月10～13日,因旁邊鉆孔施工抽了監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在水井的水,水量嚴(yán)重不足,產(chǎn)生負(fù)壓,說(shuō)明周邊水量補(bǔ)給較弱。監(jiān)測(cè)期間地下水水位上升速率最大達(dá)6.85cm/min,水位最大下降速度為2.28cm/min。4.1.3水塔水位變化3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為水廠機(jī)井,鉆孔深90m,監(jiān)測(cè)工作從2010年2月24日開始,監(jiān)測(cè)間隔為30min,截至2011年8月26日,采集數(shù)據(jù)8784組。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日變化最大4.57m,枯季水位埋深達(dá)8.48m,雨季水位埋深1.11m,最大水位變幅7.37m。水廠抽水時(shí)間不定,按水塔容量抽水,抽水時(shí)水位下降很快,但停抽后恢復(fù)也很快。(圖5)由于水廠抽水量大,水位下降速度也大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位最大下降速度15.26cm/min,上升最大速度為14.91cm/min,其中,速度變化大于10cm/min的次數(shù)達(dá)128次(圖6)。4.1.4枯季水位變化該點(diǎn)為民井,井深6.3m,距離3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)191m,監(jiān)測(cè)工作從2010年2月27日開始,采樣間隔為30分鐘,截至2011年9月2日,采集數(shù)據(jù)8972組。由于只是生活用水,日變化不大,最大0.19m,枯季水位埋深達(dá)4.95m,受降雨的影響顯著,水位恢復(fù)很快,雨季水位埋深0.256m,年水位變幅4.75m。3月19日,地下水位下降速率達(dá)最大僅0.65cm/min。4.2地下水水動(dòng)力條件的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)青云村塌陷嚴(yán)重,每年都有新的塌陷發(fā)生。相比之下,盡管吉塘水廠的長(zhǎng)期抽水活動(dòng),但該地區(qū)水廠500m范圍內(nèi)并沒(méi)有塌陷發(fā)生。由此,以吉塘、青云兩個(gè)地區(qū)抽水活動(dòng)的特征參數(shù)為基礎(chǔ),確定該地區(qū)抽水活動(dòng)觸發(fā)巖溶塌陷危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)野外調(diào)查、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土層結(jié)構(gòu)特征、地下水的動(dòng)態(tài)特征分析,總結(jié)了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的特征(表1),3#已開采地下水6年,由于開采的是深部巖溶水,補(bǔ)給快、水源充足,水位恢復(fù)快,周圍沒(méi)有塌陷產(chǎn)生。說(shuō)明水廠的抽水活動(dòng)尚處于安全范圍。1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的青云村,為民井開采,而且開采的地下水主要是淺層巖溶水,地下水貧乏,補(bǔ)給速度慢,抽吸地下水,極易形成真空負(fù)壓,破壞土層,形成土洞。目前的巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)雖然也考慮了地下水動(dòng)力條件的變化,如地下水水位的最大變幅,該特征也易獲得,但是從表1中可看出,該特征的值越大,并不一定會(huì)引發(fā)巖溶塌陷。此外,水位變化的瞬時(shí)速度雖然3#點(diǎn)的值最大,但是吉塘村并未有塌陷事件發(fā)生。因此,通過(guò)對(duì)比塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)的特征,選取以下參數(shù)作為誘發(fā)巖溶塌陷的水動(dòng)力條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo):(1)巖溶水位日變幅和水位恢復(fù)時(shí)間:前者反映地下水開采強(qiáng)度,后者反映地下水補(bǔ)給速度。評(píng)價(jià)時(shí),將地下水動(dòng)態(tài)變化對(duì)巖溶塌陷的影響按區(qū)劃分為高、中、低三級(jí):低影響區(qū):巖溶水位日變幅度小于1.0m、恢復(fù)時(shí)間小于5.0h;中等影響區(qū):巖溶水位日變幅度1.0～3.0m、恢復(fù)時(shí)間在5.0～10.0h之間;高影響區(qū):巖溶水位日變幅度大于3.0m、恢復(fù)時(shí)間大于10.0h。(2)監(jiān)測(cè)的巖溶水位最大瞬時(shí)下降速度:巖溶管道裂隙系統(tǒng)水氣壓力變化速度是觸發(fā)土體破壞、并快速產(chǎn)生巖溶塌陷的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)桂林等地相似地區(qū)塌陷模型試驗(yàn)結(jié)果,粘土破壞的瞬時(shí)臨界速率(V)大約為180cm/min,即,巖溶管道裂隙系統(tǒng)水氣壓力的瞬時(shí)變化速率高于該臨界值越多,地表出現(xiàn)巖溶塌陷坑的時(shí)間越短。從目前的監(jiān)測(cè)資料分析,研究區(qū)地下水壓力變化瞬時(shí)速度都遠(yuǎn)小于臨界速率,說(shuō)明在研究區(qū)抽水引發(fā)土體破壞、并快速產(chǎn)生地面塌陷的危險(xiǎn)性低。根據(jù)以上原則,可以對(duì)類似地質(zhì)條件下油氣管線附近所有開采井的抽水活動(dòng)引發(fā)巖溶塌陷的危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),同時(shí),也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)控開采井的水位動(dòng)態(tài),據(jù)此限定開采井的開采方式,實(shí)現(xiàn)地下水的安全開采。5評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定通過(guò)本項(xiàng)研究,可以得到以下結(jié)論:(1)地下水動(dòng)力條件是巖溶塌陷的重要觸發(fā)因素,可以通過(guò)巖溶地下水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段,獲取相應(yīng)的水動(dòng)態(tài)參數(shù),進(jìn)而評(píng)估引發(fā)巖溶塌陷的危險(xiǎn)性。(2)通過(guò)研究,重點(diǎn)選擇巖溶水位日變幅與水位恢復(fù)時(shí)間、巖溶水位最大下降速度作為引發(fā)巖溶塌陷的水動(dòng)力條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。(3)巖溶水位日變幅反映地下水開采強(qiáng)度,水位恢復(fù)時(shí)間反映地下水補(bǔ)給速度。