基于水动力场控制的岩溶塌陷预警预报研究.pdf

基于水动力场控制的岩溶塌陷预警预报研究 冯克印 1 ,2 ,郑庭明 2 ,董 强 2 ,刘善军 2 1 1 中国地质大学水资源与环境学院,北京 100083; 21 山东省地质环境监测总站,济南 250014 摘要岩溶塌陷是山东省近年来濒发的主要地质灾害之一,主要分布于泰安、枣庄、临沂、莱芜等 覆盖型岩溶发育区,其发展、发生主要受岩溶水不合理开采所致,水位是影响岩溶塌陷的重要因 素。本文以临沂市城区的岩溶塌陷为例来探讨岩溶塌陷预警预报思路,首先是在完善的监测网络基 础上,建立预警模型,通过水文地质模型预测可行的地下水开采方案,并模拟城区一带的岩溶塌陷 区水位的变化趋势,人为控制地下水动力场,进而建立岩溶塌陷动力预警预报系统,可为减少或避 免该灾害的发生及其防治提供科学依据。 关键词岩溶塌陷;水文地质模型;预警模型;预测水位;控制水位;水源调整方案 中图分类号TU478文献标识码A Abstract Karst collapse is one of the primary geologic hazards which mainly distributes in Taian city , Zaozhuang city , Linyi city and Laiwu city where the covering karst is developing. The karst collapse happens frequently in recent years , which is resulted from the unreasonable exploiting of karst groundwater. The water level is an important factor. The early2warning and forecast of karst collapse in Linyi city are studied to find the wayfor the forecast. The early2warning model is set up based on the developed monitoring net. The feasible programfor the groundwater exploitation is forecasted through hydro2geologic model and the trend of water level in the karst collapse zone of the urban area is imitated. The groundwater dynamic field is controlled by the human action and the early2warning and forecast system through the monitoring is set up , which can provide a scientific basis for the prevention of karst collapse. Key words karst collapse ; hydro2geologic model ; early2warning model ; forecasting water level ; controlling water level ; scheme of water resource adjustment 收稿日期 2006203214;修订日期 2006204224 基金项目山东省政府基金项目资助鲁财建指[2003] 69 号 . 作者简介冯克印1970 - ,男汉族 , 山东兖州人,高 级工程师,硕士研究生. 1 地质环境背景 临沂市城区地处临沂单斜水文地质单元前缘, 处于 河、沂河冲积平原内,地形较为平坦,坡降 较小,为岩溶裂隙水的富水地带,地下水的补给来 源主要有大气降水入渗补给、河水渗漏补给和灌溉 水入渗补给,以人工开采及泉水排泄为主,其运动 方向受地形、岩层倾向及断裂构造的制约,总体流 向是由西北向东南。单元内分布有寒武系、奥陶 系、石炭系及第四系不同类型的含水岩组,其中奥 陶系灰岩分布广、厚度大,岩溶发育,富水性良 好,是单元中的主要含水岩层,第四系厚度较薄, 具有多处开采条件较好的富水地段。城区第四系地 层厚6～12m ,下伏基岩为奥陶系石灰岩,为岩溶 裂隙富水地带,在天然状态下,自西向东,水位埋 深由深渐浅。 该单元西部边界包括北部的岩坡断裂北段及巨 龙山～岐山～青山～卧虎山～薛山～寨山～卧牛山 地下水分水岭一线,该分水岭与岩坡断裂北段一起 构成西部的隔水边界;北部及东部边界由探沂-临 沂断裂构造组合带构成,呈一弧形向西圈闭,是单 元北部及东部的隔水边界;南部边界在单元南部 黄土庄以南～焦沂庄～后官战湖一带分布中奥陶系 灰岩,地下水由北向南运动通畅,是透水边界。因 此,临沂水文地质单元为一东、北、西三边隔水、 南部透水的半开放型岩溶水系统。 2 岩溶塌陷现状及形成原因 自20世纪80年代以来,临沂城区已发生18次 岩溶塌陷,形成陷坑30多个,其中2003年发生岩 溶塌陷4次,岩溶塌陷造成地面建筑物开裂,对人 92 2006年第10期工程勘察 Journal of Geotechnical Investigation ② 城区岩溶塌陷区覆盖层较薄 6 ～12m , 在第四系与灰岩接触带附近岩溶极其发育,而且覆 盖层中砂层结构松散,岩性以中粗砂为主,易被水 流带走,产生潜蚀作用生成土洞。2动力条件 自20世纪80年代以来,尤其是近几年临沂城区及 其附近自备井达400多眼,开采量高达1010 4m3Π d 以上,据2003年地下水动态监测资料显示 [2] ,由于 地下水不合理开采,形成了以临沂城区及其西部一 带为中心的地下水超采漏斗图 1 。由于开采强度 变大,导致地下水位大幅度下降,在遇到大的降水 条件下,在地下水位处于第四系底板之下的地段, 雨水通过第四系入渗到基岩岩溶裂隙岩层时,就可 能带走砂层中的颗粒,形成通道,使水动力条件加 剧,水动力条件的变化,极易引发地面塌陷 [3] 。因 此,城区地下水的开采使地下水位低于第四系底 板,在上述作用下导致了地面塌陷。 图1 城区岩溶水降落漏斗2003161 5 及部分塌陷点分布 3 建立水文地质概念模型及地下水流数学模型 因为我们并不能改变地层结构的状态,所以, 为了减少或避免岩溶塌陷对城区的威胁,就应该设 法消除城区地下水位低于基岩顶板的区域的存在。 为解决这一问题,在确定计算区范围、边界条件及 概念模型的基础上,建立地下水流数值模拟模型并 采用有限单元法求解。 4 开采量调整预测方案 预测方案中开采量的调整就是以城区开采井点 的部分开采井调减来实现的。通过3种地下水开采 量调整方案来控制岩溶塌陷区水位,由于减少了开 采量,使地下水位保持在基岩顶板之上,这样就消 除了塌陷产生的必要因素,避免城区岩溶塌陷的发 生。控制水位的选择在此采用稍低于基岩顶板标高 的控制水位,考虑2004年虽然雨量比较充沛,但 整个城区没有发生岩溶塌陷的事实,用各控制点 2004年的最低水位,该水位若低于基岩顶板标高则 采用为控制水位,但控制水位保持不低于基岩顶板 标高2m ,若高于基岩顶板标高则仍采用基岩顶板 标高为控制水位。 3种水源调整方案为 方案1 城区岩溶水开采量减少81010 4m3Π d , 水量缺口由地表水解决;方案2 城区岩溶水开采 量减少31010 4m3Π d ,水量缺口由地表水解决;方 案3 城区岩溶水开采量减少31510 4m3Π d ,水量 缺口分别平均分配在城区外西北44井点和城区外 西南25井点。 模拟并比较以上各方案实施方案2或3 ,一 03 工程勘察 Journal of Geotechnical Investigation t,水中H2SiO3浓度形成的平衡温度℃ ; h,水中H2SiO3浓度形成的相应深度m 经计算h为3170m。 4 地下热水的形成条件 地下热水受地貌、地层岩性、地质构造、地壳 活动及气象水文等多种因素的控制,而地质构造和 地层岩性则是控制本区地下热水的主要因素。 411 地质构造 地下热水的赋存和出露与地质构造密切相关。 许家洞地下热水位于区域性茶陵-永兴-郴州断层 带F14中段,该断层带具有多期活动特征,并伴有 相应的岩浆侵入活动,南部切穿了印支期骑田岭花 岗岩,北部切割了白垩系,延续长达100km多。区 域上沿该断层带的上盘有多处热泉出露和地下热水 显示,且呈线状分布。附近热泉分布在温泉口、市 区和邓家湾,其方向与断层走向方向一致;远处在 骑田岭南侧的宜章和临武县境内的断层附近有中温 热水两处和低温热水两处,水温33～45℃,最大流 量7123lΠs。许家洞地下热水的热水出露点,位于北 东向断层和低序次的北西向断层的交汇部位。由此 说明, F14断层是控制深部热源和水源的主干断层, 而次级北西向断层则是许家洞地下热水的导水构 造,岩浆余热则是地下热水的主要热源 [3] 。 412 地层条件 地下热水赋存于栖霞组灰岩、壶天群白云岩或 白云质灰岩的岩溶裂隙中。F14断层上盘次级裂隙发 育,栖霞组灰岩、壶天群白云岩或白云质灰岩中岩 溶发育,岩溶裂隙起着导水、导热和储存热水作 用,而上覆龙潭组砂页岩和白垩系下统砂砾岩作为 盖层则起着良好的隔水和保温作用,在许家洞地段 得以形成并赋存丰富的地下热水。 413 放射性元素衰变 地下热水区为一放射性铀矿区,含矿层为当冲 组硅质岩,钻孔揭露最大厚度180145m。栖霞组灰 岩和壶天群白云岩构成矿床的底板。据钻孔揭露, 当冲组硅质岩地下热水平均水温39181℃巷道揭 露的地下热水的平均水温43174℃ , 栖霞组灰岩的 平均水温34138℃,壶天群白云岩的平均水温 33125℃。上部含矿的当冲组硅质岩的平均水温分 别高于下部不含矿的栖霞组和壶天群9136℃和 10149℃。钻孔测温曲线表示含矿的当冲组最高温 度为58℃,说明含放射性元素的矿层水温最高。 同时,在矿区外围,具有离矿区愈远,地下水 温愈低的规律,由近处陷池塘一带的35℃ 左右,过 渡到较远处郴州市区的32℃ 左右。以上说明,无论 从水温的垂直变化和水平方向的变化,都表明地下 热水的热源与放射性元素的衰变释放热能有关。 5 结论 许家洞地下热水的形成和运移受北东向断层控 制,有利的地层结构为地下热水提供了良好的赋存 条件,多种热源是地下热水形成的热力条件。 许家洞地下热水接受大气降雨补给,地下水沿 北东向区域深大断层经深部循环,吸收岩浆岩余热 和放射性元素的衰变释放热等热能形成的。地下热 水主要赋存在石炭系中上统壶天群和二叠系下统栖 霞组灰岩、白云质灰岩含水层中,二叠系上统龙潭 组砂页岩等隔水层组成地下热水盖层。 参考文献 [1] 水文地质工程地质研究所.地下热水普查勘探方法[M].北 京地质出版社, 1973. 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