Question

人工抽水引起土洞塌陷的可能性分析^[]

Answer 1

地下水的活动是土洞塌陷最重要的影响因素，而人工抽(排)水又是地下水活动最根本的原因，人工抽(排)水导致地下水渗透及水位发生变化，并对土层产生潜蚀作用或崩解作用，继而形成土洞及塌陷。据不完全统计，桂林市岩溶区的塌陷，人为塌陷占总塌陷的55.20%(自然塌陷占总塌陷的44.80%)，而在人为塌陷中，90%以上为人工抽水所致，由此可见，人工抽水是引起土洞塌陷的重要原因。抽水引起地下水渗流的过程中，其水力梯度的大小是决定潜蚀作用的关键；水位变幅速率的大小是决定崩解速率的关键。

3.4.1 地下水的潜蚀作用和崩解作用对土洞塌陷的影响

前面1.2.1及1.2.2已分析，当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度J_kp时(见式1-6)，土层就有可能产生潜蚀破坏。如处于漓江一级阶地的桂林工学院教工宿舍32^＃场地地面产生的塌陷、图书馆地面塌陷等，均是由于粉质粘土、粉土地基中地下水的潜蚀作用而产生的。一般来说，潜蚀作用多发生在粘粒含量相对较少，颗粒相对较粗的土层中，纯粘土中一般较少发生，粘土中由于含有较多的亲水矿物，在地下水的作用下较易发生崩解作用。

在含有较多亲水矿物成分的粘性土地层中，较易产生崩解作用，尤其是岩溶区广泛分布的红粘土。崩解作用是土洞发育乃至塌陷的又一重要因素。一般来说，当土层出现干湿交替变化，土层的含水量或饱和度产生较大变化时，土层更容易崩解。这就是红粘土中土洞塌陷多发生在暴雨过后水位上升或人为降水之后的原因之一。地下水位升降是土层崩解乃至塌陷最活跃的因素，根据不同水位变幅的崩解试验的结果表明：地下水位变化愈频，变化速度愈快，土体崩解愈快。

3.4.2 几种典型人工抽水情形所产生的水力梯度

人工抽水大多是由于工农业生产的目的，目前，广泛采用集水井抽取地下水。在较粗颗粒地层中，当由于抽水而使地下水渗流的水力梯度J超过土层的临界水力梯度J_kp时，便有可能产生潜蚀作用，进而形成土洞或塌陷。抽水所产生的地下水水力梯度的大小，与地下水的埋藏条件，抽水井的直径，抽水方式等因素密切相关。

3.4.2.1 地下水向潜水完整单井稳定运动时的水力梯度

当人工抽水的情形近似符合潜水完整单井稳定运动时，即井揭穿整个含水层，地下水运动为潜水且为稳定流，此时抽水将在井的周围形成一降落漏斗，在漏斗边缘到井中心的影响半径范围内，地下水运动符合达西定律(图3-4)。

据地下水向潜水井的裘布依公式，作进一步推导可得到抽水时降落漏斗的水头线方程为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：h为距井中心任意距离 r 处的含水层水头厚度值；h_w为抽水井井中的水层厚度值；Q为抽水井的涌水量；K为含水层的渗透系数；r_w为抽水井的半径。

图3-4 地下水向完整潜水井稳定运动

Fig.3-4 Steady flow of groundwater in complete phreatic water well

将(3-19)式两边分别对距离 r 求导数，可得抽水过程中任意位置r处水力梯度J的表达式：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

由(3-20)式可知，水力梯度J与距离r成负相关性，即r增大，J急剧减小，且其减小的幅度大于线性反比的幅度；J与Q成正相关性，即Q增大，J较缓慢增大，其增大的幅度小于线性正比的幅度；J与抽水井的半径r_w成正相关性，r_w增大，J缓慢地增大。

3.4.2.2 地下水向承压水完整单井稳定运动时的水力梯度

当人工抽水属于地下水向承压水完整单井稳定运动情形时(图3-5)。

图3-5 地下水向完整承压井稳定运动

Fig.3-5 Steady flow of groundwater in complete confined water well

同样根据裘布依公式作适当推导，可得到承压井抽水时降落漏斗范围内的水头线方程：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：H为任意距离r处的水头值；h_w为抽水时抽水井中的水头值；M为承压含水层的厚度；K为承压含水层的渗透系数；其余符号意义同前。

将(3-21)式对r求导数，可得抽水时地下水的水力梯度表达式：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

由(3-22)式可知，当抽水井土层一定(K、M 不变)时，水力梯度 J 与距离 r成反比例关系，与Q成正比例关系，而与抽水井的半径r_w无关。

3.4.2.3 无越流补给时承压水向完整单井非稳定流运动

自然界许多情形地下水的运动是非稳定流的，此时地下水的运动规律可用泰斯公式描述：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

其中，

式中：S为抽水后t时刻距抽水井r处的水位下降值(m)；Q为抽水井的涌水量(m³/d)；T为含水层的导水系数(m²/d)；u_e为含水层的储水系数(无量纲)；a为含水量的导压系数(m²/d)。

将上述泰斯公式(3-23)对r(径向距离)取导数，得到抽水过程中水力梯度J的表达式：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

从固定断面来看(r一定时)，随t增大，

亦增大，因而

亦大。这说明，随抽水时间延长，任一断面处地下水的水力坡度也不断增大。

如固定t值，则

随r增大而变小，表示在任一抽水时刻，距抽水井越近，其水力坡度越大。

当r→∞或t=0时，

，即在抽水时，距抽水井无穷远的断面处或未抽水时任意断面处地下水的水力坡度为零。

当t→∞时，

，当抽水时间很长时，各断面处的水力坡度仅与r成反比，与时间t无关。也就是说各断面的水力坡度均已达到各自的极限值，不再随抽水时间延续而变化。

3.4.3 人工抽水时的地下水位下降速度

在岩溶区残、坡积红粘土等较细粒土层中，抽水引起地下水的运动有可能对土体产生崩解作用而形成土洞，抽水引起水位变化速度的大小将会影响崩解速度。地下水位变化越快，其崩解速度也越快。

考虑到抽水过程中的时间因素影响，如前述的有越流补给时承压水向完整井的非稳定运动情形，将泰斯公式(3-23)对时间t取导数，即可得到抽水井附近水位下降速度的变化规律：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：

是常数，e^-u是随时间t及距离r而变化的，因此，

是时间t及距离的函数。

对于任一固定断面(r一定时)，

仅随时间t变化，在抽水初期，e^-u对

影响大，随时间t增大，

亦增大，很快

的影响减小，

的影响起主导作用，

随t增大而变小。上述讨论说明：随着抽水时间t的增长，水位下降速度逐渐 变小并趋于零。

当抽水时间固定时(t一定时)，r增大，则

减小，因此降速

也减小，这说明同一时刻，离抽水井距离越近，其水位下降速度越快。

由上分析可知，抽水初期，地下水位下降速度最快，土层崩解的速率也越快，土洞发育乃至塌陷的可能性也就越大；距抽水井越近，水位变化速率越快，土层崩解的速率也越快。

3.4.4 抽水过程中土洞塌陷可能性分析

根据前述推求不同抽水情况下的水力梯度计算式，与(1-6)式J_kp结果相比较。当抽水过程中的水力梯度J大于土层的临界水力梯度J_kp时，则有可能发生潜蚀作用而形成土洞或塌陷，反之，则不易产生潜蚀作用。

(1)当抽水井属于地下水面完整单井潜水井稳定运动的情形时，距离抽水井中心的距离大小是土洞发育最敏感的因素，抽水井周围附近是土洞发育的最危险区，应尽量避免在其附近从事工程建设，以免地基塌陷而使建筑开裂。此外，减小抽水量Q，对预防土洞塌陷有一定的作用。抽水井半径的越小，土洞发育及塌陷的可能性越小，但其影响程度有限。

(2)当抽水井属地下水向完整单井承压井稳定运动情形时，抽水产生的水力梯度J与距抽水井距离r成反比，而与抽水量Q成正比。因此距离抽水井越远，抽水量越小，土洞塌陷的可能性越小。抽水井半径大小与土洞塌陷无关。

(3)在较粗粒组成的土层中，如冲、洪积阶地，土洞发育主要为地下水潜蚀作用，抽水时间越长，水力梯度越大，产生潜蚀作用的可能性越大，因此在粗颗粒土层中，应尽量避免长时间抽水，可采取间歇抽水方式。

(4)在残、坡积细颗粒红粘土地区，如岩溶平原、洼地地区，地下水的崩解作用是土洞发育的主要影响因素。在抽水的初期，水位下降速度快，土洞发育及塌陷的可能性越大，地下水对土层的崩解速度也快，随着抽水时间的加大，水位下降速度也变慢直至为零，那么土层的崩解作用也将变缓慢。在细颗粒红粘土地区抽水，为避免崩解速率过快，应尽量避免间歇性反复抽水，可采用连续抽水方式，并且在抽水初期减小抽水量Q，而后逐渐加大至设计抽水量，这样可避免抽水初期土层崩解速率过快而导致土洞发育及塌陷。

3.4.5 结论

人工抽水对土洞塌陷的影响因素主要有抽水量、距抽水井的距离、抽水时间长短、抽水方式等。抽水量越大，塌陷可能性越大；距离抽水井越远，塌陷可能性越小；抽水井半径对土洞塌陷的影响较小。当在较粗颗粒的砂土层中抽水时，抽水时间越长，潜蚀作用越强，土洞塌陷可能性越大，应尽量避免长时间连续抽水；当在较细颗粒的红粘土地区中抽水，为减少地下水崩解作用产生的土洞塌陷，应尽量避免间歇性反复频繁抽水，并在抽水初期适当减小抽水量，而后逐步缓慢增加到设计值。