La historia y las condiciones de formación del colapso kárstico en la ciudad de Tangshan
La ciudad de Tangshan tiene una larga historia de colapso del suelo. Ya en la década de 1920 se produjeron graves accidentes por hundimiento del terreno debido a la irrupción de agua kárstica en las minas de carbón, lo que provocó grandes pérdidas. Después de la fundación de la Nueva China, se produjo un grave colapso kárstico en dos fases. La primera etapa fue después del terremoto de Tangshan de 1976. Se produjeron más de 120 derrumbes. Se distribuyen principalmente en las estribaciones occidentales de la montaña Fenghuang en el área urbana, que es la actual zona residencial No. 17, y en los suburbios de la escuela secundaria Zhaogezhuang, Linxi, Black Duck, Dazhuangtuo, Trust Tun, Xiaotun, Shahe y otros. lugares. La escala del colapso varía, siendo el diámetro del gran pozo de colapso superior a 100 m. La segunda etapa tuvo lugar entre 1983 y 1988. Es de gran escala, con alrededor de 19 colapsos dañinos (Tabla 13-1). Los pozos son en su mayoría círculos irregulares con un diámetro de 5 a 10 m y un máximo de 30 a 50 m. La profundidad general es de 1 a 3 m, la máxima es de 5 a 7 m.
Los colapsos kársticos se distribuyen principalmente en la parte occidental del distrito de Lubei y la parte norte del distrito de Lunan, concentrándose en las dos áreas siguientes: primero, el área del estadio-cervecería de Zhanggezhuang (área residencial número 6). en el oeste y el área central El área del estadio-Xinglong es la más grave. Los principales derrumbes incluyeron el colapso del estadio, el colapso de la empresa de calefacción, el colapso de la compañía de la Ópera de Pekín, el colapso del edificio Fuqiang en Weiguo Road y el colapso de la oficina de administración de viviendas. Estos colapsos ocurrieron alrededor de 1988. El segundo es el Parque Popular de la Montaña Dacheng-Montaña Fenghuang en el este, y la Sala de Exposiciones Sísmicas del Pozo del Noroeste en el medio es la más seria. Los principales derrumbes fueron el colapso de la escuela secundaria Tangshan No. 10 y el colapso de la Sala de Exposiciones de Terremotos. Estos colapsos ocurrieron principalmente alrededor de 1984 ~ 1986 y 1988. Además de las dos áreas de hundimiento intensivo mencionadas anteriormente, también hay hundimientos esporádicos en la comunidad de Longhua y la calle Wangxiezhuang.
II. Condiciones de formación y reglas de distribución del colapso kárstico
(1) Condiciones de formación del colapso kárstico
El colapso kárstico en la ciudad de Tangshan se ve afectado principalmente por la estructura geológica. , cuarto Está controlado por la naturaleza y el espesor de la sobrecarga, la naturaleza de la roca soluble y la intensidad de la extracción de agua subterránea. Estos factores determinan el patrón de distribución y la intensidad de la actividad del colapso kárstico.
1. La relación entre las estructuras geológicas y el colapso kárstico
El área de evaluación está ubicada en la unión de la parte norte del cinturón de hundimiento de Luji y el cinturón plegado de Yanshan. Se trata de una zona extremadamente tectónica y activa. El área de hundimiento está ubicada en el ala oeste del sinclinal de Kaiping, en la zona de levantamiento entre la falla Douhe y la falla Tangshan. El espesor sedimentario cuaternario en esta zona es pequeño y el lecho de roca es poco profundo. Debido a la acción repetida de los campos de tensión tectónica de múltiples etapas, las fallas y estructuras de juntas en la zona de elevación de Tangshan están bien desarrolladas. Las direcciones de distribución de las principales fallas y fracturas son norte-noreste, S-N, noroeste y este-oeste. Los resultados de las pruebas de conexión hidráulica del lecho rocoso muestran que la piedra caliza del Ordovícico tiene buena conectividad.
Tabla 13-1 Descripción general del colapso kárstico en la ciudad de Tangshan
Las características estructurales anteriores del área de evaluación determinan que el acuífero de lecho rocoso en el área tiene buena permeabilidad y conductividad hidráulica, lo cual es reflejado en la consistencia dinámica de los cambios de nivel de roca y agua subterránea.
2. La relación entre las propiedades de la roca soluble y el colapso kárstico.
La roca soluble es una condición necesaria para el colapso del karst. Hay dos conjuntos de series de rocas carbonatadas en el área de evaluación: uno es la dolomita de la Formación Wumishan, la piedra caliza dolomítica de la Formación Jingeryu y la piedra caliza leopardo de la Formación Fujunshan; el segundo es la piedra caliza oolítica de la Formación Zhangxia. Rocas, margas de la Formación Gushan y Formación Changshan y piedra caliza de hojas de bambú, Piedra caliza de la Formación Fengshan, Piedra caliza de hojas de bambú de la Formación Yeli, Dolomita y dolomita de la Formación Liangjiashan, Dolomita y roca de esquisto de la Formación Majiagou. Estas rocas solubles tienen diferentes grados de desarrollo kárstico debido a su diferente pureza, espesor y ubicación de distribución (Tabla 13-2). Por lo tanto, los efectos sobre el colapso kárstico también son diferentes.
Tabla 13-2 Tabla del grado de desarrollo kárstico de la roca soluble en la ciudad de Tangshan
3. La relación entre las propiedades geotécnicas, el espesor de la capa de cobertura y el colapso del karst.
El colapso kárstico es el fenómeno de colapso del suelo que cubre el suelo bajo la acción de diversos factores de colapso. Por lo tanto, comprender la litología, las características estructurales, la distribución del espesor y las propiedades mecánicas de la roca de cobertura del Cuaternario es la base para estudiar el colapso kárstico.
El Sistema Cuaternario en el área de evaluación está compuesto principalmente por arcilla residual gravable, marga, limo arcilloso, limo, arena fina, arena media, arena gruesa, grava, etc. Del análisis de las condiciones de colapso, a medida que las partículas del suelo se vuelven más gruesas, su resistencia al colapso empeora; a medida que aumenta el contenido de arena, su resistencia al aplastamiento disminuye; La arcilla con una estructura uniforme tiene el mejor efecto anti-colapso.
Por ejemplo, la capa de arcilla residual que se encuentra comúnmente en el fondo de la roca de cobertura juega un papel crucial en la estabilidad del colapso de la roca en el área central (Figura 13-1). Área de la ciudad de Linan, Shanxi. La fina capa de arena cubrió directamente la piedra caliza del Ordovícico, creando un gran pozo de derrumbe en el centro de la ciudad.
Figura 13-1 Mapa de zonificación del espesor de la capa de arcilla residual en el área del colapso kárstico de la ciudad de Tangshan (según Wang Hongtao)
1 - Áreas con espesor de la capa de arcilla < < 1 m; 2-Espesor de la capa de arcilla Es un área de 1 ~ 2 m; 3 - un área donde el espesor de la capa de arcilla es de 3 ~ 4 m;
Además de las propiedades del recubrimiento, el espesor del mismo también tiene un impacto importante en el colapso kárstico. La práctica ha demostrado que cuanto más fina es la capa de cobertura, más fácil es que se derrumbe. El espesor crítico para el colapso es generalmente inferior a 30 m. Por lo tanto, según diferentes espesores y tipos, con base en los datos reales de colapso en algunas áreas de mi país, y con base en las condiciones de formación del colapso, las condiciones de estabilidad de la cubierta superficial se dividen en cuatro niveles: ⅰ extremadamente inestable; inestable; ⅲ localmente inestable Estable; IV es básicamente estable (Tabla 13-3, Tabla 13-4).
Tabla 13-3 Tabla estadística de distribución de colapso de diferentes espesores y diferentes tipos de suelo
Tabla 13-4 Tabla de clasificación de condiciones de estabilidad de cobertura superficial
4. Agua kárstica La relación entre intensidad minera y colapso.
La sobreexplotación excesiva del agua kárstica es el principal factor que provoca el colapso. Según el análisis de datos, antes de la década de 1970, el suministro de agua de Tangshan era principalmente agua poco profunda, el agua kárstica no se explotaba en grandes cantidades y el agua kárstica estaba bajo presión en la mayoría de las áreas. Aunque hubo colapsos kársticos durante este período, fueron de pequeña escala y baja frecuencia. Los colapsos de alta frecuencia en el área central de Tangshan ocurrieron después de 1978, y su rango de distribución se expandió gradualmente hacia afuera desde Phoenix Mountain Park, en consonancia con la expansión de la zona despresurizada de agua kárstica, y fue el resultado de una sobreexplotación excesiva de agua kárstica. La Figura 13-2 muestra la correspondencia entre la producción de agua kárstica, los cambios en el nivel del agua subterránea y el colapso kárstico. En la figura se puede ver que con el aumento del volumen de extracción, el nivel del agua subterránea kárstica cayó de 5 ma -29,0 m. Después de un período de fuerte descenso, apareció un período máximo de colapso.
(2) El mecanismo de formación del colapso kárstico en la ciudad de Tangshan
Aunque muchos estudiosos han estudiado el mecanismo de formación del colapso kárstico en la ciudad de Tangshan, todavía existen grandes diferencias. Por supuesto, nadie puede descartar los daños causados por factores humanos, en particular la sobreexplotación excesiva de las aguas kársticas. Sin embargo, el desacuerdo se centra en el papel del terremoto de 1976. ¿Qué tan grande es el impacto de este terremoto y cómo se refleja su dirección e impacto? La razón principal de esta opinión es que casi todos los colapsos de rocas ocurren después de terremotos; la distribución de los colapsos de rocas está directamente relacionada con fallas activas (Tabla 13-5). En el estudio de análisis espacial de la relación entre fallas activas y colapso de rocas en Tangshan, mediante consultas a distancia en el sistema GIS, se encontró que aproximadamente la mitad de los puntos de colapso ocurrieron dentro de los 50 m de las fallas activas, y alrededor del 70 % ocurrieron dentro de los 150 m. de las fallas activas.
Creemos que el mecanismo del colapso de las rocas en la ciudad de Tangshan debe analizarse desde aspectos macro y micro:
Tabla 13-5 Descripción general de los seis principales puntos de colapso en la ciudad de Tangshan
Figura 13-2 La relación entre el volumen de extracción de agua kárstica, el nivel del agua y la distribución del colapso en la ciudad de Tangshan
1 Análisis general
El terremoto de Tangshan se manifiesta principalmente. En funciones macroscópicas, principalmente los siguientes tres aspectos. En primer lugar, destruye cuevas kársticas relativamente estables. Debido a la fuerte fuerza del terremoto, el relleno original de la cavidad se aflojó o incluso se movió. Esto proporciona un buen canal para la posterior extracción de agua kárstica. En segundo lugar, la capa de arcilla estable y bien consolidada sobre la cueva fue destruida. Esta capa de arcilla tiene entre 1 y 6 metros de espesor y es una buena capa aislante del agua entre el agua freática del Cuaternario superior y el agua kárstica inferior. Después de ser perturbada y deformada por la fuerza del terremoto, la extracción de agua kárstica no logró detener el agua en capas en la etapa posterior, lo que resultó en una intensidad cada vez mayor de la extracción de agua kárstica, formando un tragaluz que proporcionó energía y espacio para el colapso de la roca. En tercer lugar, la fuerza del terremoto también destruyó la estructura del suelo suelto que lo recubría. La formación de fisuras en el suelo proporcionó canales para la conexión de las aguas superficiales y subterráneas. La formación de pozos de colapso favoreció la recolección e infiltración de agua.
2. Análisis microscópico
Es bien sabido que entre las tres condiciones del colapso de la roca, los cambios en las condiciones dinámicas del agua subterránea (tasa de disminución del nivel del agua kárstica, estado hidrodinámico del karst y gradiente hidráulico) originar juega un papel vital. Cuando el agua kárstica cae bruscamente, la presión de elevación de la sobrecarga disminuye, lo que resulta en la pérdida de los efectos de soporte y carga, al mismo tiempo, a medida que aumenta la pendiente, aumenta la presión de filtración lateral, lo que resulta en la deformación de la filtración y la formación gradual de; cuevas de suelo de diferentes tamaños. Cuando la presión superior de la tierra aumenta, se produce el colapso de las rocas.
Cuando Liu Qiren estaba estudiando el mecanismo del colapso de las rocas en Tangshan, realizó una prueba de simulación. Las pruebas muestran que la velocidad crítica de daño del suelo arcilloso es de 0,65 cm/s; la velocidad crítica de daño de la arena es de 0,146 cm/s; la presión negativa de la cueva es de 7,86 kPa; Se puede considerar que la formación del mecanismo es el resultado de la acción combinada de múltiples mecanismos, entre los cuales la infiltración y la corriente subterránea son los principales, seguidos de la inmersión en aguas superficiales, el ablandamiento, la carga y la adsorción al vacío.
(3) Reglas de distribución del colapso kárstico en la ciudad de Tangshan
1. El hundimiento del suelo se concentra en áreas de desarrollo de roca soluble.
Los estratos kársticos más desarrollados en Tangshan son la caliza gruesa, la caliza dolomita y la dolomita de la Formación Majiagou del Ordovícico Medio, seguidas por la caliza de hoja de bambú y la ceniza oolítica del Cámbrico, la caliza de piel de leopardo. y dolomita jixiana. El hundimiento del terreno existente ocurre en estos tres tipos de áreas de desarrollo rocoso.
2. El colapso kárstico cerca de la zona de la falla es el más grave.
La zona de estructura de falla es a la vez una zona de desarrollo kárstico y una zona con fuerte escorrentía de agua subterránea. Por lo tanto, el karst está particularmente desarrollado y las actividades de hundimiento del suelo son particularmente graves. Las dos zonas de distribución de hundimiento del suelo urbano se forman a lo largo de dos importantes zonas de falla. La zona de colapso de Zhanggezhuang-Estadio-Cervecería se extiende hacia el noreste en el flanco sureste de la falla F0 en la zona de falla de Douhe. La zona de hundimiento de la Montaña Dacheng-Montaña Fenghuang-Parque Popular también se distribuye en dirección ne en el flanco noroeste de la falla F1 de la zona de falla Tangshan. El efecto compuesto de las estructuras de falla también tiene un control significativo sobre el colapso del terreno. Muchos puntos de colapso, como la segunda sala de entrenamiento del estadio y los nueve puntos de colapso de la Compañía de Energía Térmica, se distribuyen en F0 y F1, las partes compuestas de las dos fallas principales y otras fallas, o los puntos de inflexión de las secundarias. sinclinal asociado a las fallas.
Afectado por la estructura geológica y las condiciones hidrogeológicas, el karst está particularmente desarrollado en la zona del colapso. Por ejemplo, según los datos de 6 pozos de exploración alrededor del pozo de colapso de la segunda sala de entrenamiento del estadio, el espesor del Cuaternario superior es de 39,01 ~ 43,19 m, y el lecho de roca subyacente es dolomita blanca grisácea y dolomita calcárea del Cámbrico. que contiene roca dolomita rayada de pedernal. Todas las secciones de roca soluble expuestas mediante perforación tienen diversos grados de corrosión, especialmente en la roca soluble poco profunda desde el techo hasta una profundidad de aproximadamente 65 m. La velocidad de perforación promedio es de 12,9 y la altura de las cuevas perforadas es generalmente de 0,6 a 5,8 m. El más alto es de 11,17 m.
3. El hundimiento del suelo se produce principalmente en áreas con una fina cobertura del Cuaternario y desarrollo de cuevas de suelo ocultas.
El espesor del Sistema Cuaternario en la ciudad de Tangshan varía mucho. f se centra en dos zonas de colapso kárstico. En la proyección que se extiende en dirección norte-noreste entre la falla y la falla F1, el espesor de la sobrecarga aquí es inferior a 50 m. Su litología es arcillosa, franca, limosa, de arena fina intercalada con capas de arena gruesa y grava. La estructura está suelta, la resistencia al colapso es pobre y se desarrollan agujeros en el suelo. Al mismo tiempo, el agua de los poros del Cuaternario está estrechamente relacionada con el agua kárstica inferior, formando un sistema medio unificado de dos capas de agua. Por lo tanto, cuando el nivel del agua subterránea sube y baja bruscamente y las condiciones dinámicas del agua subterránea cambian con frecuencia, se producirá una fuerte erosión por filtración que provocará el colapso del suelo.
4. El colapso kárstico se concentra en la zona del embudo de caída de agua subterránea.
Además de la actividad sísmica, los principales factores desencadenantes del colapso del karst de Tangshan son la continua explotación excesiva de aguas subterráneas para el suministro de agua urbana y el drenaje de minas. Tangshan es una ciudad con una grave escasez de agua. Desde finales de los años 1960, la sobreexplotación de las aguas subterráneas se ha vuelto cada vez más grave. En 1985, se había explotado un total de 4,76×108m3 de agua subterránea en ciudades y suburbios, con una intensidad minera de 50×104m3/a km2 y una tasa de sobreexplotación de 100. Desde 1970, el nivel del agua subterránea ha seguido disminuyendo a un ritmo de 1,5 a 6,0 m por año. En 1985, había descendido más de 30 m, formando una gran superficie de embudo de caída de agua subterránea.
El centro de embudo en la ciudad de Tangshan está ubicado en el área alrededor de la planta de coque de Tangshan Iron and Steel Company, la planta de cemento Qixin y el Instituto de Investigación de Minería y Carbón de Tangshan. El nivel del agua de los poros del Cuaternario en el área central tiene una profundidad de 29 a 43 m y el agua de los poros se ha agotado o está a punto de agotarse. La profundidad del agua kárstica es de 48 a 58 m. El hundimiento del suelo urbano se concentra en el centro o áreas adyacentes del embudo de caída de aguas subterráneas. La razón es que el gradiente hidráulico en el área del embudo donde cae el nivel del agua subterránea es demasiado alto, el caudal del agua subterránea aumenta y el agua subterránea fortalece la erosión potencial y el transporte de sedimentos sueltos cuaternarios y rellenos kársticos de roca soluble, lo que resulta en el colapso del suelo o asentamiento desigual. Esta actividad dinámica es particularmente intensa en la dirección de la entrada de agua subterránea y cerca de la zona de fractura estructural en el área del embudo, por lo que el colapso del suelo también es más concentrado.