CN103614984B - 针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地质环境领域，具体涉及一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法。一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法，包括下述的步骤：a.察看采砂区的地质概况：分析河道采空区地质环境，根据采砂悬空洞范围及形状，确定土质参数；b.确定河道采空区灾害的破坏形式，及悬空洞长期沉陷规律与作用机理；c.充填灌浆法对葫芦洞沉陷量进行控制。采用上述的方法针对河道采空区的地质环境进行生态处理，不仅进行现场勘查、分析论证、理论分析、填充试验得出了最佳方法，消除了事故隐患，对于保证河道的畅通安全、减少地质环境灾害、维护生态平衡具有广阔的应用前景和推广价值，社会、经济效益重大。

Description

针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法

技术领域

本发明属于地质环境领域，具体涉及一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法。

背景技术                           

随着水利、建筑、公路、铁路等行业的快速发展，极大促进了经济的快速发展，但同时也造成了建筑材料的过度消耗，其中砂石资源的需求更是相当巨大。目前，建筑行业的砂石资源主要为河砂，故而带动了河砂挖掘产业的快速发展。然而，由于缺乏宏观政策管理，河砂采掘长期处于大规模、长河段、无序超量的状态，形成了大量的河道采空区，也就是所谓的采砂葫芦洞。这种现象如果不尽早加以治理，将使河床形态发生急剧的变化，河床严重下切，改变流势和河势，掏空堤脚和桥墩基础，对岸坡稳定及结构物存在巨大的安全隐患。同时，由于河床下切引起水位下降，还将影响沿河供水等取水工程的正常运行，甚至取不到水，供水量及保证率无法满足，危及供水安全。因此，合理控制采砂规模、有效处治采砂洞成为河道管理部门迫切需要解决的重大工程问题。

影响河道采砂的观测、试验、计算和科学规划的原因很多，采砂影响因素复杂，但其研究工作除主观上重视不够外，如下因素可能影响了采砂研究的深入：采砂的影响范围大，做物理模型试验的费用高；影响采砂的条件复杂，包括河型、来水来砂条件、采砂坑的位置、大小和深度等；数学模拟复杂，必须为二、三维水沙数模才能真实反映出沙坑的变形；采砂效应问题是最新焦点，90 年代以前河道采砂量不大，没有引起足够的重视，所以关于采砂的原形观测数据较少。对采砂河道的地形观测很重要。

国外关于河道采砂方面的研究较早，如美国的Chang H.H.教授早在上世纪80年代运用计算机数学模型对加利福尼亚州圣胡安溪因砂石开采引起的河床变形就进行了研究，并与原型实测资料进行了对比；Duder J.N.对河口附近河道采砂对海岸线形态影响进行了研究；Kwan R.T.F.运用商业软件MIKE 模拟了河道采砂对河床演变的影响；Macdonald A.系统分析了美国Naugatuck河及附近洪水区采砂河段的河床形态恢复问题；西班牙的Puertos 公司将GIS技术应用于河道采砂管理，自主开发的SIC9.0软件可用来收集、组织和计算关于采砂活动对海岸线形态变化影响的数据，其功能强大，可以研究包括海岸地质形态、海洋探测图、泥沙变形厚度、海底形态变化和泥沙颗粒分布数据等，研究范围还涉及到了环境、社会、经济影响，并开发了相关的决策支持系统；Florence Cayocca和Beryldu Gardin运用水动力学模型研究了法国在英吉利海峡和北冰洋海岸处采砂对海岸沙波形态的影响，其数学模拟充分考虑了潮汐水流、沙波阻力对沙坑演变的影响，分析了影响沙坑变形的一些因素（主要适用于河口采砂）研究注重于采砂对周边环境的影响，但也提出采砂影响的复杂性，仅通过建立经验公式来评估沙坑演变对海岸线的影响。

法国环境保护组织在工作报告中也指出长时期的采砂对周边环境造成了极大的影响，该组织要求停止Kurnell半岛的采砂活动，Jacqui Goddard为今后减小采砂影响提出了一些意见：适当再利用建筑材料而不是抛弃；更大程度的回收包括混凝土在内的材料；再利用家庭建筑材料等。这些意见可为我国的采砂管理工作做参考。Pieter C.Roos等对海洋浅水处油田开采中沙坑演变作了详细研究，开发了用于模拟沙坑影响海洋底部地形演变的模型，结果表明沙坑以中心向四周以很快的速度扩大（160m/年），速度与潮流输运速度和潮汐周期的不规则性有关，沙坑的深度不影响扩展速度和沙坑的方向，但确实会影响它的空间分布，并且发现沙坑在水平方向上的影响要远超过垂直方向的沉降，海洋底部的沙坑沉降与陆地上的沉降大不相同，有必要对沙坑造成的沉降和床面形态的关系进行非线性的研究。R. Simonini等人研究了在海底采砂对海底大型栖息动物的生态影响，通过7 个控制点的调查，发现采砂在短期内没有对沙粒分布和泥沙TOC含量造成明显影响，但是在采砂点发生了较大程度的地貌变形，在采砂后12 个月，控制点处的变形达到很高的程度，这些地方的物种无一幸免，泥沙运动会使采砂坑在短期内（2-4年）恢复到自然状态。M.A.F.Knaapen等分析了采砂后沙波的再生，河口地区的沙波一般高数米，绵延数百米长，对通航至关重要，Knaapen根据朗道方程建立了一个简单有效的演变模型，模型参数由遗传算法的优化方法确定，可以很好地预测采砂后沙波的演变情况，该模型较精确地预测了日本Bisanseto海峡采砂10年后的沙波再生状况。Bianca G.T.M.等结合荷兰由于建筑材料猛增，越来越大的采砂量而造成的大面积海洋底部地貌变化，研究了地貌演变模型预测和社会决策的关系，因为关于采砂方面的实测数据的缺乏，预测模型不可能都得到验证，作者分析了未校核模型性能的提高和如何将结果应用到决策中去的问题，决策者们可利用模型的结论作为预报信号。Adam Kubicki等研究了2个沙坑6年的时间内的演变情况，重点研究了单个沙坑的演变和3个沙坑组成的沙坑群的演变，在沙坑研究当中运用了2个声纳仪和6个电波地形仪，观察到了沙坑边缘逐渐变得光滑和沙坑的回填速度逐渐减慢，建议最有效的监测沙坑变形的方法是运用声纳仪和光波地形仪每6个月对沙坑进行测量。Edward B.Thornton等研究了美国南部Monterey海湾1906-1990年间由于采砂造成海岸线侵蚀现象，他把沿1940-1990年间的18公里海岸线侵蚀率与禁止采砂后的1990-2004年的海岸线侵蚀率作了对比；还发现当风暴潮和高潮位相遇时，岸线的侵蚀更大，当受到厄尔尼诺现象的影响时侵蚀更大，在1990年禁止采砂后海岸线侵蚀程度大为减小。RupaliS.Patgaonkar等对小溪附近挖泥对沙坑形态稳定的影响进行了研究，结果表明当沙坑深度增加时，水流的轻度也随之增加，在挖沙河段保持河底坡降为1:6时对维持沙坑的稳定最有利，沙坑的渗透水流与河底方向平行。

由于发达国家对海洋采砂问题的较早重视和大量的资金投入，他们对一些海洋采砂地区进行了长时间的原型监测，掌握了大量关于采砂对生态环境、水质等的影响后果的数据。R.Smith等人调查了在北海和英吉利海峡采砂停止后3年内海底动物区的影响状况，发现在集中采砂地区的生物多样性和丰富性都有大幅度下降，建立了生物形态和水动力学指标的关系，说明采砂活动停止后自然物理干扰对海洋底动物区结构作用重大。K.L.Spencer等对英国内陆河道中射流采砂对周围水体水质的影响进行了研究，射流采砂冲起了泥沙中的有毒物质（如硫、氨等）、污染物等对周围水体的生物造成危害，关于河道疏浚采砂对生态环境影响的研究很多，可以看出对采砂过程对水质、水体生物、周围生态环境影响的研究很重要。P.L.Friend等用他们开发的概念性模型研究了河口处挖沙对河道泥沙输移、泥沙粒径分布、级配、泥沙输移通道等造成的影响，需要大量的数据来研究海底地形和决定长时间的海洋形态变化，计算表明虽然受到上游河道采砂的人为干扰，Fowey河口仍遵守常规泥沙输移模式。Ingarooma河在1875年到1984年间由于采砂造成泥沙细化的现象进行了研究，由于上游采砂引起下游河床泥沙的中值粒径小于5mm，并根据采砂对河床的影响程度将整个河流分成若干河段：自然卵石河段（0-32km）、准干扰细化河段（32-53km）、形成粗化泥沙保护层段（53-65km）等，最后指出河床恢复到自然状态需要很长时间。Shahadat Hossain等对Brisbane河口大量的采砂造成明显的河口水文和泥沙输移演变的改变，并使大面积的水域变得浑浊，水流泥沙含量增大，面对城市化和与工业发展有关的航运使这一世界性的压力变得越来越大。

国内关于采砂影响的研究较晚，但亦已有很多有价值的成果。1994 年袁林等对长江下游河道采砂对河道河势等的影响作了分析，周传平分析了大清河河道采砂对其行洪的影响，较早地指出了不合理采砂造成的危害。在这以后有很多成果问世，如毛野对河道采砂从流态变化和对河床的影响进行了分析。分析表明：采砂使河床局部变形，打破了水沙运动的平衡；采砂坑对水流的作用类似于跌坎，相应地横向次生流和平面流场也被迫调整，水流流态变化引起溯源冲刷，进而导致河床全面调整，影响河床稳定；建议加强统一管理，以科研成果为基础指导有序采砂，力求变害为利。毛野将自然河道的采砂坑分成三类来进行讨论，即点、线、面状三种沙坑，他将沙坑的溯源冲刷的原因归结为水流在沙坑上缘口处“跌水”的原因，并指出沙坑在横向上的扩展变形可能危及到河岸的安全，为今后的沙坑影响研究提出了一些有价值的意见。

毛野在2004年运用微尺度模型和基于普通相机的近景摄影测量三维图像解析技术针对河道采砂对长江镇江段河床演变的影响进行了试验研究，分析了镇江段河床演变的趋势，指出在征润洲北滩和五峰山附近科学合理地采砂有利于镇江段河床稳定，还应用了微尺度模型及河工动床模型进行研究，采砂坑的发展是采砂坑内及其附近的水流与采砂坑边界相互作用的结果。持续进行河道采砂对局部河床变形有较大影响，其影响范围与影响程度取决于众多因素，包括采砂坑的形状、大小以及决定水流流态的采砂坑与河道的相对位置等；特别是超过上游泥沙补给能力的持续采砂对河床变形影响很大，表明其研究方法适用于多方案的定性分析与比较，近景摄影测量三维圈像解析技术在数字化试验研究中可有良好的应用前景。齐梅兰分析了采砂对桥墩引起的局部冲刷的影响，根据冲刷机理的不同，将采砂河床桥墩冲刷分成三部分：采砂坑背水面边坡由于增加了水流比降容易形成溯源冲刷；桥渡压缩水流过流断面增大水流挟沙力引起一般冲刷；桥墩周围涡旋流造成局部冲刷，总的冲刷是三种冲刷的叠加。齐梅兰指出不同采砂位置和采砂坑深度对桥墩基础安全的影响程度不同，根据采砂坑演变的平衡坡降，认为采砂坑距大桥的安全距离主要与河床粒径及水流流速有关，并从泥沙起动原理的角度分析了沙坑被水面易冲刷的原因，与毛劲乔的数值模拟结果一致，齐梅兰还指出多个沙坑距离较近时遭遇洪水时下游沙坑的溯源冲刷作用使上下游沙坑串通形成大范围河床下切的危害和采砂坑上游边坡溯源冲刷长度会大于下游便颇得冲刷长度，河道下游采砂位置与大桥的安全距离应大于上游的安全距离。李军等定性分析了采砂河段河道演变的三个阶段以及采砂河段横断面变形的几种情况，还指出上游沙坑的蓄水和沉沙作用、下游沙坑引起的溯源冲刷、沙坑改变河势，这样的分析工作可以为以后的物理及数值模型沙坑影响的工作指出方向。王刚等对广东北江河道采砂问题采用正交设计和数理统计方法定量分析沙坑的位置形状对堤防安全的影响，建立了河道采砂坑与堤防位置关系模型，其基本原理是基于边坡安全稳定性分析，计算表明沙坑离堤防越近，沙坑的深度越大，沙坑边壁坡度越陡，将对堤防稳定性造成的危害越大，这些研究成果为指导数值模型采砂影响研究具有很高价值。

王刚从土力学的角度采用stabr程序计算了枯水期迎水坡的安全系数，提出了采砂坑影响堤防的临界距离的概念，并给出了采砂位置相对堤防的安全距离的表达式。周劲松以长江镇扬河段二期整治工程中的对右汊口门疏浚工程的研究和长江下游水文局1994年1月对梅子洲左汊主流过渡段采砂区的监测资料为例，指出在一个较稳定的流场范围内进行局部河道有限的开挖，很难改变河段原有的冲淤模式,但大规模的采砂活动可能导致河床细化、河床冲刷加剧、敏感河段河势发生变化。研究表明，采砂导致采砂区及以上局部河段水位下降，采砂区上下游一定范围的河床冲刷下切，短期内可能引起河势发生变化，导致分叉型河道分流比的变化，如武汉河段天兴洲汊道。绍新等在收集整理了广东东江下游及三角洲地区的河流水文实测资料后，从水文的角度分析了无序采砂对其水文特性的变化及其产生的原因，所发现的规律也前人的研究结论相似：研究河段大部分地区水位大幅度下降，但沿程变化规律不一致；沿程枯水水面比降发生巨大变异；挖沙附近河段同级流量下水位明显下降；口门附近咸潮影响规律改变等。针对采砂与航道整治协调两者之间关系的研究方面，吴宋仁等以澜沧江景洪水道的V 级航道建设研究为例进行了动床河工试验，得出结论“两者可以兼顾，达到双赢”。

杨世伦认为河道采砂可能会增加河流的输沙（原因有对床面的扰动、砂料分选造成水流泥沙浓度增加、采砂起到河道疏浚的作用），也可能减少河流的输沙（原因有采砂坑有利于悬沙落淤，采砂疏浚作用减少了河道某些部位在洪水期被冲刷的可能性），通过汉口至大通段输沙量的变化估计，认为采砂对长江此河段的输沙影响有限，与径流量增加和来沙量减少有关系。郑国栋定性分析了采砂对珠江三角洲河网地区的河道冲淤变化的影响，影响后果有：改变了河床冲淤性质、河槽容积普遍增大，河床普遍下切、河床挖深不均衡、河床过水断面向窄深发展，采用一维河网水动力学模型模拟了采砂对行洪、径潮流运动的影响作用，结果表明采砂刷深了河道，三角洲上游径流动力加强，水位下降，但口门区变化相对较小，进潮与泄洪动力俱增，三角洲在枯水期“抗咸”压力继续增大。

从以上对近几年国内关于采砂问题的总结和研究看来，河道无序采砂问题已经引起了广泛关注，关于采砂研究的方法和手段也多种多样，既有定性分析沙坑变形过程的研究也有采砂对河势、水流流态、水工建筑物安全等方面的研究，既有水力学方法，也有土力学方法等。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法。

一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法，包括下述的步骤：

a.察看采砂区的地质概况：分析河道采空区地质环境，根据采砂悬空洞范围及形状，确定土质参数，其具体的步骤是：现场察看采砂区的地形地貌、地层岩性、水文地质条件、地质构造及地震；

勘测闸址区采砂葫芦洞的分布：察看采砂葫芦洞的位置分布、测量采砂葫芦洞深度；

场地工程地质条件及评价：地层分布规律及特征、确定闸址区采砂葫芦洞影响范围：主要包括确定空洞和各采砂葫芦洞对地层影响，评价工程地质条件；

b.确定河道采空区灾害的破坏形式，及悬空洞长期沉陷规律与作用机理；

c.充填灌浆法对葫芦洞沉陷量进行控制，其控制的步骤是：选取参数、简化及建立模型，对葫芦洞进行填充。

上述的步骤c中，选择C15混凝土、碎石灌浆、碎石对葫芦洞进行填充，采用三维有限差分计算机程序FLAC-3D计算方法进行计算，分析计算结果，确定填充物的量。

上述的步骤a中，察看采砂区的地质概况，包括在察看地形地貌时，确定工程场区的地形，确定工程场区是否为冲积平原、冲积湖平原、两者的交互带或者是其它类型的平原；

勘察深度内场，确定工程场区地层所属的堆积层，分析土质；

对水文地质条件进行分析：确定场区地下水类型，分析其矿化度，对砼是否有腐蚀性；

分析场区的断层和走向，判断其是否为地震活跃地带，选择没有活动断裂、地震活动频次低、震级小、处于相对稳定的区域。

上述的步骤a中，闸址区采砂葫芦洞的分布：确定采砂葫芦洞的位置分布关系并将所有的采砂葫芦洞编号、测量所有采砂葫芦洞深度。

上述的步骤a中，场地工程地质条件及评价时，其步骤为：

地层分布规律及特征：分析场区内的土质堆积情况，可以分的层数，确定土质是否为淤泥层、层粘土、层壤土、层中粗砂，以及测定每一层的厚度及层底高程；

确定闸址区采砂葫芦洞影响范围：主要包括确定悬空洞对地层影响，确定空洞的方法是：钻探过程中，钻具出现自由下落现象，则已到达空洞，若钻具未出现自由下落现象，则继续钻探，但是钻深不超过主井孔深度；标贯击数明显变小，击数1-3击，则已到达空洞，其中有淤泥；

采砂葫芦洞对地层的影响判断方法是：测量各葫芦洞深、底高程、空洞的顶高程、空油的底高程、空洞的厚度、距地面埋深，计算各葫芦洞的地层破坏影响范围在葫芦洞周围的距离。

评价工程地质条件：根据以上的测量结果和土壤各层土质的条件判断场区的工程地质条件。

本发明是针对运河节制闸工程存在多个采砂葫芦洞，井下部形成一个大型悬空洞，如果不对这些坑进行处理，会造成地基不均匀沉陷及渗透破坏，对上覆闸室构成极大安全隐患。因此，为了分析采砂葫芦洞灾害机理、提出合理的生态处治技术，本发明通过对现场进行勘查、分析论证、理论分析、填充试验，优选最优实施方案，消除事故隐患。对于保证河道的畅通安全、减少地质环境灾害、维护生态平衡具有广阔的应用前景和推广价值，社会、经济效益重大。

本发明的有益效果在于，采用上述的方法针对河道采空区的地质环境进行生态处理，不仅进行现场勘查、分析论证、理论分析、填充试验得出了最佳方法，消除了事故隐患，对于保证河道的畅通安全、减少地质环境灾害、维护生态平衡具有广阔的应用前景和推广价值，社会、经济效益重大。

附图说明

图1为本发明实施例中钻孔布置示意图；

图2钻孔注浆施工工艺框图；

图3为碎石填充图；

图3中，1-注浆管，2-碎石。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。

实施例

一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法，包括下述的步骤：

a.察看采砂区的地质概况：分析河道采空区地质环境，根据采砂悬空洞范围及形状，确定土质参数，其具体的步骤是：现场察看采砂区的地形地貌、地层岩性、水文地质条件、地质构造及地震；察看采砂区的地质概况，包括在察看地形地貌时，确定工程场区的地形，确定工程场区是否为冲积平原、冲积湖平原、两者的交互带或者是其它类型的平原；对水文地质条件进行分析：确定场区地下水类型，分析其矿化度，对砼是否有腐蚀性；分析场区的断层和走向，判断其是否为地震活跃地带，选择没有活动断裂、地震活动频次低、震级小、处于相对稳定的区域。

勘测闸址区采砂葫芦洞的分布：察看采砂葫芦洞的位置分布、测量采砂葫芦洞深度；勘察深度内场，确定工程场区地层所属的堆积层，分析土质；闸址区采砂葫芦洞的分布：确定采砂葫芦洞的位置分布关系并将所有的采砂葫芦洞编号、测量所有采砂葫芦洞深度。

场地工程地质条件及评价：地层分布规律及特征、确定闸址区采砂葫芦洞影响范围：主要包括确定悬空洞对地层影响，评价工程地质条件；

所述的采砂葫芦洞其下部的截面是圆形，

场地工程地质条件及评价时，其步骤为：

地层分布规律及特征：分析场区内的土质堆积情况，可以分的层数，确定土质是否为淤泥层、层粘土、层壤土、层中粗砂，以及测定每一层的厚度及层底高程；

确定闸址区抽砂井影响范围：主要包括确定悬空洞对地层影响，确定空洞的方法是：钻探过程中，钻具出现自由下落现象，则已到达空洞，若钻具未出现自由下落现象，则继续钻探，但是钻深不超过主井孔深度；标贯击数明显变小，击数1-3击，则已到达空洞，其中有淤泥；

采砂葫芦洞对地层的影响判断方法是：测量各葫芦洞深、底高程、空洞的顶高程、空油的底高程、空洞的厚度、距地面埋深，计算各葫芦洞的地层破坏影响范围在其周围的距离。

评价工程地质条件：根据以上的测量结果和土壤各层土质的条件判断场区的工程地质条件。

b.确定河道采空区灾害的破坏形式，及悬空洞长期沉陷规律与作用机理；

c.充填砂石法对葫芦洞沉陷量进行控制，其控制的步骤是：选取参数、简化及建立模型，对葫芦洞进行填充；选择C15混凝土、碎石灌浆、碎石对葫芦洞进行填充，采用三维有限差分计算机程序FLAC-3D计算方法进行计算，分析计算结果，确定填充物的量。

当使用高强度（C15混凝土）对葫芦洞进行填充处理时，由于填充材料和葫芦洞周围土体性质相差很大，当上部荷载传递到该复合地基时，出现明显的不均匀沉降现象。闸板中心处底部地基强度高、承载力高、沉降量小，而四周土体强度相对较小、承载力低、沉降相对就大，因此形成反拱想象十分明显，造成很严重的应力集中，这对闸板及上部建筑十分不利。

同时，根据本模型假定葫芦洞形状，其体积约为190m³，按每立方混凝土260元计算，仅购买混凝土成本就需要约50000元。

当采用水泥固化材料对葫芦洞进行填充处理时，与形成复合地基，与天然地基能较好的协调变形。根据计算分析，处治后总沉降量约为12.5cm，闸板各个部位沉降较为均匀，闸板受力也较为均匀。

当使用散体材料对葫芦洞进行填充处理时，因计算假定葫芦洞充填密实，其处治效果和散体材料加上灌浆处理相差不大，对上部结构影响较小。但实际施工中，完全采用散体材料难以完全密实，后期将存在一定的压缩变形，对结构物受力不利。

察看采砂区的地质概况：分析河道采空区地质环境，根据采砂悬空洞范围及形状，确定土质参数：本实施例中选择的工程场区所属地貌单元为鲁西南黄泛冲积平原与冲积湖积平原交互带，A运河为人工开挖河道，原节制闸闸址所处梁济运河段：河道宽约350m，河底、两岸滩地、左右岸堤顶高程分别为30.21～31.07 m、36.42～37.40m、41.53～42.27m，现节制闸闸址所处A运河段已开挖，闸址所在区域地面高程为28.55～29.25m；

在勘察深度内场，工程场区地层均为第四系松散堆积层，以全新统冲积堆积（Q4al）的淤泥、裂隙粘土、壤土，冲积湖积堆积（Q4al+l）的粘土和上更新统冲积洪积堆积（Q3al+pl）的壤土、粘土、中细砂及中粗砂为主，其中，中细砂呈透镜体状分布；

水文地质条件：场区地下水类型主要水为第四系孔隙。本区分布的地层中，裂隙粘土中裂隙发育，壤土、粘土也不同程度的发育裂隙、孔隙。下伏层中粗砂，砂质均匀，为场区主要含水层，地下水以大气降水和河水为主要补给来源，以向下游径流、蒸发和人工取水为主要排泄途径。据水质分析成果，地下水化学类型为重碳酸氯化物—钙镁型水、重碳酸氯化物—钙型水、重碳酸—钙镁型水，其矿化度912.7～41082.8mg，/L，全硬度503.5～557.1mg/L，pH值7.77～8.02，属极硬、弱碱性淡水～微咸水，不含侵蚀性CO₂，对砼无腐蚀性。

地质构造及地震：

长沟泵站位于鲁西中台隆—济宁～成武凹断束—嘉祥凸起的东部，嘉祥断裂西侧，该断裂属秦岭纬向构造体系伴生的低序次张性正断层，走向不稳定，呈锯齿状分布，摆动范围由NW344°至NE16°，倾向E，倾角约80°。根据地震历史资料分析，主要活动时间为燕山期，喜山期仍有活动。根据有记载以来的地震历史资料，距场区30km 范围内未曾发生过5 级以上的地震，90km 范围内曾发生过5～7 级地震八次。综合分析，场区没有活动断裂，地震活动频次低、震级小，处于相对稳定区。据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），场区地震动峰值加速度为0.05g（相应地震基本烈度Ⅵ度）。工程场区建筑场地土类型为中软土建筑场地类别Ⅲ类，场区地震动反应谱特征周期为0.65s。

闸址区采砂葫芦洞的分布

长沟泵站节制闸施工期间，施工场地内发现多处塌陷坑，形似塌陷漏斗。该处河道中频繁抽砂，此孔洞应为高压泵抽取砂层所致。经现场开挖后，发现塌陷坑均为采砂葫芦洞，直径0.6m。发现的塌陷坑分布较集中，主要位于闸室以及下游海漫。

采砂葫芦洞的分布

经过对场区发现的采砂葫芦洞进行开挖确认，共发现18 口采砂葫芦洞，均未被填埋，洞壁直立性好。18 口采砂葫芦洞分布位置如下：

(1) 上游翼墙左岸分布一口，编号1#；

(2) 闸室位置布两口，编号2#  、3#；

(3) 消力池斜坡段分布两口，编号4#、5#；

(4) 海漫处分布 13 口，编号6#～18#。

采砂葫芦洞深度

经测量，各井直径均在0.6m 左右，洞壁直立性好，未塌陷。

场地工程地质条件及评价

本次勘察在以上各井处分别布置钻孔，调查采砂葫芦洞对地层的影响程度，钻孔位置距离采砂葫芦洞1.0～4.5m。

一、地层分布规律及特征

结合勘探情况将场区的工程地质条件叙述如下：

勘察深度内，场区地层主要分布第四系全新统湖积堆积及上更新统冲洪积堆积地层，从上到下可分为四层：

①淤泥（Q4^al）：灰黑色，流塑，分布于采砂葫芦洞产生的空洞中（为河道内淤泥流入所至）。

⑥层粘土（Q^3al+pl）：褐黄色夹兰灰色，硬塑，裂隙发育，裂隙面光滑，呈兰灰色；姜石含量5～15%，粒径1～5cm 不等；该层分布连续，层厚3.80～4.20m，层底高程24.72～25.25m。

⑦层壤土（Q3^al+pl）：褐黄色、黄褐色，硬可塑，土质不均，该层上部粉粒含量高，以中粉质壤土为主，虫孔发育，孔壁光滑呈兰灰色；下部粘粒含量逐渐增高，渐变为重粉质壤土，局部为粘土，虫孔、裂隙均有不同程度的发育；底部含姜石5～10%及少量砂粒。该层分布连续，层厚6.20～6.90m，层底高程18.05～18.48m。

⑧层中粗砂（Q3^al+pl）：黄褐～褐黄色，稍密～中密，饱和，自上而下颗粒由细变粗，砂质较纯，主要矿物成分长石、石英。该层分布连续，勘探深度内层厚2.20～2.70m，层底高程15.52～15.78m。

闸址区采砂葫芦洞影响范围的确定

查明上游翼墙处1# 和闸室中部2#、3#、4# 以及消力池斜坡段5 #对地基的影响。对于海漫处的6#～18 #有选择性的进行了抽查，主要抽查了6#、8#、11#、12#、13#、15#、 16# 等7口对地基的影响。

空洞的确定原则

在野外勘探工作中，砂层是否被掏空是这样确定的：

①钻探过程中，钻具出现自由下落现象。

②标贯击数明显变小，击数1～3 击中⑦层壤土的标贯击数一般为7～11 击，⑧层中粗砂标贯击数一般为9～28 击）。勘察结果显示，各井均对周围地层造成了不同程度的破坏，出

现地层被掏空产生空洞的不良结果。

各采砂葫芦洞对地层影响

①左侧翼墙处1# 对地层的影响情况：

井1 深11.3m，底高程18.04m。空洞的顶高程为20.59m，底高程为18.49m，空洞的厚度2.1m，距地面埋深8.6m，空洞内充填黑色淤泥，根据钻孔揭示，1# 的地层破坏影响范围为其周围0.6～2.1m。

②闸室中部2# 对地层的影响情况：

2# 深11.8m，底高程16.90m。空洞的顶高程为21.20～21.30m，底高程为16.71～17.11m，空洞的最大厚度4.5m，距地面埋深7.5m。空洞内充满黑色淤泥。根据钻孔揭示，2 #的地层破坏影响范围为其周围2.5～3.5m。

③闸室下游3# 对地层的影响情况：

3#深12.5m，底高程16.95m。空洞的顶高程为20.20～20.56m，底高程为17.30～17.36m，空洞的最大厚度3.2m，距地面埋深8.6m，空洞内填充少量黑色淤泥，根据钻孔揭示，3# 的地层破坏影响范围为其周围2.2～3.1m。

④闸室下游4# 对地层的影响情况：

4# 深12.0m，底高程16.75m。空洞的顶高程为21.95m，底高程为17.35，空洞的最大厚度3.2m，距地面埋深6.8m，空洞内填充少量黑色淤泥，根据钻孔揭示，4# 的地层破坏影响范围为其周围1.9～2.8m。

⑤消力池斜坡段5# 对地层的影响情况：

5# 深11.5m，底高程17.20m。空洞的顶高程为20.80～21.00m，底高程为17.00～18.10m，空洞的最大厚度4.0m，距地面埋深7.7～7.9m，空洞内填充少量黑色淤泥，根据钻孔揭示，5^# 的地层破坏影响范围为其周围1.8～2.6m。

⑥海漫段各葫芦洞对地层的影响情况

海漫段各抽砂井形成的空洞的顶高程一般为20.90～22.10m，底高程为17.00～18.60m，空洞的厚度一般为2.9～4.1m，距地面埋深6.6～8.7m，空洞内填充少量黑色淤泥，根据钻孔揭示，各采砂葫芦洞的地层破坏影响范围为其周围1.2～2.5m。

工程地质条件评价

1节制闸底板底高程28.30m，位于⑥层粘土的顶部，该层粘土未遭到抽砂破坏影响，呈硬塑状态，厚度较大，层位稳定，压缩性低，力学强度高，该层工程地质条件良好。

2闸址处的各采砂葫芦洞产生的空洞位于⑦层壤土下部、⑧层中粗砂的上部，空洞距地表仅有6.8～8.6m 的距离，空洞的高度1.9～4.6m，空洞内仅充填少量黑色淤泥，易塌陷造成闸基的不稳定，采取处理措施。

结论：

1场区动峰值加速度为0.05g（相应地震基本烈度Ⅵ度），地震动反应谱特征周期为0.65s；

2工程场区建筑场地类型为中软场地土，建筑场地类别Ⅲ类；

3节制闸底板底高程28.30m，位于⑥层粘土的顶部，该层粘土未遭到抽砂破坏影响，呈硬塑状态，厚度较大，层位稳定，压缩性低，力学强度高，该层工程地质条件良好；

4闸址处的各采砂葫芦洞产生的空洞位于⑦层壤土下部、⑧层中粗砂的上部，空洞距地表仅有6.8～8.6m 的距离，空洞的高度1.9～4.6m，空洞内仅充填少量黑色淤泥，易塌陷造成闸基的不稳定，建议采取灌填处理措施；

5场区地下水为第四系孔隙潜水，地下水不含侵蚀性CO₂，对砼无腐蚀性。

1.物探前提

高密度电阻率测试方法是通过不同岩、土体具有电阻率差异，进行测试的；挖砂前，由于地层各层分布比较平稳，同层电阻率可视为基本一致；挖砂后，若存在空洞等地质隐患时，空洞被地下水和淤泥充填呈显低阻表现，其电阻率与原砂层电阻率有一定的差异，这为检测提供了前提条件。

2.工程物探工作原理及方法

1）工作原理

高密度电法属于电阻率法，与常规的电阻率法不同的是一次设置较多的测试电极，一次勘探过程完成纵横2 维的勘探测试。该方法观测精度较高，提供的信息数据量较大，适用于水文地质、工程地质勘探与环境调查，进行地下埋藏物探测，堤防隐患探测。高密度电阻率法是一种剖面法和电测深法的组合式剖面装置，对地电结构具有一定的成像功能。因此，墙体裂缝、空洞、不均匀体、软弱层、透水体等在探测成果图上均有所反映。

不同岩层或同一岩层或由于成分和结构等不同，它们具有不同的电阻率。假定岩层为均质各向同性的，地表下通过电流时，岩层电阻率的大小都一样，电阻通过公式：

进行，计算式中：ρ——岩土层电阻率（单位：Ω·M）

ΔV——电位差（单位：V）

I——供电电流（单位：A）

K——装置系数（与供电、测量电极间距有关）

2）方法

高密度电法是将直流电通过接地电极供入地下，建立稳定的人工电场，在地表观测某点的垂直方向（电测深）或某剖面的水平方向的电阻率变化，从而了解岩层的分布或地质结构特点。

通过布设垂直（或斜交）被测地质体物探剖面，根据地质体尺寸、规模、埋深设置电极距和测试层数。消除过大电极接地电阻，选择适当的显示调色板，打开高压供电开关，采集电压、电流，计算电阻率数据。数据采集完毕后，存入硬盘。

3.仪器设备、测线布置及装置

1）仪器设备

高密度电阻法测试，采用GeoPenTME60C 高密度电阻率工作站，配备智能超小型分布式开关电缆，内置可输出400 伏特的供电变换器，程序控制高密度电阻率法的各种装置形式；仪器采用PIIIcpu的WinBook笔记本主机作主控单元，具有单道和多道采集方式；自动增益调节、电极自电自动跟踪和补偿等技术，测量过程自动化。

对零点漂移、电池电压、接地电阻及内存单元具有自检功能，带有标准并行通讯接口，可与任何其他计算机进行数据共享。

2）测线布置及装置

本次对长沟泵站节制闸闸基采用高密度电法剖面方法进行物探测试。高密度电法采用三极剖面电极装置，使用7条智能开关电缆首尾串接、滚动覆盖测量；按2米极距将电极打入地下，接上智能电缆，设置好相应参数，检测电极开关和接地电阻，排除接地不良电极故障。

4.物探内业工作及高密度电法资料解释

将高密度电法测试数据进行数据格式转换、数据拼接、进行必要的校正、对非值排除修正，外轮廓线数据输入；通过数据处理软件包处理计算，最后打印出视电阻率剖面；通过不同岩体、土层不同的电阻率差异，对物探电阻率剖面分析解释，结合原有地质资料，对物探资料进行综合分析。

节制闸采砂葫芦洞地基加固方案的选定

经过对场区发现的采砂葫芦洞进行开挖确认，共发现18口，均未被填埋，洞壁直立性好。采砂葫芦洞分布位置如下：上游翼墙左岸分布一口采砂葫芦洞，编号1#；闸室位置分布两口采砂葫芦洞，编号2#、3#；消力池斜坡段分布两口采砂葫芦洞，编号4#、5#；护坦及海漫处分布13口采砂葫芦洞，编号6#~井18#。

地质勘察结果和基底应力影响分析表明，采砂葫芦洞所形成的空洞直接影响着节制闸的结果安全和正常运行，必须对此进行处理。

节制闸现场开始以两种方案进行充填试验：

（一）方案1：

1、采砂葫芦洞灌注由水泥、粉煤灰、石屑拌制的C15混凝土，塌落度控制在16~19cm；

2、在距采砂葫芦洞1.5~2.0m的空洞范围内，每个采砂葫芦洞周边均匀布置4个排水、监测孔；

3、充填石屑混凝土前，将泥浆泵从采砂葫芦洞下到空洞淤泥层上部抽排淤泥，当发现有中粗砂抽出时停止；

4、将管下至空洞底部充填石屑混凝土，泵送压力根据充填情况进行调整，具体指标应通过试验来确定。泵送石屑混凝土时采砂葫芦洞上部应封孔，待所有排水、监测孔翻浆后停止灌注；灌注过程中应密切关注基底变形，土体隆起控制在5mm内；

5、灌浆完毕后，对采砂葫芦洞及排水、监测孔进行封孔处理；采砂葫芦洞半径2.5m范围内表层混凝土及土体采用黏性土换填，换填深度不小于1.0m，黏性土压实度不小于0.98；

6、石屑混凝土充填、表层换填处理完毕7天后，每个采砂葫芦洞周边半径2.0m处设2个检查孔，取芯检查混凝土充填密实情况。若发现不密实，从检查孔内采用袖阀管补灌；

7、空洞灌注充填前应选择在下游海漫段进行灌浆试验，验证石屑混凝土充填效果并及时调整配合比，同时确定有关灌注参数，明确控制指标及注意事宜；

8、切实加强施工安全防护，确保施工安全。

（二）方案2：

1、空洞处理工艺选择

根据采砂葫芦洞造成地下空洞的特点，采用碎石填充（粒径5-16mm），再用袖阀管注水泥浆的方法进行处理。

2、袖阀注浆的工艺特点

袖阀管注浆能定深、定量、分序、分段、间歇、重复注浆，适应性强，对砂层、粉土、淤泥层等均能达到较好的加固效果。

（1）可根据需要灌注任何一个注浆段，还可进行重复注浆；

（2）注浆压力相对较小，一般为0.2~0.6MPa，注浆时冒浆和串浆的可能性小，一般不会破坏原有地层结构；

（3）浆液主要以渗透和劈裂形式进入充填孔隙中，可以起到充填裂缝固结土体的效果；

（4）袖阀管被具有一定强度的套壳料胶结，难拔出重复使用。

3、地基处理方案

①钻孔布置

按现场实际情况二序布置，序孔间距1.0m，II序孔间距1.0m，单排或双排圆形布孔。钻孔布置见图1。

说明： 1、 空心圆代表注浆孔，直径90—110mm，孔间距1.0m；

  2、 实心圆代表碎石填充孔与注浆孔，直径220—240mm，孔间距1.0m；

3、  半实心圆代表采砂葫芦洞；

4、圆形布孔直径3.5—4.5m；

  5、根据每个采砂葫芦洞造成的空洞不同情况，适当调整圆形布孔直径与钻孔个数。

②钻孔设备

（1）根据施工区工程地质情况，结合以往施工经验，本次决定使用XY-150型油压回转式钻机。

（2）根据现场实际情况，采用不同口径的硬质合金钻头钻进。

（3）使用的钻孔冲洗和压水试验设备，水泵的工作压力按施工要求选定，并保证在所有压力下都有足够的供水量，保证压力稳定，出水均匀，工作可靠。

（4）配备有足够的压力表、压力软管、供水管及阀门等必备品。

④钻机就位

（1）做到注浆孔的开孔孔位应符合施工要求，严格控制帷幕注浆孔的开孔孔位与设计位置的偏差不大于5cm；

（2）钻机安放在平整稳固的钻机平台上，钻孔方向按施工要求确定。

⑤钻进

（1）钻孔时，必须保证孔向准确。垂直的注浆孔，其钻孔垂直度小于1%，斜孔偏差小于2°；

（2）注浆孔的施钻按注浆试验、注浆段及I序、II序分序段进行。先钻灌试验段，试验段完成后，再钻灌其他段I序、II序孔；

（3）为了保护基础及便于施工，注浆孔顶部下套管护壁或注浆护壁；

（4）钻孔取芯和芯样保存。

1）注浆孔、检查孔以及监理工程师指示的其他钻孔，予以钻取岩芯，对芯样进行描述。

2）钻进过程中，对钻孔冲洗水、钻孔压力、芯样长度及其他能充分反映土层的特性因素进行监测和记录，并提交业主与监理工程师。

（5）碎石填充孔直径为220~240mm，注浆孔直径为91~110mm。

⑥碎石充填

填充碎石2时要均匀下料，防止阻塞，必要时注水或人工冲击。填至碎石2不在下沉为止。充填过程中在采砂井内用泥浆泵抽泥浆减压以便碎石2充填密实。

制浆

A.材料称量

称量误差小于5%，水量由高精度水表计量，水泥等固结材料用台秤称量。

B.浆液搅拌

（1）各类浆液搅拌均匀，测定浆液密度和粘滞度等参数，同时作好记录。

（2）水泥浆搅拌时间。使用普通搅拌机时不少于3min，使用高速搅机时不少于30s。浆液使用前过筛，从开始制备至用完的时间小于4h，超过4h作弃浆处理。

（3）拌制细水泥浆液和稳定浆液，需加入减水剂和采用高速搅拌机（转速1200r/min）拌制时间通过试验确定。

（4）浆液配方比采用：水泥：粉煤灰=1:0.7

（5）水灰比采用：水：灰=0.7:1~0.5:1

C.下袖阀管

孔内先浇注套壳料，后下袖阀管，再固管止浆。套壳料浇注:把φ25mm注浆管1下入孔底，用注浆泵注浆，直至注浆段高度以上0.2m处。

D.注浆

根据成孔的先后顺序，待套壳料具有一定强度后，将φ25mm带双塞的注浆管从袖阀管中下到注浆段位置，自下而上分段注浆，分段间距不得大于2.0m;注浆压力为0.2~0.6MPa、开环压力为0.3MPa，在注浆泵压力表上观测；洞体底部和顶部注浆速度为15~20L/min，其他位置为20~30L/min，注浆量根据搅拌桶的容积、压力表和经验确定；充填碎石时，在洞顶附近难以充填密实，可能形成空腔，故在洞顶部位应适当增加注浆量，为保证地面不产生裂痕和抬升，在注浆压力下，注入量小于3~5L/min，稳压15min为终注标准或碎石顶面冒浆10~15分钟。

在注浆过程中，应观察相邻注浆孔的冒浆情况，若周围孔有浆液冒出，说明注浆效果好。若周围注浆孔没有反应，且注浆量过大，特别是在土洞底部浆液流失过大时，应采用“间歇定量分序注浆法”进行注浆，以控制浆液扩散范围。

E. 采砂葫芦洞处理工艺

采砂葫芦洞内先行预埋袖阀注浆管两根，然用5-16mm的碎石充填采砂葫芦洞至孔口。最后袖阀管注浆，注至孔口浆液不再明显下沉为止。

对闸基部位（包括上游翼墙1#，闸基2#和3#，消力池4#、5#）进行充填灌浆处理，完成闸基1#~5#的充填和取芯工作。

（一）处理方案工艺流程：钻孔→抽泥浆→填充石屑或砂子→灌浆（水泥和粉煤灰浆液）→封孔。

（二）具体实施方法如下：

1、设备：使用设备为 XY-150地质钻机和150泥浆泵；

2、井孔布置：每个井钻孔17个，每个孔深度约为11m，以原采砂井为中心，中心布置主孔（填料、灌浆）1个，直径为450mm，成孔后抽取井内泥浆。以井为中心半径2m周边布置16个井孔，其中直径220mm 8个（填充石子、砂、灌浆用），直径110mm 8个(监测出浆、补浆用)，间隔布置；

3、填料、灌浆：先对8个填料孔填料，后对主孔进行填料，并进行振捣，再对主孔和填料孔进行灌浆，灌浆达到灌浆监测孔冒浆时停止，并对填料孔封孔。待封孔达到强度后对填料孔和灌浆检测孔进行补浆，当灌浆压力达到0.3~0.6MPa时停止灌浆，补浆完成后全部封孔。

通过方案2最终达到了与原状地基接近的复合型地基。

Claims (1)

1.一种针对河道采空区带来的地质环境灾害的生态处理方法，包括下述的步骤：

a. 察看采砂区的地质概况：分析河道采空区地质环境，根据采砂悬空洞范围及形状，确定土质参数，其具体的步骤是：现场察看采砂区的地形地貌、地层岩性、水文地质条件、地质构造及地震；

勘测闸址区采砂葫芦洞的分布：察看采砂葫芦洞的位置分布、测量采砂葫芦洞深度；确定采砂葫芦洞的位置分布关系并将所有的采砂葫芦洞编号、测量所有采砂葫芦洞深度；

场地工程地质条件及评价：地层分布规律及特征、确定闸址区采砂葫芦洞影响范围：主要包括确定悬空洞对地层影响，评价工程地质条件；

所述的察看采砂区的地质概况，包括在察看地形地貌时，确定工程场区的地形，确定工程场区是否为冲积平原、冲积湖平原、两者的交互带或者是其它类型的平原；

勘察深度内场，确定工程场区地层所属的堆积层，分析土质；

对水文地质条件进行分析：确定场区地下水类型，分析其矿化度，对砼是否有腐蚀性；

分析场区的断层和走向，判断其是否为地震活跃地带，选择没有活动断裂、地震活动频次低、震级小、处于相对稳定的区域；

所述的场地工程地质条件及评价时，其步骤为：

地层分布规律及特征：分析场区内的土质堆积情况，可以分的层数，确定土质是否为淤泥层、层粘土、层壤土、层中粗砂，以及测定每一层的厚度及层底高程；

确定闸址区采砂葫芦洞影响范围：主要包括确定悬空洞对地层影响，确定空洞的方法是：钻探过程中，钻具出现自由下落现象，则已到达空洞，若钻具未出现自由下落现象，则继续钻探，但是钻深不超过主井孔深度；标贯击数明显变小，击数1-3 击，则已到达空洞，其中有淤泥；

采砂葫芦洞对地层的影响判断方法是：测量各葫芦洞深、底高程、空洞的顶高程、空洞的底高程、空洞的厚度、距地面埋深，计算各葫芦洞的地层破坏影响范围在葫芦洞周围的距离；

评价工程地质条件：根据以上的测量结果和土壤各层土质的条件判断场区的工程地质条件；

b. 确定河道采空区灾害的破坏形式，及悬空洞长期沉陷规律与作用机理；

c. 充填灌浆法对采砂葫芦洞沉陷量进行控制，其控制的步骤是：选取参数、简化及建立模型，对采砂葫芦洞进行填充灌浆；

所述的步骤c 中，选择C15 混凝土、碎石灌浆、碎石对葫芦洞进行填充，采用三维有限差分计算机程序FLAC-3D 计算方法进行计算，分析计算结果，确定填充物的量。