泰安市巖溶地面塌陷的特征及其成因模式分析

錢麗麗,周蘭云,張秀娟

(山東省泰安水文水資源勘測局,山東泰安 271000)

巖溶地面塌陷是巖溶地區(qū)因巖溶作用而產(chǎn)生的地面變形現(xiàn)象,是巖溶洞隙上方的巖土體在自然及人為作用下發(fā)生變形破壞、并導致地面形成塌陷坑(洞)的一種巖溶地質(zhì)作用。山東省泰安市自上世紀 60年代出現(xiàn)巖溶地面塌陷,至今已有 40多年歷史,它不僅造成鐵路塌陷、破壞土地,還導致居民房屋裂縫甚至倒塌,直接危害當?shù)鼐用竦纳拓敭a(chǎn)安全。研究巖溶地面塌陷的特征及其成因模式對進一步控制塌陷的發(fā)生有重大意義。

1 巖溶地面塌陷的空間分布特征

從巖溶塌陷的發(fā)育歷史分析可以看出,本區(qū)塌陷主要集中分布在三個區(qū)域。以泰安站南部鐵路三角區(qū)為中心的鐵三角塌陷區(qū),該區(qū)擴展為東至上高街辦、南至洪溝的整個泰安市城區(qū)的灰?guī)r分布區(qū);以大汶河畔的舊縣水源地為中心的舊縣塌陷區(qū);以東、西羊婁為中心的羊婁塌陷區(qū),該區(qū)實為舊縣塌陷區(qū)的外圍部分。以上三處塌陷區(qū)現(xiàn)已基本連在一起,截止目前已形成了一條南起舊縣北至泰安站,南北長約 20 km、東西寬約 10 km的巖溶塌陷地帶。

根據(jù)泰安市城區(qū)、舊縣水源地及其外圍近百個塌陷點的資料分析,并參考本區(qū)已進行的有關(guān)巖溶塌陷的工作,巖溶塌陷在空間上的分布具有以下的規(guī)律性：

1.1 塌陷區(qū)的分布與抽水造成的地下水位降落漏斗成正相關(guān),且集中分布在漏斗內(nèi)地下水的主要補給方向上

泰安市巖溶塌陷的發(fā)育發(fā)展與泰安市城區(qū)大規(guī)模開采地下水幾乎是同步的。自 1977年至 1982年,泰安市城區(qū)抽水井發(fā)展到 26個,日抽取地下水量達 5×104m3/d,水位下降40m至基巖面下,巖溶塌陷開始數(shù)量開始增加,隨著抽水井增至 100多個,抽水量達 10×104m3/d,降深增大,降落漏斗日益增大,塌陷日漸增多,1979年塌陷達到高峰期,僅火車站達 26個次,嚴重威脅行車安全。在三角區(qū)附近,路基下沉,站房開裂,民房倒塌,塌陷層生。

羊婁塌陷區(qū)位于舊縣水源地地下水補給區(qū),其發(fā)生發(fā)展也與地下水開采密切相關(guān)。2003年 5月羊婁發(fā)生塌陷時,該區(qū)正處于農(nóng)灌期,地下水日開采量達到 4.2萬 m3/d,持續(xù)高強度地開采巖溶地下水,使地下水位急劇下降至 31 m,并在21～31m范圍內(nèi)上下波動。

分析上述巖溶塌陷發(fā)生的原因,當抽排地下水時,自然形成降落漏斗,在降落漏斗內(nèi)水力坡度增大,流速加快,地下水流對巖溶充填物的潛蝕和搬運比較迅速,故在降落漏斗內(nèi),特別是中心部位和地下水的主要補給方向上,塌陷出現(xiàn)較多。

1.2 塌陷沿構(gòu)造斷裂帶或主導裂隙分布

從本區(qū)巖溶塌陷平面分布圖上可以看出,本區(qū)坍陷已形成一個北起上高鎮(zhèn),南至舊縣村的塌陷集中帶,塌陷帶走向NNW,與岱道庵斷裂帶走向及位置基本吻合。岱道庵斷裂為區(qū)內(nèi)主要斷裂,南起舊縣,北至上高鎮(zhèn)—岱道庵一線,走向北北西,傾向北東,傾角 70°左右,為張扭性斷層,兩盤地層呈左行扭動。

岱道庵斷裂的構(gòu)造裂隙,為本區(qū)巖溶發(fā)育提供了有利條件,使地下水不斷巖石裂隙進行化學溶蝕,形成空洞。如前舊縣村委內(nèi) TA-3孔,鉆遇地層為角礫狀白云巖,40米以內(nèi)鉆遇溶洞 8個,最大溶洞 1.8 m,最小溶洞 0.32m。破碎的巖石又使地下空洞容易發(fā)生洞頂崩塌,為大型溶洞的形成提供了條件。物探資料剖面資料表明,斷裂帶有高電阻異常顯示。

岱道庵斷裂的北北西走向控制本區(qū)地下巖溶的發(fā)育發(fā)展方向為北北西走向。在岱道庵斷裂與宅子斷裂、萬家莊斷裂的交叉部位,也是巖溶塌陷的集中區(qū)。

1.3 巖溶塌陷點的分布與第四系厚度、巖性有關(guān)

泰安地區(qū)巖溶塌陷的集中地區(qū),第四系厚度變化較大。圣元官莊、舊縣等地第四系厚度較薄,一般在 10m左右,最淺處圣元官莊村東,第四系厚度僅 3米,該點西北 200m處就有房屋裂縫現(xiàn)象;城區(qū)、徐家埠等地第四系厚度加大,一般超過 20m,羊婁大塌坑塌陷時可見第四系厚度為 27m。而大于 30m厚度的時候基本沒有巖溶塌陷。因此,泰安地區(qū)巖溶塌陷與第四系厚度有關(guān),但是不成線性關(guān)系,只能說：土層厚度越大,塌致地表所發(fā)生的時間越長。土層厚度與塌陷發(fā)生的關(guān)系直反映在實踐因素上。但是土層厚度越小,發(fā)生塌陷的規(guī)模越小;土層厚度越大,發(fā)生塌陷的規(guī)模越大。

塌陷與第四系底部巖性有關(guān),覆蓋層土體可由結(jié)構(gòu)由砂、礫石及粘土組成,它們可組成均一結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。在其他條件相同情況下,均一的砂或土較易塌陷,夾砂、土或礫石層狀非均一機構(gòu)次之;均一粘土抗塌性能相對為好,而多層結(jié)構(gòu)最易塌陷,而泰安塌陷區(qū)的覆蓋層大多屬于多層結(jié)構(gòu),屬于易發(fā)生塌陷區(qū)域。

1.4 塌陷分布在河床和地形低洼處

本區(qū)的巖溶塌陷有很大一部分是分布在河床和地形低洼處的。如前舊縣陳家灣塌陷、舊縣新村塌陷、苑莊西雙龍河內(nèi)發(fā)生的塌陷等。低洼地段在雨季容易積水,積水的滲漏加速了地下水對土體的侵蝕和搬運,導致巖溶塌陷的發(fā)生。

2 巖溶塌陷的成因模式

傳統(tǒng)的巖溶地面塌陷機理理論有兩種。其一是：“潛蝕論”.它是在具備前面所講的塌陷產(chǎn)生的基本條件的基礎上,當天然或人為原因使地下水位下降時,地下水流速加快、水力梯度加大,對蓋層土體進行沖蝕、淘空、并帶走,在可溶巖與蓋層交接處形成土洞;土洞不斷擴大,會產(chǎn)生兩種結(jié)果：當蓋層土體足夠厚和強度足夠大時,土洞發(fā)展到一定程度便形成天然平衡拱,如無其它誘因,不會發(fā)生塌陷;當土層較薄、強度較小時,土洞不斷擴大,切穿土層,便形成塌陷坑。其二是“真空吸蝕論”,它是針對相對密閉的承壓巖溶水而言的。由于地下水突然大幅度下降,當?shù)叵滤唤档缴w層底板以下時,地下水由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài),在地下水位與蓋層底板之間形成低氣壓狀態(tài)的相對真空腔。“真空腔”的形成,產(chǎn)生兩種作用：對蓋層底板土體產(chǎn)生吸蝕淘空和引起腔外大氣壓對蓋層表面產(chǎn)生“沖壓”作用;在這兩種“內(nèi)吸外壓”作用下,便形成突發(fā)性塌陷。

以上“潛蝕論”和“真空吸蝕論”,無疑揭示某些塌陷類型的成因,但對塌陷具體過程和微觀機制并未作很好的描述,因而無法用它們來建立數(shù)學預測模型。不論是潛蝕成因的塌陷或是真空吸蝕成因的塌陷,它們的發(fā)生,均是力的作用失去平衡使土體破壞的結(jié)果。其發(fā)生發(fā)展過程為：當一定厚度的蓋層土體中土洞形成到一定規(guī)模,地下水位急速下降、當降到一定程度形成相對低壓空洞時,大氣壓力與洞中低壓之差△p便作用在蓋層土體上。又由于地下水位下降使土體失去浮托力,土體自重壓力增加等一系列力的作用下,土體內(nèi)某一點某法向平面剪切應力等于土體的抗剪強度時(即：),這點便開始破壞。這點破壞后,其應力便轉(zhuǎn)移集中到其它點上,以使該點發(fā)生破壞。如此發(fā)展下去,破壞面逐漸增多,貫通連成一個破壞面;沿著這個破壞面,土體向洞穴中坍落或滑動,部分土體被流動的水搬遷,最終形成塌坑。

圖1 巖溶塌陷過程示意圖

高強度開采巖溶水是造成巖溶地面塌陷的主要原因。“圖 1”展示了天然狀態(tài)下這一地區(qū)不同地下水之間的相互關(guān)系,說明巖溶水主要接受北部泰山火成巖、變質(zhì)巖裂隙水補給,而后向汶河方向逕流并在與上覆孔隙水交替的“天窗”地帶向上頂托排泄"然而當高強度開采巖溶地下水以后,局部形成降落漏斗,巖溶水由承壓轉(zhuǎn)為無壓,孔隙水由接受巖溶水補給而變?yōu)榇怪毕蛳卵a給巖溶水,即所謂發(fā)生“倒流”,破壞了天然條件下巖土體的動力平衡,為產(chǎn)生沖刷、侵蝕等地質(zhì)作用創(chuàng)造了條件,因而是形成巖溶塌陷的主要原因?！疤齑啊辈课患聪路?guī)r巖溶洞穴與上覆第四系含水砂層直接接觸部位,既是兩類水的強交替通道,也是第四系松散物質(zhì)即松散巖土體垮塌后的“損失”途徑。第四系松散物質(zhì)在動力作用下通過“天窗”漏向巖溶空隙中,使上覆巖土體支撐力減弱,從而造成地面塌陷。所以“天窗”的存在是巖溶地面塌陷形成的先決條件。

圖2 天然條件下泰安地下水相互關(guān)系示意圖

巖溶水水位強烈波動形成的對第四系松散物質(zhì)的沖刷、侵蝕和真空吸蝕作用是巖溶地面塌陷產(chǎn)生的主要原動力。“天窗”是在塌陷前已經(jīng)存在的,但在天然狀態(tài)下巖溶水與孔隙水水位差是有限的(一般小于 5m),因而巖溶水頂托補給孔隙水是個緩慢的過程,對土體結(jié)構(gòu)不僅不形成破壞,反而還會產(chǎn)生一定的浮托力;而當開采強度較低,巖溶水仍處于承壓狀態(tài),但水位低于孔隙水水位時,孔隙水補給巖溶水的過程也是緩慢的,只是由于水動力條件發(fā)生變化而產(chǎn)生輕度的與土體支撐力相反的作用。一般不構(gòu)成土體結(jié)構(gòu)破壞,當巖溶水低于巖溶水頂板,尤其是巖溶水水位在巖溶水頂板附近波動時,巖溶水面會產(chǎn)生對上覆土體的沖刷侵蝕即撞擊作用從而破壞土體結(jié)構(gòu)造成坍塌,央及地面即形成地面塌陷。圖 4、圖 5是實際監(jiān)測結(jié)果,足以證實上述推斷是正確的。由以下 2圖可以看出,當巖溶水水位位于頂板附近并有大的起伏波動時,是巖溶地面塌陷的嚴重發(fā)生期或復發(fā)期。而當水位相對穩(wěn)定即波動幅度較小時,是巖溶地面塌陷的減弱期或間歇 (停息)期。另外,在塌陷區(qū)施工地質(zhì)鉆孔過程中,當鉆遇土洞(潛在塌陷源)時,常會發(fā)生強烈的噴吸氣現(xiàn)象,并伴有“哨音”,表明地下巖溶水具有自由水面,并具有很強的流動性,這是由于潮汐作用。地下水開采強弱變化和地下水的補給、逕流等作用共同造成的"這種具有自由水面的巖溶水對可接觸土體的沖刷侵蝕作用,宛如地表水體對河岸土體或海岸土體的沖刷侵蝕作用,其力量是巨大的,足以破壞土體的結(jié)構(gòu)造成土體坍塌,從而擴大土洞空間、增加地面塌陷的可能性"同時隨著巖溶水的波動即隨著巖溶水水位的漲落,地下巖溶及巖土中空洞內(nèi)的氣壓也將發(fā)生劇烈的轉(zhuǎn)化,時而呈現(xiàn)正壓,時而呈現(xiàn)負壓,即所謂真空狀態(tài),其對上覆巖土體的真空吸蝕作用,亦成為造成土體結(jié)構(gòu)破壞的一種巨大“營力”。

圖3 巖溶塌陷的形成及地下水補排關(guān)系轉(zhuǎn)化示意圖

圖4 泰安城區(qū)巖溶水水位動態(tài)與地面塌陷關(guān)系示意圖

圖 5 泰安市舊縣水源地巖溶水水位動態(tài)與地面塌陷關(guān)系示意圖