重點水源地巖溶塌陷機理分析及對策研究

婁 英，肖建國，劉福臣

(1.山東省日照市后村鎮(zhèn)水利站，山東日照276808;2.山東省日照市東港區(qū)馬陵水庫管理局，山東日照276826;3.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照276826)

水源地巖溶塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性、破壞性大等特點，已成為威脅人民生命財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境的嚴重地質(zhì)災(zāi)害，為此國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究工作。國外早在1984年就嘗試運用地質(zhì)雷達進行潛在塌陷的監(jiān)測工作;中國巖溶塌陷研究起步較晚，中國巖溶地質(zhì)研究所通過模型試驗，研究不同類型巖溶塌陷發(fā)育機理、影響塌陷發(fā)育主要影響因素。針對南方巖溶地區(qū)，揭示了巖溶塌陷發(fā)育的現(xiàn)狀和宏觀分布規(guī)律;鐵道部第二勘測設(shè)計院對泰安市巖溶塌陷嚴重發(fā)育區(qū)進行了全面的勘查、治理，取得了良好效果［1］。

圖1 泰安市東羊樓巖溶塌陷

巖溶水是泰安市的重要水源，由于無節(jié)制地開采巖溶水，引起地下水位下降，形成降落漏斗，據(jù)不完全統(tǒng)計，位于津浦鐵路泰安段、訾家莊灌莊水源地、舊縣水源地已發(fā)生地面塌陷100余處，巖溶塌陷2003年5月31日凌晨，泰安市省莊鎮(zhèn)東羊樓村邊麥地間發(fā)生嚴重地面塌陷，近兩畝麥地突然間垂直塌陷30 m，大坑直徑接近40 m，形成山東省最大的巖溶塌陷(見圖1)。

1 地質(zhì)概況

本次重大巖溶塌陷，位于泰安市省莊鎮(zhèn)東羊樓村東麥地里，塌陷區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造如下。

1.1 地形地貌

東羊樓塌陷區(qū)地貌上屬剝蝕—溶蝕平原，位于泰萊盆地的西部，為石灰?guī)r隱伏區(qū)，第四系覆蓋層厚度一般在20～30 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

東羊樓塌陷區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，大的構(gòu)造主要有兩條，一條為岱道庵斷裂，由數(shù)條平行的斷層組成，斷層走向NNW，傾向NNE，傾角70°～75°;另一條為羊樓斷裂，斷層走向EW，傾向N，傾角70°～75°，該斷層在小苑莊以北被岱道庵斷層切斷。

1.3 地層巖性

東羊樓塌陷區(qū)為石灰?guī)r隱伏區(qū)，上層為粉土—粉質(zhì)粘土，松散，干燥，厚約30 m;下層為中奧陶馬家溝石灰?guī)r，巖層走向近東西向，傾向北，厚度很大。中奧陶系石灰?guī)r巖溶發(fā)育，含水性較強，由于含水層蓄水空間大，補給條件有利，地下水水源較為豐富，該區(qū)為泰安市重要水源地。

2 巖溶塌陷機理

巖溶塌陷的機理研究，主要有巖溶潛蝕、巖溶真空吸蝕等類型。

2.1 巖溶潛蝕

在石灰?guī)r隱伏區(qū)，地層屬于雙元結(jié)構(gòu)，上部為松散土層，下層為基巖。由于過度開采地下水，必然引起水位下降，開采量愈大，下降幅度愈大，形成的降落漏斗范圍愈大。當(dāng)?shù)叵滤唤档交鶐r面附近時，上部土體的自重應(yīng)力增加。在動水壓力作用下，不斷地將土顆粒帶到巖溶洞隙中，在基巖面附近首先形成土洞。隨著土洞的不斷擴大，當(dāng)上覆土體自重超過土的抗剪強度時，導(dǎo)致土體突然塌落，形成巖溶塌陷［2］。

2.2 巖溶真空吸蝕

在相對密閉的承壓巖溶水中，由于地下水位大幅度下降，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档交鶐r底板時，地下水由承壓水轉(zhuǎn)化為無壓，在水位與覆蓋層底板之間形成低壓真空，腔內(nèi)水面如同吸盤一樣，抽吸上部土顆粒，形成土洞。隨著水位的下降，吸力加大，土洞進一步擴大發(fā)展，以至于出現(xiàn)地面塌陷。

泰安地面塌陷的原因是多方面的，但主要是潛蝕作用和真空吸蝕共同作用的結(jié)果。沿羊樓斷裂南側(cè)，從苑莊至羊樓一帶第四系孔隙水與巖溶水有直接的水力聯(lián)系，孔隙水沿裂席通道向巖溶水排泄，產(chǎn)生潛蝕作用，在第四系地層與奧陶系地層的接觸帶附近，形成東西方向、呈串珠狀分布的土洞;由于超量開采，造成第四系孔隙水旱季被疏干，雨季后恢復(fù)這樣年復(fù)一年的重復(fù)現(xiàn)象，在空腔內(nèi)產(chǎn)生吸力，由此會引起土洞進一步擴大。事發(fā)正值小麥大量用水之際，由于過量抽取地下水，致使地下水位迅速下降，發(fā)生了山東省最大的巖溶地面塌陷。

3 地球物理勘探分析

在對泰安地區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀情況進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合剖面、電測深等方法，對塌陷現(xiàn)場進行了物探分析，旨在摸清塌陷區(qū)的地質(zhì)狀況及巖溶發(fā)育情況。

3.1 聯(lián)合剖面法［3］

聯(lián)合剖面法是由兩個對稱的三極裝置聯(lián)合而成，其公用供電電極C垂直于測線方向，在每一測點分別用A、C及B、C輪流供電，分別測出 M、N 電極之間的電位差值 ΔUAC、ΔUBC，繪制曲線，根據(jù)曲線特征解釋推斷含水層或含水構(gòu)造帶的部位。本次聯(lián)合剖面法工作，在東羊樓塌坑西側(cè)布置南北向聯(lián)合剖面線一條，測點距離為20 m，供電極距AB=140 m，測量極距MN=20m，其聯(lián)合剖面曲線見圖2，由7、8、9、10測點組成一個寬大的U字型異常，寬度達80 m，推測為強烈?guī)r溶發(fā)育帶。

圖2 1#測點的聯(lián)合剖面曲線

3.2 電測深法

電測深法就是在地表同一測點上、從小到大逐漸改變供電電極之間的距離，進行視電阻率測量，研究測線中點地下不同深度巖層的變化情況，確定不同地層的埋藏深度及其性質(zhì)的方法。本次電測深工作，在塌坑附近布置電測深點6個，測量極距MN=5 m，供電極距按 9、12、16、20、25、32、40、50、60、74 m 布置。

1#測點(位于塌坑北10 m，東西方向布極)的電測深曲線上有3個明顯的電性層［4］，0～27 m段，解釋真電阻率 ρ=97.5Ω.m，由此可推測此段主要為粉質(zhì)砂土;27～68m段，解釋真電阻率ρ=127.6Ω.m，推測27～68 m為灰?guī)r強烈?guī)r溶發(fā)育帶;68 m以上，解釋真電阻率ρ=400.5Ω.m，應(yīng)為完整石灰?guī)r。其他5個電測深曲線，基本上與1#測點相同，表明在塌坑周圍，30m深度附近存在強烈的巖溶發(fā)育帶。經(jīng)鉆孔驗證:0～25 m為干燥砂質(zhì)粉土，25 m開始巖芯破碎、掉鉆、巖溶發(fā)育，在36 m出現(xiàn)直徑3 m的溶洞，60 m以下中奧陶石灰?guī)r，巖芯呈短柱狀，巖石相對完整。

4 巖溶塌陷防治措施

(1)對已發(fā)生塌陷的地區(qū)應(yīng)盡快進行處理，避免在塌陷區(qū)附近進行任何工程建設(shè)活動。

(2)在潛在危險區(qū)中設(shè)立監(jiān)測點，對地下水動態(tài)進行長期的監(jiān)測，對地下水位進行控制。

(3)地下水位回升，能夠改善地下水的動力條件，減小地下水的波動，地面塌陷將會有所減緩。因此應(yīng)調(diào)整開采井的布局，減少地下水的開采量，要將地下水的開采量控制在允許范圍內(nèi)，在塌陷隱患區(qū)禁止增加開采量，對現(xiàn)有的開采井要統(tǒng)一管理，限量開采。

［1］國內(nèi)外巖土工程實例和實錄選編，林宗元主編，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］中國地質(zhì)災(zāi)害，段永侯，羅元華等，中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［3］周天福，工程物探，中國水利電力出版社，1992.

［4］山東水利科學(xué)研究所，電測找水，山東科學(xué)技術(shù)出版社，濟南，1980.