從研究巖溶地下水角度分析評價巖溶塌陷的危險性
——以南寧壇洛塌陷為例

李海良，王舉平,，蘭干江,黃花群，謝永彬，唐志祥，潘會彬

(1.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

0 引言

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害是一種復(fù)雜的工程地質(zhì)現(xiàn)象，它的發(fā)育是內(nèi)因、外因共同作用的結(jié)果，內(nèi)因包括上覆土層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、下伏基巖的巖溶化等因素；外因包括人類工程活動及其他因素導(dǎo)致的地下水動力條件的改變等[1]。該文在壇洛地下水動態(tài)觀測與巖溶塌陷的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，分析壇洛地下水動態(tài)變化規(guī)律及影響因素確定地下水強徑流帶、巖溶塌陷的基本特征，從巖溶地下水的角度勘察、評價巖溶塌陷的危險性。

在巖溶塌陷的勘探方法上國外仍認為鉆探最可信,但由于其成本昂貴,且因地下巖溶地貌分布極不均勻、布孔的隨機性等可能會造成差異,因而嘗試使用地球物理勘探及遙感方法來勘測地下巖溶[2]。國內(nèi)較常用的勘察方法以大比例尺地面地質(zhì)測繪和地球物理勘探為主，如地質(zhì)雷達、高密度電法、地震、EH4、V8、跨孔CT等，而物探方法具有多解性需要用鉆探去驗證其圈出的異常范圍。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象水文特征

壇洛位于南寧市西北部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫21.6℃，最高氣溫40.4℃，最低氣溫-2.1℃[3]。該區(qū)多年平均降雨量1304.2mm，每年4—10月雨季，降雨量占全年降水量的84.4%，11月至翌年3月為旱季，降雨量僅占全年降水量的15.6%；受大明山和高峰嶺地勢較高的影響，降雨量在時空上的分布呈北東多，南西少的特點。

研究區(qū)附近主要地表水系為左江、右江、剪刀河及硃湖大塘，其中左江位于研究區(qū)東南約10km，右江位于研究區(qū)東約8km，剪刀河位于研究區(qū)南約7km，硃湖大塘位于研究區(qū)南約350m。研究區(qū)總體地勢西高東低，多數(shù)地段被殘坡積、溶余堆積粘土所覆蓋，為巖溶孤峰平原地貌，壇洛一帶平坦開闊，孤峰稀少，以單個為主。地面高程在86.78～89.9m之間，地勢平坦，相對高差較小。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)上覆第四系淤泥質(zhì)粘土、溶余堆積紅粘土，厚9.30～21.60m；下伏基巖為早石炭世大塘階灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、少量大理巖，區(qū)域上巖層傾向E，傾角一般小于15°,覆蓋型巖溶發(fā)育。

斷裂構(gòu)造方面，壇洛斷層位于研究區(qū)北西方向約500m，分布于壇洛至江西一帶，切割寒武系、泥盆系、石炭系、新近系地層，走向為NW向，傾向210°，傾角70°～75°，為近期仍在活動的區(qū)域性正斷層，屬右江斷裂一部分，平行于那龍向斜；右江斷裂帶走向310°，傾向NE，傾角50°～80°，為一條區(qū)域性活動性斷裂，斷裂帶影響范圍較大，研究區(qū)正處于右江活動性斷裂及其影響帶范圍內(nèi)。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)處在壇洛-天堂水文地質(zhì)單元的南部，毗鄰地表分水嶺，屬地下水補給區(qū)。據(jù)地下水的賦存條件、含水介質(zhì)、埋藏情況分為松散巖類孔隙水、覆蓋型碳酸鹽巖裂隙溶洞水2類。松散巖類孔隙水賦存于較致密紅粘土中，以上層滯水為主，水位埋深0.35～6.80m，透水性弱，富水性貧乏；覆蓋型碳酸鹽巖裂隙溶洞水賦存于灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中，地下巖溶發(fā)育，水位埋深5.79～12.86m，鉆孔遇洞率32.6%，在區(qū)內(nèi)2處測得水井涌水量分別為10m3/h，32m3/h，富水性中等。

2 塌陷現(xiàn)狀

壇洛發(fā)生巖溶地面塌陷19處，地裂縫17條，塌陷重點變形區(qū)范圍約61126m2，總的下沉量約為4255m3，平面形態(tài)多呈似圓形—橢圓形，剖面形態(tài)多呈漏斗狀，多分布與以公路為中心的兩側(cè)范圍至村莊，呈北東南西向發(fā)育，規(guī)模均為小型。地裂縫多為塌坑外圍的環(huán)形、弧形裂縫，局部為塌陷隱患(沉陷)產(chǎn)生的地裂縫，地裂縫最寬達10cm，裂縫長度9.87～17.75m，多分布于地下水強徑流帶。根據(jù)塌陷和裂縫發(fā)育情況推測塌陷的影響范圍，由現(xiàn)狀塌陷和裂縫邊界向外擴展至50～100m的穩(wěn)定區(qū)，長軸長約450m，短軸寬約300m，面積約100600m2，長軸走向68°，短軸走向335°，災(zāi)害威脅62戶共232人，潛在經(jīng)濟損失約870萬元，嚴重威脅了當?shù)鼐用竦纳睢⑸a(chǎn)及生命財產(chǎn)安全。

3 巖溶發(fā)育特征

巖溶水的巖溶空間系統(tǒng)的分布、徑流條件、運動特征決定于可溶巖的水動力場、地質(zhì)構(gòu)造場、巖石結(jié)構(gòu)場,這些因素對可溶巖的巖溶形態(tài)、發(fā)育強度、部位起到了重要的控制作用,進而影響到巖溶水的運動條件及巖溶含水層的儲導(dǎo)性質(zhì)[4]。

研究區(qū)基巖面標高65.19～78.82m，埋深9.30～21.60m，基巖面起伏較大。據(jù)已施工的29個鉆孔及引用的17個(1個未到基巖)鉆孔資料統(tǒng)計，有15個鉆孔遇溶洞(圖1)，鉆孔見洞率為32.60%，線巖溶率1.12%～24.52%。按其發(fā)育高程劃分，地面以下溶洞大致可劃分為4段。

(1)標高65.0m以上。鉆入該段的鉆孔17個，6個鉆孔遇到溶洞，鉆孔遇洞率35.29%，發(fā)育有溶洞7個，占溶洞總數(shù)的36.84%，均為充填溶洞。

(2)標高55.0～65.0m。鉆入該段的鉆孔19個，3個遇到溶洞，鉆孔遇洞率15.78%，發(fā)育有溶洞3個，占溶洞總數(shù)的15.78%，充填溶洞1個，占總數(shù)的33.3%。

(3)標高45～55m。鉆入該段的鉆孔2個，2個遇到溶洞，鉆孔遇洞率100%，發(fā)育有溶洞5個，占溶洞總數(shù)的26.31%，充填溶洞1個，占20.0%。

(4)標高45.0m以下。鉆入該段的鉆孔8個，4個遇溶洞，鉆孔遇洞率50.0%，遇溶洞4個，占溶洞總數(shù)的21.07%，充填溶洞2個，占50.0%(表1，圖1)。

表1 地下巖溶發(fā)育段情況

圖1 巖溶發(fā)育垂向分段剖面圖

4 地下水與巖溶地面塌陷的關(guān)系

4.1 地下水開采現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查，研究區(qū)現(xiàn)僅1處開采地下水，位于該區(qū)西北角，即二中西北角后門旁的水井，2006年成井，深約30.0m，抽水量約為5t/d。研究區(qū)附近約1km內(nèi)分布有馬重、二甲、硃湖、花謝坡、壇洛中學(xué)、壇洛二中舊井、壇洛村等10余口地下水開采井，開采量約5～50m3/h。其中位于壇洛村委北面的水井為全村的飲用水源,1984年成井，深102.0m，抽水量為100t/d。該區(qū)外圍2km外有較多的農(nóng)用灌溉井主要分布于硃湖、坡君一帶，開采量較小。

4.2 地下水動態(tài)特征

研究區(qū)位于壇洛-天堂亞區(qū)中的天堂塊段水文地質(zhì)單元補給區(qū)域，靠近西南側(cè)水文地質(zhì)邊界線，地下水動態(tài)變化較為穩(wěn)定(圖2)。調(diào)查時二中大口井實測水位標高為80.89m，而下游約1.5km壇洛圩水井實測水位標高為76.2m，水力坡度為3×10-3；分水嶺的南西側(cè)坡君村水井水位標高78.00m，壇地水井地下水水位標高為68.91m，地下水水力坡度較大，為7.7×10-3。該區(qū)豐水期水位埋深為5.79～12.86m，枯季地下水位埋深為10.79～17.86m，水位變幅多位于基巖面附近波動。

地下水位的變化實際上是巖溶塌陷過程中物質(zhì)運移與能量轉(zhuǎn)移的動力,當?shù)叵滤幌陆禃r,水力坡度也將增大,潛水與地下水之間的水頭差變大,補給引起的滲流場增強,使地下水動力條件增強,由此而在巖溶空腔或土洞中形成的空氣壓力變化造成的吸蝕作用與真空負壓作用將對上覆土體產(chǎn)生強烈的破壞,同時地下水的流動將充填在巖溶空腔中的粘土顆粒帶走,促進了巖溶塌陷的發(fā)生[5]。

圖2 二中水位波動圖(6月2日—8月21日)

4.3 地下水運動與塌陷形成關(guān)系

研究區(qū)位于地下水補給區(qū)內(nèi)，地下水富水性中等，主要賦存于灰?guī)r裂隙、溶洞中。地下水自南向北徑流，以管道流為主，水平運動的水流具強大搬運作用，把巖土體內(nèi)的顆粒帶走，不斷的沖刷與溶蝕作用，使地下巖溶裂隙、溶洞腔體不斷擴大。同時地表水向洼地匯集后，沿土體裂隙不斷下滲補給地下水，且枯水期地下水位下降至基巖面以下，豐水期補給后又上升至基巖面之上，垂直運動的水流有強烈的潛蝕和搬運作用，長期潛蝕土體形成土洞，并且把細顆粒送至水平運動水流中，隨著土洞、溶隙及溶洞體不斷發(fā)展擴大，頂板支撐力小于地面巖土體自重時引發(fā)了巖溶地面塌陷。

該區(qū)豐水期水位標高75.64～82.67m，地下水位年變幅5～8m，變幅帶正好位于土層與基巖面接觸帶間，地表水與地下水聯(lián)系密切，地下水活動強烈，地下水位在垂直方向上的交替與周期性變化使基巖面附近的土層因潛蝕作用逐漸被掏空而形成土洞，當土洞擴大發(fā)展達到上部土層頂板的臨界穩(wěn)定狀態(tài)時，巖溶地下水水位的升降、人工抽地下水等導(dǎo)致土洞氣壓增大或突然產(chǎn)生相對負壓力，降雨、農(nóng)業(yè)灌溉或地表水體入滲等作用，使土體飽水，抗剪強度降低，土洞頂板失穩(wěn)而形成巖溶地面塌陷。

4.4 地下水強徑流帶與塌陷關(guān)系

巖溶水強徑流帶主要發(fā)育于裸露型巖溶與埋藏型巖溶的接觸帶， 裸露灰?guī)r區(qū)的河谷地帶或斷裂帶部位，及部分隱伏型灰?guī)r或淺埋藏型灰?guī)r的構(gòu)造部位；主要類型有接觸帶型、 河谷型及構(gòu)造帶型[6]。

地下水強徑流帶由于其水力坡度較大，水流速較大，水流集中，流態(tài)復(fù)雜且易變，地下水交替循環(huán)強烈，地下水位波動頻繁，因此，地下水對巖土體的潛蝕、吸蝕、溶蝕等作用都會加強，從而更加容易形成和產(chǎn)生塌陷[7]。根據(jù)水位監(jiān)測結(jié)果，地下水水位變化大體可化分為2個區(qū)域：

(1)研究區(qū)： 7月23日壇洛降雨量為29.3mm，其中6月份水位監(jiān)測密度較大，每天監(jiān)測3～8次，7、8月份監(jiān)測密度逐漸減小。由圖2可知二中新水井的水位升降浮動較大，5月31日—6月15日水位穩(wěn)定居于高位，6月15日—7月7日水位降到波谷值。7月24日—25日水位埋深變化大，ZK13水位埋深由4.0上升為6.30m，而26—27日未降雨升至6.72m，地下水下降幅度較大。

(2)研究區(qū)外圍：ZK33，ZK35，ZK17號孔，水位略有上升，后呈逐步下降的趨勢，總體上水位較穩(wěn)定。

強徑流帶上形成的塌陷的主要是地下水位下降形成降落漏斗誘發(fā)的，而地下水又受降雨的補給，持續(xù)上升浸泡土洞頂板土體，同時降雨入滲導(dǎo)致土體抗剪強度下降，當致塌力大于抗塌力時產(chǎn)生地面塌陷。因此，①研究區(qū)處在強徑流帶上地下水波動頻繁，水動力條件復(fù)雜多變，產(chǎn)生巖溶塌陷的可能性大，則研究區(qū)危險性大；②研究區(qū)外圍未處在強徑流帶上地下水波動較弱，水動力條件簡單，產(chǎn)生巖溶塌陷的可能性較小，則研究區(qū)外圍危險性小。

5 結(jié)語

(1)當處在地下水強徑流帶上，地下水頻繁波動，水動力條件復(fù)雜多變，等水位線比較密集，水力坡度較大，易發(fā)生巖溶地面塌陷。

(2)勘察評價巖溶地面塌陷時可以從研究巖溶地下水的角度去著眼出發(fā)，圈定地下水強徑流帶的范圍，從而確定該范圍易于發(fā)生巖溶塌陷。

(3)研究區(qū)處在強徑流帶上發(fā)生巖溶塌陷危險性大，而研究區(qū)外圍處在強徑流帶的外緣發(fā)生巖溶塌陷的危險性小。

參考文獻:

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