江西東鄉(xiāng)縣亭子上巖溶塌陷形成機(jī)理研究

吳雨夫，聶智強(qiáng)，冷從德，劉 云

(1.江西省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急中心，江西 南昌330025;2.江西省天久地礦建設(shè)工程院，江西 鷹潭335001)

0 引言

2012年7－8月，江西省東鄉(xiāng)縣孝崗鎮(zhèn)西坪村亭子上發(fā)生數(shù)起巖溶塌陷，造成多間房屋變形、部分房屋受損，受災(zāi)范圍較廣，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活帶來較大不便。通過鉆探、物探及地下水試驗(yàn)等手段，分析巖溶塌陷形成的3個必要的基本條件［1］，研究巖溶塌陷的發(fā)育特征，探討塌陷的形成機(jī)制及控制因素，以期為亭子上巖溶塌陷災(zāi)害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 自然地理及地質(zhì)環(huán)境

1.1 自然地理概況

亭子上巖溶塌陷研究區(qū)位于東鄉(xiāng)縣城北郊孝崗鎮(zhèn)西坪村，距離縣城約2 km。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年年平均降水量1 909.8 mm，降水多集中在4至8月，約占全年降水量的75.0%。研究區(qū)北側(cè)約1 km處為幸福水庫;北東-南西側(cè)發(fā)育有一條長年性溪流，受雨季和水庫排水影響，具暴漲暴落現(xiàn)象。

1.2 地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)處于東鄉(xiāng)盆地北緣，巖溶塌陷發(fā)生在地勢平坦的平原區(qū)，北側(cè)為構(gòu)造剝蝕低丘崗埠地貌。區(qū)內(nèi)揭露地層［2］有為第四系人工堆積層()、沖洪積層()、白堊系上統(tǒng)南雄組(K2nn)泥質(zhì)粉砂巖、石炭系下統(tǒng)梓山組(C1z)泥巖粉砂巖、雙橋山群(Pt2sh)千枚巖及可溶性巖層石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2－3ht)灰、灰白色厚層狀、塊狀白云質(zhì)灰?guī)r。

根據(jù)研究區(qū)地層巖性、地下水在含水介質(zhì)中的賦存特征，區(qū)內(nèi)地下水類型主要有松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。其中松散巖類孔隙水為該地主要開采地下水，區(qū)內(nèi)共有民井34口，井內(nèi)水位平均埋深約3 m，據(jù)訪問調(diào)查，地下水位受降雨、上游水庫排水影響明顯。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)示意圖

2 巖溶塌陷形成條件分析

形成巖溶塌陷的3個基本條件［1］，一是可溶性巖要具有天窗、豎井、深溶隙、溶縫等開口的巖溶形態(tài)，為地下水和上覆土體坍塌提供儲存場所和通道條件;二是要有能形成土洞的覆蓋土體;三是要有地下水位變動、降雨入滲或外部荷載的動力條件。

2.1 巖溶發(fā)育分析

研究區(qū)揭露的可溶性巖為石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2－3ht)微晶、泥晶狀白云質(zhì)灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r，巖石呈淺灰、灰白色，厚層狀構(gòu)造及塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，主要礦物成份為方解石、次為白云石，局部見硅化。

據(jù)鉆井資料顯示，覆蓋型灰?guī)r區(qū)覆蓋層厚度10.30～37.90 m，平均厚度20.84 m，平面上從中部往四周灰?guī)r埋深逐漸增大，巖溶發(fā)育方向?yàn)楸睎|向。覆蓋型灰?guī)r區(qū)11個鉆孔中有9個鉆孔揭露溶洞，鉆孔見溶洞率為81.8%，溶洞頂板埋深10.70～38.20 m，平均埋深22.35 m，洞頂板灰?guī)r厚度0.20～3.10 m。單洞洞高1.30～5.10 m，單孔線巖溶率65%～90%，各孔溶洞分布情況見表1。

表1 揭露溶洞發(fā)育特征統(tǒng)計表

由表1可知，覆蓋型灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，以溶洞形態(tài)為主，包括巖溶洼地，其次為溶隙及溶孔;溶洞主要發(fā)育于灰?guī)r頂面及其與覆蓋層接觸面附近，有70%的巖溶頂板厚度小于1 m，個別頂板厚度只有0.2 m，巖溶且多呈半充填狀態(tài)，充物主要為棕色、黑色粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土。巖溶的發(fā)育為上覆土體流失提供了良好的儲運(yùn)條件。

埋藏型灰?guī)r區(qū)灰?guī)r埋深35～200 m，上覆白堊系強(qiáng)-中風(fēng)化鈣質(zhì)粉砂巖，厚度大于3 m，灰?guī)r淺部巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度很不均勻，自上而下巖石風(fēng)化作用由強(qiáng)變?nèi)?巖石較完整～完整，巖溶不發(fā)育。

2.2 覆蓋土體分析

覆蓋型灰?guī)r區(qū)的整個土體覆蓋層平均厚度約20 m，最薄處約10 m，最厚處約38 m。據(jù)武雄等人在研究棗莊巖溶塌陷時發(fā)現(xiàn)［3］，巖溶塌陷主要分布在第四系蓋層厚度大于5 m的區(qū)域，這說明覆蓋可溶性巖的土體需要一定的厚度滿足在土體中形成土洞所需要的空間，顯然研究區(qū)的覆蓋層土體足以滿足土洞形成的空間條件。

覆蓋型灰?guī)r區(qū)的覆蓋層巖性從上而下分別為:(1)第四系人工堆積層(Qml4)，不均勻分布于研究區(qū)地表，主要為雜填土，為新近人工堆填而成，厚度0.5～2.0 m，平均厚約0.6 m;(2)第四系沖洪積層(Qal+pl4)，廣泛分布于研究區(qū)淺地表，該層自上而下可分為灰黃色、黃色沖洪積粉質(zhì)粘土、砂礫石層、含礫粘土層，其中砂礫石層為富水層，抽水試驗(yàn)資料，砂礫石層滲透系數(shù)K=8.754～17.52 m/d，粉質(zhì)粘土中局部土洞發(fā)育，該層厚度6.8～24.5 m，平均厚約12.5 m;(3)白堊系上統(tǒng)南雄組(K2nn)，分布于第四系堆積物下，為紫紅色全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，呈土狀，可塑～硬塑，厚度1.50～17.30 m，平均厚約7.5 m，紅層滲透系數(shù)K=0.274～1.911 m/d，單位涌水量0.126～0.143 l/s·m，透水性弱～中等，富水性弱。根據(jù)覆蓋層的透水性可將蓋層概化為透-阻型蓋層地質(zhì)模型。

2.3 地下水動力分析

研究區(qū)地下水自上而下為松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水主要賦存于砂礫石層中，水力性質(zhì)為潛水，靜止水位埋深一般1.17～6.03 m，平均埋深3.28 m，含水層厚度一般為3.00～10.00 m，主要接受來自大氣降雨、幸福水庫和溝溪地表水的入滲補(bǔ)給。紅層裂隙孔隙水含水介質(zhì)為白堊系紅色碎屑巖，裂隙及孔隙較發(fā)育，地下水主要賦存于風(fēng)化及孔隙裂隙中，該層地下水富水性貧乏，且透水性好，主要接受松散巖類孔隙水的滲透補(bǔ)給，在研究區(qū)北東側(cè)出露紅色碎屑巖直接接受大氣降雨的滲入補(bǔ)給。碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水介質(zhì)為石炭系中上統(tǒng)碳酸鹽巖，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r等，分布于研究區(qū)隱伏灰?guī)r的裂隙溶洞中，垂向上主要接受松散巖類孔隙水的越流補(bǔ)給(局部為滲透補(bǔ)給)和紅色碎屑巖孔隙裂隙水的滲透補(bǔ)給，同時，巖溶水接受研究區(qū)外北東-南西向溶洞水的補(bǔ)給。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖

當(dāng)松散巖類孔隙地下水接受大氣降雨及地表水入滲補(bǔ)給時，地表雨水水頭與松散巖類孔隙水地下水水頭之間存在水頭差，形成水力梯度，使雨水滲透過覆蓋層巖土體時產(chǎn)生滲透力，研究區(qū)孔隙水埋藏較淺，受降雨影響較大，降雨后水位迅速上升，隨著降雨的減少，水位又持續(xù)下降。居民區(qū)民井眾多，日取水量約200 t，孔隙地下水位變化較明顯，形成水力坡度，水力坡度2%～10%。松散巖類孔隙水與巖溶水存在間接的水力聯(lián)系，當(dāng)土層中具備通道時，就會形成比較緊密的水力聯(lián)系。巖溶水地下水徑流條件較好，以徑流循環(huán)交替為主，當(dāng)大量抽排該層地下水時，巖溶地下水位也將隨之上下浮動。綜上所述，研究區(qū)具備良好的地下水動力條件。

3 巖溶塌陷發(fā)育現(xiàn)狀

巖溶地面塌陷是指可溶巖洞、隙上方的巖、土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形破壞，并在地面形成塌陷坑的一種巖溶動力作用與現(xiàn)象［4］。

在2011－2012年間，東鄉(xiāng)縣亭子上共發(fā)生5起巖溶地面塌陷。2011年6月2日發(fā)生1起，位于研究區(qū)西北側(cè)水田中;2012年7月31日發(fā)生1起，位于一新建4層民房右前方約3 m處;2012年8月11、12和17日各發(fā)生1起，都位于居民區(qū)。這5處塌陷面形狀都近似橢圓形，塌陷面中徑多在2.5～3 m，塌陷深約1.5～3 m。巖溶塌陷呈不規(guī)則分布，4處位于居民區(qū)，1處位于研究區(qū)西北側(cè)農(nóng)田中，在空間上看，多發(fā)育于研究區(qū)中西部，全部位于覆蓋型灰?guī)r區(qū)。從塌陷發(fā)生的時間看，多發(fā)生在汛期6－8月，該段時期，降雨較為集中。

圖3 巖溶塌陷(左側(cè)為T1，右側(cè)為T4)

4 塌陷形成機(jī)理分析

巖溶塌陷的發(fā)生是由于塌陷體受到的致塌力大于抗塌力，各種致塌力可形成多種力學(xué)效應(yīng)，重力效應(yīng)、滲流潛蝕效應(yīng)、失托增荷效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng)、水氣沖爆效應(yīng)、振動破裂效應(yīng)等［5］。亭子上巖溶塌陷的形成是多種力學(xué)效應(yīng)的結(jié)果。

滲流潛蝕和真空吸蝕效應(yīng)使覆蓋土體形成土洞。據(jù)調(diào)查，在研究區(qū)有一長觀井，1994年以前一直處于自流狀態(tài)，之后，自流現(xiàn)象消失，井中水位也逐漸降低，這說明研究區(qū)巖溶地下水位自1994年后一直處于下降過程，且其水頭要明顯低于上層松散巖類孔隙水。因此，在1994年之后研究區(qū)的松散巖類孔隙水開始補(bǔ)給巖溶地下水。一方面，由于灰?guī)r上覆的全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖透水性弱，當(dāng)松散巖類孔隙水透過含礫粘土層通過紅層裂隙與巖溶地下水聯(lián)系時，可在局部形成降落漏斗，成為松散巖類孔隙水補(bǔ)給巖溶地下水的匯集中心，圍繞這些中心，水流集中、流速加大，滲透壓力增強(qiáng);另一方面，巖溶地下水的下降，可在局部形成負(fù)壓，產(chǎn)生向下的吸蝕力，在鉆井過程中就出現(xiàn)過吸氣的現(xiàn)象。在滲流潛蝕和真空吸蝕的共同作用下，土體中細(xì)小顆粒被帶走，導(dǎo)致局部微小坍塌，逐漸形成土洞。在覆蓋土體中土洞形成之后，隨著地下水位的升降變化，滲流潛蝕和真空吸蝕的效應(yīng)持續(xù)，土洞空間逐漸擴(kuò)大，洞頂位置逐漸上移，拱頂土層相應(yīng)變薄，在土層自重或外加荷載的作用下，土洞頂板土體突然產(chǎn)生大幅度破壞變形，產(chǎn)生巖溶地面塌陷。

失托增荷效應(yīng)觸發(fā)地面塌陷。據(jù)資料顯示，2012年8月8－11日，研究區(qū)有一個明顯的降雨過程，降雨量較大。降雨過后，研究區(qū)于11、12、17日分別發(fā)生一起地面塌陷，這是由于雨水入滲土體后，一方面增加了土體自重，另一方面又降低了土體強(qiáng)度，再加上雨水的垂直滲透力使得覆蓋土體致塌力上升，抗塌力下降，破壞了土體的力學(xué)平衡從而導(dǎo)致了塌陷的發(fā)生。另外2起地面塌陷1起發(fā)生在研究區(qū)西北側(cè)稻田內(nèi)，靠近溪流，另1起發(fā)生在新建的2層樓房旁邊。這2起塌陷發(fā)生前10 d均未降雨，顯然，降雨不是這2起塌陷的誘因，6月份正值水稻生長期，稻田內(nèi)水量豐蘊(yùn)使得土洞上覆土體的荷載增加，同理新建的2層磚混樓房給土洞上覆土體帶來了較大的荷載，當(dāng)土洞頂板隨著時間的推移在地下水的作用下一點(diǎn)點(diǎn)變薄后，其承載力也在逐漸降低，最終在外加荷載增大的情況下失穩(wěn)坍塌形成地面塌陷。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)分為非灰?guī)r區(qū)、覆蓋型與埋藏型灰?guī)r區(qū)，5起地面塌陷全部發(fā)生于覆蓋性灰?guī)r區(qū)。這5處塌陷面形狀都近似橢圓形，塌陷面中徑多在2.5～3 m，塌陷深約1.5～3 m。巖溶塌陷多分布與人類經(jīng)濟(jì)活動頻繁區(qū)，多發(fā)生在降雨較為集中的汛期6－8月份。

(2)覆蓋型灰?guī)r區(qū)地面塌陷的形成條件充分，一是巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，鉆孔見溶洞率達(dá)90%，且70%的巖溶頂板小于1 m;二是灰?guī)r上覆土體較厚，平均厚約20 m，含粉質(zhì)粘土和砂礫石;三是地下水水位的變化使得地下水動力充足。

(3)巖溶塌陷的形成是多種力學(xué)效應(yīng)的結(jié)果。首先是在滲流潛蝕和真空吸蝕效應(yīng)的作用下覆蓋土體形成土洞，然后經(jīng)過降雨或增加荷載提升土體的致塌力導(dǎo)致土洞頂板力學(xué)失衡坍塌形成地面塌陷。

［1］ 陳國亮.巖溶地面塌陷的成因與防治［M］.北京:中國鐵道出版社，1994:61－62.

［2］ 江西省天久地礦建設(shè)工程院.東鄉(xiāng)縣孝崗鎮(zhèn)西坪村亭子上組地面塌陷勘查報告［R］.2012，11.

［3］ 武 雄，高明顯，張順峰，等.棗莊巖溶塌陷形成條件及主要影響因素［J］.地學(xué)前緣，2007，14(6):227－233.

［4］ 雷明堂，蔣小珍.巖溶塌陷研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其支撐技術(shù)方法［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1998，9(3):1－6.

［5］ 康彥仁.論巖溶塌陷形成的致塌模式［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1992，19(4):32－34.