珠江三角洲地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子分析

董好剛

DONG Hao-Gang

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205)

珠江三角洲地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子分析

董好剛

DONG Hao-Gang

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205)

珠江三角洲位于廣東省中部偏南，地處海陸結(jié)合部，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，淤泥質(zhì)軟土廣布，地面塌陷是其地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一[1]。隨著廣-佛-深城市群市政及交通工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市地鐵等地下工程建設(shè)全面展開，地下施工震動大，過量抽取地下水，對巖土層破壞顯著，地表失穩(wěn)、地面塌陷災(zāi)害頻繁發(fā)生。陷坑多呈圓筒狀或漏斗狀，平面形狀以圓形、近圓形或橢圓形居多，直徑2～20 m不等，深度多小于10 m，個別可達(dá)20 m以上，多數(shù)塌陷坑有充水現(xiàn)象。地面塌陷災(zāi)害與高度發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)、完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施相耦合，必然放大災(zāi)害的破壞效應(yīng)，嚴(yán)重影響工業(yè)與民用建筑工程、堤圍水利工程、地下供水-供電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的正常使用，或使路面凹凸不平不能發(fā)揮正常運(yùn)營[2-4]。

1 地面塌陷的分布與特征

1.1 空間分布

經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)已發(fā)的巖溶塌陷主要分布于深圳市龍崗-坑梓-坪地一帶、廣花盆地、增城市派潭、肇慶市區(qū)、江門市臺山等地（表1），均發(fā)生在覆蓋型可溶巖分布區(qū)，多見于開采石灰?guī)r礦場周圍或地下水開采井密集區(qū)。按成因可分為人為因素和自然因素引發(fā)的兩種，以人為引發(fā)的居多（表1）。如廣州市廣花盆地100余處巖溶塌陷均為人為誘發(fā)；深圳市龍崗區(qū)發(fā)現(xiàn)的27處塌陷中，有14處為人為因素誘發(fā)；增城市派譚鎮(zhèn)及恩平市橫陂鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)的巖溶塌陷均為人為因素造成。

1.2 時間分布

表1 地面塌陷分布及成因情況統(tǒng)計表Table 1 Distribution of ground subsidence and its cause of formation

圖1 廣州地面塌陷災(zāi)害年際分布（年）[3]Fig.1 Annual distribution of surface subsidence disaster in Guangzhou

圖2 廣州市地面塌災(zāi)害年內(nèi)分布（月）[3]Fig.2 Monthly distribution of ground collapse disaster in Guangzhou

以廣州市為例，圖1揭示了廣州市1995-2005年地面塌陷災(zāi)害的時間分布特點(diǎn)[3]。圖1表明，地面塌陷呈明顯的波浪狀上升趨勢，1999年以來，數(shù)量更多、頻率更高。這一時期為厄爾尼諾多發(fā)期，氣候異常，多暴雨和洪水，易于誘發(fā)地面塌陷等各種地質(zhì)災(zāi)害[5-6]。同時，由于城市地鐵等地下工程建設(shè)全面展開，地下施工震動大，過量抽取地下水，對巖土層破壞顯著，地表失穩(wěn)，工程地面塌陷災(zāi)害頻繁發(fā)生。 圖2表明，從年內(nèi)分布情況來看，各月都有出現(xiàn)，但在4～8月尤為嚴(yán)重。因為這一時期降水豐沛，地下水位變幅大，成為隱伏巖溶地層塌陷的主要的動力，所以地面塌陷尤其嚴(yán)重。

1.3 地面塌陷基本特征

通過對近幾年發(fā)生地面塌陷進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)為以下特征[3]：

(1)地域性。區(qū)內(nèi)已發(fā)的巖溶塌陷均發(fā)生在覆蓋型可溶巖分布區(qū)，多見于開采石灰?guī)r礦場周圍或地下水開采井密集區(qū)。

（2）隱伏性。其發(fā)育發(fā)展情況、規(guī)模大小、可能造成地表塌陷的時間及地點(diǎn)具有極大的隱伏性，發(fā)生之前很難被人意識到。

（3）突發(fā)性。一次完整的塌陷過程可能就是1分鐘左右，往往使人們在塌陷發(fā)生時措手不及，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。

（4）群發(fā)性。地面塌陷災(zāi)害往往不是孤立存在的，常在同一地區(qū)或某一時段集中形成災(zāi)害群。如廣州市大坦沙及周邊僅數(shù)平方公里范圍內(nèi)，頻繁發(fā)生巖溶地面塌陷等災(zāi)害，僅2008年發(fā)生9次，其中1月17-23日一周時間在雙橋路幾乎同一地段便發(fā)生了三次塌陷（圖3），造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。再如金沙洲塌陷群（位于廣州市沙貝村附近，金沙洲新社區(qū)-佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)一線）。從2007年7月至2008年底該區(qū)域共發(fā)生大小巖溶塌陷15余起，同時發(fā)生近500 m2、最大沉陷量達(dá)50厘米的巖溶沉陷，巖溶沉陷和塌陷導(dǎo)致工程被迫停工、居民搬遷，經(jīng)濟(jì)損失慘重（圖4）。

圖3 大坦沙塌陷群Fig.3 Collapse group in Datan area

圖4 金沙洲塌陷群Fig.4 Collapse group in Jinshazhou area

2 地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境

2.1 特殊的氣候背景

珠江三角洲緯度偏低，北靠大陸，南瀕海洋，深受南方海洋性暖濕氣團(tuán)與季風(fēng)的影響，為典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬夏季風(fēng)交替，雨熱同期，雨量充沛。年降水量平均為1 689.3～1 876.5 mm，4～9月為雨季，降水量占年降水量的80%以上[5-6]。

2.2 斷裂的活動

受加里東構(gòu)造運(yùn)動、海西運(yùn)動、燕山運(yùn)動和喜山運(yùn)動等多期構(gòu)造運(yùn)動作用，珠三角地區(qū)構(gòu)造格局非常復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育且均為活動性斷裂。它們不僅控制著區(qū)域地殼的升降運(yùn)動、地貌景觀差異和大地構(gòu)造單元，而且會誘發(fā)地震。具有明顯活動性的斷裂有3組[1,7]，即EW向組:瘦狗嶺斷裂、廣三斷裂；NNE向組:廣從斷裂；NNW-NW向組:石榴崗斷裂、化龍斷裂和文沖斷裂。

2.3 第四紀(jì)地層廣布

珠三角地層屬于華南地臺型沉積，除了出露巖漿巖、變質(zhì)巖及零星的上古生界-中生界外，約有60%的面積被第四系松散沉積物和水系覆蓋，主要巖性有粗砂、中砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂、粘土、粘土、有機(jī)質(zhì)淤泥、泥炭土、流塑性淤泥層等[7]。這種廣布的淤泥層厚度大，地下水埋藏淺，天然含水量為66.7%～82.6%，液性指數(shù)為1.44～2.49，壓縮系數(shù)為0.11～0.186 cm2/kg，具有強(qiáng)烈的觸變性和流塑性。再加上城市基礎(chǔ)設(shè)施施工的動靜載荷變化的影響，砂土液化，淤泥排水壓密，從而導(dǎo)致地面塌陷。

2.4 劇烈的人類活動

珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)擁有眾多大型工業(yè)企業(yè)，對地下淡水的需求很大，長期超量開采淺層地下承壓水是地面塌陷的主要原因。廣州等城市建設(shè)以高層建筑基礎(chǔ)工程、地鐵等為代表的建設(shè)施工過程，如基坑開挖、除排水、沉樁、盾構(gòu)掘進(jìn)、沉樁等都可造成地面塌陷；若工程穿過易液化砂層或飽和淤泥質(zhì)軟土?xí)r可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致基坑附近塌陷。

3 致災(zāi)因子分析

珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)地面塌陷的致災(zāi)因子，按其成因類型可分為兩種：自然因素致災(zāi)因子和人為因素致災(zāi)因子。自然因素致災(zāi)因子包括溶發(fā)育的隱伏碳酸鹽巖區(qū)、覆蓋層特征、有利地形地貌、強(qiáng)降雨或重干旱氣候特征等等；人為因素致災(zāi)因子主要指人類活動劇烈導(dǎo)致的因素，如加載和排水等。

3.1 自然因素致災(zāi)因子

3.1.1 巖溶發(fā)育的隱伏可溶鹽巖區(qū)地面塌陷多發(fā)

區(qū)內(nèi)所發(fā)生的巖溶塌陷主要分布在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的隱伏碳酸鹽巖區(qū)，巖溶塌陷與巖溶率具有較好的正相關(guān)系[2]。以廣州市荔灣區(qū)大坦沙塌陷群為例。研究區(qū)基巖主要巖性為可溶性灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、砂礫巖，基巖巖溶發(fā)育。據(jù)廣東省地調(diào)院977個鉆孔資料統(tǒng)計，見溶洞鉆孔111個，見溶洞202個，鉆孔見洞率11.36%，見土洞鉆孔6個，見土洞8個。其中有43個鉆孔見多層溶洞，占全部鉆孔的4.40%，占見溶洞鉆孔總數(shù)的38.74%，見兩層溶洞的有20個，占比2.05%，見三層溶洞的有12個，占比1.23%，見三層以上溶洞的有11個，占比1.13%，見溶洞最多的一個鉆孔在垂向2l m范圍發(fā)育有11層溶洞，其中有2個溶洞是串珠狀溶洞。具體見表2。

表2 巖溶發(fā)育強(qiáng)度統(tǒng)計表Table 2 Statistical of karst development intensity

3.1.2 覆蓋層特征對地面塌陷的發(fā)生也產(chǎn)生重要影響

（1）覆蓋層巖土性狀對巖溶塌陷的影響

巖土性狀泛指覆蓋層土體的各種物理力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)等[4-5]。從本區(qū)巖溶塌陷發(fā)育情況來看，在級配良好的松散砂土和含礫砂土覆蓋層地區(qū)，土洞和塌陷較級配不好且密實(shí)的砂礫土覆蓋層地區(qū)發(fā)育，這是因為前者易產(chǎn)生潛蝕和管涌破壞，臨界水力坡度相對較低，易產(chǎn)生滲透變形，形成土洞和塌陷；后者則不容易產(chǎn)生滲透變形，不容易形成土洞和塌陷。在覆蓋層以粘土層為主地區(qū)，呈軟塑狀態(tài)且粘粒含量低的粘性土，巖溶塌陷較發(fā)育，這是因為該類粘性土c、φ值較小、抗剪強(qiáng)度較低，抵抗?jié)B透變形及塌陷的能力較低；而堅硬態(tài)且粘粒含量高的粘性土分布地區(qū)，巖溶塌陷較不發(fā)育，因為該類粘性土c、φ值較大，抗剪強(qiáng)度較高，不易產(chǎn)生滲透變形，不易產(chǎn)生土洞與塌陷。

（2）覆蓋層厚度對地面塌陷的影響

覆蓋層厚度對土洞頂板的抗塌能力有重要影響。覆蓋層厚度越小，巖溶塌陷越發(fā)育。由表3可看出，廣州地區(qū)厚度小于8 m區(qū)域的塌陷個數(shù)占總塌陷個數(shù)的91.7%，覆蓋層厚度大于10 m的塌陷個數(shù)占總塌陷個數(shù)的8.3%。國內(nèi)外研究表明：巖溶塌陷區(qū)覆蓋層厚度大于10 m占極少比例[2-3]。

表3 覆蓋層厚度與巖溶塌陷關(guān)系統(tǒng)計Table 3 Relationship between the thickness of the overburden and the karst collapse

（3）覆蓋層結(jié)構(gòu)對地面塌陷的影響

地面塌陷的發(fā)生與覆蓋層結(jié)構(gòu)具有一定關(guān)系，一般結(jié)構(gòu)越多，塌陷越易發(fā)生，尤其發(fā)育土洞對塌陷的發(fā)生更具相關(guān)性。以大坦沙塌陷群為例，根據(jù)鉆孔資料[8]，大坦沙覆蓋層厚度10～20 m，多為雙層結(jié)構(gòu)和混雜堆積結(jié)構(gòu)。再如金沙洲塌陷群，其地工程地質(zhì)條件復(fù)雜，既是典型的巖溶地區(qū)，又是軟土地區(qū)。根據(jù)勘察報告[9]，場地內(nèi)土層一般呈雙層結(jié)構(gòu)，土層厚度6.9～58.9 m。白云區(qū)嘉禾-白云新城地區(qū)，第四系覆蓋層主要為海陸交互相沉積的淤泥質(zhì)土層及砂層，覆蓋層厚度約10 m，多為單層結(jié)構(gòu)和混雜堆積結(jié)構(gòu)。據(jù)地鐵二號線459個位于隱伏巖溶區(qū)的鉆孔中統(tǒng)計，有29個遇上土洞，其中21個位于壺天灰?guī)r中。

3.1.3 塌陷多分布在河床兩側(cè)及地形低洼地段

巖溶塌陷主要分布于巖溶盆地，大多分布在農(nóng)田、魚塘等低洼地段。龍崗區(qū)的巖溶塌陷均分布于龍崗河及其支流兩側(cè)，2008年荔灣區(qū)發(fā)生的雙橋路和珠江大橋的引橋交界處地面塌陷（圖3）也發(fā)生在珠江邊。由于這些地區(qū)，地表水和地下水的水力聯(lián)系密切，兩者之間的相互轉(zhuǎn)化比較頻繁，如果地表巖溶較發(fā)育，在自然條件下就可能發(fā)生溶蝕作用，形成土洞，進(jìn)而產(chǎn)生巖溶塌陷。

3.1.4 強(qiáng)降雨或重干旱環(huán)境下地面塌陷更易發(fā)生

在隱伏巖溶發(fā)育的廣花盆地，持續(xù)性的強(qiáng)降雨天氣或久旱后的暴雨，極易導(dǎo)致地面塌陷。如，1996年2月25日，白云區(qū)龍歸鎮(zhèn)南嶺村東部農(nóng)田由于雨后地層自重力加大而下陷，塌陷面積達(dá)1134 m2，最大塌陷深度2 m，經(jīng)濟(jì)損失20萬元，其致災(zāi)因子就是久旱后下雨，雨水迅速下滲，地層自重壓力增大失去平衡而塌陷，是純粹的自然致災(zāi)因子所造成。

3.2 人為因素致災(zāi)因子

巖溶塌陷的發(fā)生、分布與人類工程經(jīng)濟(jì)活動密切相關(guān)。就本區(qū)來看，凡經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、人類活動劇烈的覆蓋型可溶巖分布地段，其發(fā)生巖溶地面塌陷災(zāi)害較多，損失也較嚴(yán)重。

3.2.1 過量抽取地下水或疏干排水

主要發(fā)生在水源地、礦坑、隧道、人防及其他地下工程，由于排疏地下水或突水(突泥)作用，使地下水位快速降低，其上方的地表巖、土體平衡失調(diào)，在有地下空洞存在時，便產(chǎn)生塌陷，廣花巖溶盆地由于過量抽取地下水而導(dǎo)致巖溶地面塌陷就是一個典型的例子。

3.2.2 人工加載和振動

在有隱伏洞穴發(fā)育部位上方的人工加載，也會導(dǎo)致地面塌陷的產(chǎn)生。2005年7月海珠區(qū)江南大道中某建筑工地地面塌陷的直接導(dǎo)火線就是南邊坑頂嚴(yán)重超載達(dá)140 t造成的。

施工而導(dǎo)致的震動使得飽和砂土液化，液化后的砂土呈流塑狀態(tài)，砂土隨著液體流走，進(jìn)而引起地面塌陷。1996年10月6日，天河區(qū)天河路萬新大廈南側(cè)附近慢車道及人行道地面塌陷的致災(zāi)原因是由于萬新大廈工地有厚達(dá)4 m的呈流塑狀淤質(zhì)粘土，在基建施工持續(xù)振動下液化，又加上地下供水管多次斷裂，水流沖刷及潛蝕作用等原因最終導(dǎo)致地面塌陷。

3.2.3 地表滲水

輸水管路滲漏或場地排水不暢造成地表水下滲或化學(xué)污水下滲，也能引起地面塌陷，2010年6月14日，天河區(qū)黃浦大道冼村路段由于施工道路箱渠漏水造成長4 m、寬2 m的地面塌陷，經(jīng)濟(jì)損失10多萬元。

3.2.4 地鐵等地下隧道盾構(gòu)掘進(jìn)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于不良地質(zhì)、機(jī)械故障等因素引起掌子面的不穩(wěn)定而坍塌，進(jìn)而引起地面塌陷[11]。1996年11月9日，華貴路122～13號約50 m地面塌陷，經(jīng)濟(jì)損失約400萬元。致災(zāi)原因是由于該處土體為流塑狀太飽和狀淤泥、砂層，極其松軟，地鐵施工掘進(jìn)，表層土體失穩(wěn)，導(dǎo)致地陷。

4 結(jié)論

(1)珠江三角洲地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地面塌陷的是該區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一。孕災(zāi)環(huán)境包括多雨的氣候背景、活動的斷裂構(gòu)造、廣布的淤泥質(zhì)地層、劇烈的人類活動等。

(2)地面塌陷的致災(zāi)因子包括自然因素和人為因素兩種，自然因素致災(zāi)因子包括巖溶的發(fā)育程度、覆蓋層特征、地形地貌、強(qiáng)降雨或重干旱氣候特征等等；人為因素致災(zāi)因子主要指人類活動因素，如加載和排水等。

[1]董好剛,黃長生,陳雯,張宏鑫,支兵發(fā),趙信文.珠江三角洲環(huán)境地質(zhì)控制性因素及問題分析[J].中國地質(zhì),2012,39(2): 539-549.

[2]劉尚仁.廣東的紅層巖溶及其機(jī)制[J].中國巖溶,1994,13 (4):395-403.

[3]劉江龍,劉會平,吳湘濱.廣州市地面塌陷的形成原因與時空分布[J].災(zāi)害學(xué),2007,22(4)62-65.

[4]方燎原.廣州地鐵巖溶地質(zhì)條件[J]地球與環(huán)境,2005,(4) 89-91.

[5]廣東省地方史志編纂委員會.防災(zāi)減災(zāi)年鑒[M].北京:氣象出版社,1994-2003.

[6]廣州市志編撰委員會.廣州市志[M].廣州:廣東人民出版社,1995.

[7]董好剛,黃長生.西淋崗第四紀(jì)錯斷面特征及其成因[J].地震地質(zhì),2012,34(2):313-324.

[8]林碧華,馬曉軒.廣州市區(qū)地基工程地質(zhì)分類及其對高層建筑的適宜性[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),1996,7(1):77-82.

[9]廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文工程地質(zhì)二大隊.廣花盆地環(huán)境水文地質(zhì)工作報告[R].1987:67-70.

（Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,Hubei,China）

地面塌陷是珠江三角洲城市地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一。地面塌陷災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、致災(zāi)因子多樣，承災(zāi)體脆弱，災(zāi)害后果嚴(yán)重。多雨的氣候背景、活動斷裂構(gòu)造、廣布的隱伏巖溶和淤泥以及劇烈的人類活動構(gòu)成地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境；致災(zāi)因子包括自然因素和人為因素兩種，自然因素致災(zāi)因子包括巖溶的發(fā)育程度、覆蓋層特征、地形地貌、強(qiáng)降雨或重干旱氣候特征等；人為因素致災(zāi)因子主要指人類活動因素，如加載和排水等。

地面塌陷；時空分布；成災(zāi)機(jī)制；珠江三角洲

Dong H G.The formative environment and disaster-inducing factors of ground collapse disaster analysis in the Pearl River Delta of ground collapse.,2015,31(3):291-296.

Ground collapse is one of the major types of geological disasters in cities o f Pearl River Delta.The types of ground collapse include karst collapse and engineering collapse.The formative environment of ground collapse disaster is complex,disaster-inducing factors are various,hazard bearing body is vulnerable and its consequences are serious.Human factors arthemain cause of the ground collapse.The karst collapse is mainly due to excessively pumping groundwater,mining oheavy rains.Engineering collapse is mainly due to engineering activities,such as drainage,dewatering,artificial loading,artificial vibration,excavating,surface water seepage and subway construction.

ground collapse;temporal-spatial distribution;disaster mechanism;the Pearl River Delta

P642.26；P597

A

1007-3701（2015）03-291-06

10.3969/j.issn.1007-3701.2015.03.009

2015-04-28；

2015-05-05.

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警項目“珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價”(1212011140031)和“珠三角NW活動斷裂調(diào)查評價”（1212011014006）.

董好剛（1970—），男，高級工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)及新構(gòu)造運(yùn)動研究；E-mail：donghaogang@126.com.