湘中地區(qū)地下水變化對(duì)巖溶塌陷影響分析

崔小平，張立輝，肖松春

（1.湖南省有色地質(zhì)勘查局247隊(duì)，長(zhǎng)沙 410129；2.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，長(zhǎng)沙 410015）

湘中地區(qū)地下水變化對(duì)巖溶塌陷影響分析

崔小平1，張立輝2，肖松春2

（1.湖南省有色地質(zhì)勘查局247隊(duì)，長(zhǎng)沙 410129；2.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，長(zhǎng)沙 410015）

通過(guò)對(duì)湘中地區(qū)地巖溶塌陷的調(diào)查研究和抽水實(shí)驗(yàn)，分析區(qū)內(nèi)地下水的特征及影響因素，巖溶塌陷與地下水關(guān)系，結(jié)果表明地下水活動(dòng)是影響巖溶塌陷諸多因素中最活躍因素。

湘中地區(qū)；巖溶塌陷；地下水

巖溶塌陷是巖溶地區(qū)常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)、旅游業(yè)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生了較大經(jīng)濟(jì)損失或帶來(lái)不良的社會(huì)影響［1-2］。湘中地區(qū)位于漣邵盆地中段，大乘山至龍山穹窿的南東側(cè)，區(qū)內(nèi)可溶巖地層分布廣泛，發(fā)育形態(tài)多樣，本文通過(guò)工作區(qū)范圍巖溶塌陷調(diào)查［3］，分析區(qū)內(nèi)地下水變化及影響因素對(duì)巖溶塌陷的影響。

1 湘中地區(qū)巖溶塌陷分布現(xiàn)狀與發(fā)育特征

1.1 區(qū)內(nèi)巖溶塌陷分布現(xiàn)狀

湘中地區(qū)巖溶塌陷普遍分布，根據(jù)項(xiàng)目安排，本次工作區(qū)范圍內(nèi)巖溶塌陷坑主要分布在7個(gè)塊段區(qū)域：田心村、南廟村、劉什壩村、長(zhǎng)塘村、光集—新坪村、姚家村、龍思村［3］。

1.2 區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)育特征

湘中地區(qū)巖溶地層以裸露型為主，覆蓋型次之，埋藏型少見(jiàn)。地表巖溶分布廣泛，受地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件的控制，多沿構(gòu)造斷裂帶、地下水主徑流帶發(fā)育，巖溶個(gè)體形態(tài)多樣，以溶溝、石芽、巖溶洼地、落水洞、溶隙、溶孔為主，天窗及充水溶洞次之；地下巖溶以溶洞為主，地下河次之，整體空間層次較多，發(fā)育程度變化大。區(qū)內(nèi)可溶巖地層出露面積558.8km2，占調(diào)查區(qū)總面積的56.26%。

2 區(qū)內(nèi)巖溶地下水特征及其影響因素

按地下水含水層介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型分為巖溶水、裂隙水和孔隙水3大類(lèi)。

巖溶水中裸露型巖溶水分布最廣，其次為覆蓋性巖溶水，埋藏型巖溶水分布范圍最小。

裸露型巖溶水主要賦存于石炭系大埔組（C2d）和泥盆系棋梓橋組（D2q）以及二疊系馬坪組（P1m）的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)灰?guī)r等中，含水巖組巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，巖溶疊加現(xiàn)象明顯，地表溶溝、溶槽發(fā)育、落水洞、溶洞等分布較為集中。

覆蓋型裂隙巖溶水主要分布于第四系地層下伏巖性分別為石炭系中、上統(tǒng)和泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。

埋藏型裂隙巖溶水主要分布在工作區(qū)西南側(cè)的新邵縣雀塘鎮(zhèn)一帶，上覆基巖為白堊系上統(tǒng)紫紅色砂礫巖，下伏為石炭系大埔組白云巖、灰?guī)r地層，水量中等，并具微承壓性質(zhì)。

裂隙水中碎屑巖裂隙水調(diào)查泉點(diǎn)僅1處，流量0.05L/s，地下水出露少；碎屑巖構(gòu)造風(fēng)化裂隙水主要分布在工作區(qū)北部、中部和南部要的石炭系下統(tǒng)測(cè)水組（C1C）、泥盆系上統(tǒng)孟公坳組（D3m）、歐家沖組（D3O）以及跳馬澗組（D2t）砂巖、石英砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖中，出露泉點(diǎn)較多，流量多在0.01～9.01L/s之間。

松散堆積孔隙水，主要分布于地勢(shì)低洼的邵水支流、測(cè)水河谷一帶，地層厚度5～16m，巖性為黏土、粉質(zhì)黏土、含礫砂粉質(zhì)黏土等，水位變幅在2～4m之間，富水性弱；松散坡積孔隙水零散分布、水季節(jié)變化明顯，水位變幅在5～8m之間，富水性弱。

2.1 區(qū)內(nèi)巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

區(qū)內(nèi)裸露型巖溶水主要接受大氣降水及地表水的補(bǔ)給；覆蓋型巖溶水主要通過(guò)上部松散堆積層滲入的大氣降水和地表水進(jìn)行補(bǔ)給及裸露型巖溶水的側(cè)向補(bǔ)給；埋藏型巖溶水接受地下水側(cè)向補(bǔ)給，主要為臨近巖溶地下水的補(bǔ)給，其次為上覆蓋基巖裂隙水的補(bǔ)給。

地下水的徑流條件受含水層巖性，巖溶發(fā)育程度，地形地貌條件及地質(zhì)構(gòu)造等因素控制，根據(jù)巖溶水賦存空間及徑流通道大致可分為管道型、裂隙型和管道-裂隙混合型。

裸露型巖溶水排泄條件良好，一般集中在溪流兩側(cè)、洼地邊緣、可溶巖與非可溶巖接觸部位或斷裂帶附近等地段，以地下河和巖溶泉的形式排泄于地表。如邵東縣廉橋鎮(zhèn)清潭村巖溶地下河出口，流量為1200L/s，直接形成地表徑流；覆蓋型巖溶地下水多穿越第四系松散堆積層，以上升泉 （泉點(diǎn)流量一般為0.1～1.57L/s，年變幅較小）的形式排泄于地表，排泄條件較差。

埋藏型巖溶水受地層條件控制，以及淺層區(qū)域地下水水位的相對(duì)穩(wěn)定，排泄條件極差，僅作為儲(chǔ)水單元，無(wú)明顯的排泄出露。

2.2 區(qū)內(nèi)巖溶地下水的影響因素

由于區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育、斷裂密集，破壞了巖石的完整性（如表1），成就了地貌變化，部分?jǐn)嗔研纬蓫{谷，部分?jǐn)嗔褞纬善扑榱严稁?，是地下水徑流的良好通道，也是區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育主導(dǎo)因素。

表1 區(qū)內(nèi)地下水受斷裂及層面控制統(tǒng)計(jì)

3 地下水動(dòng)力變化與巖溶相互影響

天然狀態(tài)下，受地下水徑流緩慢、溶洞充填等因素的影響，土洞形成致塌的過(guò)程比較漫長(zhǎng)，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率不高，當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，土洞加速發(fā)展，引起巖溶塌陷頻發(fā)。

3.1 地下水動(dòng)力條件

地下水動(dòng)力條件改變的外界誘發(fā)因素主要為區(qū)內(nèi)抽取地下水，其次為年內(nèi)降雨分布不均、年間降雨分布不均、地表水（含農(nóng)田灌溉）入滲及氣候環(huán)境的變化年降雨量呈下降趨勢(shì)、水利設(shè)施建設(shè)等因素。

3.1.1 抽取地下水與巖溶塌陷的關(guān)系

區(qū)內(nèi)集鎮(zhèn)以地表水作為自來(lái)水，村落以巖溶泉點(diǎn)作為生活用水，部分村民以淺井汲取地下水，此類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水干擾甚微。但采用機(jī)井抽取地下水的地方，地下水活動(dòng)較為頻繁，地下水水位變化大。陳家坊鎮(zhèn)劉什壩村，地下巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表第四系地層結(jié)構(gòu)較為松散，以粉質(zhì)黏土為主，夾部分粉砂土，抽水試驗(yàn)時(shí)，水質(zhì)渾濁，2h后便發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)備的西側(cè)土層出現(xiàn)松動(dòng)下陷，最后出現(xiàn)2個(gè)塌陷坑。

3.1.2 自然條件下水位變化與巖溶塌陷的關(guān)系

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)9月份民井水位埋深在4～5m，12月份時(shí)干枯，水位變幅11m，巖溶塌陷集中發(fā)生的時(shí)間，一般為雨季結(jié)束后近1個(gè)月。說(shuō)明第四系水位的變化加劇了潛蝕作用，也反應(yīng)出降雨入滲加速了土洞的發(fā)展。

4 地下水水位變化與巖溶塌陷動(dòng)力監(jiān)測(cè)

為進(jìn)一步探查地下水水位變化與巖溶塌陷的關(guān)系，對(duì)典型巖溶塌陷區(qū)地下水水位進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)頻10s，在工作區(qū)內(nèi)共部署12處動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10處，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)1個(gè)水文年。

4.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域

監(jiān)測(cè)區(qū)主要位于重點(diǎn)工作區(qū)一帶，監(jiān)測(cè)田心村、南廟村、劉什壩村、光集村—新坪村、龍思村等巖溶塌陷區(qū)地下水水位及水溫變化情況（見(jiàn)圖1，表2）。

圖1 工作區(qū)監(jiān)測(cè)孔布置位置

表2 研究區(qū)監(jiān)測(cè)孔月均水位及水溫

續(xù)表2

4.2 抽取地下水時(shí)地下水變化分析

在巖溶塌陷典型發(fā)育的田心村布置ZK16，ZK18，ZK70 3處監(jiān)測(cè)孔，發(fā)現(xiàn)地下水流向局部發(fā)生變化，如圖2～圖3。

圖2 田心村供水井未抽水時(shí)

圖3 田心村供水井抽水時(shí)

對(duì)比圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)田心村供水井抽水前后，場(chǎng)區(qū)地下水流向發(fā)生局部變化；尤其是以供水井為中心的ZK16—ZK18—?jiǎng)⒓覙颉吋叶蛞粠?，抽水前?chǎng)區(qū)地下水由供水井分別向ZK16和劉家橋一側(cè)流動(dòng)，抽水后轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓜⒓覙蚝蚙K16向供水井（降落漏斗）一側(cè)流動(dòng)；地下水等值線也發(fā)生相應(yīng)變化，抽水后，ZK18一帶地下水等值線明顯變密，水力梯度增大；在供水井一帶形成降深為0.61m降落漏斗。

圖4顯示，供水井啟用后，田心村地下水水位變化曲線具有一致性，也存在一定差異。地下水水位高程HZK70＞HZK18＞HZK16且ZK70水位變 幅 最 大，ZK16及ZK18水位變幅接近（ZK70月均水位變幅最大，是另外兩者的13倍）；同時(shí)3個(gè)監(jiān)測(cè)孔（ZK16地下水水溫保持18.1℃恒定）地下水水溫變化趨勢(shì)存在差異，平均水位TZK70＞TZK18＞TZK16。 分析認(rèn)為，該差異主要是由于田心村集中供水井大量抽取地下水影響所致，當(dāng)然也與場(chǎng)區(qū)地下水徑流通道、楊梅江江水與地下水交換情況及場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育不均有關(guān)。

圖4 田心村供水井啟用后水位變化曲線

4.3 巖溶塌陷發(fā)育的動(dòng)力模式

巖溶塌陷致塌模式，是指塌陷從孕育至產(chǎn)生全過(guò)程中的各種表現(xiàn)形式。它是由塌陷形成的各個(gè)階段主要力學(xué)效應(yīng)所決定的［4］。由于塌陷的形成是多機(jī)制的，不同地區(qū)不同地段的地面塌陷往往具有不同的致塌模式［5］。具體到特定塌陷區(qū)（或地段），以單一成因的較少，大多是自然與人為等多種致力共同作用的結(jié)果。工作區(qū)內(nèi)致塌總體力學(xué)模式（型）為：

式中 F致為各種相關(guān)致塌力的合力；F抗為各種相關(guān)抗塌力的合力。

4.3.1 自然塌陷

區(qū)內(nèi)強(qiáng)下滲徑流帶上的水位突變，地表水體與降水滲透等，引起下伏巖溶地下水水位反復(fù)來(lái)回劇烈地波動(dòng)，水動(dòng)力條件隨之反復(fù)改變，在滲透力的作用下，土洞（振動(dòng)土、砂層）形成并發(fā)展，由干旱土體開(kāi)裂或降水加荷，在重力作用下，土（巖）拱失衡而破壞，地面土層塌落，導(dǎo)致塌陷的產(chǎn)生。

4.3.2 人為塌陷

人為因素主要是由抽排地下水。過(guò)量抽排地下水，使得區(qū)域巖溶地下水水位埋深降低數(shù)米至數(shù)十米，地下水天然流場(chǎng)受到嚴(yán)重破壞，上部松散土體在滲透壓力及真空吸蝕力（或失浮托力）等的作用下，土洞形成并發(fā)展，經(jīng)降水入滲或稻田、水溝等滲水而誘發(fā)，產(chǎn)生巖溶塌陷。

5 結(jié)語(yǔ)

基于上述，可以得出結(jié)論，地下水水位的升降及流速、流量、水力坡降的變化在塌陷形成中產(chǎn)生多方面的作用，歸納起來(lái)主要有：

①地下水變化改變巖土體的狀態(tài)。地下水位升降及地表水滲入，改變覆蓋土層狀態(tài)、力學(xué)強(qiáng)度，影響土體的穩(wěn)定性。隨著土中含水量由地表向下逐漸增加，土層力學(xué)強(qiáng)度大大降低，從而使其在地下水位下降時(shí)極易向下部巖溶空間遷移，形成土洞。

②地下水的滲流潛蝕、搬運(yùn)作用。地下水的潛蝕、搬運(yùn)、溶蝕作用，使土粒發(fā)生位移，運(yùn)動(dòng)帶走，破壞土體結(jié)構(gòu)、形成土洞、引起地表變形，最后導(dǎo)致塌陷產(chǎn)生。

③地下水變化引起巖溶空間的正負(fù)壓力作用。封閉較好的巖溶空間在地下水位上升時(shí)，其中的氣體將受壓形成高壓氣團(tuán)，對(duì)四周巖土體產(chǎn)生一種正負(fù)壓力，可沖破巖土體，引起氣爆，有時(shí)直接造成地面塌陷。

綜合分析湘中地區(qū)的巖溶塌影響因素，不難發(fā)現(xiàn)：地下淺層巖溶發(fā)育、有一定厚度第四系覆蓋層、地下水活動(dòng)，這些既是塌陷形成的最基本條件，也是塌陷產(chǎn)生的主要因素。而在諸多因素中，地下水活動(dòng)則是影響巖溶塌陷最活躍的因素。

［1］施杰，梁春梅.桂林市巖溶塌陷與地下水關(guān)系初探［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治報(bào)，1997，8（S0）.

［2］康彥仁.論巖溶塌陷的致塌模式［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1992，19（4）.

［3］尹歐，楊帆，向鋒，等.湘中地區(qū)巖溶塌陷調(diào)查報(bào)告［R］.2016.

［4］高宗軍.泰安巖溶地面塌陷形成機(jī)理與防治對(duì)策［J］.中國(guó)地質(zhì)質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2001，12（4）：73-76.

［5］劉丹，楊立中，王建秀.我國(guó)鐵路建設(shè)中巖溶塌陷的基本特征及成因模式［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治報(bào)，1997，8（S0）.

（責(zé)任編輯：姜彤宇）

Influence of groundwater change on karst collapse in central Hunan

CUI Xiao-ping1， ZHANG Li-hui2， XIAO Song-chun2
（1.Team 247 of Hunan Provincial Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Changsha 410129， China；2.Hunan Nonferrous Geological Exploration Institute， Changsha 410015， China）

Karst collapse is a common geological disaster in ce ntral Hunan province.In this paper， through the investigation and research on karst collapse in Central Hunan and water pumping experiment，analysis of features and influencing factors of groundwater in the area，the relationship between karst subsidence and groundwater is analyzed.The results showed that the groundwater activity is the most active factor in many factors of karst collapse.

Central Hunan； karst collapse； groundwater

P64

B

1672-9900（2017）03-0005-04

2017-01-20

崔小平（1982-），男（漢族），湖南衡陽(yáng)人，工程師，主要從事地質(zhì)工程、水工環(huán)地質(zhì)等方面的研究，（Tel）13657405336。