江蘇徐州新生街巖溶塌陷形成條件及與巖溶水水位變化的關(guān)系探討

黃敬軍，武 鑫，繆世賢，崔龍玉，顧春芬，姜 素

(1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210018；2.徐州市國土資源局，江蘇 徐州 221006)

江蘇徐州新生街巖溶塌陷形成條件及與巖溶水水位變化的關(guān)系探討

黃敬軍1，武 鑫1，繆世賢1，崔龍玉1，顧春芬2，姜 素1

(1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210018；2.徐州市國土資源局，江蘇 徐州 221006)

新生街是徐州地區(qū)巖溶塌陷最嚴(yán)重的區(qū)域，20世紀(jì)80～90年代的巖溶塌陷造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。文章在以往巖溶塌陷勘察工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新調(diào)查成果，逐一梳理巖溶塌陷的形成條件(地質(zhì)條件、覆蓋層條件、巖溶發(fā)育條件、水動(dòng)力條件)，揭示了徐州新生街巖溶塌陷的成因模式及觸發(fā)因素，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，識(shí)別巖溶塌陷與巖溶水水位變化的關(guān)系。文章認(rèn)為，新生街巖溶塌陷是發(fā)生在廢黃河斷裂帶內(nèi)，發(fā)育有向上開口的溶洞，該區(qū)域既是巖溶水強(qiáng)徑流帶，又是巖溶水的天窗補(bǔ)給區(qū)，第四系覆蓋層為單層砂性土結(jié)構(gòu)。超量開采巖溶水是巖溶塌陷的誘發(fā)因素，巖溶水水位降至基巖面下急劇上升時(shí)段是巖溶塌陷較活躍的時(shí)期，巖溶塌陷都發(fā)生在巖溶水水位降落漏斗的區(qū)域內(nèi)。

巖溶塌陷；形成條件；成因模式；廢黃河斷裂帶；七里溝水源地

巖溶塌陷是典型的突發(fā)性地面變形和破壞的災(zāi)害，是指可溶巖洞、裂隙上方的巖、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(dòng)力作用與現(xiàn)象[1]。其形成的基本條件是可溶巖地層的分布、一定厚度的松散蓋層和地下水水動(dòng)力條件，由于塌陷在空間上的發(fā)展具隱蔽性、時(shí)間上具有突然性，往往給人類生命、工程建筑和經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)造成極大的危害，是影響和制約巖溶地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要環(huán)境地質(zhì)問題之一。七里溝水源地是徐州城市供水的主要水源地，20世紀(jì)80年代以來，由于長期超量開采巖溶水，引起水源地地下水動(dòng)力條件改變，水位逐年下降，導(dǎo)致巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害瀕發(fā)，使鐵路路基變形、陷落、樓房開裂、民房陷落及倒坍，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構(gòu)成的系統(tǒng)在各種因素下表現(xiàn)出來的系統(tǒng)失穩(wěn)過程在地表的宏觀表現(xiàn)，徐州巖溶塌陷發(fā)生以來，在巖溶塌陷機(jī)理研究[2-3]、巖溶塌陷分布規(guī)律及成因分析[4]、巖溶塌陷與巖溶水開采關(guān)系研究、巖溶塌陷的防治對(duì)策等方面做了一定的研究工作，但對(duì)巖溶塌陷與其主控因素-地下水的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系的研究至今尚未見報(bào)道。本文以塌陷區(qū)巖溶水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，試圖通過對(duì)徐州新生街巖溶水水位變化與巖溶塌陷對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析研究，判別地下水水位對(duì)巖溶塌陷和復(fù)活的控制作用，為徐州巖溶塌陷防控提供決策依據(jù)。

1 巖溶塌陷概況及形成條件

1.1 巖溶塌陷概況

徐州巖溶塌陷主要分布在城市中心區(qū)，始發(fā)于1986年5月27日的市溶劑廠，此后，在新生街、民安巷、五交化商場(chǎng)、開明市場(chǎng)、朝陽路和下洪村等地先后發(fā)生巖溶塌陷14起，共20個(gè)塌陷坑。其中，新生街巖溶塌陷尤為典型，先后發(fā)生5起巖溶塌陷，形成12個(gè)塌坑(表1、圖1)。塌坑的平面形態(tài)多呈圓形、橢圓形，直徑一般2～10 m，最大可達(dá)25 m，剖面形態(tài)則多呈筒狀或壇狀，塌坑坑壁陡立，深度一般為1～5 m，最深為9 m。塌坑四周地面出現(xiàn)大量同心環(huán)狀裂縫，裂縫長1～3 m。

1.2 巖溶塌陷的形成條件

1.2.1地質(zhì)條件

新生街巖溶塌陷區(qū)地層屬華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐宿地層小區(qū)，主要發(fā)育兩大地層，上部為第四系松散沉積物，下部則為古生界以碳酸鹽巖為主的沉積構(gòu)造，其中，寒武系張夏組鮞粒灰?guī)r和奧陶系馬家溝灰?guī)r，因質(zhì)純層厚巖溶十分發(fā)育。

圖1 新生街巖溶塌陷分布圖Fig.1 The distribution of karst collapse in Xinsheng Street

廢黃河斷裂帶是區(qū)內(nèi)最大的斷裂帶，整體隱伏于地表之下，斷裂帶延伸方向基本與廢黃河展布方向一致，由3條大致平行的斷裂組成，北支斷裂南傾、南支斷裂北傾，均為正斷層，地表顯地塹形式。第四紀(jì)以來為張性活動(dòng)，斷裂帶內(nèi)堆積洼地相對(duì)緩慢下降，而兩側(cè)低山丘陵繼續(xù)抬升，在地貌上表現(xiàn)為負(fù)地形[5]。斷裂帶內(nèi)巖石破碎、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，形成了一條大規(guī)模的巖溶水強(qiáng)逕流帶，是七里溝水源地的主要富水區(qū)域。

1.2.2覆蓋層條件

在黃河改道徐州之前，有兩條河流流經(jīng)徐州，即古泗水和古汴水。據(jù)勘探資料分析，泗水和汴水在七里溝水源地會(huì)合后完全受控于廢黃河斷裂帶，沿廢黃河斷裂帶所形成的地塹式洼地內(nèi)擺動(dòng)，河道以侵蝕作用為主，早期沉積的黏性土及老粘性土遭受部分或全部侵蝕，在塌陷區(qū)范圍內(nèi)河道沉積物與下伏碳酸鹽巖直接接觸。黃河奪汴入泗后，汴水古河道及泗水古河道均被黃河入侵所帶來的粉砂、粉土填滿掩埋，使塌陷區(qū)覆蓋層土體結(jié)構(gòu)為單層砂性土構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，Q4砂性土(粉砂、粉土)，直接覆蓋在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的碳酸鹽巖之上(圖2)。

砂性土顆粒間無粘結(jié)力，在一定水頭的水流滲透作用下，砂顆粒被水流帶入基巖裂隙溶洞中形成土洞，有利于巖溶塌陷的形成。

1.2.3巖溶發(fā)育條件

巖溶發(fā)育是巖溶塌陷的基本條件，塌陷區(qū)下伏奧陶系馬家溝組厚層灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，最大面溶蝕率可達(dá)30%以上。據(jù)鉆孔揭露，廢黃河斷裂帶內(nèi)的奧陶系碳酸鹽巖見洞率81.4%；線溶蝕率3.43%～75.60%，平均26.16%，溶洞大多分布在基巖面之下50 m以淺[6]，且表層巖溶與深部巖溶相互連通，多個(gè)

塌陷坑附近的鉆探鉆進(jìn)過程漏水嚴(yán)重，巖芯溶隙、溶孔普遍發(fā)育。如二輕幼兒園塌陷坑附近TZ27孔在孔深21.0～21.6 m(基巖埋深19.5 m)、新生街128號(hào)塌陷坑附近TZ33號(hào)孔在孔深26.4～26.9 m(基巖埋深21.6 m)均遇有溶洞，洞內(nèi)無充填。

圖2 新生街巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 The geological profile of karst collapse area in Xinsheng Street

物探資料顯示，塌陷區(qū)發(fā)現(xiàn)多處巖溶破碎帶，并發(fā)育有向上開口的溶洞。廢黃河斷裂帶在地球物理探測(cè)資料上有明顯的顯示，并發(fā)育有向上開口的溶洞(圖3)，為地下水強(qiáng)烈活動(dòng)和塌落物質(zhì)的運(yùn)移提供了有利空間，是巖溶塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。

圖3 廢黃河斷裂帶物探解譯圖Fig.3 Geophysical interpretation map of fault zone in the old yellow river

1.2.4水動(dòng)力條件

地下水動(dòng)力條件是誘發(fā)巖溶塌陷的最主要?jiǎng)恿l件，也是塌陷形成的關(guān)鍵[7]。塌陷所在的七里溝水源地西側(cè)由青白口系和淮河系砂巖、頁巖構(gòu)成隔水邊界，東側(cè)由白堊系和侏羅系砂頁巖、安山巖構(gòu)成隔水邊界，北側(cè)京杭大運(yùn)河切穿寒武-奧陶系巖溶含水層，構(gòu)成定水頭補(bǔ)給邊界；南側(cè)以地下水分水嶺構(gòu)成零流量邊界，具有獨(dú)立水循環(huán)系統(tǒng)(補(bǔ)給，徑流和排泄)。

巖溶水水位動(dòng)態(tài)特征則受人工開采和大氣降水、孔隙水越流補(bǔ)給及地表水滲漏等因素多影響。天然條件下，巖溶水水位主要隨著降水變化而波動(dòng)，但變化稍滯后，2～5月份出現(xiàn)低水位，7～10月份出現(xiàn)高水位，水位年動(dòng)態(tài)類型以單峰單谷型為主，年變幅3～5 m；開采條件下，由于巖溶水埋藏較淺，循環(huán)交替強(qiáng)烈，巖溶水動(dòng)力條件易于改變，造成動(dòng)水位變化劇烈，年變幅8～10 m。據(jù)水源地9058監(jiān)測(cè)資料，1985年前巖溶水標(biāo)高10～13 m，巖溶水位高于基巖面2～5 m，尚處在采、補(bǔ)平衡狀態(tài)，無巖溶塌陷發(fā)生；隨著開采量的不斷增加，巖溶水標(biāo)高降至7～10 m，在基巖面(8.86 m)上下波動(dòng)，塌陷開始發(fā)生，此后，巖溶水水位每次在巖溶面上下波動(dòng)時(shí)，均產(chǎn)生巖溶塌陷。

1.3 巖溶塌陷形成的動(dòng)力因素—巖溶水開發(fā)利用

七里溝水源地是徐州最早開采巖溶水的水源地，開采始于1941年，3眼開采井年開采量?jī)H7.00 ×104m3/a，解放后即作為城市供水水源，開采量逐年增加，至1982年巖溶水載采量達(dá)4 300×104m3/a，超過可采資源量388×104m3/a，出現(xiàn)超采現(xiàn)象(表2)，形成區(qū)域水位降落漏斗并不斷擴(kuò)大，漏斗中心年平均水位也降至基巖面以下，此后超采量逐年增加，至1996年達(dá)開采高峰，超采量2 512×104m3/a。21世紀(jì)以來，因水源地補(bǔ)給區(qū)的農(nóng)藥廠四氯化碳污染，逐步關(guān)閉了該水源地，區(qū)域水位降落漏斗消失，僅在零星開采區(qū)存在小區(qū)域季節(jié)性的水位降落漏斗，漏斗中心年平均水位已回升至20世紀(jì)80年代初期水平。

3 巖溶塌陷成因模式及觸發(fā)因素

根據(jù)徐州地區(qū)塌陷處的松散沉積層與基巖地層的接觸關(guān)系，巖土的透水性及“巖-土-水”相互作用，新生街巖溶塌陷發(fā)育的地質(zhì)模式為“單一透水型蓋層”。

“單一透水型蓋層”模式其蓋層為砂土單層結(jié)構(gòu)，砂性土直接覆蓋在巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖之上，形成水文地質(zhì)“天窗”，主要分布在古泗水的河床內(nèi)，是古泗水的活動(dòng)使得先前覆蓋在碳酸鹽巖之上的老黏土被侵蝕后，被黃河帶來的粉砂、粉土堆積所致。巖溶水開采加劇了孔隙水與巖溶水的聯(lián)系與交替，當(dāng)巖土界面處的實(shí)際水力梯度大于土體臨界水力梯度時(shí)，先前充填于巖溶洞隙中的泥沙及基巖面附近的土粒在水流的沖刷作用下不斷被潛蝕帶走，使蓋層土體下部逐漸形成土洞，隨著土洞向上逐漸發(fā)展擴(kuò)大，在孔隙水滲透壓與土體自重作用下，產(chǎn)生滲透變形破壞，在降雨或火車震動(dòng)等觸發(fā)因素下塌陷。

塌陷區(qū)臨近廢黃河，河水位正常保持35 m左右，為孔隙水的重要補(bǔ)給源，河水位的變化是區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的觸發(fā)因素。1986年5月底，適逢廢黃河翻水沖污，河水位抬升1.5 m，加大了孔隙水與巖溶水的水頭差，進(jìn)而加劇了滲流潛蝕作用，同年6月2日，電業(yè)局發(fā)生塌陷。而1992年2～5月，廢黃河河道進(jìn)行疏浚，慶云橋至京滬鐵路橋一帶均被疏干，減少孔隙水補(bǔ)給的同時(shí)，促使巖溶水水位迅速下降至基巖面附近，滲流潛蝕作用加強(qiáng)，同年4月12～13日，新生街發(fā)生塌陷。因此，新生街塌陷區(qū)致塌模式為潛蝕-滲透變形-重力致塌，巖溶水開采是其主要誘因，不同時(shí)期的觸發(fā)模式有所不同(表2)。

表2 七里溝水源地巖溶水超采量與水位對(duì)應(yīng)表Table 2 The contrast table between karst water ultra picks quantity and water level in Qili gully water source area

4 巖溶塌陷與巖溶水水位關(guān)系

4.1 巖溶塌陷發(fā)生在巖溶水水位降落漏斗范圍內(nèi)

據(jù)監(jiān)測(cè)資料分析，七里溝水源地區(qū)域性開采降落漏斗形成于1980年，水位降落漏斗僅分布在城區(qū)三官廟一帶，15 m等水位線圈定的水位降落漏斗面積13.82 km2，中心水位14.83 m；1985年漏斗北擴(kuò)至火車站，南擴(kuò)至七里溝，漏斗面積增至24.80 km2，中心水位降到6.56 m，已低于基巖面，1986年在漏斗中心誘發(fā)了巖溶塌陷(電業(yè)局宿舍)；1990年水位降落漏斗繼續(xù)向外擴(kuò)張，南擴(kuò)至銅山區(qū)區(qū)域，漏斗面積59.69 km2，中心水位-4.11 m，1992年在新生街誘發(fā)了徐州市最大規(guī)模的巖溶塌陷；此后，調(diào)整供水開采井布局，并逐步關(guān)閉自備水源井，1995年漏斗面積雖仍然擴(kuò)至76.00 km2，但中心水位回升至-1.14 m，雖仍于1997年誘發(fā)了2起巖溶塌陷，但規(guī)模明顯減?。?000年漏斗則減至62.53 km2，中心水位回升至6.15 m；2003年后逐步閉了該水源地的開采，水位降落漏斗迅速縮小，2005年僅9.54 km2，中心水位升至14.60 m，區(qū)域水位降落漏斗消失，僅在零星開采區(qū)存在小區(qū)域季節(jié)性的水位降落漏斗(圖4)。顯然，巖溶地下水水位降落漏斗區(qū)自80年代初期起就一直在其含水層頂板附近波動(dòng)或降到土層底板之下，巖溶塌陷主要發(fā)生在漏斗中心地帶。

4.2 巖溶塌陷發(fā)生在巖溶水水位降至基巖面下急劇上升時(shí)段

據(jù)新生街塌陷區(qū)巖溶水監(jiān)測(cè)井(9058)資料，新生街發(fā)生的5次巖溶塌陷都是發(fā)生在水位降至基巖面下回升或驟升的過程中，水位下降滲流潛蝕作用增強(qiáng)，形成土洞并發(fā)展，水位回升或驟升觸發(fā)塌陷發(fā)生(圖5)。

圖4 七里溝水源地巖溶水降落漏斗演變圖Fig.4 The funnel evolution Charts of karst water landings in Qili gully water source area

①1986年3月25日，巖溶水水位5.12 m，低于基巖面(8.86 m)，此后巖溶水水位一直在基巖面以下波動(dòng)，5月30日巖溶水水位降至最低(4.02 m)，此后由于降雨，巖溶水得到補(bǔ)給，水位急劇回升，6月30日升至14.22 m，上升10.10 m，在回升過程中，電業(yè)局宿舍發(fā)生巖溶塌陷(1986年6月2日)。

②1988年1月10日，巖溶水水位8.72 m，再次低于基巖面(8.86 m)，在長達(dá)2年半的時(shí)間巖溶水水位一直在基巖面以下，并持續(xù)下降，于1990年5月5日達(dá)最低值0.62 m，低于基巖面8.24 m，此后水位開始回升，7月15日升至9.87 m，上升9.25 m，在回升過程中，電業(yè)局宿舍再次發(fā)生巖溶塌陷(1990年7月8日)。

③1991年12月5日，巖溶水水位8.57 m，又一次低于基巖面(8.86 m)，此后巖溶水水位一直在基巖面上下波動(dòng)，升降在0.5 m之間，受降雨入滲補(bǔ)給的影響，1992年4月5日巖溶水水位急劇回升至10.07 m，升至基巖面以上，在回升后的4月12～13日，新生街發(fā)生大面積巖溶塌陷。

④1996年12月10日巖溶水水位降至8.67 m后，巖溶水水位長期低于基巖面，1997年7月10日降至2.47 m，低于基巖面6.39 m，此后，水位回升，7月20日急劇回升至12.02 m，上升9.55 m，在回升過程中，新生街連續(xù)發(fā)生2次塌陷(1997年7月17日、7月24日)。

顯然，巖溶水水位低于基巖頂板這一臨界條件出現(xiàn)后，失托加荷效應(yīng)、真空負(fù)壓作用的發(fā)生，潛蝕效應(yīng)加強(qiáng)，巖溶塌陷發(fā)生概率加大。即巖溶塌陷受控于區(qū)內(nèi)地下水位的變化，與地下水的劇烈波動(dòng)密切相關(guān)，地下水位下降至基巖面附近時(shí)，是巖溶塌陷較活躍的時(shí)期[8]。

圖5 巖溶水位波動(dòng)與巖溶塌陷的時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 The time relationship between karst water level fluctuation and karst collapse

5 結(jié)論

徐州新生街位于廢黃河斷裂帶內(nèi)，下伏奧陶系馬家溝組厚層灰?guī)r，巖溶發(fā)育，受地塹式斷裂破碎帶影響，形成了開口向上的巖溶洞隙，第四系覆蓋層薄，且多為黃河河道沉積的粉砂、粉土(單層砂性土結(jié)構(gòu))，具備產(chǎn)生巖溶塌陷的地質(zhì)條件。研究結(jié)果表明，新生街巖溶塌陷受控于區(qū)內(nèi)巖溶水水位的動(dòng)態(tài)變化，巖溶水超采后水位下降到基巖面附近或以下，在基巖頂板與土層界面上長時(shí)間強(qiáng)烈的水位波動(dòng)或由基巖面下回升至基巖面時(shí)，真空吸附作用導(dǎo)致巖溶塌陷產(chǎn)生。巖溶塌陷發(fā)生的強(qiáng)度與巖溶地下水位變幅大小、巖溶地下水開采強(qiáng)度大小呈正相關(guān)關(guān)系。

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TherelationshipbetweenthekarstcollapseformationconditionandthekarstwaterlevelchangeinXuzhouXinshengstreet,Jiangsu

HUANG Jingjun1, WU Xin1, MIU Shixian1, CUI Longyu1, GU Chunfen2，JIANG Su1

(1.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources(GeologicalSurveyofJiangsuProvince),Nanjing,Jiangsu210018,China；2.XuzhouLandResourcesBureau,Xuzhou,Jiangsu221006,China)

Xinsheng street is the most serious area of karst collapse in Xuzhou. Karst collapse caused serious economic loss and bad social influence in the 80～90 s of the 20th century. In this study, we listed the formation conditions of karst collapse (the geological conditions, the overburden conditions, the karst development conditions and the hydrodynamic conditions) combined with the latest findings, based on the previous investigation. These results revealed the genetic model and trigger factors of karst collapse in Xuzhou new street. According to the monitoring data, the relationship between karst collapse and karst water level change was identified. We found that karst collapse occurred in the developmental upward opening cavern zone of the old Yellow River fault zone. This region was strong runoff zone and skylight supply area of karst water, and sandy soil of the Quaternary overburden layer. Over exploitation of karst water was the inducing factor of karst collapse. The sharply rise period, after karst water level down to the bedrock surface, was the active period of karst collapse. Karst collapse occurred in the karst water drawdown funnel area.

karst collapse; formation condition; genetic model; the old yellow River fault zone; Seven Mile Gully water source

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.20

P642.252

A

1003-8035(2017)04-0125-05

2017-02-10;

2017-04-05

“徐州城市地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目； 中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項(xiàng)目：徐州地區(qū)巖溶塌陷調(diào)查(12120114022001)

黃敬軍(1962-)，男，學(xué)士，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)專業(yè)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)研究等工作。E-mail：hjjhfy@163.com