福建省大田縣桃源鎮(zhèn)前厝村巖溶塌陷發(fā)育特征及成因分析

張曉斌

(福建省地質工程勘察院，福州 350002)

1 概述

2017年10月16日三明市大田縣桃源鎮(zhèn)前厝村武陵自然村發(fā)生數十處巖溶地面塌陷，塌陷主要位于農田及房前，導致1棟民房損毀，20多棟民房開裂、近13.33 hm2農田不能耕種。同時，伴有道路和灌溉水渠塌陷、開裂等損壞，嚴重影響當地居民生產生活，威脅武陵自然村500余人生命財產安全。

我國可溶巖分布達1/3以上國土面積，有22個省份有分布，其中以桂、黔、湘、贛、川、滇、鄂等省區(qū)最為發(fā)育。巖溶塌陷不僅造成工業(yè)與民用建筑毀壞，破壞交通和水利水電設施，還造成巖溶區(qū)嚴重的地質環(huán)境惡化?；诖?，國內一些學者對巖溶塌陷形成條件和成因機理進行了深入研究，取得了豐碩成果[1～6]。福建省巖溶塌陷主要集中發(fā)生于閩西南山間盆地覆蓋性巖溶區(qū)(龍巖新羅區(qū)、永安大湖、連城北團、三明市區(qū)等)[7,8]。本文所述巖溶塌陷位于三明市大田縣境內覆蓋性巖溶區(qū)。在調查、勘查的基礎上，對區(qū)內巖溶塌陷特征和成因進行了總結和分析。

2 自然地理與地質環(huán)境條件

2.1 氣象與水文

桃源鎮(zhèn)地處戴云山西側，屬中亞熱帶季風氣候，四季分明，溫暖適中，夏無酷暑，冬無嚴寒，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1 551.0 mm，其中3～6月為雨季，占全年降雨量的50%以上；夏季高溫悶熱,受臺風外圍影響，常伴有強降水；秋冬為相對少雨季節(jié)，干旱多晴天。年平均氣溫17.7℃，1月平均氣溫7.9 ℃，7月平均氣溫25.8 ℃，無霜期264 d。

區(qū)內溝溪較發(fā)育，由南向北匯集與北部的溪河中，雨季溪水水量較大，旱季則水量小甚至干涸。因農田灌溉所需，東、西山溝沿溝均建有引流水渠，水渠寬1.5 m，常年有水，局部水渠底見裸露的灰?guī)r。

2.2 地形地貌

武陵自然村屬低山地貌，自然村被一條近南北走向的山梁分隔成東、西兩條山溝，山頂標高大多580～600 m，相對高差35～40 m，山坡自然坡度15°～25°，植被發(fā)育，主要為毛竹和雜木，山梁中北部整平成為木材廠。東、西山溝呈近南北向或北北東向延伸，溝底標高一般556～574 m，縱坡降小于10°，溝底寬一般70 m左右，最小30 m，最大120 m。山溝為主要農田分布區(qū)，沿山溝東西兩側山坡坡腳為民房分布區(qū)，房后普遍建房開挖形成人工邊坡。

2.3 地層巖性

區(qū)內主要地層有三疊系下統溪口組(T1x)和二疊系上統長興組(P2c)地層，兩者在區(qū)內呈斷層接觸。山溝中有厚薄不一的第四系分布。

主要分布于東、西山溝中，主要為粉質粘土、砂、卵石層，厚度1～8 m不等，表層為耕植土。

(2) 三疊系下統溪口組(T1x)

分布于F2斷層的上盤(南部)，巖性為青灰色薄層狀鈣質粉砂巖，鈣質、粉砂質泥巖夾透鏡狀泥質灰?guī)r。

(3) 二疊系上統長興組(P2c)

分布于西側山溝及東側山溝的北部，為不純之灰?guī)r，根據巖性特征將其分為上、中、下3段：

上段巖性主要為深灰色、灰黑色中層狀含泥質、粉砂質生物碎屑微晶灰?guī)r。

中段巖性主要為灰色、深灰色中-巨厚層狀白云巖質生物碎屑微晶灰?guī)r。

下段主要為深灰色、灰黑色，薄層狀含泥質、粉砂質生物碎屑微晶灰?guī)r，

2.4 地質構造

根據區(qū)域地質資料，區(qū)內發(fā)育一條軸向近南北的背斜構造，次一級的構造主要見F1、F2兩條斷層。此外，巖層中北東向、北西向和近南北向節(jié)理裂隙較發(fā)育，互相交叉呈“X”形格局。

(1) F1斷層：位于區(qū)內近東西向山梁的東側、西側山溝的西部邊緣，走向北北東10°～20°，傾向南東，傾角50°～70°。正斷層，斷層帶兩側地層明顯錯動，巖層破碎，地形上多呈陡坎或沖溝，富水性好。

(2) F2斷層：位于調查場地中部，走向為北西300°～330°，傾向南西，傾角70°左右，該斷層將F1斷層一分為二。沿斷層帶可見斷層角礫巖、褐鐵礦透鏡體(村民曾試采過)和泉眼分布。

地質構造不僅控制了區(qū)內的地形地貌特征，也控制了巖層的分布特征，并為巖溶的發(fā)育提供了極為有利的條件(圖1)。

2.5 水文地質條件

地下水類型主要為松散巖類孔隙水和溶蝕溶洞裂隙水(巖溶水)兩種類型。

(1) 松散巖孔隙水：分布于東、西山溝中，主要由第四系沖洪積層組成，厚度1～8 m。普遍具二元結構，上部為粉質粘土，下部為含砂卵礫石層。滲透性良好，富水性弱-中等，與下伏碳酸鹽裂隙溶洞含水層水力聯系密切。主要由大氣降水補給，動態(tài)變化大。

圖1 桃源鎮(zhèn)前厝村地面塌陷地質略圖

(2) 碳酸鹽巖裂隙巖溶水：分布于區(qū)內東、北側，含水層由二疊系上統灰?guī)r組成，巖溶較發(fā)育。地下水主要賦存于溶洞及裂隙帶中，中等富水。主要接受松散巖孔隙水、區(qū)域巖溶水的補給。地下水動態(tài)受降水影響，隨季節(jié)變化。

2.6 人類工程活動

區(qū)內西北角距西側山溝塌陷約200 m處，有一個采礦石硐口，2017年10月14日在標高475 m礦硐內曾發(fā)生透水事故，說明采礦活動較為強烈。

除此之外，村莊村民主要以務農為主，在溝谷低洼處種植稻田等作物。

3 巖溶塌陷發(fā)育特征

3.1 時間分布特征

根據現場調查及訪問，歷史上該區(qū)域曾發(fā)生過地面塌陷(個別塌陷洞口見木質結構支護)，但規(guī)模和危害相對較小(圖2)。

圖2 塌陷坑內早先木棍支撐

武陵自然村調查地面塌陷共37處，主要集中發(fā)生在2017年10月16～17日(礦洞透水發(fā)生于2017年10月14日)，數量達34處，占調查總數的92%，僅有3處發(fā)生在11月20日。塌陷發(fā)生期間均有降雨過程?？梢姷V洞開采透水是本次塌陷發(fā)生的誘因，塌陷發(fā)生后，受降雨影響，塌陷點的規(guī)模逐漸擴大并伴隨新的塌陷點出現。

3.2 空間分布特征

塌陷區(qū)域主要集中在東、西山溝中的農田、道路、水渠中，個別位于山坡坡腳處。其中西側溝谷共產生12處地面塌陷，東側山溝發(fā)生25處，其中東側山溝塌陷均分布于北邊的覆蓋型巖溶區(qū)，南邊尚未發(fā)現。

3.3 形態(tài)特征

圖3 水渠塌陷

(1) 主要以塌陷形式出現

陷坑以單體形式和群體形式出現，以陷坑群體出現的塌陷少則2個，多則5～6個。單個陷坑形狀呈圓形、橢圓形、長條形或不規(guī)則形出現，大多數周邊伴有弧形裂縫，多數陷坑干涸無水，位于水渠邊陷坑塌陷后重新被水灌滿，部分陷坑仍可見水流現象(圖3)。西側山溝塌陷呈串珠狀分布(圖4)，陷坑面積相對較小，一般4～60 m2，塌陷深度3～7 m；東側山溝塌陷呈北西向、北東向和近南北向分布，坑面積相對較大，多以群體出現，一般4～1 000 m2，塌陷深度1～10 m。

圖4 串珠狀分布

圖5 房屋開裂下錯

圖6 農田塌陷

(2) 地表裂縫或沉降形式出現

塌陷區(qū)域內，除陷坑外，還有部分表現為房屋開裂、下沉(圖5)，局部見稻田整塊下錯、開裂(圖6)，發(fā)生在水渠附近的塌陷導致水泥村道與水渠多處變形、斷裂。這些地表裂縫及下錯沉降主要受就近的塌陷牽引影響而成。

4 成因分析

巖溶塌陷的發(fā)生是諸多因素的影響下形成的。巖層巖溶化程度、上部覆蓋層厚度及性質、活動斷裂是前厝村塌陷形成的主要因素[9]，而礦洞開采透水是塌陷發(fā)生的誘發(fā)因素。

4.1 地層巖性(巖溶化程度)

巖溶發(fā)育程度是巖溶塌陷形成發(fā)生的先決條件[9]。研究區(qū)淺部巖溶發(fā)育，下伏基巖主要為二疊系上統長興組石灰?guī)r(P2c)。基巖面附近巖溶化程度較高，巖溶形態(tài)多樣，溶隙、溶槽、溶洞發(fā)育(圖7)，為巖溶塌陷的形成提供了良好的排水和顆粒運移通道[10]。據鉆探資料，特別是淺層巖溶發(fā)育(ZK5在地表以下50 m范圍內發(fā)育13個溶洞)，大多為小溶洞，高度0.3～5.0 m不等，個別高度達30 m以上，多數為全-半充填狀態(tài)，充填物為泥砂及碎石(圖8)。

圖7 基巖巖溶發(fā)育

圖8 鉆孔揭示溶洞發(fā)育

4.2 覆蓋層厚度及性質

4.2.1 覆蓋層厚度

覆蓋層是巖溶塌陷產生的物質載體，既是巖溶塌陷的破壞體，又是抵抗巖溶變形塌陷的重要組成部分。覆蓋層厚度越薄，巖溶塌陷越發(fā)育，分布密度也越大。覆蓋層厚度越厚，地下水潛蝕路徑越長，土洞擴展到地面的時間也越長，自身容易達到應力平衡，越不容易發(fā)生塌陷[11]。據高密度電法測量，研究區(qū)東、西側山溝第四系覆蓋層厚度1～8 m，從鉆探情況看，表層覆蓋層厚度在1～5 m內。

4.2.2 覆蓋層結構

除了覆蓋層厚度外，覆蓋層的組成成分及性質對塌陷的發(fā)生及形態(tài)也起著重要影響作用。根據調查及鉆探情況，研究區(qū)覆蓋層主要為沖洪積砂黏土、卵石及坡殘積粘性土組成。粘性土在土顆粒粘聚力作用下，可形成拱作用，不易塌陷；而砂黏土及卵石土顆粒自由度大，粘聚力很小，容易流失，形成塌陷。

正是由于研究區(qū)覆蓋層薄且局部組成成分不利，使得容易產生塌陷。

4.3 地質構造

4.3.1 斷層

斷層不僅控制了區(qū)內灰?guī)r分布，斷層性質和產狀還控制了地面塌陷的分布特點。正斷層的張性特征為巖溶發(fā)育提供了有利的導水通道。塌陷多分布于斷層上盤，如西側山溝塌陷均位于斷層上盤，且沿該斷裂走向帶呈串珠狀分布(圖4)。

4.3.2 節(jié)理裂隙

東側山溝中塌陷主要受北東向、北西向和近南北向節(jié)理裂隙控制，特別是兩條裂隙交匯處塌陷成群出現。

4.4 地下水水位變化

4.4.1 礦坑涌水及排水

塌陷區(qū)淺部巖溶較發(fā)育，自然狀態(tài)下巖溶地下水水位埋深一般為1～3 m，地下水與地表水的水力聯系較密切，地下水動態(tài)受降水影響，隨季節(jié)變化，變幅1～3 m。2017年10月14日塌陷區(qū)西北角礦硐(約200 m)內發(fā)生透水事故，導致塌陷區(qū)域地下水在短時間內快速下降，破壞了原有的平衡狀態(tài)，是形成地面塌陷的誘發(fā)原因。

礦坑疏干排水形成的地下水水位降落漏斗勢必造成地下水力坡度與地下水流速加大，潛蝕與真空吸蝕作用加強，破壞地殼的相對穩(wěn)定，隨之地面開裂、陷落。

4.4.2 降雨與負壓

塌陷主要形成于2017年10月16～17日的降雨期間和11月20日的人工降雨期間，短時間較強降水導致第四系土層含水量大大增加，土體重度增加，地下水補給徑流加快，水位變幅頻繁，在上覆土體自重、動靜水壓力及土洞真空吸蝕(負壓)等共同作用下，產生地面塌陷。降雨前后，天氣比正常年份雨水偏少，出現較明顯的干旱，不僅改變了地下水動力條件，也造成土壤干裂，為地表水的入滲提供了良好通道。

相關研究表明，當地下水動力條件改變時，原來被堵塞的洞隙及其相連的下部排水通道復活，重新成為地下水集中活動的地段；地下水位上升，抗水性差的土強烈崩解，一部分順喇叭口落入溶洞中，初步形成上覆土層的土洞；土洞進一步擴大，向地表發(fā)展，頂板漸薄，當頂板薄到不能支撐上部土層重量時，便突然發(fā)生塌落。

5 結論

(1) 福建省三明市大田縣武陵自然村地面塌陷主要分布于東、西兩側山溝農田中，其走向與山溝走向基本一致。2017年10月14日礦洞出現開采透水，10月16～17日、11月20日降雨過程中，出現巖溶塌陷，并伴有地面及房屋開裂。陷坑以單體和群體出現，單個陷坑多呈圓形，少量呈橢圓形、長條形和不規(guī)則形，面積最小3 m2，最大達1 000 m2，深度1～10 m。塌陷導致1棟民房損毀，20多棟民房開裂、水渠、道路破壞，近13.33 hm2農田不能耕種，影響村民日常生產生活和生命財產安全。

(2) 區(qū)內地質環(huán)境較為脆弱，下伏灰?guī)r淺層巖溶發(fā)育，形態(tài)多樣，基巖面附近巖溶化程度較高，第四系覆蓋層較薄，巖溶受斷層及節(jié)理裂隙控制影響明顯。淺層巖溶發(fā)育和覆蓋層薄、結構松散成為地面塌陷產生的內因。礦坑開采透水及排水、降雨等是誘發(fā)地面塌陷及發(fā)展的外因。其中，礦坑涌水和干旱改變了地下水動力條件，使原來被堵塞的洞隙及其相連的下部排水通道復活，重新成為地下水集中活動的地段，地下水位的變化使覆蓋層失去賴以穩(wěn)定的頂托作用力，在上覆土體及降雨作用下，產生地面塌陷。