福建永安大湖巖溶塌陷形成機(jī)制與塌陷模式研究

黃光明

(福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建 福州 350005)

巖溶塌陷是指在人為活動(dòng)或自然因素作用下使得灰?guī)r區(qū)上覆土層或灰?guī)r頂板發(fā)生的陷落或沉陷的一種“水—土—巖”綜合動(dòng)力作用的地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶塌陷是灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)展過程中常見的地質(zhì)現(xiàn)象，也是影響環(huán)境問題的地質(zhì)災(zāi)害之一，多具有突發(fā)性和隱蔽性，特別是發(fā)生在覆蓋型巖溶區(qū)的巖溶塌陷，嚴(yán)重影響區(qū)域場(chǎng)地的穩(wěn)定性，已成為國內(nèi)外共同關(guān)注的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題之一[1-3]。巖溶塌陷的防治工作多基于塌陷機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，因此，國內(nèi)外對(duì)巖溶塌陷的形成機(jī)制進(jìn)行了大量的研究[4-7]?？祻┤蕦?duì)巖溶塌陷的成因機(jī)制按其致塌力的不同破壞表現(xiàn)形式歸納為真空吸蝕致塌模式、滲壓致塌模式、潛蝕致塌模式等八類[8]。但隨著對(duì)大量塌陷區(qū)的深入研究，如覆蓋層土體結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)的不同，在同一致塌因素作用下，其塌陷破壞機(jī)制及發(fā)展過程表現(xiàn)為不同的形式。據(jù)此當(dāng)覆蓋層為粘性土或灰?guī)r頂板為較厚的粘性土等弱透水性土層為主的阻水蓋層時(shí)，賀可強(qiáng)等提出了滲壓效應(yīng)致塌模式[9]，王建秀等提出了“溶洞充填物潛蝕流動(dòng)—壓差場(chǎng)—蓋層失托增荷效應(yīng)”致塌模式[10]，李前銀則提出了基于土體流變的溯源潛蝕致塌理論[11]。

由于各地巖溶區(qū)的地質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)條件的不同，加之巖溶系統(tǒng)是一開放的系統(tǒng)，影響巖溶塌陷的因素較多，這就使得產(chǎn)生巖溶塌陷的機(jī)制復(fù)雜化。本文依托三明城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，通過實(shí)地調(diào)查和實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面，采用野外鉆探、取樣、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)研究區(qū)(丘陵山區(qū))的巖溶塌陷成因及機(jī)制進(jìn)行了綜合分析，并提出了區(qū)內(nèi)巖溶塌陷機(jī)制模型。

1 永安大湖塌陷概況

永安大湖巖溶盆地是“海西三明生態(tài)工貿(mào)區(qū)”的重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)區(qū)域[12]。在本項(xiàng)目野外調(diào)查期間發(fā)生了多起巖溶塌陷，以大湖鎮(zhèn)坑源村為代表，各塌陷點(diǎn)分布如圖1和表1。大湖鎮(zhèn)坑源村發(fā)生塌陷時(shí)間為2017年12月—2018年6月，其中5處首次發(fā)生塌陷時(shí)間為2018年5—6月，有的塌陷已進(jìn)行回填處理。各塌陷坑形狀不一，以圓形為主；規(guī)模也不盡相同，最大直徑為8 m，最小直徑3 m。2018年9月12日調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分塌陷點(diǎn)有進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展的趨勢(shì)，經(jīng)現(xiàn)地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭示其地質(zhì)剖面如圖2。

圖1 大湖盆地內(nèi)地面塌陷分布圖Fig.1 Distribution of surface collapses in the Dahu Basin1.本次調(diào)查塌陷點(diǎn)及編號(hào)；2.剖面線；3.地下水主要流向；4.地下水等水位線。

2 研究區(qū)巖溶地質(zhì)背景

永安大湖盆地位于三明市永安北面，屬典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候。受大陸性和海洋性季風(fēng)的影響，區(qū)內(nèi)氣候溫暖，降水充沛，多年平均降水量1 580～1 860 mm，年內(nèi)4—9月份降水量占全年的73.51%，且多為暴雨，11—12月份降水量最小，占5.56%。受其影響，研究區(qū)地表地下巖溶現(xiàn)象異常發(fā)育[13-14]?，F(xiàn)今大湖盆地分布有大大小小相對(duì)獨(dú)立的多處溶蝕洼地，以巖溶殘丘或孤峰相分割，形成了以灰?guī)r為基底的大湖巖溶盆地。研究區(qū)為裸露型—覆蓋型—埋藏型丘陵巖溶區(qū)，區(qū)內(nèi)發(fā)育有層狀溶洞，洞隙發(fā)育深度達(dá)160 m以下，并以巖溶管道形式相連通。區(qū)內(nèi)整體洞隙率>10%，覆蓋型巖溶區(qū)上部溶洞多與上覆第四系相通，洞內(nèi)多充填有軟塑—流塑狀粘土和泥質(zhì)礫石等。研究區(qū)內(nèi)裸露型和覆蓋型灰?guī)r為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，埋藏型灰?guī)r為中等—弱巖溶發(fā)育區(qū)。巖溶地下水水位埋藏標(biāo)高在210～190 m段，具弱承壓性，由北往南逐次變低，地下水流向總體由北往南，向盆地南面的沙溪河排泄。

圖2 塌陷處地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of some collapses

永安大湖盆地洼地處為覆蓋型巖溶區(qū)，覆蓋層從上至下為粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)礫卵石、紅粘土的多層土體結(jié)構(gòu)，所處位置不同而略有不同，厚度多為7～30 m，局部40～70 m，下伏基巖為船山組灰?guī)r或棲霞組灰?guī)r。上覆第四系松散層中泥質(zhì)礫卵石厚5～23.5 m，粉質(zhì)粘土及紅粘土最大厚度可達(dá)40 m，多為弱透水性土層。其中粉質(zhì)粘土為可塑狀，泥質(zhì)礫卵石為稍密—中密狀，紅粘土為灰?guī)r風(fēng)化殘余物可塑—硬塑狀。各巖土層物理力學(xué)特征經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如表2。

表2 研究區(qū)灰?guī)r上覆各巖土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of physical and mechanical properties of soil layer androck stratum overlying the limestone of study area

3 巖溶塌陷機(jī)制與塌陷模式分析

3.1 巖溶塌陷成因

覆蓋型巖溶區(qū)的塌陷是在一定的土洞范圍內(nèi)發(fā)生的地面塌陷，表現(xiàn)為“地下水—覆蓋層巖土體—巖溶洞隙”系統(tǒng)中的力學(xué)失衡。國內(nèi)外大量研究表明，覆蓋型巖溶區(qū)巖溶塌陷發(fā)育的基本條件是地下隱伏巖溶洞隙的存在和巖溶地下水水動(dòng)力條件發(fā)生變動(dòng)。而巖溶洞隙上方覆蓋層土的厚度決定其內(nèi)發(fā)育土洞的穩(wěn)定性，一般認(rèn)為巖溶塌陷臨界土洞的極限平衡高度如下式[15-16]：

HR= (R-2c/γ)/K0tgφ

式中:R為發(fā)育土洞的洞徑跨度；K0為土體靜止土壓力系數(shù)；c、φ為土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角；γ為土的重度；HR為土洞洞頂—地面的臨界垂直距離。

大湖鎮(zhèn)坑源村塌陷位于一巖溶蝶型洼地內(nèi)，為覆蓋型巖溶區(qū)。鉆探表明：場(chǎng)地內(nèi)覆蓋層為粉質(zhì)粘土、泥礫卵石及紅粘土等組成的多層巖土結(jié)構(gòu)；地下溶洞及巖溶管道發(fā)育，溶洞多充填有流塑或軟塑狀粘性土或碎石類土；塌陷前巖溶水水位標(biāo)高為209 m，多為承壓或微承壓水，地下水流向?yàn)楸蔽飨蚰蠔|，塌陷后巖溶水水位標(biāo)高為202.6 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)測(cè)繪，塌陷場(chǎng)地西南側(cè)為一露采灰?guī)r礦山，其采坑坑底標(biāo)高到水平面186 m，并于2017年10月發(fā)生坑底突水，并淹沒至水平標(biāo)高193.8 m(如圖3)。隨后大湖鎮(zhèn)坑源村于2017年12—2018年6月先后發(fā)生了多起巖溶地面塌陷事故?；谝陨腺Y料分析，筆者認(rèn)為大湖鎮(zhèn)坑源村巖溶塌陷觸發(fā)原因是由于采坑大量涌水，導(dǎo)致洼地內(nèi)地下水水位大幅下降(這在2號(hào)塌陷處東側(cè)一口古井水干涸得以驗(yàn)證)從而引起多處地面塌陷。其地面塌陷大致經(jīng)歷了土洞形成→擴(kuò)展→塌陷的過程，所以其時(shí)間上表現(xiàn)為相對(duì)滯后。由于采坑大量排水，導(dǎo)致洼地內(nèi)的地下水經(jīng)巖溶管道排向采坑，地下水流向轉(zhuǎn)為北東向南西，并引起地下水水位下降和原充填于溶洞內(nèi)的土體產(chǎn)生流變沖蝕(據(jù)訪礦坑涌水過程中有逐漸變混濁的現(xiàn)象)，使原有浮托作用的地下水產(chǎn)生失托作用，改變了原有的灰?guī)r溶洞處上覆土層的應(yīng)力平衡，在有地下溶洞發(fā)育且上覆土層較薄處發(fā)生地面巖溶塌陷(如圖3)。

圖3 大湖盆地坑源村巖溶塌陷形成過程圖Fig.3 Formation process of karst collapse in Kengyuan village,Dahu Basin1.塌陷前地下水位；2.塌陷前地下水主要流向；3.塌陷時(shí)地下水位；4.塌陷時(shí)地下水主要流向。

3.2 巖溶塌陷模式分析

綜合以上分析，覆蓋層為較厚的粘性土等弱透水性土層構(gòu)成的多層巖土結(jié)構(gòu)的巖溶地區(qū)，自然地面下弱透水性覆蓋層在溶洞充填物及承壓水的支撐和浮托作用下處于相對(duì)平衡穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巖溶地下水位在自然或人為因素的影響下發(fā)生快速下降，水力坡度超過一定閾值時(shí)，由于充填物多為流塑或軟塑狀，溶洞充填物極易產(chǎn)生沖蝕作用，首先被破壞產(chǎn)生土體流變和流失，朝水流滲透方向土體逐漸變形。土洞在基巖面與弱透水性土層交界處開始形成。隨著地下水位下降，降低了地下承壓水對(duì)覆蓋層土體的浮托力，自然平衡狀態(tài)下形成的承壓水浮托—覆蓋層土體自重的動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡系統(tǒng)被破壞，且土體中因失水其有效自重應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)巖溶地下水水位低于頂板時(shí)，在土洞和所處的巖溶管道形成壓差場(chǎng)，失托作用得以產(chǎn)生，并伴有土體沖蝕流變。覆蓋層土體因受到壓差場(chǎng)作用[17]和地下水流動(dòng)產(chǎn)生的沖蝕作用，開始局部坍塌，形成土洞。隨著抽排水持續(xù)，土洞拱頂土體不斷塌落流失并向上擴(kuò)展，當(dāng)土洞前期形成的應(yīng)力拱不能支撐上覆土體自重，覆蓋層厚度小于臨界高度時(shí)，最終形成塌陷。巖溶塌陷快慢受控于上覆覆蓋層的土體物理力學(xué)性質(zhì)及地下水位下降的幅度，當(dāng)?shù)叵滤幌陆递^大較快時(shí)，則塌陷發(fā)展較快。因區(qū)內(nèi)水位下降引起失托并產(chǎn)生蓋層土體沖蝕流變形成空洞，使得覆蓋層土體自重及附加應(yīng)力超過了土體的抗塌能力，多形成圓柱形或壇形塌陷，塌陷坑壁面一般較為陡直。如區(qū)內(nèi)多數(shù)塌陷坑即是此類型，覆蓋層土體表現(xiàn)為剪切破壞。其可以在自然條件下由于氣候和季節(jié)的水位升降變化引起，也可以由于人工抽排水引起。大湖鎮(zhèn)坑源村發(fā)生的多起地面塌陷歸納總結(jié)為“失托—土體流變效應(yīng)”致塌模式，區(qū)別于以強(qiáng)透水性砂類土為主的潛蝕致塌模式，類似“溯源潛蝕”。

4 結(jié)論

(1) 大湖鎮(zhèn)坑源村塌陷主要是因區(qū)內(nèi)礦坑排水，大幅降低塌陷區(qū)的地下水位和改變流向，引起原充填于溶洞內(nèi)的土體產(chǎn)生流變沖蝕，使地下水原有的浮托作用引起失托，改變了原有的灰?guī)r溶洞處上覆土層的應(yīng)力平衡，在有地下溶洞發(fā)育且上覆土層較薄處發(fā)生地面巖溶塌陷。

(2) 大湖鎮(zhèn)坑源村發(fā)生的多起地面塌陷歸納總結(jié)為失托—土體流變效應(yīng)致塌模式，即地下水位大幅下降，覆蓋層土體在減壓失托和地下水流動(dòng)沖蝕作用下，自下而上不斷引起土體沖蝕流變，直至產(chǎn)生巖溶區(qū)地面塌陷。塌陷處土體表現(xiàn)為剪切破壞。

(3) 永安大湖巖溶盆地內(nèi)灰?guī)r礦山開采應(yīng)嚴(yán)格控制開采底界標(biāo)高，即不能低于周邊地下巖溶水水頭高度，以免因采坑排水而引起洼地巖溶地面塌陷。