水南灣巖溶塌陷成因分析及防治措施建議

潘天錄，李小飛，靳文斌，李建華

水南灣巖溶塌陷成因分析及防治措施建議

潘天錄，李小飛，靳文斌，李建華

（湖北省地質局冶金地質勘探大隊，湖北 黃石 435000）

根據(jù)水南灣典型巖溶地面塌陷點的地質勘查資料及水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，巖溶發(fā)育是水南灣發(fā)育地面塌陷災害的內(nèi)在原因，研究區(qū)屬覆蓋型巖溶區(qū)。研究表明，除周邊地區(qū)礦山疏排水影響研究區(qū)地下水，誘發(fā)地面塌陷外，作為地下水補給來源的大氣降水的年際變化，也會誘發(fā)地面塌陷的發(fā)生。水南灣巖溶塌陷發(fā)生受溶洞發(fā)育規(guī)律控制，主要分布在導水（F5、F6、）斷裂帶附近，沿F5、F6斷裂帶兩側，有溶管或較大的溶隙相連通，溶蝕空間較大。在上部荷載、地下水位下降的作用下，溶洞頂板冒落，覆蓋層形成塌陷。研究區(qū)塌陷對周邊居民生命財產(chǎn)安全、農(nóng)田的生產(chǎn)安全及河流港堤造成嚴重威脅，需采取綜合措施進行防治。

地面塌陷；巖溶；形成原因；治理措施

巖溶塌陷指在巖溶發(fā)育地區(qū)，覆蓋層松散土體在自然因素或者人為因素影響下，塌落、擴展，形成地表塌陷的現(xiàn)象。巖溶塌陷作為地質災害災類之一，隨著人類工程活動規(guī)模及程度加劇，對巖溶作用影響增加而頻繁發(fā)生。對工業(yè)與民用建筑、交通干線、礦山及水利水電等基礎設施造成巨大的影響或破壞，并且影響塌陷區(qū)周邊環(huán)境。巖溶塌陷除受采礦工程活動抽排地下水影響、采空區(qū)冒落塌陷外，與地下巖溶發(fā)育狀況也密不可分[1-3]。

湖北省黃石市水南灣巖溶塌陷位于大箕鋪鎮(zhèn)水南灣村。近兩年來該區(qū)域連續(xù)發(fā)生地面塌陷，對周邊居民生命財產(chǎn)安全、農(nóng)田的生產(chǎn)安全及河流港堤造成嚴重威脅、群眾恐慌。本文依據(jù)地質災害勘查成果，對成因機制其進行分析，提出了防治措施建議。

1 地質環(huán)境條件

1.1 氣象與水文

研究區(qū)處在亞熱帶邊緣，具濕潤季風亞熱帶氣侯特征：四季分明，雨量充足，冬夏季風交替明顯。多年平均降雨量1 382.6mm，年度最大降雨量2 180.1mm，降雨主要集中在3～8月份；4～7月成盛行東南風，余以北風、東北風居多，最大風速18m/s；多年平均氣溫17℃，最高氣溫40.3℃，最低氣溫－11℃。

大冶湖為當?shù)刈畲蟮牡乇硭w。每年5～11月為洪水期，常年洪水位標高17.31 m，歷年最高洪水位23.31m（1954年7月25日）；附近地表水體有水南灣河及曹家灣河。研究區(qū)東部水南灣河由南向北注入大冶湖，正常河水位18m左右，最高洪水位21.73m，最低河水位17.43m，最大洪峰流量180m3/s，最小流量0.098 m3/s，雨季平均流量12.5～34.7 m3/s，旱季平均流量為0.5 m3/s，是本區(qū)地表水、地下水的排泄區(qū)。曹家灣河位于研究區(qū)西北方向1.2km，由南西向北東逕流，注入大冶湖，為一季節(jié)性河流。

1.2 地形地貌

研究區(qū)內(nèi)地勢平坦，西側農(nóng)田覆蓋，東側為水南灣村住宅區(qū)，房屋分布緊密。區(qū)西側靠近河流，河內(nèi)流水量較大，流向由南向北匯入大冶湖；區(qū)內(nèi)人工灌溉溝渠發(fā)育。東西兩側為低山，中部為剝蝕殘丘，北部與大冶湖盆低地相接。研究區(qū)處在南北向延伸，南高北低的匯水低洼地段。一般標高20～80m，東部大東山峰頂標高243.29m，西部黃皮山峰頂標高246.50m，中部剝蝕殘丘的地勢向北部大冶湖傾斜，中部標高一在30m左右。

1.3 地層巖性

研究區(qū)出露三疊系、二疊系、石炭系灰?guī)r和上泥盆系砂巖及志留系砂頁巖。其中：三疊系、二疊系、石炭系灰?guī)r分布在東部和北西部低山丘陵區(qū)；泥盆系砂巖和志留系砂頁巖僅在勘查區(qū)北部及東北部零星出露。礦體賦存在巖漿巖與大理巖的接觸部位，大都埋藏在當?shù)厍治g基準面之下。

1.4 地質構造

研究區(qū)位于陽新巖體西北端的東北緣中段、大冶復向斜南翼，處在區(qū)域二級褶皺（曹家灣背斜）南翼次一級向斜（老林灣向斜）東段及葉家莊向斜西端。兩向斜南翼被巖漿巖侵入，北翼為各時代灰?guī)r組成。

照片1 2018年3月塌陷坑

照片2 2020年1月塌陷坑

2 巖溶塌陷發(fā)育特征

根據(jù)以往資料，大志山礦區(qū)降落漏斗影響范圍先后共發(fā)生4期塌陷。分別為：放水前（1972年春～1974年2月7日）礦坑疏排水發(fā)生塌陷坑14處；放水期間（1974年2月8日～1974年3月24日）產(chǎn)生塌陷坑30處；放水后（1974年3月25日~1977年）產(chǎn)生塌陷坑110處；2000底至今又產(chǎn)生塌陷坑16處。2005年一號礦體開采完畢，未大量疏排水（2007年突水也未進行強排），未產(chǎn)生塌陷。塌陷坑平面形態(tài)主要為呈圓形、橢圓形，次為不規(guī)則狀;剖面形態(tài)與巖性及垂直巖溶帶巖溶發(fā)育特征關系密切；大多為壇狀或漏斗狀，少量井筒狀，塌陷坑直徑一般小于5m，個別達17～26m，深度一般小于5m。

2018年3月9日，水南灣村水南灣灣西側農(nóng)田內(nèi)發(fā)生地面塌陷。據(jù)調(diào)查，該區(qū)曾數(shù)次發(fā)生地面塌陷。本次塌陷點屬于老點新發(fā)一處塌陷坑。平面形態(tài)呈“圓形”，直徑約9m，平面面積約80m2，可見深度約3m，塌陷坑周邊發(fā)育多條環(huán)狀裂縫，寬度最大約3cm，最大可見深度約5cm。該4處塌陷坑底部和坑壁均為粉質粘土，坑內(nèi)積水（照片1）。

2020年1月以來發(fā)生的16處塌陷坑分布于水南灣村和柳林村，其中12處位于農(nóng)田或農(nóng)村道路旁、4處位于水南灣河道，塌陷坑直徑1~5m，最大可見深度約3m，大部分塌陷坑內(nèi)積水，水南灣河道4處塌陷在河水沖刷等因素影響下逐步貫通。經(jīng)巡查發(fā)現(xiàn)，部分回填塌陷坑出現(xiàn)了再次下沉跡象，水南灣河道公路出現(xiàn)一條長約30m的拉裂縫，裂縫寬1~2cm，可見深度約5cm，局部出現(xiàn)下錯跡象。（照片2）。

表1 研究區(qū)鉆探揭露溶洞特征表

3 巖溶塌陷形成原因

3.1 巖溶發(fā)育程度

根據(jù)鉆孔的鉆進情況可知，所有20個鉆孔中，見溶洞的鉆孔8個，溶洞高度在0.5~4.5m（其中K13發(fā)育溶洞高度7.5m），鉆孔溶洞發(fā)育率40%。通過對鉆孔所處位置及溶洞發(fā)育情況統(tǒng)計得知，項目區(qū)范圍內(nèi)溶洞較發(fā)育，揭露的溶洞高度較大，基本無充填物（表1）。

3.2 覆蓋層條件

水南灣主要屬覆蓋型巖溶區(qū)。覆蓋層主要為粉質粘土、粘土和全風化大理巖殘積高嶺土等較高的親水性礦物成份，在覆蓋層與水直接接觸，粉質粘土處于軟化狀態(tài)，粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度降低，蓋層穩(wěn)定性隨之降低。由于塌陷土層是從可溶巖溶洞或沿溶隙逐步向上發(fā)展，上覆蓋層越厚，發(fā)展到地面塌陷時間越長，越不易發(fā)生地面塌陷。鉆孔揭露覆蓋層厚度一般為11～54.8m，其中鉆孔K13、鉆孔K14位于3月9日塌陷坑附近，揭露覆蓋層厚度為14.9m和18.3m，屬于塌陷易發(fā)的覆蓋層厚度區(qū)域。

3.3 地下水影響

根據(jù)歷史資料，水南灣塌陷區(qū)域地下水主要受大志山礦疏排水影響。大志山聯(lián)營銅礦放水試驗（-160m）及礦坑排水期間（1978年以前），礦區(qū)周圍已經(jīng)產(chǎn)生了154個巖溶塌坑；2000年12月至2001年5月，在大志山聯(lián)營礦將葉花香銅礦礦坑水從-10m排降到-60m中段期間，產(chǎn)生三個巖溶塌坑，分布在水南灣老河道及其支流附近；在大志山聯(lián)營銅礦疏排-110m礦坑水的2002年3至4月，又產(chǎn)生了4個巖溶塌坑，其中3個分布在水南灣新河道、1個分布在接觸帶部位；2002年7月至2004年大志山聯(lián)營銅礦在疏排-110m、-160m過程中，出現(xiàn)9個塌坑，其中一處在水南灣村集居地中。大志山聯(lián)營銅礦排水是2000年12月至2004年期間產(chǎn)生地面塌陷的誘發(fā)因素。2015年大志山礦完成帷幕注漿工程，這種影響減輕。

除周邊地區(qū)礦山疏排水影響研究區(qū)地下水，誘發(fā)地面塌陷外，作為地下水補給來源的大氣降水的年際變化，也會誘發(fā)地面塌陷的發(fā)生。

圖1 研究區(qū)長期水文觀測孔水位數(shù)據(jù)變化圖

所在區(qū)域黃石市2019年年降雨量偏少，該市2019年發(fā)生多起巖溶塌陷災害。研究區(qū)2020年1月至3月發(fā)生16處塌陷坑，期間水位長時間處于較低值（圖1），塌陷發(fā)生與地下水位低值變化的一致性，反映地下水位下降誘發(fā)巖溶塌陷的不利影響。

3.4 地表水的影響分析

區(qū)內(nèi)地下水埋深較大，強降雨或周圍生活用水長期排放時，地表水與地下巖溶水間水頭差很大，加劇了地表水對地下水的補給速度，造成較強的滲流場。地表水沿松散土層裂隙空隙下滲，對土層進行著潛蝕作用，由于雨水提高了土層的飽和度，增加土層自重，降低土層強度，對已存在塌陷擾動土層地段地段可誘發(fā)塌陷再次產(chǎn)生。

4 地面塌陷的塌陷模式

地面致塌是在一定的地質環(huán)境條件下發(fā)生的。根據(jù)研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)育條件，巖溶地面塌陷覆蓋層的地質模型可概化為“溶洞→覆蓋土層→塌陷”過程（圖2）。

溶洞（溶隙、漏斗)與塌陷土層的發(fā)育與地下水有關，可將塌陷形成過程概化為3個階段，即地下水大幅下降前的覆蓋土層形成階段；地下水大幅下降后的覆蓋土層變化階；因荷載效應引發(fā)的地面塌陷階段[4]。

根據(jù)資料分析，水南灣巖溶塌陷發(fā)生受溶洞發(fā)育規(guī)律控制，主要分布在導水（F5、F6、）斷裂帶附近，沿F5、F6斷裂帶兩側，有溶管或較大的溶隙相連通，溶蝕空間較大。在上部荷載、地下水位下降的作用下，溶洞頂板冒落，覆蓋層形成塌陷。

圖2 “粉質粘土/粘土+大理巖”型地質概化模型

5 防治措施

1）建議水南灣周邊大志山礦繼續(xù)開展長期的水文地質觀測工作，如發(fā)現(xiàn)井下涌水變渾、幕外水位急劇下降、地面塌陷、觀測孔水位降至基巖頂板以下、帷幕截流能力衰減等現(xiàn)象，應及時采取控制措施。加強帷幕的保護工作，靠近帷幕20m范圍內(nèi)嚴禁爆破，避免產(chǎn)生強烈震動，破壞幕體止水效果。

2）加強水南灣周邊地下水位和建筑物變形監(jiān)測，進一步健全已有的地質災害群測群防系統(tǒng)。

3） 根據(jù)水南灣地質災害勘查結果，部分房屋下部發(fā)育溶洞或靠近溶洞發(fā)育區(qū)，且規(guī)模較大，建議政府開展相應的治理工作。

4）對今后發(fā)生的塌陷坑及時回填，回填時應按照規(guī)范回填。

5）規(guī)劃地下水開采層位、開采強度、開采時間，禁止或合理開采地下水，同時加強地下水動態(tài)監(jiān)測[5]。

[1] 王延嶺 .山東省泰萊盆地巖溶地面塌陷影響因素分析[J]. 中國巖溶，2016,35（1）：60-66.

[2] 馮發(fā)焱，陳紹義. 礦山地下水位下降是導致房屋開裂的重要原因[J]. 四川地質學報，2009,29（2）：195-198+223.

[3] 宋磊. 豐都縣某地區(qū)巖溶發(fā)育特征及影響因素[J]. 四川地質學報，2019,39（2）：277-279+284.

[4] 汪鐵山，王玲，高洋，周蒙. 鄂州市啤酒廠還建樓地面塌陷形成機理研究[J]. 中國水運，2013,13（5）：258-260.

[5] 封林波，董毓，劉前進. 贛西城鎮(zhèn)發(fā)展帶東段巖溶地面塌陷成因分析與防治建議[J]. 國土與自然資源研究，2017,（1）：59-64.

Causes of Ground Collapse in Shuinanwan and Suggestions on Its Control Measures

PAN Tian-lu LI Xia-fei JIN Wen-bin LI Jian-hua

(Metallurgical Geological Exploration Brigade, Hubei Bureau of Geology and Mineral Resources, Huangshi, Hubei 435000)

The Shuinanwan area is a karst development area. Karstification development is the main cause of ground collapse disaster in the Shuinanwan area. In addition, the ground collapse is induced by mine drainage and atmospheric precipitation. The ground collapse is controlled by kart cave development on the sides of the faults such as F5and F6. The roof of the karst cave has caved in due to the load on the upper part and the lowering of the groundwater level. The ground collapse seriously threats to safety of the lives and property of the surrounding residents, farmland and the river embankment. Comprehensive measures should be taken to control.

ground collapse; karst; cause; control measure

2020-04-22

潘天錄（1983-），男，甘肅武威人，水工環(huán)工程師，現(xiàn)主要從事水工環(huán)地質工作

P642.25

A

1006-0995（2020）04-0647-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.025