水文地質(zhì)條件對(duì)連平縣某巖溶地面塌陷的影響

黎 強(qiáng)

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九二大隊(duì)，廣東 河源 517000）

連平縣某地巖溶發(fā)育，該區(qū)多處可見民房及地坪開裂，特別是一棟具有200年歷史的宗祠墻體及地面分布有長短不一的裂縫。2019年5月5日該宗祠墻面見有灰塊剝落，隨后宗祠前地坪出現(xiàn)面積約30m2的塌陷坑，塌陷坑深約24m，塌陷坑周邊形成多處地裂縫，周邊部分房屋基礎(chǔ)被掏空，房屋嚴(yán)重開裂，墻面整體錯(cuò)位歪斜，嚴(yán)重威脅周邊14戶村民76人的生命財(cái)產(chǎn)安全、危及2處宗祠及1處村委會(huì)辦公樓的正常使用[1]。根據(jù)勘查資料顯示，該區(qū)巖溶主要以土洞和溶洞的形式分布于巖土層中：土洞發(fā)育在覆蓋于可溶性巖以上的第四系土層，洞頂埋深在16.80～21.4m之間，土洞高度2.8～9.3m，呈半充填狀態(tài)，充填物多以流塑狀、軟塑狀粉質(zhì)粘土和松散細(xì)砂為主；溶洞埋藏深度一般較大，一般在23.4m 以上，洞高1.4～12.4m，多發(fā)育于微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)部，半填充流塑—軟塑狀細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，發(fā)育形態(tài)多為獨(dú)立的橢圓狀及透鏡體狀，在垂直方向上呈串珠式分布。

1 巖溶地面塌陷區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

該區(qū)地貌屬山前沖積平原，區(qū)內(nèi)多為耕地及魚塘，地勢平坦，最高點(diǎn)位于北西部，海拔320.0m，最低點(diǎn)位于東部，海拔308.4m。地形地貌條件簡單。

1.2 氣象與水文

該地區(qū)年降雨量1889.3mm，最大日降雨量為150mm（2010年4月21日），86%降雨量集中在3～9月，其中5～6 月雨量多在340mm 以上，11 月、12 月雨量不到37mm。

2018 年全年降雨量比往年大幅減少，年降雨量為1355.5mm，月平均降雨量為112.96mm，月最大降雨量為6月份（305.1mm），月最小降雨量為12月（19.5mm）。雨旱季降雨量差異大，2018年4月與2018年6月降雨量相差259mm，2018年12月與2019年4月相差403.3mm；雨旱季間隔時(shí)間短，雨季多以持續(xù)性強(qiáng)降雨為主。

區(qū)內(nèi)河流屬東江水系，東江的主要支流——大席河從塌陷區(qū)南東側(cè)直線距離約750m 處由北東向南西徑流，多年平均徑流量15.95m3/s，多年平均徑流深h=950mm。水量受大氣降雨影響較大，一般春夏季節(jié)降雨量較多，河流水量充沛，遇暴雨常滿溢兩岸，秋冬多為旱季，降雨量少，河流量銳減，河床多暴露。

1.3 地層與構(gòu)造

區(qū)內(nèi)出露地層由上至下為人工填土層（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）和殘坡積層（Q4el+dl）、石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）。人工填土層主要成分為粉質(zhì)粘土，厚1.00～3.00m；沖洪積層主要由砂土層（細(xì)砂、中砂、粗砂和砂礫）、卵石、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)砂土等組成，揭露厚度3.90～29.10m；殘坡積層主要有粉質(zhì)粘土組成，厚0.30～40.90m不等，是該區(qū)土洞發(fā)育的主要層位，土洞多全充填淤泥質(zhì)粉土或細(xì)砂；石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）在區(qū)內(nèi)地表無出露，隱伏于第四系以下，屬覆蓋型巖溶區(qū)，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r。

上營斷裂位于塌陷點(diǎn)西南側(cè)，直線距離約700m。斷裂總體走向NE35°距離較近，可能對(duì)塌陷點(diǎn)場地內(nèi)巖土層完整程度及場地的穩(wěn)定性存在一定的影響。

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 地下水類型

該區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水（巖溶水）兩大類。

（1）松散巖類孔隙水。埋藏淺，具無壓或低壓的水力特點(diǎn)。分布于表層，含水層由沖—洪積形成的卵石土層組成，含水層靜止水位埋深0.65～0.88m，含水層厚度3.70～18.30m，平均厚度10.10m。該含水層地下水補(bǔ)給來源豐富，主要接收大氣降水補(bǔ)給，并同時(shí)可得到地表水體垂向補(bǔ)給，地下水在區(qū)域內(nèi)由北西向南東大席河方向徑流，主要排泄于大席河中，少部分耗于人工開采及地面蒸發(fā)。由于該區(qū)屬山前沖積平原地貌，地形較平緩，上游匯流面積大，雨季大雨及暴雨時(shí)，地下水位易暴漲，旱季時(shí)易暴跌，地下水動(dòng)態(tài)極不穩(wěn)定，水位隨季節(jié)變化，水位變化幅度一般為2.6～5.0m。

（2）碳酸鹽巖類裂隙溶洞水（巖溶水）。分布在該區(qū)第四系地層之下，含水層為石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r。含水介質(zhì)空間為節(jié)理裂隙、溶隙，多屬管道狀承壓水，水流形式大部分為管道流，含水空間和富水性復(fù)雜多變，地下水動(dòng)力條件復(fù)雜。水量主要受溶隙和節(jié)理裂隙控制，富水程度與巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)。該區(qū)巖溶較發(fā)育，含水層透水性較好，但均勻性較差。該含水層受區(qū)內(nèi)第四系潛水的垂向補(bǔ)給及區(qū)外圍基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水由北西向南東方向徑流，排泄于大席河。地下水動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，水位受季節(jié)性影響較小，水化學(xué)類型為HCO3-Na 型，礦化度100.81～180.35mg/L,平均礦化度151.24mg/L，pH值平均值6.45。

1.4.2 地下水水力聯(lián)系特征

該區(qū)第四系孔隙含水層，由沖洪積層的砂土層、卵石土層組成，含水層透水性強(qiáng)。下部的殘坡積層由粉質(zhì)粘土組成，粘性土結(jié)構(gòu)致密，透水性較弱，為相對(duì)隔水層。但由于該層土洞發(fā)育，呈串珠狀，在局部可貫通第四系孔隙含水層和裂隙溶洞水含水層。第四系孔隙水可通過土洞、灰?guī)r巖頂部的開口溶洞、溶蝕裂隙等巖溶管網(wǎng)與灰?guī)r中的裂隙溶洞水相連通，第四系地下水與下部巖溶水水力聯(lián)系密切。

當(dāng)下部巖溶水水位大幅度降低時(shí)，引起上部第四系地下水位降低，第四系含水層地下水位降低時(shí)，又可獲得區(qū)內(nèi)地表水體的補(bǔ)給，巖溶地下水與地表水體也存在著水力聯(lián)系。

1.4.3 地下水動(dòng)態(tài)變化特征

該區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化與降雨量密切相關(guān)，具有季節(jié)性周期的明顯特點(diǎn)。該區(qū)每年5～9月均出現(xiàn)暴雨天氣，雨后民井地下水位暴漲，松散巖類孔隙水因埋藏較淺，雨后水位迅速上升，雨后1h 內(nèi)民用井水位漲幅0.50～0.70m，峰值在24h 內(nèi)出現(xiàn)，之后逐漸回落；而在10～12月降雨偏少，區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同程度的干旱，松散巖類孔隙水接受地表水補(bǔ)給減弱，而對(duì)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的補(bǔ)給卻在增強(qiáng)，造成地下水位緩慢下降。因此每年5～9月為高水位期，10月份后，隨大氣降雨的減少，每年12月至次年3月處于低水位期，常在2月份出現(xiàn)低谷。覆蓋型巖溶含水層與松散巖類含水層之間隔水層厚薄不一，水力聯(lián)系密切，其動(dòng)態(tài)變化較大。

1.4.4 人類工程活動(dòng)對(duì)地下水的影響

該地區(qū)目前尚未接引自來水，村民普遍在自家宅院內(nèi)掘井取水，多采用水泵抽水儲(chǔ)存于水箱，具有抽水速度快、短時(shí)間內(nèi)抽水量相對(duì)較大的特點(diǎn)，地下水是當(dāng)?shù)卮迕裆钣盟闹饕?。該地區(qū)農(nóng)田水利設(shè)施較完善，大氣降雨正常年份基本未用地下水灌溉農(nóng)田，但在干旱時(shí)節(jié)，普遍存在鉆井取水灌溉現(xiàn)象，需求量較大。據(jù)了解，2018年10月份前后，區(qū)內(nèi)多處民井干涸，某處民用井深約12m，用水量最大時(shí)，地下水基本降至井底，場地周邊對(duì)地下水的抽取具有普遍性和用量大的特征，對(duì)地下水的賦存存在較大影響。一般民用取水井深4～8m，基本未做過濾措施，人、牲畜產(chǎn)生的廢物未進(jìn)行有效的處理，滲漏進(jìn)地下水系統(tǒng)，地下水被污染可能性大。

2 水文地質(zhì)條件對(duì)巖溶發(fā)育的作用機(jī)制

2.1 地下水（地表水）產(chǎn)生的滲透潛蝕作用

潛蝕是在地表水或地下水的滲透作用下，土體中的細(xì)顆粒在孔隙通道中移動(dòng)并被攜出的現(xiàn)象。巖溶區(qū)地下水位的下降，使地下水的水力梯度和流速增大，動(dòng)水壓力增強(qiáng)，從而對(duì)巖溶洞隙通道中的松散充填物和覆蓋層產(chǎn)生側(cè)向潛蝕、沖刷和掏空作用，土洞不斷向上擴(kuò)展而導(dǎo)致塌陷。

在巖溶區(qū)的土層中，滲透水的水力梯度加大，水力流速加快，動(dòng)水壓力增強(qiáng)，且水力梯度達(dá)到某一臨界值Jk時(shí)，土中細(xì)粒被滲流帶走遷移，產(chǎn)生土洞甚至塌陷。太沙基根據(jù)單位體積的土體在水中的浮重和作用于該體積的滲透水相平衡原理[2]，得到土體產(chǎn)生潛蝕作用的臨界水力梯度：

Jk′=（Gs-1）·（1-n）

式中：Gs——土顆粒比重；

N——土體的孔隙度。

當(dāng)土層中地下水滲流的水力梯度大于臨界水力梯度Jk時(shí)，土洞就有可能產(chǎn)生潛蝕破壞。對(duì)該區(qū)殘積層粉質(zhì)粘土中取樣分析，土顆粒比重為2.74～2.76，孔隙度n為49.3%～53.8%，則其產(chǎn)生潛蝕的臨界水力梯度為0.81～0.88。根據(jù)區(qū)內(nèi)兩處民井地下水位觀測資料顯示，地下水流向上水力梯度（水頭短時(shí)間內(nèi)下降值）已達(dá)到0.55～0.61，若在干旱或強(qiáng)抽水等極端情況下，產(chǎn)生的瞬時(shí)水力梯度達(dá)到臨界水力梯度的可能是存在的。當(dāng)土層中地下水滲流的水力梯度大于臨界水力梯度時(shí)，土體中的細(xì)顆粒在孔隙通道中移動(dòng)并被攜出，土層產(chǎn)生水平方向上潛蝕破壞。

此外，地下水下滲也會(huì)產(chǎn)生潛蝕作用，該區(qū)降雨量豐富，且具有降水相對(duì)集中的特點(diǎn)。暴雨產(chǎn)生高強(qiáng)度的地表水迅速流動(dòng)，形成相對(duì)較高的水力梯度，下滲進(jìn)入地基土體中，當(dāng)土層中地下水滲流的水力梯度大于臨界水力梯度時(shí)，土體中的細(xì)顆粒（特別是沖洪積層）在孔隙通道中移動(dòng)并被攜出，土層產(chǎn)生垂直方向上潛蝕破壞。

2.2 地下水的溶(侵)蝕作用

碳酸鹽巖上覆蓋層多為粉質(zhì)粘土，土顆粒之間多被鐵、鈣質(zhì)膠結(jié)，地下水可使土體中的可溶性組分被溶解淋濾，土體結(jié)構(gòu)受到削弱，尤其是對(duì)于鐵、鈣質(zhì)膠結(jié)的粘土地基，土體強(qiáng)度降低，并加劇了入滲水流的潛蝕作用。用總?cè)芙恹}量(Ca+Mg+Na+K)及鈉吸收比(SAR=Na/0.5(Ca+Mg))來表征地下水的化學(xué)成分特征[3]，侵蝕速度系數(shù)隨SAR的增加而減少，地下水的人為污染(如含酸堿廢水的排放)會(huì)降低SAR值加速地下水對(duì)土的侵蝕。

據(jù)該場地內(nèi)地下水水質(zhì)分析結(jié)果表明，地下水的總?cè)芙恹}量平均值為44.88mg/L，SAR平均值為0.8，pH 平均值為6.45，呈弱酸性。樣品采取時(shí)間為雨季，地下水流速快、水位高、動(dòng)儲(chǔ)量大，人為污染被大氣降水稀釋；當(dāng)旱季來臨，大氣降水對(duì)人為污染的稀釋作用減小，地下水pH 值可能會(huì)降低，從而降低SAR值，增強(qiáng)地下水的溶蝕作用。

2.3 地下水位波動(dòng)的崩解作用

地下水位的波動(dòng)，導(dǎo)致覆蓋層反復(fù)飽和失水，為巖溶的發(fā)育提供了主要?jiǎng)恿4]，使得覆蓋土層產(chǎn)生崩解、散體、剝落而向下遷移，形成土洞并向上擴(kuò)展。當(dāng)?shù)叵滤徊▌?dòng)頻繁，會(huì)加速覆蓋層下部淘挖沖蝕作用，破壞平衡條件，形成巖溶塌陷[5]。

當(dāng)?shù)叵滤煌蝗幌陆禃r(shí)，由于向上的水壓力突然減少，當(dāng)土中某點(diǎn)的張應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)在開口向上的溶洞頂板以上的土層中形成水力裂隙，土結(jié)構(gòu)塊體在地下水流及自重力的作用下與母體分離并進(jìn)入溶洞中，于是形成了土洞的雛形。初始結(jié)構(gòu)體的剝落將暴露一層新的具有更大張應(yīng)力的土表面，隨著地下水位的持續(xù)漲落，新的土表面也將被剝落。一旦破壞開始，裂隙面便迅速向上擴(kuò)展，直到水壓力引起的張應(yīng)力小于土的抗拉強(qiáng)度，土洞便停止發(fā)展處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

地下水位波動(dòng)幅度越大，產(chǎn)生的動(dòng)水壓力壓力越大，當(dāng)水位降幅達(dá)到某一臨界值ΔH時(shí)，土體開始產(chǎn)生崩解。臨界水位降幅與土的粘聚力之間的關(guān)系可以表示為：

ΔH=c/3gρw

式中：c——土的粘聚力；

g——重力加速度；

ρw——水的密度。

對(duì)該區(qū)殘積層粉質(zhì)粘土采取6件土樣，根據(jù)其分析結(jié)果顯示，土粘聚力為31.2～34.2，則其產(chǎn)生土體崩解的臨界水位降幅為1.06～1.16m。2018年該區(qū)干旱，村民普遍抽取地下水，致使地下水位急劇下降，據(jù)了解塌陷區(qū)北側(cè)約30m 處民井曾多次抽水至干涸，水位降幅達(dá)8m 以上，大于產(chǎn)生崩解的臨界水位降幅，土體在局部地段產(chǎn)生崩解效應(yīng)。當(dāng)崩解累計(jì)到一定程度，土洞頂板側(cè)向壓力無法支撐上部荷載，地面塌陷即產(chǎn)生了。

3 水文地質(zhì)條件對(duì)巖溶地面塌陷的影響

水文地質(zhì)條件對(duì)巖溶發(fā)育的作用機(jī)制，也正好能解釋該區(qū)宗祠在過去的200 年間墻體及地面逐漸出現(xiàn)裂縫，而在今年祠堂前才出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，地下水（地表水）對(duì)土體產(chǎn)生的滲透潛蝕、溶（侵）蝕作用是緩慢的、普遍的、不均一的，土體中的細(xì)小顆粒及化學(xué)成分的流速，改變了土體的密實(shí)程度，致使土層壓縮，地基產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致房屋開裂變形；在極端情況下（如干旱或強(qiáng)抽地下水等），地下水對(duì)土體產(chǎn)生的崩解作用是局部的、突發(fā)性的，特別是區(qū)內(nèi)地坪做了結(jié)實(shí)的硬化，只有當(dāng)土洞發(fā)育到一定規(guī)模，砼板無法支撐時(shí)才出現(xiàn)坡頂開口的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）水文地質(zhì)條件對(duì)巖溶發(fā)育的作用機(jī)制主要有地下水（地表水）產(chǎn)生的滲透潛蝕作用、地下水的溶(侵)蝕作用以及地下水位波動(dòng)的崩解作用。

（2）地下水（地表水）產(chǎn)生的滲透潛蝕作用和地下水的溶(侵)蝕作用是緩慢的、普遍的、不均一的，對(duì)巖溶發(fā)育產(chǎn)生持續(xù)性的累加作用，是一個(gè)量變的過程。

（3）地下水位波動(dòng)的崩解作用是局部的、突發(fā)性的，對(duì)巖溶地面塌陷的產(chǎn)生起到觸發(fā)作用，是巖溶發(fā)育到地面塌陷質(zhì)變過程的激發(fā)因素。

（4）針對(duì)該區(qū)水文地質(zhì)條件特征，建議在地質(zhì)災(zāi)害防治工作中加強(qiáng)地表水防滲處理、設(shè)計(jì)合理的地下水位降深、禁止在區(qū)域內(nèi)及其周邊附近覆蓋型巖溶區(qū)內(nèi)大量抽排地下水。