淮南市土壩孜地區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)與防治對(duì)策

靳清增，阮小語，劉璐

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽合肥 230001）

0 引言

土壩孜地區(qū)位于淮南市八公山區(qū)，是淮南市巖溶地面塌陷災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，為市級(jí)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)自20世紀(jì)50年代起至今，共發(fā)生巖溶地面塌陷16次，塌陷坑填平后又反復(fù)發(fā)生。2020年6—8月，研究區(qū)突發(fā)4處巖溶地面塌陷，塌陷坑在平面上呈串珠狀分布，顯現(xiàn)繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，已嚴(yán)重威脅附近居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，隨著對(duì)土壩孜地區(qū)巖溶塌陷深入研究，已查明研究區(qū)地形地貌以丘陵和平原為主，地層巖性以灰?guī)r、中細(xì)砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主，構(gòu)造受東西向舜耕山斷層和山王集斷層控制，地下水為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水兩大類。采用遙感解譯、地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等多種手段較全面了解研究區(qū)地質(zhì)條件及災(zāi)害發(fā)育情況。

目前巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)劃分的常用方法有很多，主要分為非數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型（現(xiàn)場(chǎng)專家判斷法、區(qū)域宏觀統(tǒng)計(jì)分析法、遙感災(zāi)害制圖法和監(jiān)測(cè)類比法）和數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)法）兩大類。本次研究采用定性與定量相結(jié)合的方法，通過GIS劃分評(píng)價(jià)單元，劃分巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)并進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出針對(duì)性的防治對(duì)策，可為今后對(duì)巖溶地面塌陷的防治提供依據(jù)。

1 巖溶地面塌陷的易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)

1.1 巖溶地面塌陷的易發(fā)區(qū)致災(zāi)因子分析

巖溶地面塌陷是巖溶洞隙、蓋層土體和地下水構(gòu)成的系統(tǒng)在多種因素下表現(xiàn)出來的失穩(wěn)過程,巖溶裂隙是區(qū)內(nèi)巖溶地層普遍發(fā)育的形態(tài)。在灰?guī)r巖溶發(fā)育區(qū)（巖溶管道開口、裂縫），由于巖溶水位的大幅波動(dòng)，發(fā)生潛蝕效應(yīng)，土顆粒開始被滲流搬運(yùn)遷移，土體在長(zhǎng)期的這種潛蝕作用下易形成土洞。當(dāng)土洞發(fā)展到一定階段，失去平衡，最終在地表產(chǎn)生塌陷。

研究區(qū)的巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要有地質(zhì)巖性及巖溶發(fā)育程度、第四系覆蓋層特征、地下水動(dòng)力條件等控制因素，地下水水位的波動(dòng)是引發(fā)巖溶塌陷的主因。

1.1.1 地層巖性及巖溶發(fā)育程度

地層巖溶率：不同地層的巖溶發(fā)育情況存在差異，通過鉆孔巖心分析巖層巖溶發(fā)育情況，詳見各地層巖溶率（表1）。

表1 各地層巖溶率Table 1.Rate of karstification of each stratum

地層巖溶發(fā)育程度：綜合物探及鉆探驗(yàn)證等，區(qū)內(nèi)上覆第四系覆蓋層厚度10～15m，整體視電阻率值較低(ρs＜20Ω·m)，下伏灰?guī)r其視電阻率有明顯的差異性。太原組薄層狀灰?guī)r、砂巖、泥巖：視電阻率未見明顯的物性異常，推斷本區(qū)為巖溶弱發(fā)育區(qū)；奧陶系蕭縣組、賈汪組中厚層灰?guī)r：視電阻率局部為低阻異常區(qū)(ρs＜15Ω·m)，均勻性較好，推斷下伏基巖巖溶發(fā)育一般；奧陶系馬家溝組厚層灰?guī)r：視電阻率值低于5Ω·m，是區(qū)內(nèi)低阻異常最明顯的區(qū)域，推斷下伏基巖溶蝕作用強(qiáng)，巖溶發(fā)育程度高。

1.1.2 構(gòu)造條件

地質(zhì)構(gòu)造中斷層對(duì)巖溶的控制作用一直是巖溶領(lǐng)域的熱點(diǎn)，巖溶主要沿?cái)鄬訕?gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)廣泛分布碳酸鹽巖，以奧陶系馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r最為發(fā)育。通過微重力勘探方法和高密度電阻率法測(cè)線推測(cè)出工作區(qū)以往塌陷點(diǎn)位置，多集中在奧陶系馬家溝組，呈條帶狀分布，主要沿?cái)鄬颖睎|-南西走向發(fā)育。

1.1.3 第四系覆蓋層特征

工作區(qū)位于八公山山前斜坡地，上覆蓋層土體主要為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土和黏土，具有中低壓縮性，呈可塑-硬塑狀態(tài)，承載力特征值一般大于200kPa，松散層厚度10～15m，屬較易引發(fā)巖溶塌陷的厚度。

1.1.4 地下水動(dòng)力條件

由于附近煤礦高強(qiáng)度的疏干排水，增加了水力坡度和水位波動(dòng)頻率，地下水位在大幅度下降的同時(shí)，伴隨著地下水流速的增加，其動(dòng)能也增大，地下水由原來以水平運(yùn)動(dòng)為主變?yōu)樗?垂直運(yùn)動(dòng)為主，使得地下水對(duì)裂隙及溶洞中的泥質(zhì)和碎屑顆粒的搬運(yùn)能力增強(qiáng)，導(dǎo)通裂隙，加強(qiáng)溶蝕，從而讓巖溶管道連通的上覆蓋層穩(wěn)定性受到破壞，誘發(fā)塌陷，尤其在汛期強(qiáng)降雨期間表現(xiàn)明顯。

1.2 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)方法

根據(jù)巖溶地面塌陷發(fā)育地質(zhì)環(huán)境條件、災(zāi)害影響因素的復(fù)雜性等，本次評(píng)價(jià)采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行。通過GIS劃分評(píng)價(jià)單元；根據(jù)研究區(qū)災(zāi)害特征，將其發(fā)育背景、現(xiàn)狀、形成機(jī)理等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；利用AHP模型（層次分析方法）分析致災(zāi)因子權(quán)重；編制巖溶發(fā)育程度柵格圖、土層厚度柵格圖、土層結(jié)構(gòu)柵格圖、地下水年度變幅柵格圖、塌陷密度柵格圖，將參與評(píng)價(jià)的各因子（圖層）量化數(shù)值分配到不同的評(píng)價(jià)單元上，采用相應(yīng)數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型計(jì)算出各單元地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)，再將疊加后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)化進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)。將區(qū)內(nèi)分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)及中易發(fā)區(qū)。

巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)采用綜合指數(shù)法，數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型為：

公式中

P

是第

i

單元的易發(fā)性指數(shù)；

i

是評(píng)價(jià)單元；

j

是評(píng)價(jià)因子；

a

是第

j

個(gè)評(píng)價(jià)因子在第

i

評(píng)價(jià)單元的賦值；

w

是第

j

個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；

m

是評(píng)價(jià)因子數(shù)；

n

是評(píng)價(jià)單元數(shù)。

應(yīng)用AHP模型（層次分析法）確定權(quán)重，具體方法為：

（1）構(gòu)建目標(biāo)層和指標(biāo)層兩種層次模型。選定巖溶地面塌陷易發(fā)性、危險(xiǎn)性等作為評(píng)價(jià)的最高目標(biāo)，選定巖溶發(fā)育情況等作為影響主要因子。

（2）建立判斷矩陣。由專家組構(gòu)造一個(gè)評(píng)價(jià)因子存在相對(duì)關(guān)系的判斷矩陣，通過分析評(píng)價(jià)因子之間的關(guān)系比較巖溶地面塌陷不同因素，賦予不同的值。

（3）確定評(píng)分規(guī)則。對(duì)建立特征要素指數(shù)進(jìn)行劃分，計(jì)算有序權(quán)向量，最終確定計(jì)算評(píng)分規(guī)則。

1.3 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)步驟

采用AHP模型（層次分析法），其本質(zhì)在于對(duì)巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)，用數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化的方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。

應(yīng)用AHP模型（層次分析法）進(jìn)行巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)步驟如下：

（1）根據(jù)土壩孜地區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境影響因素的獲取情況，咨詢專家意見選取4個(gè)條件，對(duì)4個(gè)條件進(jìn)行細(xì)分，確定6個(gè)因子作為本項(xiàng)目的評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）。通過分析評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相互關(guān)系等，綜合確定評(píng)估指標(biāo)對(duì)巖溶地面塌陷造成的影響。

表2 巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)一覽表Table 2.List of indexes for evaluation of karst ground collapse

（2）根據(jù)土壩孜地區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境影響因素的獲取情況構(gòu)成判斷矩陣，確定各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。

一般評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算：根據(jù)AHP模型（層次分析法）的基本原理，判別指標(biāo)通過量化值3、2、1對(duì)應(yīng)強(qiáng)、中、弱來分級(jí)，用B碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度、B松散土層厚度、B松散土層結(jié)構(gòu)、B松散土層底部巖性、B地下水年變化幅度、B塌陷坑密度等6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立起巖溶地面塌陷判斷矩陣，將各指標(biāo)程度表示出來，用九標(biāo)度構(gòu)建權(quán)重分析矩陣，其中6個(gè)指標(biāo)判斷矩陣構(gòu)建（表3）,算出6個(gè)指標(biāo)權(quán)重值（表4）。巖溶地面塌陷判斷矩陣比例為0.064＜0.1，判斷矩陣有較好的一致性，滿足一致性檢驗(yàn)。

表3 巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣Table 3.Karst ground collapse evaluation index judgment matrix

表4 巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4.Karst ground collapse evaluation index weight

1.4 巖溶地面塌陷易發(fā)性分區(qū)

根據(jù)巖溶地面塌陷易發(fā)性綜合指數(shù)值（

P

），按照以下分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)：當(dāng)

P

＞2.7時(shí)，為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)；2.7≥

P

＞2.5，為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)；

P

≤2.5，為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)。

依據(jù)單元等級(jí)對(duì)疊加結(jié)果（表5）,將研究區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)性程度劃分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)。

表5 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)劃分等級(jí)Table 5.Classification of zones prone to karst ground collapse

1.5 巖溶地面塌陷易發(fā)性防治分區(qū)

利用上述評(píng)價(jià)方法，參照《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》，將研究區(qū)劃分為巖溶地面塌陷極重點(diǎn)防治區(qū)（A）、重點(diǎn)防治區(qū)（B）、中等防治區(qū)（C）3個(gè)防治區(qū)（圖1）。

圖1 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)分布示意圖Figure 1.Distribution of zones prone to karst ground collapse

1.5.1 巖溶地面塌陷極重點(diǎn)防治區(qū)（A）

該區(qū)面積2.2hm，主要分布于八公仙閣至惠民小區(qū)及八公山環(huán)衛(wèi)停車場(chǎng)附近小區(qū)一帶。該區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)程度高—中等，人口密集，主要危險(xiǎn)對(duì)象為附近居民。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，基巖巖性以石炭系及奧陶系灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育程度強(qiáng)；地下水徑流作用較強(qiáng)，年變幅大于10.0m，已發(fā)生多處巖溶地面塌陷。為巖溶地面塌陷極高易發(fā)區(qū)。

1.5.2 巖溶地面塌陷重點(diǎn)防治區(qū)（B）

該區(qū)面積5.2hm，主要分布于老小區(qū)至惠民小區(qū)一帶。該區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)程度高—中等，人口密集，主要危險(xiǎn)對(duì)象為附近居民。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，基巖巖性以石炭系及奧陶系灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育程度強(qiáng)。已發(fā)生多處巖溶地面塌陷。為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。

1.5.3 巖溶地面塌陷中等防治區(qū)（C）

該區(qū)面積12.6hm，分布于老土壩孜、肥皂廠宿舍區(qū)一帶居民區(qū)及瀾山和府附近。該區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)程度中等，人口較密集，主要危險(xiǎn)對(duì)象為附近居民。該類地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，基巖巖性主要為奧陶系的灰?guī)r，巖溶發(fā)育程度中等。為巖溶地面塌陷中易發(fā)區(qū)。

2 防治對(duì)策及措施

根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)劃情況，并考慮中心城區(qū)、集鎮(zhèn)、農(nóng)村以及重大工程沿線的不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，本文針對(duì)各級(jí)別防治區(qū)在不同地區(qū)的巖溶地面塌陷情況，提出不同的對(duì)策及措施，具體分述如下。

2.1 極重點(diǎn)、重點(diǎn)防治區(qū)（A、B）

極重點(diǎn)、重點(diǎn)防治區(qū)（A、B）以居民區(qū)為主。監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，主要依靠發(fā)動(dòng)群眾開展群測(cè)群防工作，針對(duì)一些重要設(shè)施建議采用高科技技術(shù)進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測(cè)工作；在工程建設(shè)方面，今后開展工程建設(shè)或施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，利用鉆探、地質(zhì)雷達(dá)等多種手段查明施工場(chǎng)地周圍的巖溶發(fā)育形態(tài)、規(guī)模等，采取洞頂巖樣及充填物土樣進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，科學(xué)評(píng)價(jià)巖溶穩(wěn)定性。同時(shí)，做好樁基礎(chǔ)方案論證，嚴(yán)格執(zhí)行，并制定應(yīng)急工程預(yù)案。建議研究區(qū)建設(shè)多層及以下的一般建筑物。

2.2 中等防治區(qū)（C）

中等防治區(qū)（C）以居民區(qū)為主。監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，開展群測(cè)群防，對(duì)沿線地區(qū)建立監(jiān)測(cè)預(yù)警制度，不定期指定專人進(jìn)行巡查；在工程建設(shè)方面，禁止在未開展水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察前進(jìn)行地下工程建設(shè)；禁止在鐵路、高速公路等沿線1km范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模抽取地下水，500m范圍內(nèi)禁止建設(shè)中高層建筑物，控制人類工程活動(dòng)強(qiáng)度。

3 防治建議

（1）在防治區(qū)內(nèi)及附近區(qū)域禁止大規(guī)模開采地下水，減少地下水量的開采，在未開展相關(guān)水工環(huán)地質(zhì)勘察前，不得進(jìn)行工程建設(shè)。

（2）對(duì)極重點(diǎn)、重點(diǎn)防治區(qū)（A、B）出現(xiàn)巖溶地面塌陷發(fā)生征兆現(xiàn)象，危險(xiǎn)性極大的，隨時(shí)有危險(xiǎn)發(fā)生的地段，必須立即采取避讓措施，將災(zāi)點(diǎn)上人員和財(cái)物及時(shí)遷離危險(xiǎn)區(qū)。

（3）對(duì)極重點(diǎn)、重點(diǎn)防治區(qū)（A、B）通過采取對(duì)溶洞的注漿充填，或?qū)Φ乇磉M(jìn)行防地表水入滲處理，對(duì)流經(jīng)塌陷區(qū)的泄洪溝進(jìn)行防滲處理，有效減少或避免災(zāi)害發(fā)生。

（4）針對(duì)防治區(qū)內(nèi)人口密集區(qū)，建議開展塌陷區(qū)的地面變形監(jiān)測(cè)?？衫酶浇V山及勘查項(xiàng)目遺留的鉆孔，進(jìn)行巖溶管道水壓力監(jiān)測(cè)或地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有效監(jiān)測(cè)水壓、水位，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警。

4 結(jié)論

本文對(duì)淮南市土壩孜地區(qū)巖溶地面塌陷致災(zāi)因子及易發(fā)區(qū)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，劃出巖溶地面塌陷易發(fā)性分區(qū)，確定該地區(qū)易發(fā)性防治分區(qū)，提出今后具體防治對(duì)策措施和防治意見，主要結(jié)論如下：

（1）巖溶地面塌陷的易發(fā)區(qū)致災(zāi)因子主要受地層巖性及巖溶發(fā)育程度、構(gòu)造條件、覆蓋層特征及地下水動(dòng)力條件影響。

（2）本次評(píng)價(jià)采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行，利用AHP模型（層次分析方法）分析致災(zāi)因子權(quán)重，用碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度、松散土層厚度、松散土層結(jié)構(gòu)、松散土層底部巖性、地下水年變化幅度、塌陷坑密度6個(gè)評(píng)價(jià)因子指標(biāo)建立起巖溶地面塌陷判斷矩陣，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性防治分區(qū)，確定防治區(qū)為極重點(diǎn)易發(fā)區(qū)、重點(diǎn)易發(fā)區(qū)及中等易發(fā)區(qū)。

（3）從監(jiān)測(cè)預(yù)警、工程建設(shè)、禁止等提出相應(yīng)的防治對(duì)策及措施，為下一步巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治工作提出防治建議，為該地區(qū)城市建設(shè)及附近居民生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。