湖南省臨武縣烏云洞村巖溶地面塌陷特征及成災機理探討

霍然，陳慶峰，肖穎斌

（湖南省湘南地質勘察院，湖南 郴州 423000）

0 引言

湖南省臨武縣烏云洞自然村，于2018年3月至2020年4月左右村內及周邊陸續(xù)發(fā)生數個塌坑，部分房屋發(fā)生變形開裂現象，且變形現象仍在加劇，嚴重影響到當地居民的正常生活，生命與財產安全受到威脅。本文作者通過收集已有資料并進行綜合分析研究的基礎上，通過地面水文地質、工程地質、環(huán)境地質調查測繪、地球物理探測、工程地質鉆探、室內試驗及綜合研究等工作手段，基本查明區(qū)內地面塌陷的發(fā)育特征、災害規(guī)模及危害程度。初步分析災害成災機理，并預測未來地質災害的發(fā)展趨勢，提出防治建議[1]。

1 地質環(huán)境條件

1.1 地形地貌

區(qū)內地貌類型為構造剝蝕溶蝕丘陵-低山地貌，地表沖溝發(fā)育，地形起伏，區(qū)內最高海拔標高位于北西側自然山體，標高約750m，最低海拔標高位于區(qū)南側農田附近，標高約472m，村莊分布標高為546.29~585.13m。區(qū)內原始地形坡度10°～35°。區(qū)內整體地形北西高南東低。

圖1 地貌特征及地表巖溶分布照片

1.2 氣象水文

區(qū)內多年年均降水1420.7mm，多年年均降水日159.3天，最長連續(xù)降雨日數19天，時間1998年4月3日止，年均蒸發(fā)1562.7mm，最高蒸發(fā)量238.6mm,最低蒸發(fā)量61.3mm，年均濕度79%，最高濕度82%，最低濕度77%,春夏兩季降雨量占年總降雨量的77%，其中4～9月占年降雨量的68%。

1.3 地層巖性

1.3.1 第四系殘坡積粘土(Qel+dl)

分布于自然斜坡及溝谷低洼地段，主要由淺灰褐色、黃褐色粘土組成，局部地段夾有少量碎石，局部地表見有基巖出露，該層厚約0~20m不等。

1.3.2 石炭系中上統壺天群（C2+3ht）

該地層主要分布于區(qū)內大部分地區(qū)，分布面積較大，北西側以花崗巖為界，與北西側花崗巖巖體呈侵入接觸關系；該層系淺海相碳酸鹽巖建造，厚度>310m，巖層總體走向近南北，小褶皺發(fā)育，局部變化較大，傾角一般40~60°，以40°左右居多，局部可達80°[2]。

1.4 地質構造與地震

區(qū)內及其周邊處于區(qū)域性背斜北東段，北側與花崗巖體呈侵入接觸?？傮w呈向東傾斜為單斜，地層傾角35°~80°，自北向南逐漸變陡。區(qū)內斷裂構造按其走向大致可以分為近南北向、南東東向。

區(qū)內屬地震基本烈度Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g，地震動反應譜特征周期值為0.35s，屬弱震區(qū)。

1.5 巖漿巖

勘查區(qū)內出露的巖漿巖主要有北東部的花崗巖巖體和南東部的一條花崗斑巖脈。花崗巖巖體位于北東部，與壺天群大理巖地層接觸，其巖性主要為細粒斑狀黑云母鉀長花崗巖?；◢彴邘r脈分布于區(qū)南東部，呈北東向展布，整體傾向南東。巖石呈灰白色，風化面為淺黃褐色，多斑狀結構，塊狀構造。

1.6 巖土體類型

1.6.1 較硬中厚至巨厚層大理巖巖組

廣泛分布于區(qū)內，由石炭系中上統壺天群白云石大理巖及方解石大理巖組成，巖石風化表面呈深灰色、灰黑色，巖石風化節(jié)理裂隙發(fā)育，局部較為破碎，巖石中巖溶發(fā)育強烈，多處發(fā)育有落水洞及溶洞。大理巖飽和抗壓強度25~60MP。

1.6.2 堅硬花崗巖巖組

勘查區(qū)巖漿巖主要出露在北東側。基質為長石石英、云母等礦物，斑晶有石英、長石，含團塊狀及細脈狀石英。巖體較完整，中風化花崗巖飽和抗壓強度60～100MPa[3]。

1.6.3 殘坡積可塑-硬塑粉質粘土單層結構土體

該層為第四系殘坡積成因，由粉質粘土組成，土體厚度變化較大，局部地表見有基巖出露，厚度0.0~20.0m不等。土體呈可塑-硬塑狀態(tài)，局部軟塑，以粘性土為主，含強風化巖碎塊，土質不均勻，干強度中等，韌性中等，搖振無反應，土質松散，可壓縮性強，工程性質差[4]。

1.7 水文地質條件

（1）第四系孔隙水：主要分布于第四系殘坡積粘土內，因勘查區(qū)內第四系土層厚度差異較大，所以孔隙水含量不均，孔隙水與下部巖溶裂隙水呈互為補給關系，因孔隙水與巖溶裂隙水聯通不均，局部巖溶發(fā)育地段與巖溶裂隙水直接接觸。第四系孔隙水是大氣降水匯集地，屬于地下水下滲通道。

（2）巖溶裂隙水：主要地層為石炭系中上統壺天群。巖性主要為白云石大理巖及方解石大理巖；分布于勘查區(qū)大部分地區(qū)及其外圍。大理巖中巖溶發(fā)育，洼地、漏斗、落水洞、暗河溶洞等廣泛分布，富含巖溶構造水。

（3）風化裂隙水:由花崗巖組成，分布于勘查區(qū)北東側花崗巖巖體處。由于受構造破壞及風化作用，巖體裂隙發(fā)育，含裂隙水。

1.8 巖溶發(fā)育特征

地表巖溶常見的為圓形巖溶洼地，其次是漏斗、落水洞、溶槽。主要分布在調查區(qū)中部，總體走向近南北向。區(qū)域內地下巖溶常見的為溶洞和地下暗河。本區(qū)巖溶發(fā)育，明顯地受到巖性、構造和不同巖性接觸層面三個主要因素控制[5]。

1.9 物探異常特征

高密度電法能通過電阻率差異探測地下溶洞、溶槽、土石分界面等地質體，能探測地下數十米內地質結構，包括土洞、淺部巖溶地質體、采空區(qū)、淺部地質構造、土石分界面等。為查明區(qū)內巖溶分布和發(fā)育特征，本次勘查開展了高密度電法工作。綜合以往工作經驗及相近地區(qū)巖石電性參數資料，主要物性參數如表1。

表1 電性參數表

通過高密度電法的工作收集數據，經整理剔除畸變及單點異常在勘查區(qū)范圍內發(fā)現32處有效低阻異常。選定異常特征明顯區(qū)域進行鉆孔驗證。鉆探施工揭露有溶洞深度0.60~1.0m不等，規(guī)模大小不等，溶洞形態(tài)不規(guī)則，溶洞呈半充填-無充填狀態(tài)，充填物主要為深灰色粘土夾碎石滾快，局部含有少量細砂，溶洞內粘土呈軟塑-流塑狀態(tài)。

圖2 綜合地質剖面圖

2 巖溶地面塌陷特征

烏云洞村共發(fā)生塌陷13處，除TX09-TX12為老塌陷坑外，其余9個塌陷坑（TX01-TX08、TX13）均為2018年3月至2020年4月發(fā)生，其中年代久遠塌陷4處，2018年發(fā)生2處，2019年發(fā)生5處，2020年發(fā)生2處，3處塌陷坑位于村內，10處塌陷坑位于村莊周邊且距離村莊較近，2018年以后發(fā)生的塌陷現狀均處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

表2 烏云洞塌陷坑統計表

從地面塌陷分布平面圖上可以看出，塌陷分布具有明顯的帶狀分布特征，總體走向呈南北向，與區(qū)內地層走向一致，塌陷坑的帶狀分布特征也代表著地下暗河所在位置[7]。

3 巖溶地面塌陷成災機理分析

康彥仁在《論巖溶塌陷形成的致塌模式》中對巖溶地面塌陷的致塌模式進行了總結歸納，提出了八大致塌模式，分別為重力致塌式、潛蝕致塌式、真空吸蝕致塌式、沖爆致塌式、振動致塌式、荷載致塌式、溶蝕致塌式、根蝕致塌式。

圖3 塌陷分布平面示意圖

烏云洞巖溶地面塌陷的形成主要經過溶洞→土洞→塌陷的過程，在塌陷體陷落的過程中，往往要受到多種因素、多種作用力的影響和作用，當致塌力超過抗塌力時，便產生形成。一般情況下，致塌力主要包括巖土體自重力、地下水垂向滲透力和側向滲透力，巖土體空隙中氣體的正壓力或負壓力、振動力；抗塌力包括巖土體的內聚力、塌陷體周邊摩阻力、地下水浮托力。

據分析，烏云洞巖溶地面塌陷屬于潛蝕致塌模式，潛蝕致塌模式是指覆蓋巖溶地區(qū)土層，在地下水流的滲流作用下，當其獲得的實際水頭值或水力坡度足夠大，使土層產生機械潛蝕或流土等潛蝕作用，引起土層破壞，形成土洞，土洞發(fā)展變化從而導致塌陷。

潛蝕式塌陷主要是因地下水的垂向滲透力和集中滲透點的作用，因為垂向滲透力使土體獲得實際水頭值，在集中滲透點附近，水流集中，流速較大，潛蝕作用最強，有利于土洞塌陷的形成。土層可因地下水位的反復升降，受到多次潛蝕作用，而在土層中形成土洞發(fā)育帶[8]。

圖4 塌陷成災機理分析

4 結語

區(qū)內地面沉降變形正處于變形階段，部分房屋開裂變形仍在繼續(xù)，地面塌陷處于不穩(wěn)定狀態(tài)?？辈閰^(qū)內工程地質條件差，水文地質條件復雜，巖溶極為發(fā)育，且該區(qū)具備了形成巖溶地面塌陷地質災害的條件，在條件得不到改善的情況下，地表房屋開裂加劇、現有地面塌陷規(guī)模擴大及新發(fā)地面塌陷的可能性極大[9]。

（1）區(qū)內部分房屋變形開裂嚴重，應立即組織房屋變形嚴重村民撤離，并對已發(fā)生塌陷坑進行回填。

（2）應對變形區(qū)內地面以及建構筑物采取專業(yè)監(jiān)測，及時掌握變形的發(fā)展變化情況并采取有效措施，防止意外發(fā)生。

（3）根據以上結論，建議變形區(qū)內居民應盡快搬遷避讓，確保人民群眾生命財產安全。