廣東佛山市高明區(qū)李家村巖溶塌陷群成因機(jī)理分析

韓慶定，羅錫宜

（廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山 528000）

0 引言

巖溶塌陷是指巖溶洞隙上的巖、土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種巖溶動(dòng)力地質(zhì)作用與現(xiàn)象[1]。巖溶塌陷形成需要具備巖溶空間、一定厚度的蓋層和觸發(fā)因素三個(gè)基本條件[2]。已有研究發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷具有集中分布趨勢(shì)[3?4]，如南寧市壇洛鎮(zhèn)[5]、廣州市夏茅、金沙洲和大坦沙[6]等均出現(xiàn)巖溶塌陷群跡象，因此，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害除了具有突發(fā)性、隱蔽性等特點(diǎn)[7]外還具有群發(fā)性，也就是說巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害一般不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生了就結(jié)束了，它將在未來某個(gè)時(shí)間還會(huì)再次發(fā)生，常常表現(xiàn)出周期性和重復(fù)產(chǎn)生的規(guī)律[1]，其發(fā)生的時(shí)間主要與誘發(fā)因素作用強(qiáng)度有關(guān)，針對(duì)巖溶塌陷這一特點(diǎn)需高度重視。

近年來人為誘發(fā)的巖溶塌陷群受到大家關(guān)注較多[5?10]，而自然誘發(fā)的巖溶塌陷群相關(guān)研究報(bào)道較少，比較著名的是廣西玉林分界塌陷群和四川興文小巖灣塌陷[1]。人為誘發(fā)的巖溶塌陷群預(yù)防相對(duì)較為簡(jiǎn)單且效果顯著，只要控制好或切斷人為誘發(fā)因素就能達(dá)到防止巖溶塌陷再次發(fā)生，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防災(zāi)的目的。而自然誘發(fā)的巖溶塌陷群預(yù)防較為復(fù)雜，需查明其誘發(fā)因素并加以針對(duì)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)預(yù)警方可避免受害，屬于被動(dòng)防災(zāi)，防災(zāi)難度大且效果難以保證，因此，自然誘發(fā)的巖溶塌陷群一旦發(fā)災(zāi)其破壞和影響程度要比人為誘發(fā)的巖溶塌陷群大得多，對(duì)此類成因的巖溶塌陷群更要加以關(guān)注。

本文依托“廣東省城鎮(zhèn)典型巖溶地面塌陷防治研究”項(xiàng)目，以佛山市高明區(qū)富灣鎮(zhèn)李家村自然誘發(fā)的巖溶塌陷群作為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)收集區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造、工程、水文、環(huán)境、氣象、歷史災(zāi)害等資料，結(jié)合鉆探揭露結(jié)果，查明區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件和巖溶發(fā)育特征，分析形成過程，最后探討其成因機(jī)理。為該地區(qū)巖溶塌陷的科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供地質(zhì)理論依據(jù)，從而保障當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚?cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于廣東省中部佛山市高明區(qū)荷城街道辦富灣鎮(zhèn)南側(cè)約600 m 處，包括關(guān)家村、陳家村、李家村開田和余家村所在區(qū)域，面積約0.25 km2；地貌類型為珠江三角洲沖積平原區(qū)，屬南亞熱帶季風(fēng)型氣候，日照充足，雨量充沛，多年平均氣溫為21.9 ℃，多年平均降雨量為1 674.9 mm，其中4—9月為雨季，降雨量約占全年的80%。地表水系較發(fā)育，有魚塘、小河流等，東側(cè)距離西江最近約800 m。地表植被發(fā)育，長(zhǎng)有高大樹木。區(qū)內(nèi)主要有四個(gè)村莊，未見有抽排地下水現(xiàn)象和其他人類工程活動(dòng)。

1.1 地層巖性

研究區(qū)為第四系所覆蓋，第四系地層有第四系殘坡積層（Qedl）、海陸交互相沉積層（Qmc）和人工填土（Qml），下伏基巖地層為早侏羅世金雞組（J1j）基巖，各地層的巖性簡(jiǎn)要描述見表1 和圖1。其中，第四系殘坡積層（Qedl）為區(qū)內(nèi)土洞發(fā)育的主要層位，早侏羅世金雞組（J1j）巖層為區(qū)內(nèi)溶洞發(fā)育層位。

表1 研究區(qū)主要地層巖性表Table 1 Lithology table of main strata in the study area

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于北西向西江斷裂組（f2）和北東向大堯山斷裂組（f1）交匯處附近。區(qū)內(nèi)至少存在三組次級(jí)隱伏斷裂（編號(hào)：f1～f3）交匯（圖1），其主要特征見表2。由表2 可知，斷裂作用導(dǎo)致巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育起到控制作用；此外，北東向斷裂（f1）與西江斷裂（f2）交匯為區(qū)內(nèi)地下水形成強(qiáng)徑流和頻繁交換提供導(dǎo)水通道，對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育起到加速作用，在f1斷裂沿線曾發(fā)生過3 處巖溶塌陷。

圖1 李家村巖溶塌陷群所在區(qū)域地質(zhì)與巖溶發(fā)育分布圖Fig.1 Regional geology and karst development distribution map of Lijia Village karst collapse group

1.3 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)覆蓋層厚度16.70～68.50 m[11]，土體類型屬多層土體，巖石類型屬碎屑巖類綜合巖性組。根據(jù)沉積年代、成因、巖性和物理力學(xué)性質(zhì)差異，將其自上而下共劃分出17 個(gè)工程地質(zhì)層，其中，（1）、（2）-1～（2）-11 和（3）為土層，（4）-1～（4）-4 為基巖，各工程地質(zhì)層特征見表3。

由表3 可知，研究區(qū)覆蓋層表現(xiàn)的特征總體為縱向上呈隔水層與透水層交替分層（即“隔?透”交替分層）、平面上存在漏水“天窗”，其中，（2）-1、（2）-3、（2）-5、（2）-8、（2）-11 和（3）等隔水層中粉質(zhì)黏土、殘坡積土等土體所含黏粒間黏聚力作用可為土洞洞壁形成提供框架支撐結(jié)構(gòu)，而（2）-4、（2）-7、（2）-10 等透水層滲透系數(shù)大（1.3×10?2～2.77×10?2cm/s）[11]可為土層內(nèi)細(xì)小顆粒流失形成土洞空洞提供通道。由于隔水層中存在“天窗”上下透水層之間形成沙漏效應(yīng)，土體中細(xì)小顆粒（如細(xì)砂、粉砂等）在地下水潛蝕作用下通過“天窗”、透水層和導(dǎo)水通道自下往上逐步流失而留下黏性物質(zhì)最終形成土洞，并會(huì)逐步擴(kuò)大由小土洞發(fā)展為大土洞。鉆探揭露發(fā)現(xiàn)土洞全部發(fā)育在土層最底層隔水層（3）和次底層隔水層（2）-8 中，分別為2 個(gè)和16 個(gè)，分別約占總揭露土洞數(shù)的11%和89%，也驗(yàn)證了上述結(jié)果。（2）-2、（2）-6 和（2）-9 等淤泥質(zhì)土層起到一定隔水作用，由于其具有流塑特性無法為土洞洞壁形成提供支撐力，一旦土洞發(fā)展切穿該層底面容易引起較大范圍垮塌甚至引發(fā)地面塌陷，因此該層內(nèi)一般不會(huì)發(fā)育土洞。程星等[12]將珠三角洲蓋層地質(zhì)模型概化為阻?透?阻型和透?阻?透型，并指出地下水流易向“天窗”處匯集形成超水力坡降引發(fā)“流土”現(xiàn)象，總之，這種帶“天窗”的“隔?透”交替型地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)土洞的形成和發(fā)展十分有利。

此外，基巖礫狀灰?guī)r中膠結(jié)物方解石含量高且質(zhì)純，受構(gòu)造作用巖石裂隙發(fā)育，加上斷裂導(dǎo)水通道疊加作用，十分有利于地下水徑流和交換，進(jìn)而溶蝕和帶走細(xì)小顆粒形成溶洞，并不斷擴(kuò)大和發(fā)展。

表2 研究區(qū)主要斷裂特征表Table 2 Characteristics of main faults in the study area

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要有松散巖類孔隙水和覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水兩種，其地下水特征見表4。由于研究區(qū)緊靠西江，處于地下水強(qiáng)逕流和強(qiáng)交換帶上，地下水和地表水聯(lián)系密切且含水層厚度大，雨季地下水排入西江，旱季西江補(bǔ)給地下水，逕流方向有水平向也有垂直向，為區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育提供有利的動(dòng)力條件，同時(shí)也會(huì)直接誘發(fā)巖溶塌陷。此外，區(qū)內(nèi)溶洞水水位普遍比松散土層水位高[8]，說明區(qū)內(nèi)溶洞水具有承壓性，反映出該區(qū)域斷裂導(dǎo)水性較好，是區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育另一有利水文條件。

2 巖溶發(fā)育特征及巖溶塌陷概況

2.1 土洞發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)收集到74 個(gè)鉆孔資料，其中有18 個(gè)鉆孔揭露到土洞，鉆孔見洞率約24%，所揭露的各土洞特征見表5 和圖1。由圖1 可知，土洞發(fā)育與斷裂走向基本一致且在斷裂交匯帶處集中。由表5 可知，土洞洞頂土層厚度26.80～45.80 m，洞高0.70～9.53 m；約有48%的土洞呈半充填狀態(tài)，約有39%的土洞呈充填狀態(tài)，約有13%的土洞呈無充填狀態(tài)；充填物質(zhì)主要有流塑—軟塑黏性土，含砂、礫石、碎石；部分土洞與土洞之間連通性較好，連結(jié)成大土洞。

表3 研究區(qū)巖土體特征表Table 3 Characteristics of rock and soil mass in the study area

表4 研究區(qū)地下水特征表Table 4 Groundwater characteristics in the study area

2.2 溶洞發(fā)育特征

所收集到的74 個(gè)鉆孔中有23 個(gè)鉆孔揭露到溶洞，鉆孔見溶洞率約31%，所揭露的各溶洞特征見表6 和圖1。由圖1 可知，溶洞與土洞發(fā)育分布基本一致，受斷裂和古河道控制[10]。由表6 可知，溶洞頂板埋深27.40～51.00 m，溶洞頂板礫狀灰?guī)r厚度0.20～6.20 m，溶洞以1～2 層為主，個(gè)別達(dá)5 層，單洞洞高0.30～11.00 m，單孔線巖溶率4.0%～89.0%；溶洞多呈充填或半充填狀態(tài)，僅5 個(gè)溶洞無充填物，充填溶洞占溶洞總數(shù)的63%，半充填溶洞占20%；充填物為流塑?軟塑黏性土的溶洞占47%，充填物為砂、礫石的占37%。其中，充填及半充填溶洞分布于礫狀灰?guī)r的上部，埋藏淺，與古河道連通性好；而無充填的溶洞分布部位稍深，規(guī)模小。

2.3 以往巖溶塌陷概況

研究區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過10 處巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害[11]，其特征見表7 和圖1。由表7 可知，2005年4月25日—5月14日期間在樹林內(nèi)、魚塘邊和河涌邊陸續(xù)發(fā)生過4 處（編號(hào)：TX1～TX4），10月8日在干魚塘內(nèi)發(fā)現(xiàn)1 處（編號(hào)：TX5），10月25日在西安河（干魚塘底）內(nèi)發(fā)現(xiàn)3 處（編號(hào)：TX6～TX8），之后2006年3月10日又在西安河（干魚塘底）內(nèi)發(fā)現(xiàn)2 處（編號(hào)：TX9～TX10）。塌陷坑直徑0.6～5 m，個(gè)別達(dá)22.5 m，深度0.8～7 m，形態(tài)以圓形?近圓形為主，個(gè)別為長(zhǎng)條形，按照塌陷坑數(shù)量個(gè)數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)[13]，可知李家村巖溶塌陷群規(guī)模屬中型。

表5 研究區(qū)土洞特征表Table 5 Characteristics of soil caves in the study area

3 巖溶塌陷群成因機(jī)理分析

3.1 巖溶塌陷群形成的發(fā)生過程分析

根據(jù)李家村巖溶塌陷群所記錄的發(fā)災(zāi)經(jīng)過[11]（編號(hào)為TX1～TX4），結(jié)合塌陷發(fā)生先后位置的地形地貌、巖土體結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育和降雨情況等特點(diǎn)，將其發(fā)生過程劃分為三個(gè)階段：前期水滲氣壓階段→中期軟化塌陷階段→后期振動(dòng)群塌階段，致塌模式屬滲壓?重力?軟化型（圖2）。各階段特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

（1）前期水滲氣壓階段

因該區(qū)域長(zhǎng)期受干旱少雨所影響，地下水位處于低位，在大暴雨作用時(shí)，雨水除一部分地表逕流流失外另一部分通過土體孔隙滲入土中，尤其是通過植物根系（如茂密樹林）入滲至更深部，此時(shí)形成土層上部入滲水峰面，與地下水位面構(gòu)成一個(gè)封閉區(qū)域，將土體孔隙中填充的氣體包圍其中，并隨著入滲水峰面下降與地下水位面上升，包圍在其中的氣體體積被壓縮產(chǎn)生反作用力，作用于土洞頂部土體中，并隨著兩個(gè)面的靠近被壓縮氣體的反作用力亦逐漸變大。

（2）中期軟化塌陷階段

雨水入滲水峰面的下降和地下水位面的上升所經(jīng)過的區(qū)域土體發(fā)生軟化，同時(shí)土洞上覆土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)從而導(dǎo)致其上覆土體重力增加，入滲水峰面與地下水位面之間形成的氣壓沖擊作用[14?18]、上覆土體飽和后增加荷載作用和土體軟化作用共同導(dǎo)致土洞頂部土體發(fā)生垮塌，形成塌陷（TX1）。

（3）后期振動(dòng)群塌階段

TX1 巖溶塌陷發(fā)生后，瞬間導(dǎo)致大量上部土體和地表水充填原有土洞空間并涌入溶洞內(nèi)，有部分通過巖溶管道運(yùn)移到其他地方，水土瞬間的垮塌產(chǎn)生強(qiáng)烈的巖土體振動(dòng)作用和水體波動(dòng)作用，通過“巖?土?水”媒介向四周傳遞，破壞四周區(qū)域巖土體的原有結(jié)構(gòu)性能，改變?cè)小皫r?土?水?氣”系統(tǒng)的力學(xué)平衡極限，直接引發(fā)巖溶塌陷（TX2），或?qū)е聨r土體中抗垮塌力學(xué)平衡極限降低，并在其他外界因素（如降雨）的再次作用下，間接誘發(fā)巖溶塌陷（TX3），如此繼續(xù)影響作用，不斷四周外圍擴(kuò)展直接或間接引發(fā)塌陷（TX4～TX10），最終形成了塌陷群。

3.2 巖溶塌陷群形成的成因分析

通過對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶塌陷形成的演化過程綜合分析，認(rèn)為李家村巖溶塌陷群的致塌因素包括特殊的“巖?土?水?氣”組合、斷裂構(gòu)造、植物根系和極端天氣等。

3.2.1 內(nèi)因與特殊的“巖?土?水?氣”組合有關(guān)

（1）基巖：可溶巖基巖為早侏羅世金雞組（J1j）礫狀灰?guī)r，礫石成分以灰?guī)r為主，約占礫石的50%，鈣質(zhì)膠結(jié)，滴酸強(qiáng)烈起泡，CaCO3含量大于95%[11]，屬純度較高的碳酸鹽巖，極易溶蝕，為溶土洞發(fā)育和巖溶塌陷群的發(fā)生奠定了物質(zhì)基底。

表6 研究區(qū)溶洞特征表Table 6 Characteristics of karst caves in the study area

表7 研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害特征表Table 7 Geological hazard characteristics of karst collapse in the study area

（2）土體：第四系海陸交互相沉積層（Qmc）廣泛發(fā)育著這種帶“天窗”的“隔?透”交替型地質(zhì)結(jié)構(gòu)，十分有利于地下水的躍層交換潛蝕和細(xì)小顆粒的運(yùn)移流失，為土洞發(fā)育和地下水強(qiáng)逕流潛蝕作用創(chuàng)造了條件。第四系底部由礫狀灰?guī)r風(fēng)化而成的殘坡積層（Qedl）物質(zhì)組成主要有殘積黏性土并含灰?guī)r碎石，具有一定的黏結(jié)力和透水性，十分有利于地下水潛蝕作用發(fā)育土洞，為區(qū)內(nèi)孕育土洞的主要地質(zhì)體[10]。

圖2 李家村巖溶塌陷群的發(fā)生過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of occurrence process of Lijia Village karst collapse group

（3）水體：地表水（魚塘、小河流、西江等）資源豐富，加之地下水位埋深淺，導(dǎo)致地下水與地表水水力聯(lián)系密切；其次，第四系海陸交互相沉積層（Qmc）中透水砂層較厚，地下水可通過砂層逕流至西江，同時(shí)當(dāng)西江水位上升時(shí)亦可接受西江水的滲流，常年反復(fù)作用形成地下水的強(qiáng)交換帶；再者，地下水富水性中等?豐富且具有承壓性，有利于可溶巖的溶蝕作用?？傊?，地下水豐富及其強(qiáng)逕流和強(qiáng)交換作用為溶土洞的形成和發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。

（4）氣體：由表3 可知上部土層以松散?稍密為主，土顆粒間存在較大空隙，充填著較多氣體，一旦雨水入滲密封頂板后，土間氣體將起到壓力傳遞介質(zhì)間接誘發(fā)巖溶塌陷作用。

3.2.2 趨勢(shì)由斷裂構(gòu)造控制

區(qū)內(nèi)多期次斷裂構(gòu)造作用一方面導(dǎo)致巖石破碎增加可溶巖石被溶蝕表面積和加速其風(fēng)化速度，另一方面大堯山斷裂組次級(jí)斷裂（f1）與西江斷裂（f2）的交匯溝通了地表水（西江）和地下水的聯(lián)系，為區(qū)內(nèi)形成地下水強(qiáng)逕流和強(qiáng)交換帶提供了前提，從而控制著巖溶的發(fā)育。

3.2.3 過程受植物根系影響

高大樹木根系可延伸進(jìn)土中深處，從塌坑內(nèi)觀察可見較多樹根延伸超過1.5 m，加上區(qū)內(nèi)地下水位埋深淺（1.05～3.08 m），因此，植物根系作用可構(gòu)成地下水與地表水的有利逕流通道。

3.2.4 誘因與極端天氣有關(guān)

李家村巖溶塌陷群是在一場(chǎng)大暴雨后開始暴發(fā)的，當(dāng)日降雨量高達(dá)151.20 mm。由圖3 可知，在巖溶塌陷群發(fā)生前兩年（即2003年和2004年）年降雨量均小于1 000 mm，日降雨量0～40 mm，平均日降雨量約10 mm，最大日降雨量約60 mm，兩年間多達(dá)200 d 為無雨日，導(dǎo)致該區(qū)域地下水水位持續(xù)下降，直至2005年4月25日發(fā)生塌陷前地下水位接近近年來歷史最低位（埋深約7.50 m），出現(xiàn)大暴雨后，在“巖?土?水?氣”等綜合作用下產(chǎn)生較大的氣壓差從而誘發(fā)了巖溶塌陷。

圖3 研究區(qū)2002—2019年年降雨量分布圖Fig.3 Annual rainfall distribution chart of the study area from 2002 to 2019

綜上所述，李家村巖溶塌陷群是在特殊的“巖?土?水?氣”組合地質(zhì)環(huán)境條件下，由強(qiáng)降雨作用誘發(fā)導(dǎo)致土洞垮塌引發(fā)一連串自然塌陷所形成的。

4 結(jié)論

（1）李家村巖溶塌陷群的發(fā)生過程包括前期水滲氣壓、中期軟化塌陷、后期振動(dòng)群塌等三個(gè)階段，其致塌模式為滲壓?重力?軟化型。

（2）李家村巖溶塌陷群是由強(qiáng)降雨誘發(fā)導(dǎo)致土洞垮塌引發(fā)一連串自然塌陷所形成的，其致塌因素主要包括特殊的“巖?土?水?氣”組合、斷裂構(gòu)造、植物根系和極端天氣等。基巖方解石含量高易溶蝕、帶“天窗”的“隔?透”交替型地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水的強(qiáng)逕流與頻繁交換潛蝕作用和土體飽氣的特殊“巖?土?水?氣”組合為土洞和溶洞形成和發(fā)展起到?jīng)Q定性作用，北東向和北西向斷裂交叉疊加作用對(duì)巖溶發(fā)育起到控制作用，植物根系增加地表水和地下水連通性，強(qiáng)降雨極端天氣作用是主要誘因。

致謝：本文初稿完成后由本單位劉建雄教授級(jí)高級(jí)工程師進(jìn)行審查，并給出了寶貴的修改意見，在此表示感謝！另外，感謝廣東省城鎮(zhèn)典型巖溶地面塌陷防治研究項(xiàng)目組全體成員，為本文的完成提供了重要幫助。