某巖溶區(qū)災(zāi)害發(fā)育特征及形成條件研究

何孝挺，杜 娟，陸本學(xué)，莊 偉

（1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000；2.平塘縣自然資源局，貴州 平塘 558300）

碳酸鹽巖地區(qū)在潮濕多雨的條件下極易形成大規(guī)模的巖溶地貌，進(jìn)而造成地面塌陷、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對擬建工程及公路、鐵路等的安全影響極大[1]。研究區(qū)屬于典型的巖溶區(qū)，自2014年以來多次出現(xiàn)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，因地面塌陷形成多處塌陷坑和地裂縫，局部房屋基礎(chǔ)被掏空，房屋嚴(yán)重開裂，墻面整體錯(cuò)位，房屋歪斜，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)卮迕竦纳a(chǎn)生活。該地面塌陷雖暫時(shí)未造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，但給當(dāng)?shù)鼐用裨斐闪司薮蟮木褙?fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。鑒于此，本文總結(jié)該巖溶區(qū)災(zāi)害的發(fā)育特征及形成條件，為進(jìn)一步確定治理方案提供參考。

1 巖溶災(zāi)害發(fā)育特征

1.1 基本地質(zhì)概況

研究區(qū)地層出露較簡單，主要為下石炭統(tǒng)大塘階測水段碳酸鹽巖，巖性主要為灰?guī)r，為巖溶的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)查資料可知，該區(qū)域是巖溶地面塌陷的高易發(fā)區(qū)，歷史上曾多次發(fā)生巖溶地面塌陷災(zāi)害，已知的有9處，發(fā)生時(shí)間遠(yuǎn)近不一，規(guī)模各異，但出現(xiàn)的塌陷坑在形態(tài)上多類似，皆為直筒型。

1.2 巖溶地面塌陷發(fā)育及分布特征

研究區(qū)地面塌陷屬巖溶地面塌陷，至目前為止，研究區(qū)發(fā)生3次塌陷，出現(xiàn)3個(gè)塌陷坑及多處地面裂縫等，致使多棟房屋出現(xiàn)墻面裂縫等變形。根據(jù)對全村24棟民房的變形情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生變形的11處房屋主要分布在該村北西角至南東角一線上，與早期發(fā)現(xiàn)的塌陷坑分布規(guī)律一致。

1.3 巖溶地面塌陷形態(tài)及規(guī)模特征

2014年10月25日，研究區(qū)北側(cè)磚瓦房地面發(fā)生塌陷，塌陷后地面形成一處2.5m×5.0m的塌陷坑，地面下沉約0.1m。地面出現(xiàn)多處裂縫，裂縫寬1mm～3mm，上下錯(cuò)落2mm～6mm；一處房屋墻面塌落。多棟房屋墻面出現(xiàn)橫向和縱向裂縫，橫向裂縫寬1mm～30mm，縱向裂縫寬1mm～10mm。2014年12月6日，該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)再次發(fā)生巖溶地面塌陷，形成一處1.5m×2.0m的塌陷坑，地面下沉約1.0m，并在塌陷坑周邊形成了長約2.0m的地面裂縫，裂縫寬度為10mm，走向261°。該處地面塌陷位置在災(zāi)害發(fā)生后進(jìn)行了回填，該處居民也進(jìn)行了搬遷，隨后兩年該處未繼續(xù)發(fā)生塌陷。

1.4 巖溶地面塌陷的危害性

研究區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，給當(dāng)?shù)卮迕裨斐奢^大的心理恐，并短時(shí)期內(nèi)打亂了當(dāng)?shù)卮迕竦恼Ｉa(chǎn)和生活秩序。研究區(qū)受到地面變形和房屋開裂影響的民房有11間，受影響的房屋面積約720m2，但大部分民房出現(xiàn)的裂縫較輕微該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)出現(xiàn)的地面變形和地面塌陷未造成人員傷亡事故，但受影響的民房經(jīng)濟(jì)損失約280萬元，地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情等級為小型，險(xiǎn)情等級為中型。

2 地面塌陷的形成條件

2.1 隱伏巖溶發(fā)育與空間分布規(guī)律

研究區(qū)可溶巖為下石炭統(tǒng)大塘階測水段組碳酸鹽巖，巖性主要為灰?guī)r，局部巖石節(jié)理裂隙方解石脈發(fā)育，裂隙面見褐紅色鐵質(zhì)渲染或泥鐵質(zhì)物充填。該區(qū)巖溶發(fā)育，鉆孔均揭露到溶洞，見洞率為64.29%。溶洞高多為2.70m～14.60m，洞高最小為0.50m，最大為14.60m，平均7.39m；洞頂埋深多大于23m，個(gè)別較淺者為17m。溶洞多發(fā)育于微風(fēng)化石灰?guī)r頂部，頂板為殘積層粉質(zhì)黏土或全風(fēng)化石灰?guī)r，底板為微風(fēng)化石灰?guī)r，全填充流塑—軟塑狀細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。發(fā)育形態(tài)多為獨(dú)立的圓球狀、橢球狀及透鏡體狀，在垂直方向上呈串珠式分布。發(fā)育于微風(fēng)化石灰?guī)r、上下頂板皆為基巖的溶洞僅在1個(gè)鉆孔中揭露到，溶洞全填充淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和，流塑，無搖振反應(yīng)，局部夾雜巖塊。溶洞頂板為厚30cm的微風(fēng)化灰?guī)r。鉆探揭露顯示，基巖上部微風(fēng)化段多發(fā)育有溶隙、溶孔等。溶隙疏密程度不一，分布不均，多呈空隙狀，部分開張性較好，與淺表部侵蝕溝槽或溶洞溝通者有粘土或巖石崩積碎巖快、角礫等充填。溶孔在鉆探巖心上，呈單孔狀或蜂巢狀，分布不均勻，孔徑一般2mm～15mm，充填褐紅色鐵質(zhì)泥。溶隙及溶孔發(fā)育地段在鉆探過程中往往表現(xiàn)為少量漏水、漏漿段，在可溶巖淺部與溶溝、溶槽及溶洞共同發(fā)育區(qū)，則是巖溶發(fā)育的主要形式。根據(jù)鉆探資料，調(diào)查區(qū)內(nèi)可溶巖出露條件屬覆蓋型可溶巖，隱伏于第四系沖洪積以下，未出露地表，其地面標(biāo)高148.42m～106.27m，埋藏深度15.30m～55.80m。

2.2 土洞發(fā)育及分布特征

地下土洞主要形成于巖溶發(fā)育地區(qū)，土洞的發(fā)育與上覆土層的性質(zhì)和厚度、巖溶發(fā)育程度、地下水活動等因素密切相關(guān)。根據(jù)外業(yè)勘察資料：研究區(qū)共有3個(gè)鉆孔揭露到土洞，覆蓋于可溶性巖以上第四系土層，見洞率達(dá)10.71%。洞頂埋深在20.80m～49.9m之間，土洞高度規(guī)模約6.50m。所有土洞呈全充填狀態(tài)，充填物多以流塑狀、軟塑狀粘土和松散細(xì)砂為主。從以溶洞、土洞的發(fā)育、分布特征分析，研究區(qū)巖溶發(fā)育具有以下基本規(guī)律：①地下溶洞、土洞主要分布于粉質(zhì)粘土層中；②土洞埋藏深度一般較大，一般在23m以上，個(gè)別埋深較淺也達(dá)17.0m，埋深大達(dá)49.9m，土洞的規(guī)模較大，洞高為0.5m～16.5m不等；③地下土洞呈全充填狀態(tài)，充填物以流塑狀、軟塑狀粉質(zhì)粘土和松散細(xì)砂為主。

2.3 第四系土層厚度變化與巖溶發(fā)育分布特征

（1）土層厚度變化特征。根據(jù)鉆探資料顯示，研究區(qū)第四系土層整體上具有北、東部兩側(cè)薄中部厚的特點(diǎn)，靠近祠堂正門附近是該地段土層最厚的位置。研究區(qū)土層總體厚度為15.3m～55.8m，頂部為填土或耕土，厚度一般0.6m～4.0m，向下為沖洪積粉質(zhì)粘土及中砂、殘積粉質(zhì)粘土，厚度分別為3.90m～29.10m和1.80m～46.20m。

（2）土層厚度與巖溶發(fā)育分布特征。研究區(qū)已出現(xiàn)的地面塌陷及房屋變形跡象，主要分布在村東側(cè)一帶，與之對應(yīng)的第四系土層厚度為22m～36m。由此可以推測，地面塌陷的發(fā)生與土層厚度有極為密切的關(guān)系：土層太薄則不利于土洞、溶洞的形成，致使地面塌陷的基本條件缺失；土層太厚則在土洞、溶洞“破頂”后，有足夠的砂土填充洞體空間，加之洞內(nèi)原本就有充填物，坍塌造成的土體下沉逐步上傳到地面上，影響已降到極小，故鉆孔部分均揭露到有較厚的土洞、溶洞，但是地表建筑物均為見有墻體裂縫等變形跡象。所以，適宜的土層厚度是造地面塌陷的重要因素。

3 巖溶地面塌陷的機(jī)理

研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的塌陷主要是由于雨季旱季交替，地下水位陡降陡升加速了地下水的流動，并快速帶走巖溶土洞內(nèi)的充填物，使巖溶土洞的內(nèi)應(yīng)力受到破壞，在某種外動力的刺激下發(fā)生塌陷的結(jié)果。巖溶土洞塌陷的形成主要包括以下幾個(gè)方面的作用。

（1）失托增重效應(yīng)。地下水位的快速下降，消減了對覆蓋層或土洞頂板的浮托力，使覆蓋層或土洞失穩(wěn)、坍塌[2]；同時(shí)，巖溶土洞內(nèi)的充填物（流塑狀粉質(zhì)粘土或砂土）被水流帶走，從而引起覆蓋層或土洞的破壞，導(dǎo)致巖溶地面塌陷。

（2）滲透溶蝕效應(yīng)。研究區(qū)內(nèi)巖溶地下水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，動水壓力增強(qiáng)，從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和覆蓋層的潛蝕、沖刷和掏空作用增強(qiáng)，使巖溶洞隙內(nèi)的充填物被搬運(yùn)帶走，土體發(fā)生滲透變形破壞，地下水位下降速度、幅度越大，作用于土體的水力坡度越大，在覆蓋層中，水流的滲透壓力產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用[3]。這種作用隨著巖溶地下水位的下降，水頭差的增大而增強(qiáng)，土洞不斷向上擴(kuò)展而導(dǎo)致塌陷。

4 結(jié)語

綜上所述，研究區(qū)土體厚度大，巖溶發(fā)育，具有數(shù)量眾多、分布不規(guī)律的土洞、溶洞，滿足巖溶地面塌陷形成的基本條件；同時(shí)，第四系砂、卵石層結(jié)構(gòu)松散，圧密度低，在土層厚度適宜的地段，下部土洞平衡狀態(tài)破壞后，極易沿通道填充土洞，造成上部坍塌，具備巖溶地面塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，后期地下水位季節(jié)性漲跌和人類活動加劇了災(zāi)害的發(fā)展?？傮w上，研究區(qū)巖溶地面塌陷的內(nèi)在因素是區(qū)內(nèi)土洞、溶洞發(fā)育程度高、第四系土層厚度變化大，具備塌陷的適宜厚度，且地下水豐富，外因?yàn)閺?qiáng)烈抽排地下水改變土層應(yīng)力狀態(tài)。